CN100439818C - 冷冻装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种冷冻装置，其中不使用氟利昂规制对象的制冷剂，而是使用起载油体作用的制冷剂，同时可实现达-150℃的超低温。本发明的冷冻装置是由构成独立制冷剂封闭回路(1)的高温侧制冷剂回路(2)和低温侧制冷剂回路(3)两个回路构成，其中该制冷剂回路(1)实现将从压缩机排出的制冷剂冷凝后蒸发而发挥冷却作用，由位于高温侧制冷剂回路(2)的蒸发器(14)和位于低温侧制冷剂回路(3)的冷凝器(23)构成级联冷凝器(25)，在低温侧制冷剂回路(3)中封入其中含有R245fa等的非共沸点混合制冷剂，或者封入其中含有R245fa等的非共沸点混合制冷剂，或者封入其中含有R245fa等的非共沸点混合制冷剂。
Description
技术领域
本发明涉及一种所谓的二元冷冻方式的冷冻装置，其中构成独立的二系统的制冷剂回路，由位于高温侧制冷剂回路的蒸发器和位于低温侧制冷剂回路的冷凝器构成热交换器。
背景技术
过去，在上述的所谓二元冷冻方式的冷冻装置中，采取将高温侧和低温侧的制冷剂回路分别设置成独立的二系统制冷剂回路，由高温侧制冷剂回路的蒸发器和低温侧制冷剂回路的冷凝器构成热交换器，通过高温侧制冷剂回路的制冷剂蒸发来冷凝低温侧制冷剂回路的制冷剂(例如专利文献1所示)。这样，因为在低温侧制冷剂回路中能够使用更低沸点(蒸发温度)的制冷剂，所以，通过低温侧制冷剂回路的蒸发器作用，能够获得极低的温度。
在该二元冷冻方式中，虽然低温侧制冷剂回路的蒸发器中通常可获得-80℃的低温，但是为了获得更低温度例如-150℃的这样的温度，有必要对制冷剂回路的构成予以改进，同时，需要在封入的制冷剂成分上多进行考虑。
本申请申请人在专利文献2中，通过上述后者的方法，即考虑封入制冷剂的成分这一方法而获得-150℃这样的超低温。具体地，在高温侧制冷剂回路中，封入R22(氯二氟甲烷：CHCLF2)、R142b(1-氯-1，1-二氟乙烷：CH3CCLF2)、R21(二氯氟甲烷：CHCL2F)，而在低温侧制冷剂回路中，封入由R21、R22、R23(三氟甲烷：CHF3)、R14(四氟化碳：CF4)、R50(甲烷：CH4)以及R740(氩：Ar)组成的混合制冷剂。
〖专利文献1〗实公昭58-23101号公报
〖专利文献2〗特许第3208151号公报
然而，利用上述的构成，因为R21、R22这样的属于所谓HCFC的制冷剂，含有破坏臭氧层的氯原子，所以，上述制冷剂成为氟利昂规制对象制冷剂。因此，人们希望开发出一种可替代的制冷剂组成物，该制冷剂组成物不存在破坏臭氧层的危险，且不需要改变过去的冷冻回路而能够保持其性能。
然而，因为过去使用的R21与油(烷基苯)的相溶性较高，所以，作为载油体而起到将油返回到压缩机的作用。因此，虽然可防止压缩机的润滑不良和摇摆，但是因为上述的R21为含有氯原子的制冷剂，所以有必要用载油能力高的物质来代替。
发明内容
本发明就是为了解决现有技术中的问题而提出的，本发明的目的在于提供一种这样的冷冻装置，其中，不使用为氟利昂规制对象的制冷剂，而使用起载油体作用的制冷剂，并且可实现达-150℃的超低温。
本发明的冷冻装置是由构成独立的制冷剂封闭回路的高温侧制冷剂回路和低温侧制冷剂回路两个回路构成，其中该制冷剂回路实现将从压缩机排出的制冷剂冷凝后蒸发而发挥冷却作用，其中热交换器是由位于高温侧制冷剂回路的蒸发器和位于低温侧制冷剂回路的冷凝器构成，其特征在于，在低温侧制冷剂回路中封入其中含有R245fa、R600、R404A、R508A、R14、R50、R740的非共沸点混合制冷剂，或者封入其中含有R245fa、R600、R404A、R23、R14、R50、R740的非共沸点混合制冷剂，或者封入其中含有R245fa、R600、R404A、R508B、R14、R50、R740的非共沸点混合制冷剂。
第2项的所述发明，其特征在于，在上述发明中，相对于R245fa和R600之和的总重量，其中该R245fa占70重量％以上。
第3项的所述发明，其特征在于，在上述各个发明中，相对于非共沸点混合制冷剂的总重量，其中该R245fa和R600之和的总重量占5-24重量％，R404A占13-28重量％，R508A或者R23或者R508B占21-37重量％，该R14和R50之和的总重量占25-43重量％，R740占4-10重量％。
第4项的所述发明，其特征在于，在上述各个发明中，加入0.5-2重量％的n-正戊烷。
第5项的所述发明，其特征在于，在上述各个发明中，在高温侧制冷剂回路中封入由R407D或R404A和正戊烷组成的非共沸点混合制冷剂。
根据本发明，能够不使用为氟利昂规制对象的制冷剂，利用各个制冷剂的蒸发温度的差而在多个蒸发器中使还处于气相状态的制冷剂依次冷凝，在处于最后位置的蒸发器中，能够实现-150℃的超低温。因此，随着制冷剂组成的改变而不改变现有的冷冻回路，且能够保持其性能，并且能够解决对臭氧层破坏这样的环境问题。另外，因为利用本发明的制冷剂组成可实现-150℃的超低温，所以，能够使得活体和实验体更稳定地长期保存，可实现可靠度的提高。
特别是，根据本发明，通过封入含有作为沸点高(+8.9℃)、与油(烷基苯，矿物油)的相溶性高的现有的R21(二氯氟甲烷)的替代物的沸点高且与油的相溶性高的R600(-0.5℃)的R245fa(沸点：+15.3℃)和R600的混合制冷剂，能够使得制冷剂回路中排出的油以溶入到上述制冷剂中的状态返回到压缩机。这样，可防止压缩机的循环不良，并且在压缩机内能够使仍然处于液态的返回到压缩机的R245fa和R600蒸发，从而可降低压缩机的温度。
另外，在本发明中，如第2项所述的发明，因为相对于R245fa和R600之和的总重量，其中该R245fa占70重量％以上，所以能够使得单独使用时具有可燃性的R600(丁烷)变得不具有可燃性。能够避免泄漏时发生燃烧这样的不便，即使在安全方面也能够实现可信度的提高。
附图说明
图1是本发明的实施例中的冷冻装置的制冷剂回路图。
图2是表示245fa的重量％相对于R245fa和R600的混合制冷剂的总重量％的不燃或者可燃状态的图。
图中：1-制冷剂回路；2-高温侧制冷剂回路；3-低温侧制冷剂回路；4、10-电动压缩机；25-级联冷凝器；29-第1气液分离器；32-第1中间热交换器；33-第2气液分离器；42-第2中间热交换器；44-第3中间热交换器；47-蒸发管。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施例予以详细描述。图1表示出本发明的冷冻装置的制冷剂回路1。制冷剂回路1是由分别独立的作为第1制冷剂回路的高温侧制冷剂回路2和作为第2制冷剂回路的低温侧制冷剂回路3构成。
高温侧制冷剂回路2是由电动压缩机4、辅助冷凝器5、结露防止管6、冷凝器8、干燥器12、减压器13、蒸发器14、储液器15构成。电动压缩机4为采用单相或者三相交流电源的电动压缩机。该电动压缩机4的排出侧配管4D上连接有辅助冷凝器5。该辅助冷凝器5与结露防止管6相连，其中该结露防止管6用于加热其内设置有冷冻装置1的图中未示的冷冻库的储藏室开口边缘。另外，该结露防止管6与电动压缩机4的油冷却器7连接后，再与冷凝器8连接。另外，该冷凝器8是利用冷凝器用送风机9来冷却的。另外，冷凝器8的出口侧制冷剂配管依次通过干燥器12以及减压器13，然后与作为构成蒸发器的蒸发器部分的蒸发器14相连。蒸发器14的出口侧制冷剂配管上连接有作为制冷剂液驻留用的储液器15，从该储液器15流出的制冷剂的配管与电动压缩机4的吸入侧配管4S相连。
高温侧制冷剂回路2中填充有由R407D和正戊烷组成的沸点不同的非共沸点制冷剂。R407D是由R32(二氟甲烷：CH2F2)、R125(五氟乙烷：CHF2CF3)、R134a(1，1，1，2-四氟乙烷：CHFCF3)组成，其中，R32占15重量％，R125占15重量％，R134a占70重量％。各个制冷剂的沸点如下：R32的沸点为-51.7℃，R125的沸点为-48.1℃，R134a的沸点为-26℃。另外，正戊烷的沸点为36.1℃。
从电动压缩机4排出的高温气态制冷剂经过辅助冷凝器5、结露防止管6、油冷却器7以及在冷凝器8处冷凝而放热液化之后，在干燥器12处除去所含的水分，在减压器13处减压，然后依次流到蒸发器14中，制冷剂R32、R125以及R134a蒸发，从周围吸收汽化热而冷却蒸发器14，然后，制冷剂经过作为制冷剂液驻留用的储液器15而返回到电动压缩机4。
此时，电动压缩机4的功率例如为1.5HP，运行中的蒸发器14的最终到达温度为-27℃至-35℃。在所使用的低温下，因为制冷剂中的正戊烷的沸点为36.1℃，所以在蒸发器14处正戊烷不蒸发而仍然呈液态。因此，虽然几乎不进行冷却，但是能够到达下述两个功能：一是能够以将电动压缩机4的润滑油和在干燥器12处未吸收的混入的水分一起溶入到其中的状态而返回到电动压缩机4中；二是通过该液态制冷剂在电动压缩机4中发生蒸发，使电动压缩机4的温度降低。
另一方面，低温侧制冷剂回路3是由电动压缩机10、油分离器18、插入在上述蒸发器14内的作为高压侧配管的冷凝管23、第1气液分离器29、第1中间热交换器32、第2气液分离器33、干燥器35、减压器36、干燥器39、减压器40、第2中间热交换器42、第3中间热交换器44、干燥器45、减压器46、蒸发管47、膨胀箱51以及减压器52构成。
与上述的电动压缩机4一样，电动压缩机10为采用单相或者三相交流电源的电动压缩机。该电动压缩机10的排出侧配管10D上连接有油分离器18。该油分离器18与返回到该电动压缩机10的油返回管19相连。连接到该油分离器18的出口侧上的制冷剂管与插入在上述蒸发器14内的作为高压侧配管的上述冷凝管23相连。上述冷凝管23与蒸发器14一起构成级联冷凝器25。
另外，连接到冷凝管23的出口侧上的排出配管通过干燥器28与第1气液分离器29相连。由第1气液分离器29所分离的气体通过气相配管30而穿过第1中间热交换器32内，然后流入到第2气液分离器33中。由第1气液分离器29所分离的液体通过液相配管34而经过干燥器35、减压器36，然后流入到第1中间热交换器32内。
利用第2气液分离器33所分离得到的液体通过液相配管38经过干燥器39后，然后经过减压器40而流入到第2中间热交换器42中。利用第2气液分离器33所分离得到的气体通过气相配管43，然后经过第2中间热交换器42内部，经过第3中间热交换器44内部，进而经过干燥器45而流入到减压器46中。减压器46与作为蒸发器的蒸发管47相连，然后蒸发管47与第3中间热交换器44相连。
第3中间热交换器44依次与第2以及第1中间热交换器33相连之后，与电动压缩机10的吸入侧配管10S相连。吸入侧配管10S经由减压器52进一步与电动压缩机10停止时贮存制冷剂的膨胀箱51相连。
在低温侧制冷剂回路3中封入含有R245fa、R600、R404A、R508A、R14、R50在内的六种沸点不同的非共沸点混合制冷剂。R245fa为五氟丙烷(CF3CH2CHF2)，R600为丁烷(CH3CH2CH2CH3)。R245fa的沸点为+15.3℃，R600的沸点为-0.5℃。因此，将上述两种物质以预定的比例混合后，可替代作为现有技术中使用的沸点为+8.9℃的R21来使用。
此外，因为R600为可燃性物质，所以通过将该R600与不燃性的R245fa以预定比例(本实施例中R245fa/R600：70/30)相混合，便成为不燃性物质而被封入到制冷剂回路3中。此外，在本实施例中，虽然相对于R245fa和R600之和的总重量而言，R245fa占70重量％以上，但是因为如果R245fa所占比例大于70重量％以上而变成不可燃性的物质，所以即使如此也可以。
在图2中，表示出该R245fa和R600的混合制冷剂为不可燃性的实验结果。由此可见，当R245fa占70重量％以上时，看到形成不燃区。另外，因为将该R245fa和R600的混合制冷剂从液相部填充的场合的组成变化为在最大值0.6以内，所以，形成可燃区的问题不存在。
另外，R404A是由R125(五氟乙烷：CHF2CFF3)、R143a(1.1.1-三氟乙烷：CH3CF3)以及R134a(1，1，1，2四氟乙烷：CHF2CF3)所组成，在该组成中，R125占44重量％，R143a占52重量％，R134a占4重量％。该混合制冷剂的沸点为-46.5℃。因此，可替代作为现有技术中使用的沸点为-40.8℃的R22来使用。
另外，R508A是由R23(三氟甲烷：CHF3)以及R116(六氟乙烷：CF3CF3)所组成，在该组成中，R23占39重量％，R116占61重量％。该混合制冷剂的沸点为-85.7℃。
另外，R14为四氟化甲烷(四氟化碳：CF4)，R50为甲烷(CH4)以及R740为氩(Ar)。R14的沸点为-127.9℃，R50的沸点为-161.5℃，R740的沸点为-185.7℃。此外，虽然存在当R50与氧相结合发生爆炸的危险，但是，与R14相混合而不会发生爆炸的危险。因此，即使发生制冷剂泄漏这样的事故，也不会发生爆炸。
另外，如上所述的制冷剂，首先将R245fa和R600，以及R14和R50预先混合，变成不燃化状态后，再将R245fa和R600的混合制冷剂、R404A、R508A、R14和R50的混合制冷剂、R740预先混合，然后，在此状态下，将上述混合后的制冷剂封入到制冷剂回路中。或者，首先将R245fa和R600，然后按照沸点渐高的顺序依次将R404A、R508A、R14和R50的混合制冷剂、最后是R740封入到制冷剂回路中。其中各个制冷剂的组成比例如下：R245fa和R600的混合制冷剂占13重量％，R404A占20重量％，R508A占27重量％，R14和R50的混合制冷剂占33重量％，R740占7重量％。
下面对低温侧制冷剂的循环予以说明。从电动压缩机10排出的高温高压呈气态的混合制冷剂，在油分离器18处将与制冷剂混合在一起的电动压缩机10的润滑油的大部分经由油返回管19而返回到电动压缩机10中。而制冷剂自身则在级联冷凝器25处通过蒸发器14而被冷却，从而冷凝液化成混合制冷剂中沸点高的部分的制冷剂(R245fa、R600、R404A、R508A)。
从冷凝管23流出的混合制冷剂经由干燥器28而流入到第1气液分离器29中。此时，混合制冷剂中的R14和R50以及R740由于沸点极低而仍然没有冷凝而呈气态。因为仅有R245fa、R600、R404A、R508A中的部分被冷凝液化，所以，R14和R50以及R740向气相配管30分离，而R245fa、R600、R404A、R508A向液相配管34分离。
流入到气相配管30中的混合制冷剂与第1中间热交换器32热交换而冷凝后，流入到第2气液分离器33中。在此，由于在第1中间热交换器32流入有从蒸发管47返回的低温制冷剂，进一步流入到液相配管34中的液态制冷剂经过干燥器35而在减压器36处减压后，流入到第1中间热交换器32。在该第1中间热交换器32处蒸发后，因为进行冷却处理，所以通过冷却未冷凝的R14、R50、R740以及R508A中的部分，结果使得第1中间热交换器32中的温度变为-50.7℃。因此，经过气相配管30的混合制冷剂中的R508A被完全冷凝液化而分流到第2气液分离器33中。R14、R50、R740因沸点低而仍然呈气态。
在第2中间热交换器42中，在第2气液分离器33处分流的R508A在干燥器39中除去水分，在减压器40处减压后，流向第2中间热交换器42。从蒸发管47返回的低温制冷剂与气相配管43中的R14、R50、R740一起被冷却，于其中使蒸发温度最高的R14冷凝。这样，第2中间热交换器42的中间温度达到-76.4℃。
通过该第2中间热交换器42的气相配管43接着通过第3中间热交换器44。在此，从蒸发器47出来的制冷剂立即返回到第3中间热交换器44中，实验表明该第3中间热交换器44中的中间温度为-121.4℃，入口附近的温度达到-151.5℃这样的相当低的温度。
因此，在第3中间热交换器44中，气相配管43中的R50以及R740的部分在冷凝器，上述液化的R14、R50、R740的部分在减压器46处减压后，流入到蒸发管47中。在那里蒸发而将周围冷却。根据实验，此时蒸发管47的温度为-160.3℃～-157.3℃这样的超低温。
通过将该蒸发管47设置在例如设于冷冻库而进行库内冷却，能够使库内温度达到-157.5℃。
从蒸发管47流出的制冷剂依次流入第3中间热交换器44、第2中间热交换器42、第1中间热交换器32，与在各个热交换器处蒸发的制冷剂混合在一起而经过吸入配管10S返回到电动压缩机10。从电动压缩机10排出的混入到制冷剂中的油，其中大部分油通过油分离器18分离而返回到电动压缩机10，然而，呈雾状而与制冷剂一起从油分离器18排出的物质在与溶入到与油相溶性高的R600中的状态下返回到电动压缩机10。这样，可防止压缩机10的润滑不良和摇摆。另外，因为R600仍然以液态返回到压缩机而在该压缩机10内蒸发，所以，能够降低压缩机10的排出温度。
另外，在本实施例中，也可以在R404A中添加4重量％的正戊烷(相对于非共沸点制冷剂的总重量而言，为0.5～2重量％范围)。因为该正戊烷与R600一样与油的相溶性好，所以呈雾状而与制冷剂一起从油分离器18排出的油能够返回到电动压缩机10。
但是，在该装置中，正戊烷作为液体而贮留在压缩机中，因此流出到低温侧制冷剂回路3中而使得冷却性能反而变得不稳定。在这样的场合中，不能混入正戊烷。即使混入了正戊烷，因为在本实施例中的混合制冷剂中混合有具有载油效果的R600，所以，使得压缩机能够圆滑地运转。
另外，上述的各个制冷剂的组成不限于本实施例中的情形，根据实验结果，如权利要求3所记载的，相对于非共沸点混合制冷剂的总重量而言，其中该R245fa和R600之和的总重量占5-24重量％，R404A占13-28重量％，R508A占21-37重量％，该R14和R50之和的总重量占25-43重量％，R740占4-10重量％，如果以上述比例混合该非共沸点混合制冷剂，那么在蒸发管47中可得到-150℃左右的超低温。
另外，在封入到上述实施例中的低温侧制冷剂回路3中的制冷剂中，替换R508A而封入R23和R116的混合比例不同的R508B(R23/R116：46/54)或者R23，也可获得同样的效果。
Claims (5)
1、一种冷冻装置，是由构成独立的制冷剂封闭回路的高温侧制冷剂回路和低温侧制冷剂回路两个回路构成，其中该制冷剂回路实现将从压缩机排出的制冷剂冷凝后蒸发而发挥冷却作用，其中热交换器是由位于高温侧制冷剂回路的蒸发器和位于低温侧制冷剂回路的冷凝器构成，其特征在于，在低温侧制冷剂回路中封入：
含有R245fa、R600、R404A、R508A、R14、R50、R740的非共沸点混合制冷剂；或者
含有R245fa、R600、R404A、R23、R14、R50、R740的非共沸点混合制冷剂；或者
含有R245fa、R600、R404A、R508B、R14、R50、R740的非共沸点混合制冷剂，
并且，相对于R245fa和R600之和的总重量，R245fa占70重量％以上。
2、根据权利要求1所述的冷冻装置，其特征在于，相对于非共沸点混合制冷剂的总重量，
R245fa和R600之和的总重量占5-24重量％；
R404A占13-28重量％；
R508A或者R23或者R508B占21-37重量％；
R14和R50之和的总重量占25-43重量％；
R740占4-10重量％。
3、根据权利要求1或2所述的冷冻装置，其特征在于，加入0.5-2重量％的n-正戊烷。
4、根据权利要求1或2所述的冷冻装置，其特征在于，在高温侧制冷剂回路中，封入由R407D和n-正戊烷组成的非共沸点混合制冷剂。
5、根据权利要求3所述的冷冻装置，其特征在于，在高温侧制冷剂回路中，封入由R407D和n-正戊烷组成的非共沸点混合制冷剂。
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Address after: Tokyo, Japan Patentee after: Pu Hei holding company Address before: Tokyo, Japan Patentee before: Panasonic's health medical treatment is controlled interest Co., Ltd. |
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