具体实施方式
下面,参照附图详细说明本发明的实施方式。
(第一实施例)
图1是应用本发明的冷冻装置的超低温储藏库1的侧视图。超低温储藏库1用于例如需要长期低温保存的冷冻食品的储藏、或生物体组织、被检体等的超低温保存,该超低温储藏库1的本体由上面敞开的隔热箱体2、位于该隔热箱体2下部的未图示的机械室构成,该机械室在其内部设置有构成本实施例的冷冻装置R1的制冷剂回路的压缩机14等。
该隔热箱体2构成为具有:将上面均敞开的钢板制外箱3和内箱4、将这两个箱3,4的上端之间连接的合成树脂制缓冲层(ブレ一カ)5、以现场发泡方式填充由这些外箱3、内箱4及缓冲层5包围而构成的空间内的聚氨酯树脂隔热材料7,将所述内箱4内部作为上面开口的储藏室8。
在本实施例中,为了将储藏室8内的目标温度(以下称为库内温度)例如设定在-80℃以下,与将库内温度设定在0℃附近的低温库相比,将储藏室8内部和外部气体隔开的隔热箱体2需要大的隔热能力。因此,为了仅利用如上所述的聚氨酯树脂隔热材料7确保该隔热能力,聚氨酯树脂隔热材料7的厚度不得不形成为相当厚,从而存在在有限的本体尺寸下不能充分确保储藏室8的收纳量的问题。由此,本实施例的隔热箱体2在外箱3的内壁面上配置玻璃棉制的真空隔热材料,根据该真空隔热材料的隔热能力,将聚氨酯树脂隔热材料7形成为厚度尺寸小。
另外,缓冲层5的顶面以台阶状成形,隔热门9以一端(在本实施例中以后端)为中心,隔着密封件11转动自如地设置在缓冲层5的顶面。由此,储藏室8的上面开口由隔热门9开闭自如地闭塞。而且,在隔热门9的另一端(在本实施例中为前端)设置有把手部10,通过操作该把手部10,对隔热门9进行开闭操作。进而,在内箱4的隔热材料7侧的周面以交换热量(进行热交换)的方式安装有构成冷冻装置R1的制冷剂回路的蒸发器(制冷剂配管)13。
接着,参照图2说明本实施例的冷冻装置R1的制冷剂回路。本实施例的冷冻装置R1的制冷剂回路由一元一级制冷剂回路12构成。构成制冷剂回路12的压缩机(压缩装置)14是采用单相或三相交流电源的电动压缩机。该压缩机14构成为连接有散热装置20,将被压缩机14压缩的制冷剂暂时向外部排出并散热之后使其返回到密闭容器的壳内,再次排出到制冷剂排出管31。连接在该压缩机14的排出侧的制冷剂排出管31与辅助冷凝器(预冷凝装置)21连接。该辅助冷凝器21与加热储藏室8的开口边缘以防止结露的架管22连接之后,与冷凝器(冷凝装置)15连接。
然后,自冷凝器15导出的制冷剂配管与干燥芯(ドライコア)17和冷凝管23连接。干燥芯17是用于除去制冷剂回路12内的水分的水分除去装置。而且,冷凝管23与自蒸发器(蒸发装置)13导出后回到压缩机14的吸入配管32的一部分一起构成热交换器16。
自冷凝管23导出的制冷剂配管经由作为减压装置的毛细管18与蒸发器(蒸发装置)13连接。该毛细管18插入自蒸发器13导出后回到压缩机14的吸入配管32的一部分(配管32A)内。具体而言,如图3所示,毛细管18插入配管32A内而构成双重管结构,该配管32A构成位于设置在蒸发器13排出侧的集管26的排出侧(出口侧)且位于所述热交换器16吸入侧的吸入配管32的一部分。通过该双重管结构,在构成该双重管25(以下称为双重管结构体)内侧的毛细管18内流动的制冷剂与在构成该双重管结构体外侧的配管32A内流动的来自蒸发器13的制冷剂能够进行热交换。
在此,说明所述双重管结构体25的制造方法。首先,在直径较大的直管状配管32A内插入直管状毛细管18。接着,将该双重管以螺旋状卷绕数段。此时,尽量卷绕成使配管32A的轴心与毛细管18的轴心一致,从而形成螺旋状的双重管。由此,在配管32A的内壁面与毛细管18的外壁面之间尽量一贯地构成间隙。这样,通过将双重管卷绕成数段的螺旋状而构成螺旋状的双重管结构,从而可以充分确保毛细管18的长度,并且充分确保该双重管结构的热交换部分,并谋求小型化。
接着,在配管32A的两端,安装在两端及侧面开设孔的帽形连接配管(未图示),从侧面孔分别导出毛细管18的端部之后将该侧面孔焊接密封。进而,将安装在配管32A一端的连接配管的一端和该配管32A的连接部焊接,在该连接配管的另一端上连接与蒸发器13的排出侧连接的吸入配管32,并将该连接部焊接。同样地,将安装在配管32A另一端的连接配管的一端和该配管32A的连接部分焊接,在该连接配管的另一端上连接到达热交换器16的吸入配管32,并将该连接部焊接。然后,使用隔热材料35包围构成上述双重管结构的配管32A,从而能够构成本实施例的双重管结构体25。
但是,在现有的冷冻装置中,在以可进行热交换的方式形成毛细管和自蒸发器导出的吸入配管的情况下,在吸入配管的外周面上增设有毛细管以使该毛细管的外壁和该吸入配管的外壁以交换热量的方式接触。此时,吸入配管与毛细管只进行线接触。因此,热交换性能差,不能够充分进行热交换。
与此相对,像本发明那样,将毛细管18插入吸入配管32(配管32A)内而构成双重管结构,从而使通过毛细管18内的制冷剂和通过吸入配管32内的制冷剂,利用在毛细管18的整个周壁面进行传递的热传导进行热交换。由此,与现有结构相比,能够显著提高热交换性能。特别是,如上所述,使用隔热材料35包围双重管结构的配管32A的整个外周,从而难以受到来自外部的热影响,能够进一步提高配管32A内的制冷剂与毛细管18内的制冷剂的热交换能力。
进而,在双重管结构内侧的毛细管18内和该毛细管18外侧的吸入配管32(配管32A)内,以使制冷剂的流动构成对流(对向流)的方式使制冷剂流动,从而能够进一步改善该双重管结构体25中的热交换能力。
该双重管结构体25配置在所述隔热材料7内。具体而言,如图1所示,该双重管结构体25在内箱4的背面侧,以可取出或放入的方式收纳在热交换器16下方的隔热材料7内。
另一方面,自该双重管结构体25导出的吸入配管32依次经由热交换器16、单向阀27、储液器28与压缩机14的吸入侧连接。另外,在本实施例中,辅助冷凝器21和冷凝器15构成一体的冷凝器,由作为冷凝器用鼓风机的冷凝用风扇29冷却。
在本实施例中,在所述制冷剂回路12内填充有由混合制冷剂和R23、R14构成的非共沸混合制冷剂,该混合制冷剂由R245fa和R600构成。R245fa是1,1,1,3,3-五氟丙烷(CF3CH2CHF2),其沸点为+15.3℃。R600是丁烷(C4H10),其沸点为-0.5℃。该R600具有以在其中溶入压缩机14的润滑油或未被干燥装置17吸收完的混合水分的状态返回到压缩机14的功能。但是,由于该R600为可燃性物质,因此,通过使其与不燃性的R245fa以规定比例(在本实施例中以R245fa/R600=70/30的比例)混合,由此可作为不燃性物质来使用。R23是三氟甲烷(CHF3),其沸点为-82.1℃。R14是四氟化碳(CF4),其沸点为-127.9℃。
在本实施例中这些混合制冷剂的组成是R245fa与R600的混合制冷剂占总体的64重量%、R23占总体的24重量%、R14占总体的12重量%。
图2的箭头表示在该制冷剂回路12循环的制冷剂的流向。具体地说明如下:从压缩机14排出的高温气态制冷剂暂时经由散热装置20侧的制冷剂排出管从密闭容器排出到散热装置20,散热后再次回到密闭容器的壳内。由此,能够利用在散热装置20散热而降温的制冷剂对密闭容器的壳内进行冷却。然后,该高温气态制冷剂经由制冷剂排出管31从密闭容器排出,在辅助冷凝器21、架管22、冷凝器15中被冷凝且散热液化之后,利用干燥芯17除去含有的水分后流入热交换器16。在该热交换器16中,来自冷凝器15的制冷剂与以交换热量的方式配置的吸入配管32内的低温制冷剂进行热交换,从而将未冷凝的制冷剂冷却而将其冷凝液化之后使其流入毛细管18。
在此,在毛细管18中,制冷剂利用在毛细管18的整个周壁面传递的热传导,与通过设置于该毛细管18整个外周的吸入配管32内部的制冷剂进行热交换,从而进一步降温并减压之后流入蒸发器13。然后,在蒸发器13中,制冷剂R14和R23从周围吸热后蒸发。此时,制冷剂R14和R23在蒸发器13中蒸发,从而发挥冷却作用,将该蒸发器13的周围冷却至-85℃的超低温。此时,如前所述,由于该蒸发器(制冷剂配管)13沿着内箱4的隔热材料7侧以交换热量的方式卷绕而构成,因此,通过该蒸发器13的冷却,能够将超低温储藏库1的储藏室8内设置在-80℃以下的库内温度。
在蒸发器13中蒸发的制冷剂,之后经由吸入配管32从蒸发器13流出,并经由集管26、前述的双重管结构体25、热交换器16、单向阀27、储液器28返回到压缩机14。
此时,压缩机14运转过程中蒸发器13的最终达到温度在-100℃至-60℃。在该低温下,由于制冷剂中的R245fa的沸点为+15.3℃,R600的沸点为-0.5℃,因此,R245fa和R600在蒸发器13中未被蒸发而保持液态,因此对冷却几乎不起作用。但是,R600具有如下功能:以在其中溶入压缩机14的润滑油或未被干燥芯17吸收完的混入水分的状态返回到压缩机14的功能,以及通过该液态制冷剂在压缩机14内的蒸发,使压缩机14的温度下降的功能。
蒸发器13中的蒸发温度根据封入制冷剂回路12内的非共沸类混合制冷剂的组成比率不同而不同。以下,根据各试验结果,详细说明对应各制冷剂的组成比率的蒸发器温度、库内温度、高压侧压力、低压侧压力。图4是在将R245fa与R600的混合制冷剂及R14的重量设置为一定而改变R23的重量时表示蒸发器入口温度、库内温度、高压侧压力、低压侧压力的曲线图。图5是在将R245fa与R600的混合制冷剂及R23的重量设置为一定而改变R14的重量时表示蒸发器入口温度、库内温度、高压侧压力、低压侧压力的曲线图。
图4的试验结果是将R23相对于被封入的全部制冷剂重量的重量比例从20.0重量%增加到42.0重量%。由此,在该试验中,在最小量的20.0重量%的情况下,蒸发器13的入口温度为-88.0℃,而库内温度为-71.0℃。与此相对,当该R23的重量比例设置为21.3重量%时,蒸发器13的入口温度急剧下降至-95.9℃,而库内温度也下降至-87.5℃。以后,随着该R23的重量比例增加到42.0重量%,库内温度仅上升一点,能够将库内温度均设置在约-85℃以下。
另外,图5的试验结果是将R14相对于被封入的全部制冷剂重量的重量比例从0.0重量%增加到14.1重量%。由此,在该试验中,在最小量的0.0重量%即未含有R14的情况下,蒸发器13的入口温度为-66.1℃,而库内温度为-66.9℃。与此相对,当该R14的重量比例设置为1.8重量%时,蒸发器13的入口温度急剧下降至-80.2℃,而库内温度也下降至-74.1℃。如果将R14的重量百分比逐渐增加,在本试验中,在R14的重量百分比为14.1重量%时,蒸发器13的入口温度下降到-98.9℃,而库内温度也下降到-90.0℃。由于R14的沸点为-129.7℃,因此,预想以后如果R14的重量比例逐渐增加,则蒸发器13的温度和库内温度进一步下降。
但是,由图5的曲线可知,随着R14的重量比例增加,高压侧压力也上升。因此,在将R14的重量比例进一步增加而达到20重量%以上时,产生高压侧压力例如达到3MPa以上的压力过高的问题。该高压侧压力的上升,导致出现对于压缩机14等产生机械破损的问题、或该压缩机14的起动性变差的问题。因此,为了将目标库内温度合适地设置在-75℃以下,优选将R14的重量比例设置在全部制冷剂的3重量%~20重量%。
如上所述,R23的沸点为-82.1℃。因此,仅靠该R23不能够使蒸发器13的温度达到该沸点以下的温度。但是,像本发明那样,通过将沸点显著低的R14添加规定量例如约5重量%以上,利用R14的冷却作用,能够始终将蒸发器13中的蒸发温度设定在-80℃以下的超低温。
由上述各试验结果表明,通过将封入制冷剂回路12内的非共沸混合制冷剂构成为,相对于总重量将R245fa和R600之和的混合制冷剂的总重量设为40重量%~80重量%、将R23设为15重量%~47重量%、将R14设为3重量%~20重量%,利用不燃性的非共沸混合制冷剂,能够将库内温度设定在-70℃以下的超低温。特别是,通过将封入制冷剂回路12内的非共沸混合制冷剂构成为,相对于总重量将R245fa和R600之和的混合制冷剂的总重量设在49重量%~70重量%、将R23设在21重量%~42重量%、将R14设在9重量%~20重量%,利用不燃性的非共沸混合制冷剂,能够将库内温度设定在-85℃以下的超低温。
由此,能够更稳定地长期保存食品、生物体组织、被检体等,能够谋求提高可靠性。而且,由于该非共沸混合制冷剂是不燃性混合制冷剂,因此能够安全地使用,提高可操控性,并能够避免因制冷剂配管破损等而导致该混合制冷剂漏出时发生燃烧的不良情况。
特别是,在把该非共沸混合制冷剂的各成分的组成比例设置为R245fa和R600的混合制冷剂占64重量%、R23占24重量%、R14占12重量%的情况下,能够将库内温度设定在-80℃以下的超低温。由此,能够更稳定地长期保存食品、生物体组织、被检体等,能够提高设备的可靠性。
所述R23不限于上述情况,例如,可以采用沸点为-78.4℃的R116(六氟乙烷:CF3CF3),或者将该R23和R116以规定比例混合而构成的R508A(R23/R116=39/61、沸点:-85.7℃)或R508B(R23/R116=46/54、沸点:-86.9℃),能够得到同样的效果。
另外,通过采用本实施例那样的非共沸混合制冷剂,虽然变更了制冷剂组成,但是几乎不改变现有的冷冻回路,能够维持其性能,并且能够应对破坏臭氧层的环境问题。
进而,如前述的本发明那样,通过将毛细管18插入自蒸发器13返回到压缩机14的制冷剂通过的吸入配管32(配管32A)内而构成双重管结构,能够提高配管32A内的制冷剂与毛细管18内的制冷剂的热交换效率,谋求改善性能。特别是,像本发明那样,将毛细管18插入自蒸发器13导出不久的吸入配管32的配管32A内而构成双重管结构,并利用在毛细管18的整个周壁面传递的热传导能够进行热交换,从而能够利用来自蒸发器13的返回制冷剂,有效地冷却沸点最低的制冷剂,谋求显著提高性能。
进而,使用隔热材料35包围插入毛细管18而构成为双重管结构的配管32A,从而能够进一步改善热交换效率。进而,将毛细管18内的制冷剂的流动和通过该毛细管18外侧的配管32A内的制冷剂的流动形成为对流,能够进一步谋求改善热交换能力。
由此,与同样使用的现有冷冻装置相比,能够谋求节能15%~20%左右。而且,蒸发器13周围的温度与以往相比也能够实现低温。由此,即使将压缩机变更为功率小于以往使用的压缩机功率的压缩机,也能够确保足够的性能。由此,能够谋求进一步降低消耗电力以及装置的小型化。
总之,根据本发明,无需使用所谓多级式冷冻方式,能够像本实施例那样,根据单级式冷冻方式实现超低温,因此,能够使装置简单化,并且能够谋求降低成本。
本发明的冷冻装置不限于实施例的冷冻装置R1,只要是在冷凝从压缩机排出的制冷剂之后,在毛细管中减压并在蒸发器中蒸发,从而发挥冷却作用的冷冻装置,本发明均有效。而且,在本实施例中,在不使用热交换器16的情况下,可以采用其他公知的冷却装置,谋求进行以将压缩气体的温度冷却至上述这些温度范围为目的的冷凝过程。
进而,在本实施例中,说明了在制冷剂回路12中封入含有R245fa、R600、R23、R14的非共沸混合制冷剂,或者含有R245fa、R600、R116、R14的非共沸混合制冷剂,或者含有R245fa、R600、R508A、R14的非共沸混合制冷剂,或者含有R245fa、R600、R508B、R14的非共沸混合制冷剂的情况,但不限于此,在使用单一制冷剂的情况下,本发明也有效。
(第二实施例)
接着,参照图6说明本发明其他实施例的冷冻装置。图6是构成图1的超低温储藏库1的冷冻装置的另一个实施例的制冷剂回路图。此时,构成该冷冻装置R2的制冷剂回路的压缩机54,84等,被设置在位于超低温储藏库1的隔热箱体2下部的未图示的机械室内,蒸发器(制冷剂配管)83与前述第一实施例的蒸发器13同样,以交换热量的方式安装在内箱4的隔热材料7侧的周面上。
本实施例的冷冻装置R2的制冷剂回路作为多元(二元)一级制冷剂回路,由分别构成独立的制冷剂闭合回路的高温侧制冷剂回路52和低温侧制冷剂回路82构成。构成高温侧制冷剂回路52的压缩机54是采用单相交流电源或三相交流电源的电动压缩机。该压缩机54构成为连接有散热装置60,将被压缩机54压缩的制冷剂暂时向外部排出并散热之后使之返回到密闭容器的壳内,再次排出到制冷剂排出管71。连接在该压缩机54的排出侧的制冷剂排出管71与辅助冷凝器(预冷凝装置)61连接。该辅助冷凝器61与加热储藏室8的开口边缘以防止结露的架管62连接。经过架管62的制冷剂配管连接在构成低温侧制冷剂回路82的压缩机84的油冷却器84C之后,与冷凝器(冷凝装置)55连接。
之后,自冷凝器55导出的制冷剂配管与高温侧脱水器(干燥芯)57和毛细管58连接。脱水器57是用于除去高温侧制冷剂回路52内的水分的水分除去装置。而且,毛细管58插入自级联式热交换器56的高温侧蒸发器59导出并回到压缩机54的吸入配管72的一部分(72A)内。
具体而言,毛细管58插入位于蒸发器59的排出侧且位于储液器68的吸入侧的吸入配管72的一部分即配管72A内而构成如图3所示的双重管结构。通过该双重管结构,在该构成双重管67(以下称为双重管结构体)内侧的毛细管58内流动的制冷剂与在构成该双重管结构体外侧的配管72A内流动的来自蒸发器83的制冷剂能够进行热交换。
所述双重管结构体67通过与在前述第一实施例中说明过的双重管结构体25的制造方法相同的方法来制造。即,首先,在直径较大的直管状配管72A内插入直管状毛细管58。接着,将该双重管以螺旋状卷绕数段。此时,尽量卷绕成使配管72A的轴心与毛细管58的轴心一致,从而形成螺旋状的双重管。由此,在配管72A的内壁面与毛细管58的外壁面之间尽量一贯地构成间隙。这样,通过将双重管卷绕成数段的螺旋状而构成螺旋状的双重管结构,从而可以充分确保毛细管58的长度,并且充分确保该双重管结构的热交换部分,同时能够谋求小型化。
接着,在配管72A的两端,安装在两端及侧面开设孔的帽形连接配管(未图示),从侧面孔分别导出毛细管58的端部之后将该侧面孔焊接密封。进而,将安装在配管72A一端的连接配管的一端和该配管72A的连接部焊接,在该连接配管的另一端上连接与蒸发器59的排出侧连接的吸入配管72,并将该连接部焊接。同样地,将安装在配管72A另一端的连接配管的一端和该配管72A的连接部分焊接,在该连接配管的另一端上连接到达储液器68的吸入配管72,并将该连接部焊接。然后,使用隔热材料(未图示)包围构成该双重管结构的配管72A的外周,从而能够构成本实施例的双重管结构体67。
这样,将毛细管58插入吸入配管72(配管72A)内而构成双重管结构,从而,使通过毛细管58内的制冷剂和通过吸入配管72(配管72A)内的制冷剂,利用在毛细管58的整个周壁面传递的热传导进行热交换。由此,与在吸入配管的外周面增设有毛细管的现有结构相比,能够显著提高热交换性能。
进而,如上所述使用隔热材料包围双重管结构的配管72A的整个外周,从而难以受到来自外部的热影响,能够进一步提高配管72A内的制冷剂与毛细管58内的制冷剂的热交换能力。进而,在构成双重管结构内侧的毛细管58内与该毛细管58外侧的吸入配管72(配管72A)内,以使制冷剂的流动构成对流的方式使制冷剂流动,从而能够进一步改善该双重管结构体67中的热交换能力。
另外,自毛细管58导出的制冷剂配管连接在以与低温侧制冷剂回路82的冷凝器85进行热交换的方式设置的高温侧蒸发器59上。该高温侧蒸发器59与低温侧制冷剂回路82的冷凝器85一起构成级联式热交换器56。
自高温侧蒸发器59导出的吸入配管72依次经由高温侧集管66、所述双重管结构体67、储液器68、单向阀69,与压缩机54的吸入侧连接。
在该高温侧制冷剂回路52内封入有作为制冷剂的R404A。该R404A由R125(五氟乙烷:CHF2CF3)、R143a(1,1,1-三氟乙烷:CH3CF3)、R134a(1,1,1,2-四氟乙烷:CH2FCF3)构成,其组成为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℃。
另外,封入高温侧制冷剂回路52内的制冷剂不限于上述R404A。例如,作为制冷剂封入由R134a、R32(二氟甲烷:CH2F2)和R125的三种混合制冷剂构成的R407C,本发明也有效。
在图6中虚线箭头表示在高温侧制冷剂回路52循环的制冷剂的流向。即,从压缩机54排出的高温气态制冷剂暂时经由散热装置60侧的制冷剂排出管从密闭容器排出到散热装置60,并散热后再次回到密闭容器的壳内。由此,能够利用在散热装置60散热而降温的制冷剂对密闭容器的壳内进行冷却。然后,该高温气态制冷剂经由制冷剂排出管71从密闭容器排出,在辅助冷凝器61、架管62、低温侧制冷剂回路82的压缩机84的油冷却器84C、冷凝器55中被冷凝且散热液化之后,在脱水器57除去含有的水分,并流入双重管结构体67的毛细管58。
在此,在毛细管58中,制冷剂利用在毛细管58的整个周壁面传递的热传导,与通过设置于毛细管58整个外周的吸入配管72(配管72A)内的制冷剂进行热交换,进一步降温且减压之后流入蒸发器59。然后,在蒸发器59中,R204A从流过级联式热交换器56的冷凝器85内部的制冷剂吸热而蒸发。此时,R204A制冷剂蒸发,因此,流过冷凝器85内部的制冷剂被冷却。
然后,在蒸发器59中蒸发的制冷剂,之后经由吸入配管72从高温侧蒸发器59排出,经由高温侧集管66流入双重管结构体67内,与在前述毛细管58内流动的制冷剂进行热交换之后,经由储液器68、单向阀69返回到压缩机54。
另一方面,构成低温侧制冷剂回路82的压缩机84与高温侧制冷剂回路52的压缩机54相同,是采用单相交流电源或三相交流电源的电动压缩机。该压缩机84构成为连接有散热装置90,将被压缩机84压缩的制冷剂暂时向外部排出并散热之后使之返回到密闭容器的壳内,再次排出到制冷剂排出管101。连接在该压缩机84的排出侧的制冷剂排出管101与辅助冷凝器(预冷凝装置)91连接。经过辅助冷凝器91的制冷剂配管与油分离器92连接。在该油分离器92上连接返回到压缩机84的回油管103。
经过油分离器92的制冷剂配管到达内部热交换器93。该内部热交换器93是用于将被压缩机84压缩并朝向毛细管88的中途的高温侧制冷剂和在蒸发器86中蒸发并返回到压缩机84的中途的低温侧制冷剂进行热交换的热交换器。
经过内部热交换器93的高压侧的制冷剂配管与冷凝器85连接。如前所述,该冷凝器85与高温侧制冷剂回路52的高温侧蒸发器59一起构成级联式热交换器56。自冷凝器85导出的制冷剂配管与低温侧脱水器(干燥芯)87和毛细管88连接。脱水器87是用于除去低温侧制冷剂回路82内的水分的水分除去装置。而且,毛细管88插入自蒸发器83导出并回到压缩机84的吸入配管102的一部分(配管102A)内。
具体而言,将毛细管88插入位于蒸发器83的排出侧且位于内部热交换器93的吸入侧的吸入配管102的一部分即配管102A内而构成如图3所示的双重管结构。通过该双重管结构,在构成该双重管95(以下称为双重管结构体)内侧的毛细管88内流动的制冷剂与在构成该双重管结构体外侧的配管102A内流动的来自蒸发器83的制冷剂能够进行热交换。
所述双重管结构体95通过与在前述第一实施例中说明过的双重管结构体25的制造方法相同的方法来制造。即,首先,在直径较大的直管状配管102A内插入直管状毛细管88。接着,将该双重管以螺旋状卷绕数段。此时,尽量卷绕成使配管102A的轴心与毛细管88的轴心一致,从而形成螺旋状的双重管。由此,在配管102A的内壁面与毛细管88的外壁面之间尽量一贯地构成间隙。这样,通过将双重管卷绕成数段的螺旋状而构成螺旋状的双重管结构,从而可以充分确保毛细管88的长度,并且充分确保该双重管结构的热交换部分,同时能够谋求小型化。
接着,在配管102A的两端,安装在两端及侧面开设孔的帽形连接配管(未图示),从侧面孔分别导出毛细管88的端部之后将该侧面孔焊接密封。进而,将安装在配管102A一端的连接配管的一端和该配管102A的连接部焊接,在该连接配管的另一端上连接与蒸发器83的排出侧连接的吸入配管102,并将该连接部焊接。同样地,将安装在配管102A另一端的连接配管的一端和该配管102A的连接部分焊接,在该连接配管的另一端上连接到达内部热交换器93的吸入配管102,并将该连接部焊接。然后,使用隔热材料105包围构成该双重管结构的配管102A的外周,从而能够构成本实施例的双重管结构体95。
这样,将毛细管88插入吸入配管102(配管102A)内而构成双重管结构,从而,使通过毛细管88内的制冷剂和通过吸入配管102(配管102A)内的制冷剂,利用在毛细管88的整个周壁面传递的热传导进行热交换。由此,与在吸入配管的外周面增设有毛细管的现有结构相比,能够显著提高热交换性能。
进而,如上所述使用隔热材料105包围双重管结构的配管102A的整个外周,从而难以受到来自外部的热影响,能够进一步提高配管102A内的制冷剂与毛细管88内的制冷剂的热交换能力。进而,在构成双重管结构内侧的毛细管88内与该毛细管88外侧的吸入配管102(配管102A)内,以使制冷剂的流动构成对流的方式使制冷剂流动,从而能够进一步改善该双重管结构体95中的热交换能力。
该双重管结构体95与前述第一实施例的双重管结构体25同样,以可取出或放入的方式收纳在成为内箱4背面侧的下方的隔热材料7内。
另一方面,经过该双重管结构体95的吸入配管102经由内部热交换器93与压缩机84的吸入侧连接。在压缩机84上进一步连接有制冷剂配管106,在该制冷剂配管106上,经由作为减压装置的毛细管108连接有压缩机84停止时贮存制冷剂的膨胀罐107。
另外,在该低温侧制冷剂回路82内封入有作为制冷剂的R508A。该R508A由R23(三氟甲烷:CHF3)、R116(六氟乙烷:CF3CF3)构成,其组成为R23占39重量%、R116占61重量%。该混合制冷剂的沸点为-85.7℃。
另外,封入低温侧制冷剂回路82内的制冷剂不限于本实施例中已说明的上述R508A。例如,在代替R508A而采用R23和R116的混合比例不同的R508A(R23/R116:46/54)的情况下,本发明也有效。
在图6中实线箭头表示在低温侧制冷剂回路82循环的制冷剂的流向。具体地说明该低温侧制冷剂回路82中的制冷剂流向如下:从压缩机84排出的高温气态制冷剂暂时经由散热装置90侧的制冷剂排出管从密闭容器排出到散热装置90,散热后再次回到密闭容器的壳内。由此,能够利用在散热装置90中散热而降温的制冷剂对密闭容器的壳内进行冷却。然后,该高温气态制冷剂经由制冷剂排出管101从密闭容器排出,在辅助冷凝器91中散热之后,流入油分离器92内。
在该油分离器92中与制冷剂混合的压缩机84的大部分润滑油以及在辅助冷凝器91被冷凝液化的制冷剂的一部分通过回油管103返回到压缩机84。另一方面,自油分离器92排出的制冷剂在内部热交换器93、冷凝器85中被冷凝并散热液化之后,在低温侧脱水器87中除去含有的水分,并流入毛细管88。
在此,在毛细管88中,制冷剂利用在毛细管88的整个周壁面传递的热传导,与通过设置于该毛细管88整个外周的吸入配管102(配管102A)内的制冷剂进行热交换,进一步降温且减压之后流入蒸发器59。然后,在蒸发器83中,制冷剂R508A从周围吸热并蒸发。此时,因制冷剂R508A在蒸发器83中蒸发,所以发挥冷却作用而使该蒸发器83的周围冷却至-86℃~87℃的超低温。此时,如前所述,由于该蒸发器(制冷剂配管)83沿着内箱4的隔热材料7侧以交换热量的方式卷绕而构成,因此,通过该蒸发器83的冷却,能够将超低温储藏库1的储藏室8内设置在-80℃以下的库内温度。
另外,在蒸发器83中蒸发的制冷剂,之后经由吸入配管102从高温侧蒸发器83排出,并经由前述双重管结构体95、内部热交换器93返回到压缩机84。
另外,构成低温侧制冷剂回路82的压缩机84根据储藏室8内的库内温度,利用未图示的控制装置进行ON-OFF(工作/停止)控制。此时,如果利用控制装置停止压缩机84的运转,则低温侧制冷剂回路82内的混合制冷剂自制冷剂配管106经由毛细管108被回收在膨胀罐107内。
由此,能够防止制冷剂回路82内的压力上升。另外,在利用控制装置起动压缩机84时,制冷剂经由毛细管108逐渐从膨胀罐107返回到压缩机84内,从而能够减轻压缩机84的起动负载。
如以上详细说明,通过将毛细管88插入自蒸发器83返回到压缩机84的制冷剂通过的吸入配管102(配管102A)内而构成双重管结构,能够提高配管102A内的制冷剂与毛细管88内的制冷剂的热交换效率,谋求改善性能。
特别是,像本发明那样,将毛细管88插入自蒸发器83导出不久的吸入配管102的配管102A内而构成双重管结构,并且利用在毛细管88的整个周壁面传递的热传导能够进行热交换,从而能够利用来自蒸发器83的返回制冷剂,有效地冷却沸点最低的制冷剂,谋求显著提高性能。因此,本发明在本实施例那样的超低温储藏库1中特别有效。
进而,使用隔热材料105包围插入毛细管88而构成为双重管结构的配管102A,从而能够进一步改善热交换效率。进而,将毛细管88内的制冷剂的流动和通过该毛细管88外侧的配管102A内的制冷剂的流动形成为对流,能够进一步谋求改善热交换能力。
进而,在本实施例中,高温侧制冷剂回路52的作为减压装置的毛细管58与低温侧制冷剂回路82的毛细管88同样,也构成为双重管结构,并使用隔热材料包围该双重管结构的配管72A。进而,在构成双重管结构内侧的毛细管58内和该毛细管58外侧的吸入配管72(配管72A)内,使制冷剂的流动构成对流。由此,利用来自蒸发器59的返回制冷剂,能够有效地冷却毛细管58内的制冷剂。由此,能够进一步提高热交换效率,并且谋求进一步改善性能。
总之,根据本发明,能够实现能够更有效地将储藏室8内冷却至期望的超低温的超低温储藏库1。特别是,根据本发明,与同样地使用的现有冷冻装置相比,能够谋求节能15%~20%左右。而且,以往蒸发器13周围的温度为-83℃左右,但是,通过构成如上所述的本发明的结构,能够实现-86℃~-87℃这样的低温。由此,即便在将以往作为低温侧制冷剂回路82的压缩机而使用的200V规格的压缩机变更为功率小的115V规格的压缩机的情况下,也能够确保足够的性能。由此,能够谋求消耗电力的进一步降低以及装置的小型化。
(第三实施例)
接着,参照图7说明本发明又一个其他实施例的冷冻装置。图7是构成图1的超低温储藏库1的冷冻装置的又一个其他实施例的制冷剂回路图。此时,构成该冷冻装置R3的制冷剂回路的压缩机114等,被设置在位于超低温储藏库1的隔热箱体2下部的未图示的机械室内,蒸发器(制冷剂配管)113以交换热量的方式安装在内箱4的隔热材料7侧的周面上。
本实施例的冷冻装置R3的制冷剂回路由一元多级(二级)制冷剂回路112构成,该制冷剂回路112具有压缩机114、冷凝器115、蒸发器113、以使来自该蒸发器113的返回制冷剂流通的方式连接的单一中间热交换器116以及多个毛细管118、135。构成制冷剂回路112的压缩机114与前述各实施例同样是采用单相交流电源或三相交流电源的电动压缩机。连接在该压缩机114的排出侧的制冷剂排出管131与辅助冷凝器(预冷凝装置)121连接。该辅助冷凝器121与加热储藏室8的开口边缘以防止结露的架管122、压缩机114的油冷却器114C连接之后,与冷凝器(冷凝装置)115连接。另外,在本实施例中,辅助冷凝器121和冷凝器115构成为一体的冷凝器,由作为冷凝器用鼓风机的冷凝用风扇129冷却。
然后,自冷凝器115导出的制冷剂配管经由脱水器(干燥芯)117与分流器130连接。脱水器117是用于除去制冷剂回路112内的水分的水分除去装置。分流器130是用于将在通过辅助冷凝器121、架管122、冷凝器115的过程中冷凝而液化的制冷剂(冷凝制冷剂)和尚未冷凝且保持气态的制冷剂(未冷凝制冷剂)分离的气液分离器。与该分流器130的排出侧(出口侧)连接且用于取出由该分流器130分离的气相制冷剂(未冷凝制冷剂)的气相配管133与冷凝管123连接。
该冷凝管123与辅助蒸发器136一起构成中间热交换器116。该中间热交换器116是这样的装置:在毛细管135中对被分流器130分离的液相制冷剂(冷凝制冷剂)进行减压之后,流入中间热交换器116的辅助蒸发器136并在此蒸发,从而冷却在冷凝管123流动的气相制冷剂(未冷凝制冷剂)并使其冷凝。自冷凝管123导出的制冷剂配管经由毛细管(最后一级的毛细管)118与蒸发器(蒸发装置)113连接。
所述毛细管118插入自蒸发器113导出并回到压缩机114的吸入配管132的一部分(配管132A)内。具体而言,将毛细管118插入位于蒸发器113的排出侧且位于储液器116的吸入侧的吸入配管132的一部分即配管132A内而构成如图3所示的双重管结构。通过该双重管结构,在构成该双重管125(以下称为双重管结构体)内侧的毛细管118内流动的制冷剂与在构成该双重管结构体外侧的配管132A内流动的来自蒸发器113的制冷剂能够进行热交换。
所述双重管结构体125通过与在前述第一实施例中说明过的双重管结构体25的制造方法相同的方法来制造。即,首先,在直径较大的直管状配管132A内插入直管状毛细管118。接着,将该双重管以螺旋状卷绕数段。此时,尽量卷绕成使配管132A的轴心与毛细管118的轴心一致,从而形成螺旋状的双重管。由此,在配管132A的内壁面与毛细管118的外壁面之间尽量一贯地构成间隙。这样,通过将双重管卷绕成数段的螺旋状而构成螺旋状的双重管结构,从而可以充分确保毛细管118的长度,并且充分确保该双重管结构的热交换部分,同时能够谋求小型化。
接着,在配管132A的两端,安装在两端及侧面开设孔的帽形连接配管(未图示),从侧面孔分别导出毛细管118的端部之后将该侧面孔焊接密封。进而,将安装在配管132A一端的连接配管的一端和该配管132A的连接部焊接,在该连接配管的另一端上连接与蒸发器113的排出侧连接的吸入配管102,并将该连接部焊接。同样地,将安装在配管132A另一端的连接配管的一端和该配管132A的连接部分焊接,在该连接配管的另一端上连接到达中间热交换器116的吸入配管102,并将该连接部焊接。然后,使用隔热材料140包围构成该双重管结构的配管132A的外周,从而能够构成本实施例的双重管结构体125。
这样,将毛细管118插入吸入配管132内而构成双重管结构,通过毛细管118内的制冷剂和通过吸入配管132内的制冷剂,利用在毛细管118的整个周壁面传递的热传导进行热交换。由此,与在吸入配管的外周面增设有毛细管的现有结构相比,能够显著提高热交换性能。
进而,如上所述使用隔热材料140包围双重管结构的配管132A的整个外周,从而难以受到来自外部的热影响,能够进一步提高配管132A内的制冷剂与毛细管118内的制冷剂的热交换能力。进而,在构成双重管结构内侧的毛细管118内与该毛细管118外侧的吸入配管132(配管132A)内,以使制冷剂的流动构成对流的方式使制冷剂流动,从而能够进一步改善该双重管结构体125中的热交换能力。
该双重管结构体125与前述各实施例的双重管构造体25,95同样,以可取出或放入的方式收纳在成为内箱4背面侧的下方的隔热材料7内。
另一方面,自蒸发器113导出的吸入配管132通过上述双重管结构体125的配管132A与辅助蒸发器136连接。然后,自辅助蒸发器136导出的吸入配管132与压缩机114的吸入侧连接。在吸入配管132的该压缩机114与辅助蒸发器136之间,经由作为减压装置的毛细管138,进而连接有压缩机114停止时贮存制冷剂的膨胀罐137。
然后,在制冷剂回路112内,作为制冷剂封入有由沸点不同的多种混合制冷剂构成的非共沸混合制冷剂。在本实施例中,与第一实施例同样,封入有由R245fa(1,1,1,3,3-五氟丙烷:CF3CH2CHF2)、R600(丁烷:CH3CH2CH2CH3)、R23(三氟甲烷:CHF3)、R14(四氟化碳:CF4)构成的非共沸混合制冷剂。
在制冷剂回路112中封入的制冷剂不限于含有R245fa、R600、R23、R14的上述非共沸混合制冷剂。例如也可以封入含有R245fa、R600、R116、R14的非共沸混合制冷剂,或者含有R245fa、R600、R508A、R14的非共沸混合制冷剂,或者含有R245fa、R600、R508B、R14的非共沸混合制冷剂,在使用其他制冷剂的情况下,本发明也有效。
在图7中箭头表示在制冷剂回路112循环的制冷剂的流向。具体地说明如下:从压缩机114排出的高温气态制冷剂经由制冷剂配管131从密闭容器排出,依次通过辅助冷凝器121、架管122、压缩机114的油冷却器114C、冷凝器115。自压缩机114排出的高温气态制冷剂在通过辅助冷凝器121、架管122、油冷却器114C、冷凝器115的过程中散热,混合制冷剂中的沸点高的制冷剂(R245fa、R600)冷凝而液化。
然后,自冷凝器115导出的混合制冷剂在脱水器117中除去含有的水分并流入分流器130。此刻,由于混合制冷剂中的R23和R14的沸点极低,尚未被冷凝而处于气态,沸点高的R245fa和R600被冷凝而液化,因此,R23、R14、R245fa和R600被分离为,R23和R14流入气相配管133,R245fa和R600流入液相配管134。流入气相配管133的制冷剂混合物,进而流入构成中间热交换器116的冷凝管123。
而且,流入液相配管134的混合制冷剂在毛细管135中被减压之后,流入与所述冷凝管123一起构成中间热交换器116的辅助蒸发器136,并且与自蒸发器113返回的低温制冷剂一起冷却在冷凝管123流动的R23和R14。由此,在冷凝管123流动的R23和R14被冷凝而液化。然后,在该中间热交换器116中,冷凝后的R23和R14之后从冷凝管123排出并流入毛细管118。
在此,在毛细管118中,制冷剂利用在毛细管118的整个周壁面传递的热传导,与通过设置于该毛细管118整个外周的吸入配管132(配管132A)内的制冷剂进行热交换,进一步降温且减压之后流入蒸发器113中。然后,在蒸发器113中,制冷剂R14和R23从周围吸热并蒸发。此时,制冷剂R14和R23在蒸发器113中蒸发,因此发挥冷却作用而使该蒸发器113的周围冷却至-85℃的超低温。此时,如前所述,由于该蒸发器(制冷剂配管)113沿着内箱4的隔热材料7侧以交换热量的方式卷绕而构成,因此,通过该蒸发器113的冷却,能够将超低温储藏库1的储藏室8内设置在-80℃以下的库内温度。
在蒸发器113中蒸发的制冷剂,之后经由吸入配管132从蒸发器113排出,经由前述的双重管结构体125流入中间热交换器116的辅助蒸发器136,并与在该辅助蒸发器136中蒸发的沸点高的制冷剂(R245fa、R600)汇合。然后,制冷剂自辅助蒸发器136导出并返回到压缩机114。
另一方面,构成制冷剂回路112的压缩机114根据储藏室8内的库内温度,利用未图示的控制装置进行ON-OFF控制。此时,如果利用控制装置停止压缩机114的运转,则低温侧制冷剂回路112内的混合制冷剂经由毛细管138被回收在膨胀罐137内。
由此,能够防止制冷剂回路112内的压力上升。另外,在利用控制装置起动压缩机114时,制冷剂经由毛细管138逐渐从膨胀罐137返回到制冷剂回路112中,从而能够减轻压缩机114的起动负载。
如以上详细说明的本实施例那样,通过将毛细管118插入自蒸发器113返回到压缩机114的制冷剂通过的吸入配管132(配管132A)内而构成双重管结构,能够提高配管132A内的制冷剂与毛细管118内的制冷剂的热交换效率,谋求改善性能。特别是,像本发明那样,将毛细管118插入自蒸发器113导出不久的吸入配管132的配管132A内而构成双重管结构,并且利用在毛细管118的整个周壁面传递的热传导能够进行热交换,从而能够利用来自蒸发器113的返回制冷剂,有效地冷却沸点最低的制冷剂,谋求显著提高性能。因此,本发明在本实施例那样的超低温储藏库1中特别有效。
进而,使用隔热材料140包围插入毛细管118而构成为双重管结构的配管132A,从而能够进一步改善热交换效率。进而,将毛细管118内的制冷剂的流动和通过该毛细管118外侧的配管132A内的制冷剂的流动形成为对流,能够进一步谋求改善热交换能力。
总之,根据本发明,能够实现能够更有效地将储藏室8内冷却至期望的超低温的超低温储藏库1。特别是,根据本发明,与同样地使用的现有冷冻装置相比,能够谋求节能15%~20%左右。而且,蒸发器113周围的温度与以往相比也能够实现低温。由此,在将压缩机变更为与现有压缩机相比功率更小的压缩机的情况下,也能够确保足够的性能。由此,能够谋求消耗电力的进一步降低以及装置的小型化。
另外,在本实施例中,可以仅由上述说明的制冷剂回路112构成超低温储藏库1的冷冻装置R3,但是,也可以如下构成,即如图7所示,在制冷剂回路112的基础上,一并设置由与该制冷剂回路112相同的回路结构构成的制冷剂回路152,由此利用两个制冷剂回路112,152构成超低温储藏库1的冷冻装置R3。该制冷剂回路152的回路结构及制冷剂的流向与上述制冷剂回路112相同,因此,标注了与构成制冷剂回路112的各部件相同的附图标记。即,由于标注有与制冷剂回路112相同的附图标记的部件具有相同或相似的效果或者作用,因此在此省略说明。
构成该制冷剂回路152的压缩机114等,与制冷剂回路112的压缩机114同样,设置在位于超低温储藏库1的隔热箱体2下部的未图示的机械室内,制冷剂回路152的蒸发器113也与制冷剂回路112的蒸发器113同样,以交换热量的方式安装在内箱4的隔热材料7侧的周面上。进而,在该制冷剂回路152中封入的制冷剂及该制冷剂的循环也与上述说明的制冷剂回路112的情况相同,因此在此省略说明。
这样,在将大致相同性能的两个独立的制冷剂回路112,152一并设置来构成低温储藏库1的冷冻装置R3的情况下,作为一个制冷剂回路发生故障时的候补,能够使用另一个制冷剂回路。即,例如即使在制冷剂回路112发生故障的情况下,也能够无障碍地运转制冷剂回路152,利用该制冷剂回路152的蒸发器113将储藏室8内维持在超低温。由此,能够谋求提高超低温储藏库1的可靠性。
另外,在本实施例中,说明了这样的一元二级方式的冷冻装置R3,即构成冷冻装置的各制冷剂回路具有:压缩机114、冷凝器115、蒸发器113、以使来自该蒸发器113的返回制冷剂流通的方式连接的单一的中间热交换器116及多个具体而言为两个毛细管135,118,封入有多种非共沸混合制冷剂,经由冷凝器115的制冷剂中的冷凝制冷剂,经由毛细管135在中间热交换器116汇合,在该中间热交换器116中冷却制冷剂中的未冷凝制冷剂,从而使沸点更低的制冷剂冷凝,经由最后一级的毛细管118,使沸点最低的制冷剂在蒸发器113中蒸发,从而发挥冷却作用,但是,本发明并不限定于此,例如,将也可以将多个中间热交换器串联连接而构成回路。
(第四实施例)
接着,参照图8说明本发明又一个其他实施例的冷冻装置。图8是构成图1的超低温储藏库1的冷冻装置的又一个其他实施例的制冷剂回路图。此时,构成该冷冻装置R4的制冷剂回路的压缩机214,254等,被设置在位于超低温储藏库1的隔热箱体2下部的未图示的机械室内,蒸发器(制冷剂配管)253与前述各实施例的蒸发器13,83,113同样,以交换热量的方式安装在内箱4的隔热材料7侧的周面上。
本实施例的冷冻装置R4的制冷剂回路作为多元多级制冷剂回路由分别构成独立的制冷剂闭合回路的高温侧制冷剂回路212和低温侧制冷剂回路252的二元二级制冷剂回路构成。构成高温侧制冷剂回路212的压缩机214是采用单相交流电源或三相交流电源的电动压缩机,连接在该压缩机214的排出侧的制冷剂排出管231与辅助冷凝器221连接。该辅助冷凝器221与加热储藏室8的开口边缘以防止结露的架管222连接。
该架管222与压缩机214的油冷却器214C连接之后与冷凝器215连接。然后,自冷凝器215导出的制冷剂配管与构成低温侧制冷剂回路252的压缩机254的油冷却器254C连接之后,与冷凝器223连接。自该冷凝器223导出的制冷剂配管依次经由干燥器(干燥芯)217及作为减压装置的毛细管218,与作为构成该高温侧制冷剂回路212的蒸发器的蒸发器部分的高温侧蒸发器213连接。
该高温侧蒸发器213与作为低温侧制冷剂回路252的冷凝器的冷凝管255一起构成级联式热交换器216。在自辅助蒸发器213导出的吸入配管232上,连接有作为制冷液贮存装置的储液器228,自该储液器228导出的吸入配管232与压缩机214的吸入侧连接。在本实施例中的辅助冷凝器221与冷凝器215,223构成一体的冷凝器,由作为冷凝器用鼓风机的冷凝用风扇229冷却。
在高温侧制冷剂回路212中,作为沸点不同的非共沸制冷剂,填充有由R407D和n-戊烷构成的制冷剂。R407D由R32(二氟甲烷:CH2F2)、R125(五氟乙烷:CHF2CF3)、R134a(1,1,1,2-四氟乙烷:CH2FCF3)构成,其组成为:R32占15重量%、R125占15重量%、R134a占70重量%。各制冷剂的沸点为:R32为-51.8℃、R125为-48.57℃、R134a为-26.16℃。另外,n-戊烷的沸点为+36.1℃。
在该结构中,自压缩机214排出的高温气态制冷剂,在辅助冷凝器221、架管222、油冷却器214C、冷凝器215、低温侧制冷剂回路252的压缩机254的油冷却器254C、冷凝器223中被冷凝且散热而液化之后,在干燥器217中除去含有的水分,并流入毛细管218。然后,在该毛细管218中被减压的制冷剂流入构成级联式热交换器216的高温侧蒸发器213。在该高温侧蒸发器213中,制冷剂R32、R125及R134a从在冷凝管255内流动的制冷剂吸热而被蒸发。此时,在该级联式热交换器216中,通过使高温侧制冷剂回路212的高温侧蒸发器213中的制冷剂蒸发,在冷凝管255内流动的低温侧制冷剂回路252的制冷剂被冷却。
另外,在高温侧蒸发器213中蒸发的制冷剂,之后经由吸入配管232自蒸发器213导出,并经由储液器228返回到压缩机214。
此时,压缩机214的功率例如为1.5HP,运转中的高温侧蒸发器213的最终到达温度为-27℃至-35℃。在该低温下,由于制冷剂中的n-戊烷的沸点为+36.1℃,因此,在蒸发器213中未蒸发而保持液态,因此,对于冷却几乎不起作用,但是,该n-戊烷具有如下功能:以在其中溶入压缩机214的润滑油或未被干燥器217吸收完的混入水分的状态返回到压缩机214的功能,以及通过该液态制冷剂在压缩机214内的蒸发,使压缩机214的温度下降的功能。
另一方面,低温侧制冷剂回路252具有:压缩机254、冷凝管(冷凝器)255、蒸发器253、以使来自该蒸发器253的返回制冷剂流通的方式连接的多个中间热交换器262,266,270,272以及多个毛细管264,268,258。具体而言,构成低温侧制冷剂回路252的压缩机254与前述压缩机214同样是采用单相交流电源或三相交流电源的电动压缩机,在与该压缩机254的排出侧连接的制冷剂排出管281上,经由由丝管式冷凝器(ワイヤコンデンサ)构成的散热器259连接有油分离器260。在该油分离器260上连接有返回到压缩机254的回油管287。与油分离器260的排出侧连接的制冷剂配管连接在作为与所述高温侧蒸发器213一起构成级联式热交换器216的冷凝器的冷凝管255上。
然后,连接在冷凝管255的排出侧的制冷剂配管经由干燥器(干燥芯)257与第一气液分离器261连接。由气液分离器261分离的气相制冷剂(未冷凝制冷剂)经由气相配管283通过第一中间热交换器262内,流入第二气液分离器265。另一方面,由第一气液分离器261分离的液相制冷剂(冷凝制冷剂)经由液相配管284并通过干燥器263、作为减压装置的毛细管268,流入第一中间热交换器262内。该第一中间热交换器262是这样的装置,即,使由第一气液分离器261分离的液相制冷剂(冷凝制冷剂)经由毛细管264在该中间热交换器262汇合,在此冷却在气相配管283流动的气相制冷剂(未冷凝制冷剂),从而使沸点更低的制冷剂冷凝。
由第二气液分离器265分离的液相制冷剂,通过液相配管286并经过干燥器267之后,经由作为减压装置的毛细管268流入第二中间热交换器266。而且,由第二气液分离器265分离的气相制冷剂经由气相配管285通过第二中间热交换器266内。该第二中间热交换器266是这样的装置,即,使由第二气液分离器265分离的液相制冷剂(冷凝制冷剂)经由毛细管268在该中间热交换器266汇合,在此冷却在气相配管285流动的气相制冷剂(未冷凝制冷剂),从而使沸点更低的制冷剂冷凝。
通过第二中间热交换器266内的气相配管285,接着经过第三中间热交换器270、第四中间热交换器272及干燥器274,到达作为减压装置的毛细管258。
该毛细管258插入自蒸发器253导出并返回到压缩机254的吸入配管282的一部分(配管282A)内。具体而言,将毛细管258插入位于蒸发器253的排出侧且位于第四中间热交换器272的吸入侧的吸入配管282的一部分即配管282A内而构成如图3所示的双重管结构。通过该双重管结构,在构成该双重管295(以下称为双重管结构体)内侧的毛细管258内流动的制冷剂与在构成该双重管结构体外侧的配管282A内流动的来自蒸发器253的制冷剂能够进行热交换。
该双重管结构体295通过与在前述第一实施例中说明过的双重管结构体25的制造方法相同的方法来制造。即,首先,在直径较大的直管状配管282A内插入直管状毛细管258。接着,将该双重管以螺旋状卷绕数段。此时,尽量卷绕成使配管282A的轴心与毛细管258的轴心一致,从而形成螺旋状的双重管。由此,在配管282A的内壁面与毛细管258的外壁面之间尽量一贯地构成间隙。这样,通过将双重管卷绕成数段的螺旋状而构成螺旋状的双重管结构,从而可以充分确保毛细管258的长度,并且充分确保该双重管结构的热交换部分,同时能够谋求小型化。
接着,在配管282A的两端,安装在两端及侧面开设孔的帽形连接配管(未图示),从侧面孔分别导出毛细管258的端部之后将该侧面孔焊接密封。进而,将安装在配管282A一端的连接配管的一端和该配管282A的连接部焊接,在该连接配管的另一端上连接与蒸发器253的排出侧连接的吸入配管282,并将该连接部焊接。同样地,将安装在配管282A另一端的连接配管的一端和该配管282A的连接部分焊接,在该连接配管的另一端上连接到达第四中间热交换器272的吸入配管282,并将该连接部焊接。然后,使用隔热材料297包围构成该双重管结构的配管282A的外周,从而能够构成本实施例的双重管结构体295。
这样,将毛细管258插入吸入配管282内而构成双重管结构,从而,使通过毛细管258内的制冷剂和通过吸入配管282内的制冷剂,利用在毛细管258的整个周壁面传递的热传导进行热交换。由此,与在吸入配管的外周面增设有毛细管的现有结构相比,能够显著提高热交换性能。
进而,如上所述使用隔热材料297包围双重管结构的配管282A的整个外周,从而难以受到来自外部的热影响,能够进一步提高配管282A内的制冷剂与毛细管258内的制冷剂的热交换能力。进而,在构成双重管结构内侧的毛细管258内与该毛细管258外侧的吸入配管282(配管282A)内,以使制冷剂的流动构成对流的方式使制冷剂流动,从而能够进一步改善该双重管结构体295中的热交换能力。
该双重管结构体295与前述第一实施例的双重管构造体25同样,以可取出或放入的方式收纳在成为内箱4背面侧的下方的隔热材料7内。
一方面,自该双重管结构体295导出的吸入配管282依次与第四中间热交换器272、第三中间热交换器270、第二中间热交换器266和第一中间热交换器262连接之后,与压缩机254的吸入侧连接。在该吸入制冷剂配管282的压缩机254与第一中间热交换器262之间,经由作为减压装置的毛细管289进而连接有压缩机254停止时贮存制冷剂的膨胀罐288。而且,在该毛细管289上并列连接有将膨胀罐288的方向作为正向的单向阀290。
另一方面,在低温侧制冷剂回路252中封入有含有作为沸点不同的7种混合制冷剂的R245fa、R600、R404A、R508、R14、R50、R740的非共沸混合制冷剂。R245fa为1,1,1,3,3-五氟丙烷(CF3CH2CHF2),R600为丁烷(CH3CH2CH2CH3)。R245fa的沸点为+15.3℃,R600的沸点为-0.5℃。因此,通过将这些制冷剂以规定比例混合,能够代替以往使用的沸点为+8.9℃的R21而使用。
另外,由于R600为可燃性物质,通过使其与不燃性的R245fa以规定比例(在本实施例中以R245fa/R600=70/30的比例)混合,由此可作为不燃性物质封入制冷剂回路38中。另外,在本实施例中,相对于R245fa与R600之和的总重量,R245fa占70重量%,但是,只要R245fa的含量在70重量%以上,则具有不燃性,因此,其含量可以在70重量%以上。
R404A由R125(五氟乙烷:CHF2CF3)、R143a(1,1,1-三氟乙烷:CH3CF3)、R134a(1,1,1,2-四氟乙烷:CH2FCF3)构成,其组成为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-46.48℃。因此,可以代替以往使用的沸点为-40.8℃的R22而使用。
R508由R23(三氟甲烷:CHF3)、R116(六氟乙烷:CF3CF3)构成,其组成为R23占39重量%、R116占61重量%,该混合制冷剂的沸点为-88.64℃。
另外,R14为四氟化碳(CF4),R50为甲烷(CH4),R740为氩(Ar)。它们的沸点分别是:R14为-127.9℃、R50为-161.5℃、R740为-185.86℃。另外,R50存在与氧结合发生爆炸的危险,但是,与R14结合可以消除爆炸的危险。因此,即使发生了混合制冷剂的泄漏事故,也不会发生爆炸。
如上所述的这些制冷剂以如下状态封入制冷剂回路252中,即暂时预先将R245fa和R600以及R14和R50混合而使之处于不燃状态,然后,预先将R245fa、R600的混合制冷剂、R404A、R508A、R740、及R14、R50的混合制冷剂混合。或者,按照沸点的高低顺序即R245fa和R600、接着R404A、R508A、R14和R50、最后R740的顺序封入。各制冷剂的组成例如为R245fa和R600的混合制冷剂占10.3重量%、R404A占28重量%、R508A占29.2重量%、R14和R50的混合制冷剂占26.4重量%、R740占5.1重量%。
在本实施例中,在R404A中可以添加4重量%的n-戊烷(占非共沸制冷剂的总重量的0.5~2重量%的范围)。
接着说明低温侧制冷剂回路252中的制冷剂循环。自压缩室254排出的高温高压的气态混合制冷剂经由制冷剂配排出管281流入散热器259内,并在此散热而使作为混合制冷剂中沸点高且油溶性良好的载油制冷剂(オイルキヤリア
媒)的n-戊烷、R600的一部分冷凝而液化。
经由散热器259的混合制冷剂流入油分离器260内,与制冷剂混合的压缩机254的大部分润滑油和散热器259中被冷凝液化的制冷剂的一部分(n-戊烷、R600的一部分)通过回油管287返回到压缩机254。由此,在级联式热交换器216后段的制冷剂回路252中流入纯度更高的低沸点制冷剂,能够有效地得到超低温。由此,即使是相同功率的压缩机214和压缩机254,也能够将更大容积的被冷却对象的储藏室8内冷却至规定的超低温,并且无需使冷冻装置R的整体大型化,就能够谋求增大收纳容量。
在此,在本实施例中,流入油分离器260的制冷剂暂时在散热器259中被冷却,因此,能够降低流入级联式热交换器216的制冷剂的温度。具体而言,在以往流入级联式热交换器216的制冷剂温度为+65℃左右,但是,在本实施例中能够降低到+45℃左右。
因此,在级联式热交换器216中,能够减轻施加在用于冷却低温侧制冷剂回路252内的制冷剂的高温侧制冷剂回路212的压缩机的负载。而且,由于能够有效地冷却低温侧制冷剂回路252内的制冷剂,因此能够减轻施加在构成该低温侧制冷剂回路252的压缩机254的负载。由此,能够实现冷冻装置R4整体的运转效率的改善。
在级联式热交换器216中,其他混合制冷剂自身被高温侧蒸发器213冷却到-40℃~-30℃左右,使混合制冷剂中沸点高的制冷剂的一部分(R245fa、R600、R404A、R508的一部分)冷凝液化。然后,自级联式热交换器216的冷凝管255导出的混合制冷剂,经由干燥器257流入第一气液分离器261。此刻,由于混合制冷剂中的R14、R50和R740的沸点极低,因此未被冷凝而处于气态,只有R245fa、R600、R404A、R508的一部分被冷凝液化,因此,这些制冷剂被分离为,R14、R50和R740流入气相配管283,R245fa、R600、R404A和R508A流入液相配管284。
流入气相配管283的制冷剂混合物与第一中间热交换器262进行热交换而冷凝之后,到达第二气液分离器265。在此,在第一中间热交换器262中流入自蒸发器(制冷剂配管)253返回的低温制冷剂,进而,流入液相配管284的液态制冷剂经由干燥器263在毛细管264中被减压之后,流入第一中间热交换器262并在此蒸发,从而对冷却起作用,因此,对未冷凝的R14、R50、R740、及R508的一部分进行冷却的结果是,第一中间热交换器262的中间温度达到-60℃左右。因此,通过气相配管283的混合制冷剂中的R508完全被冷凝液化,并分流到第二气液分离器265。由于R14、R50、R740的沸点更低,因此仍处于气态。
在第二中间热交换器266中,在第二气液分离器265中被分流的R508被干燥器267除去水分,并在毛细管268中减压之后,流入第二中间热交换器266,与自蒸发器253返回的低温制冷剂一起冷却气相配管285中的R14、R50和R740,此过程中使蒸发温度最高的R14冷凝。其结果是,第二中间热交换器266的中间温度达到-90℃左右。
通过该第二中间热交换器266的气相配管285接着经过第三中间热交换器270并通过第四中间热交换器272。在此,在第四中间热交换器272中返回自蒸发器253经由双重管结构体295不久的制冷剂,根据试验,第四中间热交换器272的中间温度达到-130℃左右的相当低的温度。
在此,在毛细管258中,制冷剂利用在毛细管18的整个周壁面传递的热传导与通过设置于毛细管258整个外周的吸入配管282(配管282A)内的制冷剂进行热交换,进一步降温且减压之后流入蒸发器253。然后,在蒸发器253中,制冷剂从周围吸热之后蒸发。根据试验,此时蒸发器253周围的温度达到-160.3℃~-157.3℃的超低温。
这样,利用低温侧制冷剂回路252中的各制冷剂的蒸发温度之差,依次冷凝在各中间热交换器262,266,270,272中尚处于气相状态的制冷剂,在最后一级的蒸发器253中能够达到-150℃以下的超低温。因此,通过使该蒸发器253沿着内箱4的隔热材料7侧以交换热量的方式卷绕而构成,能够在储藏室8内实现-152℃以下的库内温度。
在蒸发器253中蒸发的制冷剂,之后经由吸入配管282自蒸发器253导出,并依次流入前述双重管结构体295、第四中间热交换器272、第三中间热交换器270、第二中间热交换器266、第一中间热交换器262,与在各蒸发器中蒸发的制冷剂汇合而返回到压缩机254。
自压缩机254混入到制冷剂而被排出的油的大部分被油分离器260分离而返回到压缩机254,但与成为雾状的制冷剂一起从油分离器260排出的油以溶入与油的相溶性高的R600的状态返回到压缩机254。由此,能够防止压缩机254的润滑不良或卡住(ロツク)。而且,R600以液态返回到压缩机254并在该压缩机254内蒸发,因此能够降低压缩机254的排出温度。
另外,构成低温侧制冷剂回路252的压缩机254根据储藏室8内的库内温度,利用未图示的控制装置进行ON-OFF控制。此时,如果利用控制装置停止压缩机254的运转,则低温侧制冷剂回路252内的混合制冷剂经由单向阀290被回收在膨胀罐288内,其中单向阀290以膨胀罐288方向为正向。
因此,相比于在压缩机254停止时制冷剂经由毛细管289被回收在膨胀罐288内的情况,能够非常迅速地经由单向阀290将制冷剂回路252中的制冷剂回收在膨胀罐288内。
由此,能够防止制冷剂回路252内的压力上升,当利用控制装置起动压缩机254时,制冷剂经由毛细管289逐渐从膨胀罐288返回到制冷剂回路252中,从而能够减轻压缩机254的起动负载。
因此,在压缩机254停止时将制冷剂迅速回收到膨胀罐288,从而能够迅速使制冷剂回路252内的压力达到平衡,在压缩机254再起动时,不会对压缩机254施加负载,能够顺畅地进行压缩机254的再起动。由此,因显著缩短压缩机起动时使制冷剂回路252内达到平衡压力所需的时间,故能够提高压缩机254的运转效率,例如能够缩短下降运转所需的时间,能够谋求提高便利性。
如以上详细说明的本发明那样,通过将毛细管258插入自蒸发器253返回到压缩机254的制冷剂通过的吸入配管282(配管282A)内而构成双重管结构,能够提高配管282A内的制冷剂与毛细管258内的制冷剂的热交换效率,谋求改善性能。特别是,像本发明那样,将毛细管258插入自蒸发器253导出不久的吸入配管282的配管282A内而构成双重管结构,并且利用在毛细管258的整个周壁面传递的热传导能够进行热交换,从而能够利用来自蒸发器253的返回制冷剂,有效地冷却沸点最低的制冷剂,谋求显著提高性能。因此,本发明在本实施例那样的超低温储藏库1中特别有效。
进而,使用隔热材料297包围插入毛细管258而构成为双重管结构的配管282A,从而能够进一步改善热交换效率。进而,将毛细管258内的制冷剂的流动和通过该毛细管258外侧的配管282A内的制冷剂的流动形成为对流,能够进一步谋求改善热交换能力。
总之,根据本发明,能够实现更有效地将储藏室8内冷却至期望的超低温的超低温储藏库1。特别是,根据本发明,与同样地使用的现有冷冻装置相比,能够谋求节能15%~20%左右。而且,蒸发器253周围的温度与以往相比也能够实现低温。由此,即使将压缩机变更为功率小于以往使用的压缩机功率的压缩机,也能够确保足够的性能。由此,能够谋求进一步降低消耗电力以及装置的小型化。
另外,在本实施例中,虽然只把低温侧制冷剂回路252的最后一级的毛细管258构成为本发明的双重管结构,但不限于此,即使将高温侧制冷剂回路212的毛细管218同样地插入自高温侧制冷剂回路212的蒸发器213返回到压缩机214的制冷剂通过的吸入配管232的一部分配管内而构成双重管结构,本发明也有效。在此情况下,在高温侧制冷剂回路212中,也能够提高吸入配管232内的制冷剂与毛细管218中的制冷剂的热交换能力。由此,能够进一步改善冷冻装置R4的性能。
而且,在本实施例中,说明了如下的二元多级方式的冷冻装置R4:构成冷冻装置的制冷剂回路具有:分别构成独立的制冷剂闭合回路的高温侧制冷剂回路213和低温侧制冷剂回路252,该制冷剂闭合回路在冷凝从压缩机214或254排出的制冷剂之后,进行减压,并在蒸发器213或253中蒸发,从而发挥冷却作用,低温侧制冷剂回路252具有压缩机254、冷凝管255、蒸发器253、以使来自该蒸发器253的返回制冷剂流通的方式串联连接的多个具体为四个中间热交换器262,266,270,272以及多个具体为三个毛细管264,268,258,并且封入有多种非共沸混合制冷剂,使经过所述冷凝管的制冷剂中的冷凝制冷剂,经由各毛细管在各中间热交换器汇合,通过在各中间热交换器冷却制冷剂中的未冷凝制冷剂而依次冷凝沸点更低的制冷剂,经由最后一级的毛细管258使沸点最低的制冷剂在蒸发器253中蒸发,从而发挥冷却作用,并且由高温侧制冷剂回路212的蒸发器213和低温侧制冷剂回路252的冷凝管255构成级联式热交换器216,在低温侧制冷剂回路252的蒸发器253中得到超低温,但是,本发明并不限于此,可以是多元多级方式的冷冻装置。而且,即使气液分离器和中间热交换器为一个二元一级方式的冷冻装置,本发明也有效。