JP2000205675A - 特に極低温用の可変負荷冷凍系 - Google Patents

特に極低温用の可変負荷冷凍系

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 特に極低温を含めて広い温度範囲にわたって
冷凍を発生させる方法を提供する。 【解決手段】 所定の成分から無毒性で不燃性でしかも
非オゾン消耗性の混合物を形成し、そして冷凍サイクル
における圧縮、冷却、膨張及び加温の工程を通して可変
負荷形態に維持する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的には冷凍に
関し、より具体的には冷凍を発生させるのに有用な多成
分系冷媒流体の使用に関する。本発明は、極低温に至る
まで冷凍を提供するのに特に有用である。
【０００２】
【従来の技術】冷凍は、通常、冷媒流体を冷凍回路内に
おいて圧縮し次いで膨張させることによって発生され
る。かかる従来の系の周知の例としては、冷凍機及び空
気調和機が挙げられる。典型的には、冷媒は、所要の温
度において液体から気体への相の変化を受け、かくして
その蒸発潜熱を冷却目的に利用可能にする単成分系流体
である。従来の系の効率は、所要の温度範囲にわたって
可変量の冷凍を提供することができる冷媒として多成分
流体を使用することによって向上させることができる。
しかしながら、公知の多成分流体冷凍サイクルは、より
冷たい極低温に至る大きな温度範囲にわたって冷凍を効
果的に提供することができない。その上、たいていの周
知冷媒流体は、毒性で、可燃性で、及び／又はオゾン消
耗性である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、極低温に至る大きな温度範囲にわたって冷凍を提供
することができる多成分系冷媒流体を使用して冷凍を発
生させる方法を提供することである。
【０００４】本発明の他の目的は、無毒性で、不燃性
で、しかも低又は非オゾン消耗性である多成分系冷媒流
体を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】発明の概要 当業者にはこの開示を通読するときに明らかになるであ
ろう上記の目的及び他の目的が本発明によって達成され
るが、本発明の１つの面は、（Ａ）フルオルカーボン、
ヒドロフルオルカーボン及びフルオルエーテルよりなる
群からの少なくとも１種の成分と、フルオルカーボン、
ヒドロフルオルカーボン、ヒドロクロルフルオルカーボ
ン、フルオルエーテル、大気ガス及び炭化水素よりなる
群からの少なくとも１種の成分とを含む可変負荷冷媒混
合物を圧縮して圧縮可変負荷冷媒混合物を生成し、
（Ｂ）圧縮された可変負荷冷媒混合物を冷却して冷却圧
縮可変負荷冷媒混合物を生成し、（Ｃ）冷却され圧縮さ
れた可変負荷冷媒混合物を膨張させ且つ冷却を発生させ
てより低い温度の可変負荷冷媒混合物を生成し、そして
（Ｄ）そのより低い温度の可変負荷冷媒混合物を加温す
る、ことを含む冷凍発生法、である。
【０００６】本発明の他の面は、フルオルカーボン、ヒ
ドロフルオルカーボン及びフルオルエーテルよりなる群
からの少なくとも１種の成分と、フルオルカーボン、ヒ
ドロフルオルカーボン、ヒドロクロルフルオルカーボ
ン、フルオルエーテル、大気ガス及び炭化水素よりなる
群からの少なくとも１種の成分とを含む、無毒性で、不
燃性でしかも低オゾン消耗性の冷媒混合物、である。
【０００７】本明細書において用語「可変負荷冷媒」を
使用するときには、それは、２種又はそれ以上の成分の
混合物であって、これらの成分の液相が該混合物の泡立
ち点と露点との間で連続せる且つ増大する温度変化を受
けるような割合にある混合物を意味する。混合物の泡立
ち点は、所定の圧力において混合物がすべて液相状態に
あるがしかし加熱によって液相と平衡状態の気相の形成
が開始されるような温度である。混合物の露点は、所定
の圧力において混合物がすべて気相状態にあるがしかし
熱の抽出によって気相と平衡状態の液相の形成が開始さ
れるような温度である。それ故に、混合物の泡立ち点と
露点との間の温度領域は、液相及び気相の両方が平衡状
態で共存するような領域である。本発明の実施では、可
変負荷冷媒について泡立ち点と露点との間の温度差は、
少なくとも１０°Ｋ、好ましくは少なくとも２０°Ｋ、
そして最も好ましくは少なくとも５０°Ｋである。
【０００８】本明細書で用語「フルオルカーボン」を使
用するときには、それは、次の物質、即ち、テトラフル
オルメタン（ＣＦ4 ）、ペルフルオルエタン（Ｃ
2Ｆ6）、ペルフルオルプロパン（Ｃ3Ｆ8 ）、ペルフル
オルブタン（Ｃ4Ｆ10）、ペルフルオルペンタン（Ｃ5Ｆ
12 ）、ペルフルオルエテン（Ｃ2Ｆ4）、ペルフルオル
プロペン（Ｃ3Ｆ6）、ペルフルオルブテン（Ｃ4Ｆ8）、
ペルフルオルペンテン（Ｃ5Ｆ1 0）、ヘキサフルオルシ
クロプロパン（シクロ−Ｃ3Ｆ6 ）及びオクタフルオル
シクロブタン（シクロ−Ｃ4Ｆ8）のうちの１種を意味す
る。
【０００９】本明細書で用語「ヒドロフルオルカーボ
ン」を使用するときには、それは、次の物質、即ち、フ
ルオルホルム（ＣＨＦ3）、ペンタフルオルエタン（Ｃ2
ＨＦ5）、テトラフルオルエタン（Ｃ2Ｈ2Ｆ4）、ヘプタ
フルオルプロパン（Ｃ3ＨＦ7）、ヘキサフルオルプロパ
ン（Ｃ3Ｈ2Ｆ6）、ペンタフルオルプロパン（Ｃ3Ｈ
3Ｆ5）、テトラフルオルプロパン（Ｃ3Ｈ4Ｆ4 ）、ノナ
フルオルブタン（Ｃ4ＨＦ 9）、オクタフルオルブタン
（Ｃ4Ｈ2Ｆ8）、ウンデカフルオルペンタン（Ｃ5Ｈ
Ｆ11）、弗化メチル（ＣＨ3Ｆ）、ジフルオルメタン
（ＣＨ2Ｆ2）、弗化エチル（Ｃ2Ｈ5Ｆ）、ジフルオルエ
タン（Ｃ2Ｈ4Ｆ2 ）、トリフルオルエタン（Ｃ2Ｈ
3Ｆ3）、ジフルオルエテン（Ｃ2Ｈ2Ｆ2 ）、トリフルオ
ルエテン（Ｃ2ＨＦ3）、フルオルエテン（Ｃ2Ｈ3Ｆ）、
ペンタフルオルプロペン（Ｃ3ＨＦ5）、テトラフルオル
プロペン（Ｃ3Ｈ2Ｆ4）、トリフルオルプロペン（Ｃ3Ｈ
3Ｆ3）、ジフルオルプロペン（Ｃ3Ｈ4Ｆ2）、ヘプタフ
ルオルブテン（Ｃ4ＨＦ7 ）、ヘキサフルオルブテン
（Ｃ4Ｈ2Ｆ6 ）及びノナフルオルペンテン（Ｃ5ＨＦ9）
のうちの１種を意味する。
【００１０】本明細書で用語「ヒドロクロルフルオルカ
ーボン」を使用するときには、それは、次の物質、即
ち、クロルジフルオルメタン（ＣＨＣｌＦ2）、クロル
フルオルメタン（ＣＨ2ＣｌＦ）、クロルメタン（ＣＨ3
Ｃｌ）、ジクロルフルオルメタン（ＣＨＣｌ2Ｆ）、ク
ロルテトラフルオルエタン（Ｃ2ＨＣｌＦ4）、クロルト
リフルオルエタン（Ｃ2Ｈ2ＣｌＦ3）、クロルジフルオ
ルエタン（Ｃ2Ｈ3ＣｌＦ2）、クロルフルオルエタン
（Ｃ2Ｈ4ＣｌＦ）、クロルエタン（Ｃ2Ｈ5Ｃｌ）、ジク
ロルトリフルオルエタン（Ｃ2ＨＣｌ2Ｆ3）、ジクロル
ジフルオルエタン（Ｃ2Ｈ2Ｃｌ2Ｆ2）、ジクロルフルオ
ルエタン（Ｃ2Ｈ3Ｃｌ2Ｆ）、ジクロルエタン（Ｃ2Ｈ4
Ｃｌ2）、トリクロルフルオルエタン（Ｃ2Ｈ2Ｃｌ
3Ｆ）、トリクロルジフルオルエタン（Ｃ2ＨＣｌ
3Ｆ2）、トリクロルエタン（Ｃ2Ｈ3Ｃｌ3）、テトラク
ロルフルオルエタン（Ｃ2ＨＣｌ4Ｆ）、クロルエテン
（Ｃ2Ｈ3Ｃｌ）、ジクロルエテン（Ｃ2Ｈ2Ｃｌ2）、ジ
クロルフルオルエテン（Ｃ2Ｈ2ＣｌＦ）及びジクロルジ
フルオルエテン（Ｃ2ＨＣｌＦ2）のうちの１種を意味す
る。
【００１１】本明細書で用語「フルオルエーテル」を使
用するときには、それは、次の物質、即ち、トリフルオ
ルメチオキシ−ペルフルオルメタン（ＣＦ3−Ｏ−Ｃ
Ｆ3）、ジフルオルメトキシ−ペルフルオルメタン（Ｃ
ＨＦ2−Ｏ−ＣＦ3）、フルオルメトキシ−ペルフルオル
メタン（ＣＨ2Ｆ−Ｏ−ＣＦ3）、ジフルオルメトキシ−
ジフルオルメタン（ＣＨＦ2−Ｏ−ＣＨＦ2）、ジフルオ
ルメトキシ−ペルフルオルエタン（ＣＨＦ2−Ｏ−Ｃ2Ｆ
5 ）、ジフルオルメトキシ−１，２，２，２−テトラフ
ルオルエタン（ＣＨＦ2−Ｏ−Ｃ2ＨＦ4 ）、ジフルオル
メトキシ−１，１，２，２−テトラフルオルエタン（Ｃ
ＨＦ2−Ｏ−Ｃ2ＨＦ4 ）、ペルフルオルエトキシ−フル
オルメタン（Ｃ2Ｆ5−Ｏ−ＣＨ2Ｆ ）、ペルフルオル−
メトキシ−１，１，２−トリフルオルエタン（ＣＦ3−
Ｏ−Ｃ2Ｈ2Ｆ3）、ペルフルオルメトキシ−１，２，２
−トリフルオルエタン（ＣＦ3Ｏ−Ｃ2Ｈ2Ｆ3）、シクロ
−１，１，２，２−テトラフルオルプロピルエーテル
（ シクロ−Ｃ3Ｈ2Ｆ4−Ｏ−）、シクロ−１，１，３，
３−テトラフルオルプロピルエーテル（ シクロ−Ｃ3Ｈ
2Ｆ4−Ｏ−）、ペルフルオルメトキシ−１，１，２，２
−テトラフルオルエタン（ＣＦ3−Ｏ−Ｃ2ＨＦ4 ）、シ
クロ−１，１，２，３，３−ペンタフルオルプロピルエ
ーテル（シクロ−Ｃ3Ｈ5−Ｏ−）、ペルフルオルメトキ
シ−ペルフルオルアセトン（ＣＦ3−Ｏ−ＣＦ2−Ｏ−Ｃ
Ｆ3 ）、ペルフルオルメトキシ−ペルフルオルエタン
（ＣＦ3−Ｏ−Ｃ2Ｆ5 ）、ペルフルオルメトキシ−１，
２，２，２−テトラフルオルエタン（ＣＦ3−Ｏ−Ｃ2Ｈ
Ｆ4 ）、ペルフルオルメトキシ−２，２，２−トリフル
オルエタン（ＣＦ3−Ｏ−Ｃ2Ｈ2Ｆ3）、シクロ−ペルフ
ルオルメトキシ−ペルフルオルアセトン（シクロ−ＣＦ
2−Ｏ−ＣＦ2−Ｏ−ＣＦ2− ）及びシクロ−ペルフルオ
ルプロピルエーテル（シクロ−Ｃ3Ｆ6−Ｏ）のうちの１
種を意味する。
【００１２】本明細書で用語「大気ガス」を使用すると
きには、それは、次の物質、即ち、窒素（Ｎ2）、アル
ゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘ
ｅ）、ネオン（Ｎｅ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、酸素
（Ｏ2）及びヘリウム（Ｈｅ）のうちの１種を意味す
る。
【００１３】本明細書で用語「炭化水素」を使用すると
きには、それは、次の物質、即ち、水素（Ｈ2）、メタ
ン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、エテン（Ｃ2Ｈ4）、
プロパン（Ｃ3Ｈ8）、プロペン（Ｃ3Ｈ6）、ブタン（Ｃ
4Ｈ10）、ブテン（Ｃ4Ｈ8）、シクロプロパン（Ｃ
3Ｈ6）及びシクロブタン（Ｃ4Ｈ8）のうちの１種を意味
する。
【００１４】本明細書で用語「無毒性」を使用するとき
には、それは、合格暴露限界に従って取り扱ったときに
急性又は慢性毒性を有しないことを意味する。
【００１５】本明細書で用語「不燃性」を使用するとき
には、それは、引火点を全く有しないか又は少なくとも
６００°Ｋの極めて高い引火点を有することのどちらか
を意味する。
【００１６】本明細書で用語「低オゾン消耗性」を使用
するときには、それは、ジクロルフルオルメタン（ＣＣ
ｌ2Ｆ2）が１．０のオゾン消耗可能性を有するとするモ
ントリオール議定書協定によって規定したときに０．１
５未満のオゾン消耗可能性を有することを意味する。
【００１７】本明細書で用語「非オゾン消耗性」を使用
するときには、それは、塩素、臭素又は沃素原子を含有
する成分を全く有しないことを意味する。
【００１８】本明細書で用語「標準沸点」を使用すると
きには、それは、１標準大気圧即ち１４．６９６ｐｓｉ
ａ（ pounds per square inch absolute ）における沸
点を意味する。
【００１９】本明細書で用語「極低温」を使用するとき
には、それは、１５０°Ｋ又はそれ以下の温度を意味す
る。
【００２０】本明細書で用語「間接熱交換」を使用する
ときには、それは、２種の流体を互いに物理的に接触又
は混合させずに熱交換関係にすることを意味する。
【００２１】本明細書で用語「膨張」を使用するときに
は、それは、圧力の低下を生じさせることを意味する。
【００２２】本明細書で用語「ターボ膨張」及び「ター
ボ膨張機」を使用するときには、それらは、それぞれ、
高圧流体の流れをタービンに通してその流体の圧力及び
温度を低下させ、これによって冷凍を発生させるための
方法及び装置を意味する。
【００２３】
【発明の実施の形態】発明の具体的な説明 本発明は、可変負荷冷媒混合物を形成する割合の所定成
分からなる冷媒混合物、及び冷凍サイクルでのかかる冷
媒混合物の使用を包含する。可変負荷冷媒混合物は、プ
ロセス及びプロセス内の位置即ち熱交換位置（頂部、中
間、底部）に依存して全気相、気／液相又は全液相の状
態にあってよい。好ましくは、サイクルは閉ループサイ
クルである。可変負荷冷媒混合物は、相の変化を伴った
なだらかな温度変化を示す。これは、所定の圧力におけ
る可変負荷冷媒混合物の温度対濃度の線図を示す図１に
例証されている。温度（tmix）における成分Ａ及びＢの
任意の所定混合物（xmix）では、２つの相が存在し、飽
和蒸気の組成（xmixv）はその蒸気と平衡状態にある液
体とは異なり、そしてその液体は組成（xmixl）を有す
る。温度が低下するにつれて、液相の組成及び蒸気相の
組成は両方とも変化し、各々は成分Ｂに富んだ状態にな
る。凝縮する混合物はその組成を絶えず変化し、かくし
てその凝縮温度を変える。この特徴によって、冷凍サイ
クルの性能を向上させることが可能になる。このサイク
ルの向上は、それ自身の標準沸点及び関連する蒸発潜熱
を有する多成分の使用に関係する。冷媒成分、混合物中
の最適濃度、操作圧レベル及び冷媒サイクルの適当な選
択によって、所定の温度範囲にわたって可変量の冷凍を
発生させるのが可能になる。温度の関数として可変量の
冷凍を発生させることによって、冷凍ユーザー系内の熱
交換温度差の最適制御が可能になり、これによって系の
エネルギー所要量が減少される。
【００２４】本発明の可変負荷冷媒混合物は、フルオル
カーボン、ヒドロフルオルカーボン及びフルオルエーテ
ルよりなる群からの少なくとも１種の成分と、フルオル
カーボン、ヒドロフルオルカーボン、ヒドロクロルフル
オルカーボン、フルオルエーテル、大気ガス及び炭化水
素よりなる群からの少なくとも１種の成分とを含む。
【００２５】本発明の１つの好ましい可変負荷冷媒混合
物は、フルオルカーボン、ヒドロフルオルカーボン及び
フルオルエーテルよりなる群からの少なくとも２種の成
分と、フルオルカーボン、ヒドロフルオルカーボン、ヒ
ドロクロルフルオルカーボン、フルオルエーテル、大気
ガス及び炭化水素よりなる群からの少なくとも１種の成
分とを含む。
【００２６】本発明の他の好ましい可変負荷冷媒混合物
は、少なくとも１種のフルオルカーボンと、ヒドロフル
オルカーボン及び大気ガスよりなる群からの少なくとも
１種の成分とを含む。
【００２７】本発明の他の好ましい可変負荷冷媒混合物
は、少なくとも１種のフルオルカーボンと、少なくとも
１種のヒドロフルオルカーボンと、少なくとも１種の大
気ガスとを含む。
【００２８】本発明の他の好ましい可変負荷冷媒混合物
は、フルオルカーボン、ヒドロフルオルカーボン及びフ
ルオルエーテルよりなる群からの少なくとも３種の成分
と、フルオルカーボン、ヒドロフルオルカーボン、ヒド
ロクロルフルオルカーボン、フルオルエーテル、炭化水
素及び大気ガスよりなる群からの少なくとも１種の成分
とを含む。
【００２９】本発明の他の好ましい可変負荷冷媒混合物
は、フルオルカーボン、ヒドロフルオルカーボン及びフ
ルオルエーテルよりなる群からの少なくとも２種の成分
と、少なくとも１種の大気ガスとを含む。
【００３０】本発明の他の好ましい可変負荷冷媒混合物
は、フルオルカーボン、ヒドロフルオルカーボン及びフ
ルオルエーテルよりなる群からの少なくとも２種の成分
と、少なくとも１種の大気ガスと、フルオルカーボン、
ヒドロフルオルカーボン、ヒドロクロルフルオルカーボ
ン、フルオルエーテル、炭化水素及び大気ガスよりなる
群からの少なくとも１種の成分とを含む。
【００３１】本発明の他の好ましい可変負荷冷媒混合物
は、フルオルカーボン、ヒドロフルオルカーボン及びフ
ルオルエーテルよりなる群からの少なくとも２種の成分
と、少なくとも２種の異なる大気ガスとを含む。
【００３２】本発明の他の好ましい可変負荷冷媒混合物
は、少なくとも１種のフルオルエーテルを含み、即ち、
少なくとも１種のフルオルエーテルと、フルオルカーボ
ン、ヒドロフルオルカーボン、フルオルエーテル、ヒド
ロクロルフルオルカーボン、炭化水素及び大気ガスより
なる群からの少なくとも１種の成分とを含む。
【００３３】本発明の１つの好ましい具体例では、可変
負荷冷媒混合物は、ヒドロクロルフルオルカーボンを全
く含有しない。本発明の他の好ましい具体例では、可変
負荷冷媒混合物は、炭化水素を全く含有しない。最も好
ましくは、可変負荷冷媒混合物は、ヒドロクロルフルオ
ルカーボンも炭化水素も含有しない。最も好ましくは、
可変負荷冷媒混合物は、無毒性で、不燃性で、しかも非
オゾン消耗性であり、そしてどの可変負荷冷媒混合物に
も共通の成分は、フルオルカーボン、ヒドロフルオルカ
ーボン、フルオルエーテル又は大気ガスのいずれかであ
る。
【００３４】本発明の１つの好ましい具体例では、可変
負荷冷媒はフルオルカーボンのみよりなる。本発明の他
の好ましい具体例では、可変負荷冷媒は、フルオルカー
ボン及びヒドロフルオルカーボンのみよりなる。本発明
の他の好ましい具体例では、可変負荷冷媒は、フルオル
カーボン及び大気ガスのみよりなる。本発明の他の好ま
しい具体例では、可変負荷冷媒は、フルオルカーボン、
ヒドロフルオルカーボン及びフルオルエーテルのみより
なる。本発明の他の好ましい具体例では、可変負荷冷媒
は、フルオルカーボン、フルオルエーテル及び大気ガス
のみよりなる。最も好ましくは、どの可変負荷冷媒混合
物にも共通の成分は、フルオルカーボン、ヒドロフルオ
ルカーボン、フルオルエーテル又は大気ガスのいずれか
である。
【００３５】本発明は、周囲温度から極低温に効率的に
達する際に使用するのに特に有益である。表１〜１５
は、本発明の可変負荷冷媒混合物の好ましい例を表に記
載したものである。各表に与えられる濃度範囲はモル％
単位である。表１〜５に示される例は約２００°Ｋより
も高い冷凍を発生させるための好ましい混合物であり、
そして表６〜１５に示される例は約２００°Ｋよりも低
い冷凍を発生させるための好ましい混合物である。
【００３６】表１ 成分 濃度範囲 Ｃ5Ｆ12 ５−３５ Ｃ4Ｆ10 ０−２５ Ｃ3Ｆ8 １０−５０ Ｃ2Ｆ6 １０−６０ ＣＦ4 ０−２５
【００３７】表２ 成分 濃度範囲 Ｃ5Ｆ12 ５−３５ Ｃ3Ｈ3Ｆ6 ０−２５ Ｃ3Ｆ8 １０−５０ ＣＨＦ3 １０−６０ ＣＦ4 ０−２５
【００３８】表３ 成分 濃度範囲 Ｃ3Ｈ3Ｆ5 ５−３５ Ｃ3Ｈ2Ｆ6 ０−２５ Ｃ2Ｈ2Ｆ4 ５−２０ Ｃ2ＨＦ5 ５−２０ Ｃ2Ｆ6 １０−６０ ＣＦ4 ０−２５
【００３９】表４ 成分 濃度範囲 ＣＨＦ2−Ｏ−Ｃ2ＨＦ4 ５−３５ Ｃ4Ｆ10 ０−２５ ＣＦ3−Ｏ−ＣＨＦ2 １０−２５ ＣＦ3−Ｏ−ＣＦ3 ０−２０ Ｃ2Ｆ6 １０−６０ ＣＦ4 ０−２５
【００４０】表５ 成分 濃度範囲 ＣＨＦ2−Ｏ−Ｃ2ＨＦ4 ５−３５ Ｃ3Ｈ2Ｆ6 ０−２５ ＣＦ3−Ｏ−ＣＨＦ2 １０−５０ ＣＨＦ3 １０−６０ ＣＦ4 ０−２５
【００４１】表６ 成分 濃度範囲 Ｃ5Ｆ12 ５−３５ Ｃ4Ｆ10 ０−２５ Ｃ3Ｆ8 １０−４０ Ｃ2Ｆ6 ０−３０ ＣＦ4 １０−５０ Ａｒ ０−４０ Ｎ2 １０−８０
【００４２】表７ 成分 濃度範囲 Ｃ3Ｈ3Ｆ5 ５−２５ Ｃ4Ｆ10 ０−１５ Ｃ3Ｆ8 １０−４０ ＣＨＦ3 ０−３０ ＣＦ4 １０−５０ Ａｒ ０−４０ Ｎ2 １０−８０
【００４３】表８ 成分 濃度範囲 Ｃ3Ｈ3Ｆ5 ５−２５ Ｃ3Ｈ3Ｆ6 ０−１５ Ｃ2Ｈ2Ｆ4 ０−２０ Ｃ2ＨＦ5 ５−２０ Ｃ2Ｆ6 ０−３０ ＣＦ4 １０−５０ Ａｒ ０−４０ Ｎ2 １０−８０
【００４４】表９ 成分 濃度範囲 ＣＨＦ2−Ｏ−Ｃ2ＨＦ4 ５−２５ Ｃ4Ｆ10 ０−１５ ＣＦ3−Ｏ−ＣＨＦ2 １０−４０ ＣＦ3−Ｏ−ＣＦ3 ０−２０ Ｃ2Ｆ6 ０−３０ ＣＦ4 １０−５０ Ａｒ ０−４０ Ｎ2 １０−８０
【００４５】表１０ 成分 濃度範囲 Ｃ3Ｈ3Ｆ5 ５−２５ Ｃ3Ｈ2Ｆ6 ０−１５ ＣＦ3−０−ＣＨＦ2 １０−４０ ＣＨＦ3 ０−３０ ＣＦ4 ０−２５ Ａｒ ０−４０ Ｎ2 １０−８０
【００４６】表１１ 成分 濃度範囲 Ｃ5Ｆ12 ５−２５ Ｃ4Ｆ10 ０−１５ Ｃ3Ｆ8 １０−４０ Ｃ2Ｆ6 ０−３０ ＣＦ4 １０−５０ Ａｒ ０−４０ Ｎ2 １０−８０ Ｎｅ ０−１０ Ｈｅ ０−１０
【００４７】表１２ 成分 濃度範囲 Ｃ3Ｈ3Ｆ5 ５−２５ Ｃ4Ｆ10 ０−１５ Ｃ3Ｆ8 １０−４０ ＣＨＦ3 ０−３０ ＣＦ4 １０−５０ Ａｒ ０−４０ Ｎ2 １０−８０ Ｎｅ ０−１０ Ｈｅ ０−１０
【００４８】表１３ 成分 濃度範囲 Ｃ3Ｈ3Ｆ5 ５−２５ Ｃ3Ｈ2Ｆ6 ０−１５ Ｃ2Ｈ2Ｆ4 ５−２０ Ｃ2ＨＦ5 ５−２０ Ｃ2Ｆ6 ０−３０ ＣＦ4 １０−５０ Ａｒ ０−４０ Ｎ2 １０−８０ Ｎｅ ０−１０ Ｈｅ ０−１０
【００４９】表１４ 成分 濃度範囲 ＣＨＦ2−Ｏ−Ｃ2ＨＦ4 ５−２５ Ｃ4Ｆ10 ０−１５ ＣＦ3−Ｏ−ＣＨＦ2 １０−４０ ＣＦ3−Ｏ−ＣＦ3 ０−２０ Ｃ2Ｆ6 ０−３０ ＣＦ4 １０−５０ Ａｒ ０−４０ Ｎ2 １０−８０ Ｎｅ ０−１０ Ｈｅ ０−１０
【００５０】表１５ 成分 濃度範囲 Ｃ3Ｈ3Ｆ5 ５−２５ Ｃ3Ｈ2Ｆ6 ０−１５ ＣＦ3−Ｏ−ＣＨＦ3 １０−４０ ＣＨＦ3 ０−３０ ＣＦ4 ０−２５ Ａｒ ０−４０ Ｎ2 １０−８０ Ｎｅ ０−１０ Ｈｅ ０−１０
【００５１】図２は、本発明を実施することができる１
つの冷凍サイクルを例示する。ここで図２を説明する
と、本発明の可変負荷冷媒混合物は、冷凍回路又はルー
プ１を循環する。冷媒２は、圧縮機３を通ることによっ
て圧縮されて圧縮冷媒流体４を形成し、最終冷却器（ア
フタークーラー）７０を通ることによってほぼ周囲温度
に冷却され、次いで熱交換器５を通ることによって冷却
されそして好ましくは少なくとも一部分液化される。特
に記していなければ、図面に例示される各熱交換工程は
間接熱交換工程である。冷却された冷媒流体６は、次い
で、弁７によって絞られ、即ち、より低い圧力に膨張さ
れる。この圧力膨張は、気体膨張、二相膨張又は液体膨
張タービンの如きタービンによって達成することができ
る。生じた冷凍は、流体８を熱交換器９での間接熱交換
によって冷却することによって単一の若しくは狭い温度
レベルで利用することができ、又は熱交換器５において
ずっと広い温度範囲にわたって利用することができる。
冷凍は、向流流れ１０及び並流流れ１１によって例示さ
れるように熱交換器５を通る１つ又はそれ以上の流体流
れを冷却するのに使用されることができる。全体として
は流れ１１は交換器５で加熱されるようにして示されて
いるけれども、局部的にはそれは交換器５内で冷却され
ることができる。得られる加温された冷媒混合物は、次
いで、流れ２として圧縮機３に送られ、そしてこのサイ
クルが反復される。
【００５２】冷却装置は予備冷却回路又はループ１２を
含むこともできるが、この場合では、中間温度レベルで
冷凍を提供するように設計された本発明の可変負荷冷媒
混合物は予備冷却圧縮機１４において圧縮され、最終冷
却器７１において周囲温度に冷却され、そして得られる
圧縮された流体１５は熱交換器５で冷却される。得られ
る冷却された流体１６は弁又は適当なタービン１７によ
って絞られて冷凍を発生し、そして得られるより低い温
度の冷媒流体１８は加温され、次いで流れ１３として圧
縮機１４に循環される。
【００５３】予備冷却ループの作用効果は、図３に例示
されるように、冷媒混合物のうちのいくらかの中間除去
及び液体の再循環によって達成することができる。この
液体再循環の特徴は、冷媒混合物を所要の温度範囲に整
合させる際のプロセス融通性を提供し、そして液体冷媒
の不必要な冷却及び潜在的な凍結を回避する。図３に示
される参照数字は、共通の部材については図２のものと
同じであるので、これらを再び詳細には説明しない。こ
こで図３を説明すると、冷媒流体２０は圧縮機２１を通
ることによって圧縮されて圧縮冷媒流体２２を形成し、
これは最終冷却器７１によってほぼ周囲温度に冷却さ
れ、次いで熱交換器５の部分横断によって冷却されそし
て一部分凝縮される。冷却された二相冷媒混合物２３は
相分離器２４に送られ、ここでそれは蒸気と液体とに分
離される。蒸気２５は熱交換器５によって更に冷却さ
れ、弁２６によって絞られ、そして熱交換器９及び／又
は５を通ることによって加温される。液体２７は弁２８
を通され、次いで熱交換器５を通ることによって気化さ
れる。図３に例示される具体例では、液体は、気化に先
立って弁２６によって絞られたより低い圧力の蒸気と合
流される。得られる加温された冷媒混合物は、次いで、
流れ２０として圧縮機２１に戻され、そして冷凍サイク
ルが新たに始まる。単相分離が例示されているけれど
も、異なる温度レベルでの多相分離を利用して段階的予
備冷却回路を提供することができることも理解された
い。
【００５４】本発明は、周囲温度から極低温にそして５
°Ｋ程の低い温度にさえ至るまでにわたって冷凍を提供
するのに特に有用である。本発明はこの温度範囲全体に
わたってかかる冷凍を単一のループで提供するのに使用
されることができるけれども、この冷凍を複数のカスケ
ード式ループで提供することが一般に好ましい。複数の
カスケード式ループの使用は、各回路が選択された温度
範囲にわたって冷凍を提供するのを可能にする。これに
よって、適当な冷媒混合物の選択が容易になる。という
のは、選択された混合物は、より限定された温度範囲に
わたって使用可能でさえあればよいからである。各々の
カスケード回路は主としてその関連する温度範囲にわた
って冷凍を提供することを意図しているけれども、それ
はより高い温度レベルにおいてもいくらかの冷凍を提供
することができることも理解されたい。かくして、カス
ケード回路は、所定の温度範囲において冷凍を提供する
ことに関して互いに部分的に重なる場合がある。
【００５５】カスケードループ系は図４において例示さ
れ、それに関連して説明される。ここで図４を説明する
と、例えば、テトラフルオルメタン、フルオルホルム、
ペルフルオルプロパン、ペンタフルオルブタン、ペンタ
フルオルプロパン、テトラフルオルエタン、ジフルオル
メトキシ−ジフルオルメタン及びペルフルオルペンタン
のうちの２種又はそれ以上を含むより高い温度の可変負
荷冷媒流体はより高温のループ３０を循環し、そこで約
３００°Ｋの周囲温度から約２００°Ｋに至るまで冷凍
が提供される。約３００°Ｋにあるより高温の冷媒流体
３１は、圧縮機３２で圧縮され、冷却器３３及び熱交換
器６０によって冷却され、そして弁３４によって絞られ
て約２００°Ｋにあるより低温の冷媒流体３５を生成す
る。そのより低温の冷媒流体は、次いで、約３００°Ｋ
に加温され、そして流れ３１として圧縮機３２に戻され
る。
【００５６】中間温度可変負荷冷媒流体（これは、高い
温度の流体に関して記載した成分のうちの１種又はそれ
以上の他に窒素及び／又はアルゴンを含有することがで
きる）は中間温度ループ４０を循環し、そこで約２００
°Ｋから約１００°Ｋに至るまで冷凍が提供される。中
間温度冷媒流体４１は、圧縮機４２で圧縮され、冷却器
４３及び熱交換器６０、６１によって冷却され、そして
弁４４によって絞られて約１００°Ｋにあるより低温の
冷媒流体４５を生成し、そしてこれは加温され、次いで
流れ４１として圧縮機４２に戻される。
【００５７】窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン及び水
素のうちの２種又はそれ以上を含む極低温冷媒流体は極
低温ループ５０を循環し、そこで温度は約１００°Ｋか
ら約２０°Ｋ又はそれ以下にさえされる。極低温冷媒流
体５１は、圧縮機５２で圧縮され、冷却器５３及び熱交
換器６０、６１、６２によって冷却され、そして弁５４
によって絞られて約２０°Ｋ又はそれ以下にあるより低
温の冷媒流体５５を生成し、そしてこれは加温器５６を
通ることによって加温され、次いで流れ５１として圧縮
機５２に戻される。
【００５８】本発明は、広い温度範囲にわたって、特に
極低温を包含する温度範囲にわたって冷凍を提供するの
に特に有用である。本発明の好ましい具体例では、可変
負荷冷媒混合物中の２種又はそれ以上の成分の各々は、
その冷媒混合物中のすべての他の成分の標準沸点とは少
なくとも２０°Ｋ程異なる標準沸点を有する。これは、
広い温度範囲にわたって特に極低温を包含する温度範囲
にわたって冷凍を提供する効率を向上させる。本発明の
好ましい具体例では、多成分系冷媒流体中の最高沸点成
分の標準沸点は、その多成分系冷媒流体中の最低沸点成
分の標準沸点よりも少なくとも５０°Ｋ、好ましくは少
なくとも１００°Ｋ、そして最も好ましくは少なくとも
２００°Ｋ高い。
【００５９】本発明の冷媒混合物を構成する成分及びそ
れらの濃度は、可変負荷冷媒混合物を形成し、そして好
ましくは本発明の方法の全温度範囲を通してかかる可変
負荷特性を維持するようなものである。これは、冷凍を
発生させてかかる広い温度範囲にわたって利用すること
ができる場合の効率を著しく向上させる。限定された群
の成分は、それらを使用して無毒性で不燃性で且つ低又
は非オゾン消耗性の混合物を形成することができるとい
う点で付加的利益を有する。これは、典型的には毒性で
可燃性でしかもオゾン消耗性の従来の冷媒に勝る追加的
な利益を提供する。
【００６０】無毒性で不燃性でしかも非オゾン消耗性で
ある本発明の１つの好ましい可変負荷冷媒混合物は、Ｃ
5Ｆ12、ＣＨＦ2−Ｏ−Ｃ2ＨＦ4、Ｃ4ＨＦ9、Ｃ3Ｈ
3Ｆ5、Ｃ2Ｆ5−Ｏ−ＣＨ2Ｆ、Ｃ3Ｈ2Ｆ6、ＣＨＦ2−Ｏ
−ＣＨＦ2、Ｃ4Ｆ10、ＣＦ3−Ｏ−Ｃ2Ｈ2Ｆ3、Ｃ3Ｈ
Ｆ7、ＣＨ2Ｆ−Ｏ−ＣＦ3、Ｃ2Ｈ2Ｆ4、ＣＨＦ2−Ｏ−
ＣＦ3、Ｃ3Ｆ8、Ｃ2ＨＦ5、ＣＦ3−Ｏ−ＣＦ3、Ｃ
2Ｆ6、ＣＨＦ3、ＣＦ4、Ｏ2、Ａｒ、Ｎ2、Ｎｅ及びＨｅ
よりなる群から選択される２種以上の成分を含む。
【００６１】
【発明の効果】本発明は、多数の用途、特に極低温用途
に対して冷凍を発生させるのに使用することができる。
このような用途としては、極低温空気分離及び他の極低
温分離のようなガス分離プロセス、天然ガス品質改善、
液化器、食品冷蔵、ベントガス回収、ヒートポンプ、極
低温液体貯蔵、輸送容器再凝縮、晶質、凝固、低温粉
砕、化学薬品貯蔵及び輸送、生化学及び医薬物質貯蔵及
び輸送、並びに冷凍室、即ち、物質の取り扱い及び貯蔵
に利用される冷蔵庫を挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】変動負荷冷媒混合物について所定温度における
一般化した温度対濃度の線図である。
【図２】本発明を実施することができる１つの系の概略
図である。
【図３】本発明を実施することができる他の系の概略図
である。
【図４】本発明を使用して広い温度範囲にわたって冷凍
を提供することができる３ループ系の概略図である。
【符号の説明】
１ 冷凍回路又はループ ３ 圧縮機 ５、９ 熱交換器 ７、１７ 弁 １２ 予備冷却回路又はループ １４ 予備冷却圧縮機 ７０、７１ 最終冷却器
フロントページの続き (72)発明者 バイラム・アルマン アメリカ合衆国ニューヨーク州グランド・ アイランド、ザ・コモンズ16 (72)発明者 ウォルター・ジョーゼフ・オルスゼウスキ アメリカ合衆国ニューヨーク州アマスト、 ウィロウ・レイン69 (72)発明者 ダンテ・パトリック・ボナキスト アメリカ合衆国ニューヨーク州グランド・ アイランド、ランサム・ロード1036 (72)発明者 ジョーゼフ・アルフレッド・ウェーバー アメリカ合衆国ニューヨーク州チークトワ ーガ、アレンデイル・ロード47

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （Ａ）フルオルカーボン、ヒドロフルオ
    ルカーボン及びフルオルエーテルよりなる群からの少な
    くとも１種の成分と、フルオルカーボン、ヒドロフルオ
    ルカーボン、ヒドロクロルフルオルカーボン、フルオル
    エーテル、大気ガス及び炭化水素よりなる群からの少な
    くとも１種の成分とを含む可変負荷冷媒混合物を圧縮し
    て圧縮可変負荷冷媒混合物を生成し、 （Ｂ）圧縮された可変負荷冷媒混合物を冷却して冷却圧
    縮可変負荷冷媒混合物を生成し、 （Ｃ）冷却され圧縮された可変負荷冷媒混合物を膨張さ
    せ且つ冷凍を発生させてより低い温度の可変負荷冷媒混
    合物を生成し、そして （Ｄ）そのより低い温度の可変負荷冷媒混合物を加温す
    る、ことを含む冷凍発生法。
  2. 【請求項２】 圧縮された可変負荷冷媒混合物が工程
    （Ｂ）の冷却の結果として部分凝縮され、得られた液体
    及び残留する蒸気が分離され、そしてその蒸気がその後
    に加温に先立って更に冷却される請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 第一可変負荷冷媒混合物を使用して実施
    され、次いで第二可変負荷冷媒混合物を使用して実施さ
    れ、この場合に該第一可変負荷冷媒混合物が、該第二可
    変負荷冷媒混合物を冷却することによって加温される請
    求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 （Ａ）フルオルカーボン、ヒドロフルオ
    ルカーボン及びフルオルエーテルよりなる群からの少な
    くとも１種の成分と、フルオルカーボン、ヒドロフルオ
    ルカーボン、ヒドロクロルフルオルカーボン、フルオル
    エーテル、大気ガス及び炭化水素よりなる群からの少な
    くとも１種の成分とを含む可変負荷冷媒混合物を圧縮し
    て圧縮可変負荷冷媒混合物を生成し、 （Ｂ）圧縮された可変負荷冷媒混合物を冷却して冷却圧
    縮可変負荷冷媒混合物を生成し、 （Ｃ）冷却され圧縮された可変負荷冷媒混合物を膨張さ
    せ且つ冷凍を発生させて極低温においてより低い温度の
    可変負荷冷媒混合物を生成し、そして （Ｄ）そのより低い温度の可変負荷冷媒混合物を加温す
    る、ことを含む極低温での冷凍発生法。
  5. 【請求項５】 フルオルカーボン、ヒドロフルオルカー
    ボン及びフルオルエーテルよりなる群からの少なくとも
    １種の成分と、フルオルカーボン、ヒドロフルオルカー
    ボン、ヒドロクロルフルオルカーボン、フルオルエーテ
    ル、大気ガス及び炭化水素よりなる群からの少なくとも
    １種の成分とを含む、無毒性で、不燃性でしかも低オゾ
    ン消耗性の冷媒混合物。
  6. 【請求項６】 冷媒混合物中の成分の各々が、その冷媒
    混合物中の他の成分の各々の標準沸点とは少なくとも２
    ０°Ｋ程異なる標準沸点を有する請求項５記載の冷媒混
    合物。
  7. 【請求項７】 冷媒混合物中の最高沸点成分の標準沸点
    が、その冷媒混合物中の最低沸点成分の標準沸点よりも
    少なくとも５０°Ｋ高い請求項５記載の冷媒混合物。
  8. 【請求項８】 少なくとも１種のフルオルカーボンと、
    少なくとも１種のヒドロフルオルカーボンと、少なくと
    も１種の大気ガスとを含む請求項５記載の冷媒混合物。
  9. 【請求項９】 フルオルカーボン、ヒドロフルオルカー
    ボン及びフルオルエーテルよりなる群からの少なくとも
    ２種の成分と、少なくとも２種の大気ガスとを含む請求
    項５記載の冷媒混合物。
  10. 【請求項１０】 少なくとも１種のフルオルエーテル
    と、フルオルカーボン、ヒドロフルオルカーボン、フル
    オルエーテル、ヒドロクロルフルオルカーボン、炭化水
    素及び大気ガスよりなる群からの少なくとも１種の成分
    とを含む、請求項５記載の冷媒混合物。
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