JP2004002492A - 冷媒組成物及び超低温冷凍装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】オゾン層を破壊する可能性がない冷媒組成物及びこの冷媒組成物を用いた超低温冷凍装置を提供する。
【解決手段】混合冷媒は、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン（ＨＦＣ２４５ｆａ）又は１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタン（ＨＦＣ３６５ｍｆｃ）の何れかからなる第１成分と、１，１，１，２−テトラフルオロエタン（ＨＦＣ１３４ａ）、１，１，１−トリフルオロエタン（ＨＦＣ１４３ａ）又は１，１，１，２，２−ペンタフルオロエタン（ＨＦＣ１２５）の何れかからなる第２成分と、トリフルオロメタン（ＨＦＣ２３）からなる第３成分と、パーフルオロメタン（ＦＣ１４）からなる第４成分と、クリプトン（Ｋｒ）からなる第５成分とアルゴン（Ａｒ）からなる第６成分とを含有する。
【選択図】図１
【解決手段】混合冷媒は、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン（ＨＦＣ２４５ｆａ）又は１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタン（ＨＦＣ３６５ｍｆｃ）の何れかからなる第１成分と、１，１，１，２−テトラフルオロエタン（ＨＦＣ１３４ａ）、１，１，１−トリフルオロエタン（ＨＦＣ１４３ａ）又は１，１，１，２，２−ペンタフルオロエタン（ＨＦＣ１２５）の何れかからなる第２成分と、トリフルオロメタン（ＨＦＣ２３）からなる第３成分と、パーフルオロメタン（ＦＣ１４）からなる第４成分と、クリプトン（Ｋｒ）からなる第５成分とアルゴン（Ａｒ）からなる第６成分とを含有する。
【選択図】図１
Description
【特許請求の範囲】
【請求項１】１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン又は１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタンの少なくとも一方からなる第１成分と、
１，１−ジフルオロエタンからなる第２成分と、
トリフルオロメタンからなる第３成分と、
パーフルオロメタンからなる第４成分と、
メタン又はクリプトンの少なくとも一方からなる第５成分とを含有することを特徴とする冷媒組成物。
【請求項２】１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン又は１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタンの少なくとも一方からなる第１成分と、
１，１，１，２−テトラフルオロエタン、１，１，１−トリフルオロエタン又は１，１，１，２，２−ペンタフルオロエタンの少なくとも１つからなる第２成分と、
トリフルオロメタンからなる第３成分と、
パーフルオロメタンからなる第４成分と、
クリプトンからなる第５成分とを含有することを特徴とする冷媒組成物。
【請求項３】１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン又は１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタンの少なくとも一方からなる第１成分と、
１，１，１，２−テトラフルオロエタン、１，１，１−トリフルオロエタン又は１，１，１，２，２−ペンタフルオロエタンの少なくとも１つからなる第２成分と、
トリフルオロメタンからなる第３成分と、
パーフルオロメタンからなる第４成分と、
メタンからなる第５成分とを含有することを特徴とする冷媒組成物。
【請求項４】請求項１から３の何れか１項において、
第１成分は、質量百分率で５〜４０％含有され、
第２成分は、質量百分率で５〜３５％含有され、
第３成分は、質量百分率で１０〜４０％含有され、
第４成分は、質量百分率で１０〜４０％含有され、
第５成分は、質量百分率で１０〜４０％含有されていることを特徴とする冷媒組成物。
【請求項５】請求項１から４の何れか１項において、
アルゴンからなる第６成分を含有することを特徴とする冷媒組成物。
【請求項６】請求項５において、
第６成分は質量百分率で１０％以下含有されていることを特徴とする冷媒組成物。
【請求項７】請求項１から６の何れか１項記載の冷媒組成物が混合冷媒として流通する冷媒回路を備えた超低温冷凍装置であって、
上記冷媒回路は、
上記混合冷媒を圧縮する圧縮機と、
上記圧縮機から吐出された混合冷媒を冷却する凝縮器と、
上記凝縮器で冷却された混合冷媒の主として第１成分を液冷媒と残留ガス冷媒とに分離する第１気液分離器と、
上記第１気液分離器で分離された残留ガス冷媒を、同様に分離された後に減圧された液冷媒との間で熱交換させる第１カスケード熱交換器と、
上記第１カスケード熱交換器で熱交換された残留ガス冷媒を、以下、主として第２成分から順次液冷媒とガス冷媒とに分離する複数段の気液分離器と、
上記気液分離器で分離された残留ガス冷媒を、同じく分離された後に減圧された液冷媒との間でそれぞれ熱交換させる複数段のカスケード熱交換器と、
上記最終段のカスケード熱交換器から出た冷媒で且つ減圧された冷媒を蒸発させる主冷却器とを具備し、
上記主冷却器で冷却作用した冷媒を上記圧縮機へ帰還させるように構成されている
ことを特徴とする超低温冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒組成物及び超低温冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、非共沸混合冷媒を用いる冷凍装置として、例えば特開平８−１０５６６０号公報及び特開平８−１６５４６５号公報に開示されているように、沸点温度の高い冷媒から順次凝縮させ、最も低い沸点温度の冷媒を最終的に蒸発させることにより、所望の超低温を得る多段気液分離方式の冷凍装置が知られている。
【０００３】
この種の冷凍装置に用いられる混合冷媒として、例えば、１，１−ジクロロ−１−フルオロエタン（ＣＨ３―ＣＣｌ２Ｆ、ＨＣＦＣ１４１ｂ）、１，１−ジフルオロエタン（ＣＨ３―ＣＨＦ２、ＨＦＣ１５２ａ）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ３、ＨＦＣ２３）、パーフルオロメタン（ＣＦ４、ＦＣ１４）及びメタン（ＣＨ４、ＨＣ５０）の各冷媒が混合されてなるものが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の混合冷媒のうち、ＨＣＦＣ１４１ｂはオゾン層破壊防止のための国際的な規制措置の第２次規制対象とされており、特定フロンＣＦＣの当面の代替冷媒であるいわゆる代替フロンＨＣＦＣに含まれる冷媒である。この代替フロンＨＣＦＣは、現在は使用可能であるものの、第２次規制対象としてその削減スケジュールが決定されており、今後、フロン規制は国際的に一層強化されると考えられる。したがって、将来的にはＨＣＦＣ１４１ｂが使用できなくなるために、オゾン層を破壊しない新たな冷媒の出現が期待されている。
【０００５】
そこで、本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、オゾン層を破壊する可能性がない冷媒組成物及びこの冷媒組成物を用いた超低温冷凍装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、冷媒組成物の第１成分として１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン又は１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタンの少なくとも一方からなるものを含有するようにしたものである。
【０００７】
具体的に、請求項１の発明は、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン又は１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタンの少なくとも一方からなる第１成分と、１，１−ジフルオロエタンからなる第２成分と、トリフルオロメタンからなる第３成分と、パーフルオロメタンからなる第４成分と、メタン又はクリプトンの少なくとも一方からなる第５成分とを含有する。
【０００８】
また、請求項２の発明は、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン又は１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタンの少なくとも一方からなる第１成分と、１，１，１，２−テトラフルオロエタン、１，１，１−トリフルオロエタン又は１，１，１，２，２−ペンタフルオロエタンの少なくとも１つからなる第２成分と、トリフルオロメタンからなる第３成分と、パーフルオロメタンからなる第４成分と、クリプトンからなる第５成分とを含有する。
【０００９】
また、請求項３の発明は、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン又は１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタンの少なくとも一方からなる第１成分と、１，１，１，２−テトラフルオロエタン、１，１，１−トリフルオロエタン又は１，１，１，２，２−ペンタフルオロエタンの少なくとも１つからなる第２成分と、トリフルオロメタンからなる第３成分と、パーフルオロメタンからなる第４成分と、メタンからなる第５成分とを含有する。
【００１０】
また、請求項４の発明は、請求項１から３の何れか１項の発明において、第１成分は、質量百分率で５〜４０％（質量百分率で５％以上で且つ４０％以下）含有され、第２成分は、質量百分率で５〜３５％（質量百分率で５％以上で且つ３５％以下）含有され、第３成分は、質量百分率で１０〜４０％（質量百分率で１０％以上で且つ４０％以下）含有され、第４成分は、質量百分率で１０〜４０％（質量百分率で１０％以上で且つ４０％以下）含有され、第５成分は、質量百分率で１０〜４０％（質量百分率で１０％以上で且つ４０％以下）含有されている。
【００１１】
また、請求項５の発明は、請求項１から４の何れか１項の発明において、アルゴンからなる第６成分を含有する。
【００１２】
また、請求項６の発明は、請求項５の発明において、第６成分は質量百分率で１０％以下含有されている。
【００１３】
また、請求項７の発明は、請求項１から６の何れか１項記載の冷媒組成物が混合冷媒として流通する冷媒回路を備えた超低温冷凍装置を前提として、上記冷媒回路は、上記混合冷媒を圧縮する圧縮機と、上記圧縮機から吐出された混合冷媒を冷却する凝縮器と、上記凝縮器で冷却された混合冷媒の主として第１成分を液冷媒と残留ガス冷媒とに分離する第１気液分離器と、上記第１気液分離器で分離された残留ガス冷媒を、同様に分離された後に減圧された液冷媒との間で熱交換させる第１カスケード熱交換器と、上記第１カスケード熱交換器で熱交換された残留ガス冷媒を、以下、主として第２成分から順次液冷媒とガス冷媒とに分離する複数段の気液分離器と、上記気液分離器で分離された残留ガス冷媒を、同じく分離された後に減圧された液冷媒との間でそれぞれ熱交換させる複数段のカスケード熱交換器と、上記最終段のカスケード熱交換器から出た冷媒で且つ減圧された冷媒を蒸発させる主冷却器とを具備し、上記主冷却器で冷却作用した冷媒を上記圧縮機へ帰還させるように構成されている。
【００１４】
すなわち、各請求項の発明による冷媒組成物の各成分は、何れもオゾン層を破壊する可能性がない規制対象外である。したがって、国際的な規制措置により使用ができなくなるという事態を回避することができる。
【００１５】
また、請求項４の発明では、混合冷媒の各成分の組成比率がほぼ均等になるようにしたために、例えば、複数段の熱交換器を用いて各成分を順次蒸発させるような冷媒回路に混合冷媒として使用した場合には、各段での熱交換量をほぼ均等にすることができ、超低温を効率よく得ることができる。
【００１６】
また、請求項５及び６の発明では、沸点の低いアルゴンを含有するようにしたために、より低温で冷媒組成物を蒸発させることができる。
【００１７】
また、請求項７の発明では、請求項１から６の何れか１項記載の冷媒組成物が混合冷媒として冷媒回路を流通する。そして、圧縮機で圧縮されたガス状の混合冷媒は凝縮器で冷却され、主として第１成分が液化する。この液冷媒と残留ガス冷媒との混在状態の混合冷媒は、第１気液分離器に流入し、液冷媒と残留ガス冷媒とに分離する。この残留ガス冷媒は、第１カスケード熱交換器において、上記分離された液冷媒で且つ減圧されたものと熱交換されて冷却され、次段の気液分離器に供給される。そして、以下同様にして順次複数段の気液分離器で主として中沸点から低沸点にかけての冷媒が気液分離され、カスケード熱交換器でそれぞれ熱交換されて冷却される。
【００１８】
そして、最終段のカスケード熱交換器を流出した残留ガス冷媒は減圧されて主冷却器に流入し、そこで蒸発して超低温を発生する。そして、主冷却器で冷却作用した冷媒は上記圧縮機へ帰還する。
【００１９】
このように、気液分離器とカスケード熱交換器との組み合わせを複数段として、各段において順次高沸点成分から低沸点成分へと蒸発させることができるために、超低温を確実に得ることができる。特に、請求項４記載の冷媒組成物を混合冷媒として使用する場合には、各段のカスケード熱交換器における熱交換量をほぼ均等にすることができ、混合冷媒を超低温まで効率よく冷却することができる。また、アルゴンを含有する冷媒組成物を混合冷媒として使用する場合には、主冷却器における冷凍温度を更に下げることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る超低温冷凍装置１０は、沸点が互いに異なる６種類の成分が混合されてなる非共沸混合冷媒が封入された冷媒回路１１を備えている。この冷媒回路１１は、圧縮機２０と、二重管からなる水冷コンデンサ２１と、二重管からなる補助コンデンサ２２と、第１〜第４の気液分離器２４，３０，３６，４２と、それぞれ二重管からなる第１〜第４のカスケード熱交換器２５，３１，３７，４３と、二重管からなる副冷却器４７と、主冷却器５２とが配管接続されて構成されている。この冷凍装置１０では、上記水冷コンデンサ２１と補助コンデンサ２２とにより凝縮器５６が構成されている。
【００２２】
上記圧縮機２０の吐出側は、水冷コンデンサ２１の外管入口と配管接続されている。この水冷コンデンサ２１の外管出口は補助コンデンサ２２の外管入口と配管接続され、この補助コンデンサ２２の外管出口は第１気液分離器２４に配管接続されている。水冷コンデンサ２１の内管には、図外の冷却水供給源から供給された冷却水が流通するようになっている。第１気液分離器２４の気相部は第１カスケード熱交換器２５における外管入口に、また液相部は減圧手段としての第１キャピラリチューブ２６を介して第１カスケード熱交換器２５の内管入口にそれぞれ配管接続されている。第１カスケード熱交換器２５における外管出口は第２気液分離器３０に配管接続されている。尚、第１カスケード熱交換器２５は、内管を流れる冷媒と外管を流れる冷媒とが対向して流れるようになっている。こうして気液分離と熱交換との第１段が形成されている。
【００２３】
以下、同様にして第２気液分離器３０と第２カスケード熱交換器３１、第３気液分離器３６と第３カスケード熱交換器３７、第４気液分離器４２と第４カスケード熱交換器４３がそれぞれ配管接続され、第２カスケード熱交換器３１の外管出口は第３気液分離器３６に、また第３カスケード熱交換器３７の外管出口は第４気液分離器４２にそれぞれ配管接続されて、気液分離と熱交換の第２段目〜第４段目が形成されている。これら各段においても上記第１段目同様に減圧手段としての第２〜第４のキャピラリチューブ３２，３８，４４がそれそれ設けられている。
【００２４】
上記第４カスケード熱交換器４３の外管出口は、副冷却器４７の外管入口に配管接続されている。副冷却器４７の外管出口に接続された配管は２つに分岐されており、その一方は、減圧手段としての第５キャピラリチューブ４８を介して副冷却器４７の内管入口に配管接続されている。また、分岐された他の一方は、減圧手段としての第６キャピラリチューブ５３を介して主冷却器５２の入口に配管接続されている。
【００２５】
上記主冷却器５２は、例えば細胞を保存するためのフリーザや、室内中の水分を凝縮させることにより真空度を上げるように構成された真空室等により構成されている。
【００２６】
そして、主冷却器５２の出口に接続された配管と、副冷却器４７の内管出口に接続された配管とが合流し、さらに第４キャピラリチューブ４４と第４カスケード熱交換器４３の内管入口とを接続する配管に合流している。
【００２７】
第４カスケード熱交換器４３の内管出口は、第３カスケード熱交換器３７の内管入口へ、第３カスケード熱交換器３７の内管出口は、第２カスケード熱交換器３１の内管入口へ、第２カスケード熱交換器３１の内管出口は、第１カスケード熱交換器２５の内管入口へそれぞれ配管接続されている。また、第２〜第４の気液分離器３０，３６，４２の各液相部は、それぞれキャピラリチューブ３２，３８，４４を介して第２〜第４のカスケード熱交換器３１，３７，４３の内管入口にそれぞれ配管接続されている。また、第１カスケード熱交換器２５の内管出口は補助コンデンサ２２の内管入口へ、補助コンデンサ２２の内管出口は、圧縮機２０の吸入側へそれぞれ配管接続されている。
【００２８】
上記冷媒回路１１に封入された混合冷媒は、以下の第１成分〜第６成分の冷媒が互いに混合された状態で含有されている。即ち、第１成分の冷媒は、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン（ＨＦＣ２４５ｆａ、ＣＦ３−ＣＨ２−ＣＨＦ２、分子量１３４．００ｇ／ｍｏｌ、沸点１５℃）又は１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタン（ＨＦＣ３６５ｍｆｃ、ＣＦ３−ＣＨ２−ＣＦ２−ＣＨ３、分子量１４８．００ｇ／ｍｏｌ、沸点４０℃）の何れか一方からなる。第２成分の冷媒は、１，１，１，２−テトラフルオロエタン（ＨＦＣ１３４ａ、ＣＨ２Ｆ−ＣＦ３、分子量１０２．０３ｇ／ｍｏｌ、沸点―２６．２℃）、１，１，１−トリフルオロエタン（ＨＦＣ１４３ａ、ＣＨ３−ＣＦ３、分子量８４．０４ｇ／ｍｏｌ、沸点―４７．４℃）又は１，１，１，２，２−ペンタフルオロエタン（ＨＦＣ１２５、ＣＨＦ２−ＣＦ３、分子量１２０．０２ｇ／ｍｏｌ、沸点―４８．５℃）の何れか１つからなる。第３成分の冷媒は、トリフルオロメタン（ＨＦＣ２３、ＣＨＦ３、分子量７０．０１ｇ／ｍｏｌ、沸点―８２．１℃）からなる。第４成分の冷媒は、パーフルオロメタン（ＦＣ１４、ＣＦ４、分子量８８．０１ｇ／ｍｏｌ、沸点―１２７．９℃）からなる。第５成分の冷媒は、クリプトン（Ｋｒ、分子量８３．８０ｇ／ｍｏｌ、沸点―１５３．４℃）からなる。第６成分の冷媒は、アルゴン（Ｒ７４０、Ａｒ、分子量３９．９５ｇ／ｍｏｌ、沸点―１８５．６５℃）からなる。
【００２９】
上記混合冷媒では、第１成分の冷媒が、質量百分率、即ち質量を基準とした百分率で混合冷媒に対して５〜４０％（５％以上で且つ４０％以下）含有されており、上記第２成分の冷媒が、同様に５〜３５％（５％以上で且つ３５％以下）含有されており、上記第３成分、第４成分及び第５成分の冷媒が、それぞれ同様に１０〜４０％（１０％以上で且つ４０％以下）含有されており、上記第６成分の冷媒が、同様に１０％以下含有されているのが望ましい。このように各成分の比率がほぼ均等になるように組成比率を特定することにより、冷媒回路１１の各段におけるカスケード熱交換器２５，３１，３７，４３での熱交換量をほぼ均等にすることができ、混合冷媒を効率よく超低温まで冷却することができる。
【００３０】
次に、上記冷凍装置１０の運転動作について説明する。圧縮機２０から吐出された高温高圧のガス状混合冷媒は、水冷コンデンサ２１の外管に流入し、内管を流れる冷却水によって一部が冷却された後、補助コンデンサ２２の外管に流入する。補助コンデンサ２２の外管に流入した混合冷媒は、後述するように主冷却器５２及び副冷却器４７からの帰還冷媒によって例えば２７℃程度に冷却される。これにより、混合冷媒の主として第１成分の大部分と第２成分の相当部分とが液化し、これ以外の成分はガス状態にある気液混合状態になる。
【００３１】
そして、この混合冷媒は、第１気液分離器２４に流入し、ガス冷媒と液冷媒とに分離する。液冷媒は第１キャピラリチューブ２６によって減圧されて第１カスケード熱交換器２５の内管に流入する。この第１カスケード熱交換器２５の内管には、冷却器４７，５２からの帰還冷媒も合流して流入する。一方、第１気液分離器２４のガス冷媒は、第１カスケード熱交換器２５の外管に流入し、上記内管に流入した冷媒と熱交換し、主として第２成分の大部分と第３成分の相当部分が凝縮する。この外管の混合冷媒は、例えば約−３４℃となる。
【００３２】
そして、この気液混合状態の混合冷媒は、第２気液分離器３０に流入し、ガス冷媒と液冷媒とに分離する。液冷媒は第２キャピラリチューブ３２によって減圧されて第２カスケード熱交換器３１の内管に流入する。この第２カスケード熱交換器３１の内管には、冷却器４７，５２からの帰還冷媒も合流して流入する。一方、第２気液分離器３０のガス冷媒は、第２カスケード熱交換器３１の外管に流入し、上記内管に流入した冷媒と熱交換し、主として第３成分の大部分と第４成分の相当部分が凝縮する。この外管の混合冷媒は、例えば約−６４℃となる。
【００３３】
そして、この気液混合状態の混合冷媒は、第３気液分離器３６に流入し、ガス冷媒と液冷媒とに分離する。液冷媒は第３キャピラリチューブ３８によって減圧されて第３カスケード熱交換器３７の内管に流入する。この第３カスケード熱交換器３７の内管には、冷却器４７，５２からの帰還冷媒も合流して流入する。一方、第３気液分離器３６のガス冷媒は、第３カスケード熱交換器３７の外管に流入し、上記内管に流入した冷媒と熱交換し、主として第４成分の大部分と第５成分の相当部分が凝縮する。この外管の混合冷媒は、例えば約−８９℃となる。
【００３４】
そして、この気液混合状態の混合冷媒は、第４気液分離器４２に流入し、ガス冷媒と液冷媒とに分離する。液冷媒は第４キャピラリチューブ４４によって減圧されて第４カスケード熱交換器４３の内管に流入する。この第４カスケード熱交換器４３の内管には、冷却器４７，５２からの帰還冷媒も合流して流入する。一方、第４気液分離器４２のガス冷媒は、第４カスケード熱交換器４３の外管に流入し、上記内管に流入した冷媒と熱交換し、主として第５成分の相当部分と第６成分の一部分が凝縮する。この外管の混合冷媒は、例えば約−１０９℃となる。
【００３５】
こうして第５成分と第６成分とを含む気液混合冷媒は、副冷却器４７の外管に流入し、その外管出口から出た冷媒のうちの一部で且つ第５キャピラリチューブ４８によって減圧された冷媒との間で熱交換することによって約−１２３℃の完全液化状態となる。この液冷媒は、副冷却器４７を流出した後、分流してその一部は上記の如く減圧された後に副冷却器４７の内管に流入し、残りは第６キャピラリチューブ５３によって減圧され、主冷却器５２に流入する。この冷媒は例えば約−１５５℃となっている。この冷媒は、主冷却器５２において蒸発して利用側を例えば１５０℃の超低温に冷却し、副冷却器４７の内管を流出した冷媒と合流する。
【００３６】
上記主冷却器５２及び副冷却器４７を流出した冷媒は、各キャピラリチューブ４４，３８，３２，２６で減圧された冷媒が順次合流すると共に、第４カスケード熱交換器４３から第１カスケード熱交換器２５に流入し、更には補助コンデンサ２２に流入して上述の如くそれぞれ外管を流れる混合冷媒を冷却する。そして、この冷媒は、補助コンデンサ２２を流出した後、圧縮機２０に帰還する。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態に係る超低温冷凍装置１０によれば、混合冷媒の各成分の冷媒は、何れもオゾン層を破壊する可能性がない規制対象外であるために、国際的な規制措置により使用ができなくなるという事態を回避することができる。
【００３８】
また、沸点の低いアルゴンを混合冷媒に含有するようにしたために、より低温で冷媒を蒸発させることができる。
【００３９】
また、混合冷媒が冷媒回路１１を流通する。そして、圧縮機２０で圧縮されたガス状の混合冷媒は水冷コンデンサ２１及び補助コンデンサ２２で冷却され、主として第１成分が液化する。この液冷媒と残留ガス冷媒との混在状態の混合冷媒は、第１気液分離器２４に流入し、液冷媒と残留ガス冷媒とに分離する。この残留ガス冷媒は、第１カスケード熱交換器２５において、上記分離された液冷媒で且つ減圧されたものと熱交換されて冷却され、次段の第２気液分離器３０に供給される。そして、以下同様にして順次第２、第３及び第４の気液分離器３０，３６，４２で主として中沸点から低沸点にかけての冷媒が気液分離され、第２、第３及び第４のカスケード熱交換器３１，３７，４３でそれぞれ熱交換されて冷却される。
【００４０】
そして、第４カスケード熱交換器４３を流出した残留ガス冷媒は副冷却器４７で液化される。また、副冷却器４７で液化された冷媒は、減圧されて主冷却器５２に流入し、そこで蒸発して超低温を発生する。そして、主冷却器５２及び副冷却器４７で冷却作用した冷媒は、順次第４カスケード熱交換器４３から第１カスケード熱交換器２５を経由して上記圧縮機２０へ帰還する。このとき、第４、第３、第２及び第１気液分離器４２，３６，３０，２４で分離された液冷媒の減圧されたものと順次合流する。
【００４１】
このように、気液分離器２４，３０，３６，４２とカスケード熱交換器２５，３１，３７，４３との組み合わせを４段として、高沸点成分から低沸点成分へと順次各段において蒸発させながら最終的に超低温を確実に得ることができる。特に、混合冷媒として、アルゴンからなる第６成分を含有する混合冷媒を使用しているために、主冷却器５２における冷凍温度をさらに下げることができる。
【００４２】
また、混合冷媒の第１〜第５成分の組成比率がほぼ均等、即ち２０％前後になるようにしたために、冷媒回路１１の各段におけるカスケード熱交換器２５，３１，３７，４３での熱交換量をほぼ均等にすることができ、混合冷媒を効率よく超低温まで冷却することができる。
【００４３】
【発明のその他の実施の形態】
上記実施形態では、冷媒回路１１は、副冷却器４７の外管出口に接続された配管が分岐されてその一方が主冷却器５２に接続される構成としたが、これに代え、副冷却器４７の外管出口が減圧手段としてのキャピラリチューブを介して主冷却器５２の入口と配管接続され、主冷却器５２の出口が副冷却器４７の内管入口と配管接続され、主冷却器５２を流出した冷媒で副冷却器４７の外管を流れる冷媒を冷却する構成としてもよい。
【００４４】
また、上記実施形態では、混合冷媒の第１成分は、ＨＦＣ２４５ｆａ又はＨＦＣ３６５ｍｆｃの何れか一方としたが、これに代え、ＨＦＣ２４５ｆａ及びＨＦＣ３６５ｍｆｃを混合したものとしてもよい。
【００４５】
また、上記実施形態について、混合冷媒の第５成分は、クリプトンに代え、メタン（ＨＣ５０、ＣＨ４、分子量１６．００ｇ／ｍｏｌ、沸点―１６１．４５℃）としてもよい。
【００４６】
また、上記実施形態では、混合冷媒の第２成分は、ＨＦＣ１３４ａ、ＨＦＣ１４３ａ又はＨＦＣ１２５の何れか１つとしたが、これに代え、ＨＦＣ１３４ａ、ＨＦＣ１４３ａ又はＨＦＣ１２５の何れかを混合したものとしてもよい。また、第２成分は、１，１−ジフルオロエタン（ＨＦＣ１５２ａ、ＣＨ３−ＣＨＦ２、分子量６６．０５ｇ／ｍｏｌ、沸点―２４．７℃）としてもよい。
【００４７】
また、上記実施形態について、混合冷媒は、第６成分を省略してもよい。
【００４８】
また、上記実施形態では、カスケード熱交換器２５，３１，３７，４３において主冷却器５２に向かう冷媒を外管に、また主冷却器５２から圧縮機２０に帰還する冷媒を内管に導入する構成としたが、これとは逆に主冷却器５２に向かう冷媒を内管に、また主冷却器５２から圧縮機２０に帰還する冷媒を外管に導入する構成としてもよい。また、これらを個別に組み合わせた構成としてもよい。
【００４９】
また、上記実施形態では、カスケード熱交換器２５，３１，３７，４３、水冷コンデンサ２１、補助コンデンサ２２及び副冷却器４７として二重管からなるものを示したが、これらの何れかはプレート式、シェルアンドチューブ式等の熱交換器でもよい。また、減圧機構２６，３２，３８，４４をキャピラリチューブで構成したが、これに代え、膨張弁等の他の減圧機構としてもよい。
【００５０】
また、上記実施形態では気液分離を４回行うシステムを示したが、これに代え、気液分離を３回又は５回行うシステムに構成してもよい。
【００５１】
また、上記実施形態では水冷コンデンサ２１を用いた水冷システムを示したが、これに代え、空冷コンデンサを用いたシステムに構成してもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１から３の発明によれば、各成分の何れもオゾン層を破壊する可能性がない規制対象外であるために、国際的な規制措置により使用ができなくなるという事態を回避することができる。
【００５３】
また、請求項４の発明によれば、混合冷媒の各成分の組成比率がほぼ均等になるようにしたために、例えば、複数段の熱交換器を用いて各成分を順次蒸発させるような冷媒回路に混合冷媒として使用した場合には、各段での熱交換量をほぼ均等にすることができ、超低温を効率よく得ることができる。
【００５４】
また、請求項５及び６の発明によれば、沸点の低いアルゴンを含有するようにしたために、より低温で冷媒組成物を蒸発させることができる。
【００５５】
また、請求項７の発明によれば、各段において順次高沸点成分から低沸点成分へと蒸発させることができるために、超低温を確実に得ることができる。特に、請求項４記載の冷媒組成物を混合冷媒として使用する場合には、各段のカスケード熱交換器における熱交換量をほぼ均等にすることができ、混合冷媒を超低温まで効率よく冷却することができる。また、アルゴンを含有する冷媒組成物を混合冷媒として使用する場合には、主冷却器における冷凍温度を更に下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る超低温冷凍装置の全体構成を示す冷媒系統図である。
【符号の説明】
１１ 冷媒回路
２０ 圧縮機
２１ 水冷コンデンサ（凝縮器）
２２ 補助コンデンサ（凝縮器）
２４ 第１気液分離器
２５ 第１カスケード熱交換器
３０ 第２気液分離器
３１ 第２カスケード熱交換器
３６ 第３気液分離器
３７ 第３カスケード熱交換器
４２ 第４気液分離器
４３ 第４カスケード熱交換器
４７ 副冷却器
５２ 主冷却器
【請求項１】１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン又は１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタンの少なくとも一方からなる第１成分と、
１，１−ジフルオロエタンからなる第２成分と、
トリフルオロメタンからなる第３成分と、
パーフルオロメタンからなる第４成分と、
メタン又はクリプトンの少なくとも一方からなる第５成分とを含有することを特徴とする冷媒組成物。
【請求項２】１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン又は１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタンの少なくとも一方からなる第１成分と、
１，１，１，２−テトラフルオロエタン、１，１，１−トリフルオロエタン又は１，１，１，２，２−ペンタフルオロエタンの少なくとも１つからなる第２成分と、
トリフルオロメタンからなる第３成分と、
パーフルオロメタンからなる第４成分と、
クリプトンからなる第５成分とを含有することを特徴とする冷媒組成物。
【請求項３】１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン又は１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタンの少なくとも一方からなる第１成分と、
１，１，１，２−テトラフルオロエタン、１，１，１−トリフルオロエタン又は１，１，１，２，２−ペンタフルオロエタンの少なくとも１つからなる第２成分と、
トリフルオロメタンからなる第３成分と、
パーフルオロメタンからなる第４成分と、
メタンからなる第５成分とを含有することを特徴とする冷媒組成物。
【請求項４】請求項１から３の何れか１項において、
第１成分は、質量百分率で５〜４０％含有され、
第２成分は、質量百分率で５〜３５％含有され、
第３成分は、質量百分率で１０〜４０％含有され、
第４成分は、質量百分率で１０〜４０％含有され、
第５成分は、質量百分率で１０〜４０％含有されていることを特徴とする冷媒組成物。
【請求項５】請求項１から４の何れか１項において、
アルゴンからなる第６成分を含有することを特徴とする冷媒組成物。
【請求項６】請求項５において、
第６成分は質量百分率で１０％以下含有されていることを特徴とする冷媒組成物。
【請求項７】請求項１から６の何れか１項記載の冷媒組成物が混合冷媒として流通する冷媒回路を備えた超低温冷凍装置であって、
上記冷媒回路は、
上記混合冷媒を圧縮する圧縮機と、
上記圧縮機から吐出された混合冷媒を冷却する凝縮器と、
上記凝縮器で冷却された混合冷媒の主として第１成分を液冷媒と残留ガス冷媒とに分離する第１気液分離器と、
上記第１気液分離器で分離された残留ガス冷媒を、同様に分離された後に減圧された液冷媒との間で熱交換させる第１カスケード熱交換器と、
上記第１カスケード熱交換器で熱交換された残留ガス冷媒を、以下、主として第２成分から順次液冷媒とガス冷媒とに分離する複数段の気液分離器と、
上記気液分離器で分離された残留ガス冷媒を、同じく分離された後に減圧された液冷媒との間でそれぞれ熱交換させる複数段のカスケード熱交換器と、
上記最終段のカスケード熱交換器から出た冷媒で且つ減圧された冷媒を蒸発させる主冷却器とを具備し、
上記主冷却器で冷却作用した冷媒を上記圧縮機へ帰還させるように構成されている
ことを特徴とする超低温冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒組成物及び超低温冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、非共沸混合冷媒を用いる冷凍装置として、例えば特開平８−１０５６６０号公報及び特開平８−１６５４６５号公報に開示されているように、沸点温度の高い冷媒から順次凝縮させ、最も低い沸点温度の冷媒を最終的に蒸発させることにより、所望の超低温を得る多段気液分離方式の冷凍装置が知られている。
【０００３】
この種の冷凍装置に用いられる混合冷媒として、例えば、１，１−ジクロロ−１−フルオロエタン（ＣＨ３―ＣＣｌ２Ｆ、ＨＣＦＣ１４１ｂ）、１，１−ジフルオロエタン（ＣＨ３―ＣＨＦ２、ＨＦＣ１５２ａ）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ３、ＨＦＣ２３）、パーフルオロメタン（ＣＦ４、ＦＣ１４）及びメタン（ＣＨ４、ＨＣ５０）の各冷媒が混合されてなるものが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の混合冷媒のうち、ＨＣＦＣ１４１ｂはオゾン層破壊防止のための国際的な規制措置の第２次規制対象とされており、特定フロンＣＦＣの当面の代替冷媒であるいわゆる代替フロンＨＣＦＣに含まれる冷媒である。この代替フロンＨＣＦＣは、現在は使用可能であるものの、第２次規制対象としてその削減スケジュールが決定されており、今後、フロン規制は国際的に一層強化されると考えられる。したがって、将来的にはＨＣＦＣ１４１ｂが使用できなくなるために、オゾン層を破壊しない新たな冷媒の出現が期待されている。
【０００５】
そこで、本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、オゾン層を破壊する可能性がない冷媒組成物及びこの冷媒組成物を用いた超低温冷凍装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、冷媒組成物の第１成分として１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン又は１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタンの少なくとも一方からなるものを含有するようにしたものである。
【０００７】
具体的に、請求項１の発明は、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン又は１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタンの少なくとも一方からなる第１成分と、１，１−ジフルオロエタンからなる第２成分と、トリフルオロメタンからなる第３成分と、パーフルオロメタンからなる第４成分と、メタン又はクリプトンの少なくとも一方からなる第５成分とを含有する。
【０００８】
また、請求項２の発明は、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン又は１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタンの少なくとも一方からなる第１成分と、１，１，１，２−テトラフルオロエタン、１，１，１−トリフルオロエタン又は１，１，１，２，２−ペンタフルオロエタンの少なくとも１つからなる第２成分と、トリフルオロメタンからなる第３成分と、パーフルオロメタンからなる第４成分と、クリプトンからなる第５成分とを含有する。
【０００９】
また、請求項３の発明は、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン又は１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタンの少なくとも一方からなる第１成分と、１，１，１，２−テトラフルオロエタン、１，１，１−トリフルオロエタン又は１，１，１，２，２−ペンタフルオロエタンの少なくとも１つからなる第２成分と、トリフルオロメタンからなる第３成分と、パーフルオロメタンからなる第４成分と、メタンからなる第５成分とを含有する。
【００１０】
また、請求項４の発明は、請求項１から３の何れか１項の発明において、第１成分は、質量百分率で５〜４０％（質量百分率で５％以上で且つ４０％以下）含有され、第２成分は、質量百分率で５〜３５％（質量百分率で５％以上で且つ３５％以下）含有され、第３成分は、質量百分率で１０〜４０％（質量百分率で１０％以上で且つ４０％以下）含有され、第４成分は、質量百分率で１０〜４０％（質量百分率で１０％以上で且つ４０％以下）含有され、第５成分は、質量百分率で１０〜４０％（質量百分率で１０％以上で且つ４０％以下）含有されている。
【００１１】
また、請求項５の発明は、請求項１から４の何れか１項の発明において、アルゴンからなる第６成分を含有する。
【００１２】
また、請求項６の発明は、請求項５の発明において、第６成分は質量百分率で１０％以下含有されている。
【００１３】
また、請求項７の発明は、請求項１から６の何れか１項記載の冷媒組成物が混合冷媒として流通する冷媒回路を備えた超低温冷凍装置を前提として、上記冷媒回路は、上記混合冷媒を圧縮する圧縮機と、上記圧縮機から吐出された混合冷媒を冷却する凝縮器と、上記凝縮器で冷却された混合冷媒の主として第１成分を液冷媒と残留ガス冷媒とに分離する第１気液分離器と、上記第１気液分離器で分離された残留ガス冷媒を、同様に分離された後に減圧された液冷媒との間で熱交換させる第１カスケード熱交換器と、上記第１カスケード熱交換器で熱交換された残留ガス冷媒を、以下、主として第２成分から順次液冷媒とガス冷媒とに分離する複数段の気液分離器と、上記気液分離器で分離された残留ガス冷媒を、同じく分離された後に減圧された液冷媒との間でそれぞれ熱交換させる複数段のカスケード熱交換器と、上記最終段のカスケード熱交換器から出た冷媒で且つ減圧された冷媒を蒸発させる主冷却器とを具備し、上記主冷却器で冷却作用した冷媒を上記圧縮機へ帰還させるように構成されている。
【００１４】
すなわち、各請求項の発明による冷媒組成物の各成分は、何れもオゾン層を破壊する可能性がない規制対象外である。したがって、国際的な規制措置により使用ができなくなるという事態を回避することができる。
【００１５】
また、請求項４の発明では、混合冷媒の各成分の組成比率がほぼ均等になるようにしたために、例えば、複数段の熱交換器を用いて各成分を順次蒸発させるような冷媒回路に混合冷媒として使用した場合には、各段での熱交換量をほぼ均等にすることができ、超低温を効率よく得ることができる。
【００１６】
また、請求項５及び６の発明では、沸点の低いアルゴンを含有するようにしたために、より低温で冷媒組成物を蒸発させることができる。
【００１７】
また、請求項７の発明では、請求項１から６の何れか１項記載の冷媒組成物が混合冷媒として冷媒回路を流通する。そして、圧縮機で圧縮されたガス状の混合冷媒は凝縮器で冷却され、主として第１成分が液化する。この液冷媒と残留ガス冷媒との混在状態の混合冷媒は、第１気液分離器に流入し、液冷媒と残留ガス冷媒とに分離する。この残留ガス冷媒は、第１カスケード熱交換器において、上記分離された液冷媒で且つ減圧されたものと熱交換されて冷却され、次段の気液分離器に供給される。そして、以下同様にして順次複数段の気液分離器で主として中沸点から低沸点にかけての冷媒が気液分離され、カスケード熱交換器でそれぞれ熱交換されて冷却される。
【００１８】
そして、最終段のカスケード熱交換器を流出した残留ガス冷媒は減圧されて主冷却器に流入し、そこで蒸発して超低温を発生する。そして、主冷却器で冷却作用した冷媒は上記圧縮機へ帰還する。
【００１９】
このように、気液分離器とカスケード熱交換器との組み合わせを複数段として、各段において順次高沸点成分から低沸点成分へと蒸発させることができるために、超低温を確実に得ることができる。特に、請求項４記載の冷媒組成物を混合冷媒として使用する場合には、各段のカスケード熱交換器における熱交換量をほぼ均等にすることができ、混合冷媒を超低温まで効率よく冷却することができる。また、アルゴンを含有する冷媒組成物を混合冷媒として使用する場合には、主冷却器における冷凍温度を更に下げることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る超低温冷凍装置１０は、沸点が互いに異なる６種類の成分が混合されてなる非共沸混合冷媒が封入された冷媒回路１１を備えている。この冷媒回路１１は、圧縮機２０と、二重管からなる水冷コンデンサ２１と、二重管からなる補助コンデンサ２２と、第１〜第４の気液分離器２４，３０，３６，４２と、それぞれ二重管からなる第１〜第４のカスケード熱交換器２５，３１，３７，４３と、二重管からなる副冷却器４７と、主冷却器５２とが配管接続されて構成されている。この冷凍装置１０では、上記水冷コンデンサ２１と補助コンデンサ２２とにより凝縮器５６が構成されている。
【００２２】
上記圧縮機２０の吐出側は、水冷コンデンサ２１の外管入口と配管接続されている。この水冷コンデンサ２１の外管出口は補助コンデンサ２２の外管入口と配管接続され、この補助コンデンサ２２の外管出口は第１気液分離器２４に配管接続されている。水冷コンデンサ２１の内管には、図外の冷却水供給源から供給された冷却水が流通するようになっている。第１気液分離器２４の気相部は第１カスケード熱交換器２５における外管入口に、また液相部は減圧手段としての第１キャピラリチューブ２６を介して第１カスケード熱交換器２５の内管入口にそれぞれ配管接続されている。第１カスケード熱交換器２５における外管出口は第２気液分離器３０に配管接続されている。尚、第１カスケード熱交換器２５は、内管を流れる冷媒と外管を流れる冷媒とが対向して流れるようになっている。こうして気液分離と熱交換との第１段が形成されている。
【００２３】
以下、同様にして第２気液分離器３０と第２カスケード熱交換器３１、第３気液分離器３６と第３カスケード熱交換器３７、第４気液分離器４２と第４カスケード熱交換器４３がそれぞれ配管接続され、第２カスケード熱交換器３１の外管出口は第３気液分離器３６に、また第３カスケード熱交換器３７の外管出口は第４気液分離器４２にそれぞれ配管接続されて、気液分離と熱交換の第２段目〜第４段目が形成されている。これら各段においても上記第１段目同様に減圧手段としての第２〜第４のキャピラリチューブ３２，３８，４４がそれそれ設けられている。
【００２４】
上記第４カスケード熱交換器４３の外管出口は、副冷却器４７の外管入口に配管接続されている。副冷却器４７の外管出口に接続された配管は２つに分岐されており、その一方は、減圧手段としての第５キャピラリチューブ４８を介して副冷却器４７の内管入口に配管接続されている。また、分岐された他の一方は、減圧手段としての第６キャピラリチューブ５３を介して主冷却器５２の入口に配管接続されている。
【００２５】
上記主冷却器５２は、例えば細胞を保存するためのフリーザや、室内中の水分を凝縮させることにより真空度を上げるように構成された真空室等により構成されている。
【００２６】
そして、主冷却器５２の出口に接続された配管と、副冷却器４７の内管出口に接続された配管とが合流し、さらに第４キャピラリチューブ４４と第４カスケード熱交換器４３の内管入口とを接続する配管に合流している。
【００２７】
第４カスケード熱交換器４３の内管出口は、第３カスケード熱交換器３７の内管入口へ、第３カスケード熱交換器３７の内管出口は、第２カスケード熱交換器３１の内管入口へ、第２カスケード熱交換器３１の内管出口は、第１カスケード熱交換器２５の内管入口へそれぞれ配管接続されている。また、第２〜第４の気液分離器３０，３６，４２の各液相部は、それぞれキャピラリチューブ３２，３８，４４を介して第２〜第４のカスケード熱交換器３１，３７，４３の内管入口にそれぞれ配管接続されている。また、第１カスケード熱交換器２５の内管出口は補助コンデンサ２２の内管入口へ、補助コンデンサ２２の内管出口は、圧縮機２０の吸入側へそれぞれ配管接続されている。
【００２８】
上記冷媒回路１１に封入された混合冷媒は、以下の第１成分〜第６成分の冷媒が互いに混合された状態で含有されている。即ち、第１成分の冷媒は、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン（ＨＦＣ２４５ｆａ、ＣＦ３−ＣＨ２−ＣＨＦ２、分子量１３４．００ｇ／ｍｏｌ、沸点１５℃）又は１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタン（ＨＦＣ３６５ｍｆｃ、ＣＦ３−ＣＨ２−ＣＦ２−ＣＨ３、分子量１４８．００ｇ／ｍｏｌ、沸点４０℃）の何れか一方からなる。第２成分の冷媒は、１，１，１，２−テトラフルオロエタン（ＨＦＣ１３４ａ、ＣＨ２Ｆ−ＣＦ３、分子量１０２．０３ｇ／ｍｏｌ、沸点―２６．２℃）、１，１，１−トリフルオロエタン（ＨＦＣ１４３ａ、ＣＨ３−ＣＦ３、分子量８４．０４ｇ／ｍｏｌ、沸点―４７．４℃）又は１，１，１，２，２−ペンタフルオロエタン（ＨＦＣ１２５、ＣＨＦ２−ＣＦ３、分子量１２０．０２ｇ／ｍｏｌ、沸点―４８．５℃）の何れか１つからなる。第３成分の冷媒は、トリフルオロメタン（ＨＦＣ２３、ＣＨＦ３、分子量７０．０１ｇ／ｍｏｌ、沸点―８２．１℃）からなる。第４成分の冷媒は、パーフルオロメタン（ＦＣ１４、ＣＦ４、分子量８８．０１ｇ／ｍｏｌ、沸点―１２７．９℃）からなる。第５成分の冷媒は、クリプトン（Ｋｒ、分子量８３．８０ｇ／ｍｏｌ、沸点―１５３．４℃）からなる。第６成分の冷媒は、アルゴン（Ｒ７４０、Ａｒ、分子量３９．９５ｇ／ｍｏｌ、沸点―１８５．６５℃）からなる。
【００２９】
上記混合冷媒では、第１成分の冷媒が、質量百分率、即ち質量を基準とした百分率で混合冷媒に対して５〜４０％（５％以上で且つ４０％以下）含有されており、上記第２成分の冷媒が、同様に５〜３５％（５％以上で且つ３５％以下）含有されており、上記第３成分、第４成分及び第５成分の冷媒が、それぞれ同様に１０〜４０％（１０％以上で且つ４０％以下）含有されており、上記第６成分の冷媒が、同様に１０％以下含有されているのが望ましい。このように各成分の比率がほぼ均等になるように組成比率を特定することにより、冷媒回路１１の各段におけるカスケード熱交換器２５，３１，３７，４３での熱交換量をほぼ均等にすることができ、混合冷媒を効率よく超低温まで冷却することができる。
【００３０】
次に、上記冷凍装置１０の運転動作について説明する。圧縮機２０から吐出された高温高圧のガス状混合冷媒は、水冷コンデンサ２１の外管に流入し、内管を流れる冷却水によって一部が冷却された後、補助コンデンサ２２の外管に流入する。補助コンデンサ２２の外管に流入した混合冷媒は、後述するように主冷却器５２及び副冷却器４７からの帰還冷媒によって例えば２７℃程度に冷却される。これにより、混合冷媒の主として第１成分の大部分と第２成分の相当部分とが液化し、これ以外の成分はガス状態にある気液混合状態になる。
【００３１】
そして、この混合冷媒は、第１気液分離器２４に流入し、ガス冷媒と液冷媒とに分離する。液冷媒は第１キャピラリチューブ２６によって減圧されて第１カスケード熱交換器２５の内管に流入する。この第１カスケード熱交換器２５の内管には、冷却器４７，５２からの帰還冷媒も合流して流入する。一方、第１気液分離器２４のガス冷媒は、第１カスケード熱交換器２５の外管に流入し、上記内管に流入した冷媒と熱交換し、主として第２成分の大部分と第３成分の相当部分が凝縮する。この外管の混合冷媒は、例えば約−３４℃となる。
【００３２】
そして、この気液混合状態の混合冷媒は、第２気液分離器３０に流入し、ガス冷媒と液冷媒とに分離する。液冷媒は第２キャピラリチューブ３２によって減圧されて第２カスケード熱交換器３１の内管に流入する。この第２カスケード熱交換器３１の内管には、冷却器４７，５２からの帰還冷媒も合流して流入する。一方、第２気液分離器３０のガス冷媒は、第２カスケード熱交換器３１の外管に流入し、上記内管に流入した冷媒と熱交換し、主として第３成分の大部分と第４成分の相当部分が凝縮する。この外管の混合冷媒は、例えば約−６４℃となる。
【００３３】
そして、この気液混合状態の混合冷媒は、第３気液分離器３６に流入し、ガス冷媒と液冷媒とに分離する。液冷媒は第３キャピラリチューブ３８によって減圧されて第３カスケード熱交換器３７の内管に流入する。この第３カスケード熱交換器３７の内管には、冷却器４７，５２からの帰還冷媒も合流して流入する。一方、第３気液分離器３６のガス冷媒は、第３カスケード熱交換器３７の外管に流入し、上記内管に流入した冷媒と熱交換し、主として第４成分の大部分と第５成分の相当部分が凝縮する。この外管の混合冷媒は、例えば約−８９℃となる。
【００３４】
そして、この気液混合状態の混合冷媒は、第４気液分離器４２に流入し、ガス冷媒と液冷媒とに分離する。液冷媒は第４キャピラリチューブ４４によって減圧されて第４カスケード熱交換器４３の内管に流入する。この第４カスケード熱交換器４３の内管には、冷却器４７，５２からの帰還冷媒も合流して流入する。一方、第４気液分離器４２のガス冷媒は、第４カスケード熱交換器４３の外管に流入し、上記内管に流入した冷媒と熱交換し、主として第５成分の相当部分と第６成分の一部分が凝縮する。この外管の混合冷媒は、例えば約−１０９℃となる。
【００３５】
こうして第５成分と第６成分とを含む気液混合冷媒は、副冷却器４７の外管に流入し、その外管出口から出た冷媒のうちの一部で且つ第５キャピラリチューブ４８によって減圧された冷媒との間で熱交換することによって約−１２３℃の完全液化状態となる。この液冷媒は、副冷却器４７を流出した後、分流してその一部は上記の如く減圧された後に副冷却器４７の内管に流入し、残りは第６キャピラリチューブ５３によって減圧され、主冷却器５２に流入する。この冷媒は例えば約−１５５℃となっている。この冷媒は、主冷却器５２において蒸発して利用側を例えば１５０℃の超低温に冷却し、副冷却器４７の内管を流出した冷媒と合流する。
【００３６】
上記主冷却器５２及び副冷却器４７を流出した冷媒は、各キャピラリチューブ４４，３８，３２，２６で減圧された冷媒が順次合流すると共に、第４カスケード熱交換器４３から第１カスケード熱交換器２５に流入し、更には補助コンデンサ２２に流入して上述の如くそれぞれ外管を流れる混合冷媒を冷却する。そして、この冷媒は、補助コンデンサ２２を流出した後、圧縮機２０に帰還する。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態に係る超低温冷凍装置１０によれば、混合冷媒の各成分の冷媒は、何れもオゾン層を破壊する可能性がない規制対象外であるために、国際的な規制措置により使用ができなくなるという事態を回避することができる。
【００３８】
また、沸点の低いアルゴンを混合冷媒に含有するようにしたために、より低温で冷媒を蒸発させることができる。
【００３９】
また、混合冷媒が冷媒回路１１を流通する。そして、圧縮機２０で圧縮されたガス状の混合冷媒は水冷コンデンサ２１及び補助コンデンサ２２で冷却され、主として第１成分が液化する。この液冷媒と残留ガス冷媒との混在状態の混合冷媒は、第１気液分離器２４に流入し、液冷媒と残留ガス冷媒とに分離する。この残留ガス冷媒は、第１カスケード熱交換器２５において、上記分離された液冷媒で且つ減圧されたものと熱交換されて冷却され、次段の第２気液分離器３０に供給される。そして、以下同様にして順次第２、第３及び第４の気液分離器３０，３６，４２で主として中沸点から低沸点にかけての冷媒が気液分離され、第２、第３及び第４のカスケード熱交換器３１，３７，４３でそれぞれ熱交換されて冷却される。
【００４０】
そして、第４カスケード熱交換器４３を流出した残留ガス冷媒は副冷却器４７で液化される。また、副冷却器４７で液化された冷媒は、減圧されて主冷却器５２に流入し、そこで蒸発して超低温を発生する。そして、主冷却器５２及び副冷却器４７で冷却作用した冷媒は、順次第４カスケード熱交換器４３から第１カスケード熱交換器２５を経由して上記圧縮機２０へ帰還する。このとき、第４、第３、第２及び第１気液分離器４２，３６，３０，２４で分離された液冷媒の減圧されたものと順次合流する。
【００４１】
このように、気液分離器２４，３０，３６，４２とカスケード熱交換器２５，３１，３７，４３との組み合わせを４段として、高沸点成分から低沸点成分へと順次各段において蒸発させながら最終的に超低温を確実に得ることができる。特に、混合冷媒として、アルゴンからなる第６成分を含有する混合冷媒を使用しているために、主冷却器５２における冷凍温度をさらに下げることができる。
【００４２】
また、混合冷媒の第１〜第５成分の組成比率がほぼ均等、即ち２０％前後になるようにしたために、冷媒回路１１の各段におけるカスケード熱交換器２５，３１，３７，４３での熱交換量をほぼ均等にすることができ、混合冷媒を効率よく超低温まで冷却することができる。
【００４３】
【発明のその他の実施の形態】
上記実施形態では、冷媒回路１１は、副冷却器４７の外管出口に接続された配管が分岐されてその一方が主冷却器５２に接続される構成としたが、これに代え、副冷却器４７の外管出口が減圧手段としてのキャピラリチューブを介して主冷却器５２の入口と配管接続され、主冷却器５２の出口が副冷却器４７の内管入口と配管接続され、主冷却器５２を流出した冷媒で副冷却器４７の外管を流れる冷媒を冷却する構成としてもよい。
【００４４】
また、上記実施形態では、混合冷媒の第１成分は、ＨＦＣ２４５ｆａ又はＨＦＣ３６５ｍｆｃの何れか一方としたが、これに代え、ＨＦＣ２４５ｆａ及びＨＦＣ３６５ｍｆｃを混合したものとしてもよい。
【００４５】
また、上記実施形態について、混合冷媒の第５成分は、クリプトンに代え、メタン（ＨＣ５０、ＣＨ４、分子量１６．００ｇ／ｍｏｌ、沸点―１６１．４５℃）としてもよい。
【００４６】
また、上記実施形態では、混合冷媒の第２成分は、ＨＦＣ１３４ａ、ＨＦＣ１４３ａ又はＨＦＣ１２５の何れか１つとしたが、これに代え、ＨＦＣ１３４ａ、ＨＦＣ１４３ａ又はＨＦＣ１２５の何れかを混合したものとしてもよい。また、第２成分は、１，１−ジフルオロエタン（ＨＦＣ１５２ａ、ＣＨ３−ＣＨＦ２、分子量６６．０５ｇ／ｍｏｌ、沸点―２４．７℃）としてもよい。
【００４７】
また、上記実施形態について、混合冷媒は、第６成分を省略してもよい。
【００４８】
また、上記実施形態では、カスケード熱交換器２５，３１，３７，４３において主冷却器５２に向かう冷媒を外管に、また主冷却器５２から圧縮機２０に帰還する冷媒を内管に導入する構成としたが、これとは逆に主冷却器５２に向かう冷媒を内管に、また主冷却器５２から圧縮機２０に帰還する冷媒を外管に導入する構成としてもよい。また、これらを個別に組み合わせた構成としてもよい。
【００４９】
また、上記実施形態では、カスケード熱交換器２５，３１，３７，４３、水冷コンデンサ２１、補助コンデンサ２２及び副冷却器４７として二重管からなるものを示したが、これらの何れかはプレート式、シェルアンドチューブ式等の熱交換器でもよい。また、減圧機構２６，３２，３８，４４をキャピラリチューブで構成したが、これに代え、膨張弁等の他の減圧機構としてもよい。
【００５０】
また、上記実施形態では気液分離を４回行うシステムを示したが、これに代え、気液分離を３回又は５回行うシステムに構成してもよい。
【００５１】
また、上記実施形態では水冷コンデンサ２１を用いた水冷システムを示したが、これに代え、空冷コンデンサを用いたシステムに構成してもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１から３の発明によれば、各成分の何れもオゾン層を破壊する可能性がない規制対象外であるために、国際的な規制措置により使用ができなくなるという事態を回避することができる。
【００５３】
また、請求項４の発明によれば、混合冷媒の各成分の組成比率がほぼ均等になるようにしたために、例えば、複数段の熱交換器を用いて各成分を順次蒸発させるような冷媒回路に混合冷媒として使用した場合には、各段での熱交換量をほぼ均等にすることができ、超低温を効率よく得ることができる。
【００５４】
また、請求項５及び６の発明によれば、沸点の低いアルゴンを含有するようにしたために、より低温で冷媒組成物を蒸発させることができる。
【００５５】
また、請求項７の発明によれば、各段において順次高沸点成分から低沸点成分へと蒸発させることができるために、超低温を確実に得ることができる。特に、請求項４記載の冷媒組成物を混合冷媒として使用する場合には、各段のカスケード熱交換器における熱交換量をほぼ均等にすることができ、混合冷媒を超低温まで効率よく冷却することができる。また、アルゴンを含有する冷媒組成物を混合冷媒として使用する場合には、主冷却器における冷凍温度を更に下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る超低温冷凍装置の全体構成を示す冷媒系統図である。
【符号の説明】
１１ 冷媒回路
２０ 圧縮機
２１ 水冷コンデンサ（凝縮器）
２２ 補助コンデンサ（凝縮器）
２４ 第１気液分離器
２５ 第１カスケード熱交換器
３０ 第２気液分離器
３１ 第２カスケード熱交換器
３６ 第３気液分離器
３７ 第３カスケード熱交換器
４２ 第４気液分離器
４３ 第４カスケード熱交換器
４７ 副冷却器
５２ 主冷却器
Claims (6)
- １，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン又は１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタンの少なくとも一方からなる第１成分と、
１，１−ジフルオロエタンからなる第２成分と、
トリフルオロメタンからなる第３成分と、
パーフルオロメタンからなる第４成分と、
メタン又はクリプトンの少なくとも一方からなる第５成分とを含有することを特徴とする冷媒組成物。 - １，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン又は１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタンの少なくとも一方からなる第１成分と、
１，１，１，２−テトラフルオロエタン、１，１，１−トリフルオロエタン又は１，１，１，２，２−ペンタフルオロエタンの少なくとも１つからなる第２成分と、
トリフルオロメタンからなる第３成分と、
パーフルオロメタンからなる第４成分と、
クリプトンからなる第５成分とを含有することを特徴とする冷媒組成物。 - 請求項１又は２において、
第１成分は、質量百分率で５〜４０％含有され、
第２成分は、質量百分率で５〜３５％含有され、
第３成分は、質量百分率で１０〜４０％含有され、
第４成分は、質量百分率で１０〜４０％含有され、
第５成分は、質量百分率で１０〜４０％含有されていることを特徴とする冷媒組成物。 - 請求項１から３の何れか１項において、
アルゴンからなる第６成分を含有することを特徴とする冷媒組成物。 - 請求項４において、
第６成分は質量百分率で１０％以下含有されていることを特徴とする冷媒組成物。 - 請求項１から５の何れか１項記載の冷媒組成物が混合冷媒として流通する冷媒回路を備えた超低温冷凍装置であって、
上記冷媒回路は、
上記混合冷媒を圧縮する圧縮機と、
上記圧縮機から吐出された混合冷媒を冷却する凝縮器と、
上記凝縮器で冷却された混合冷媒の主として第１成分を液冷媒と残留ガス冷媒とに分離する第１気液分離器と、
上記第１気液分離器で分離された残留ガス冷媒を、同様に分離された後に減圧された液冷媒との間で熱交換させる第１カスケード熱交換器と、
上記第１カスケード熱交換器で熱交換された残留ガス冷媒を、以下、主として第２成分から順次液冷媒とガス冷媒とに分離する複数段の気液分離器と、
上記気液分離器で分離された残留ガス冷媒を、同じく分離された後に減圧された液冷媒との間でそれぞれ熱交換させる複数段のカスケード熱交換器と、
上記最終段のカスケード熱交換器から出た冷媒で且つ減圧された冷媒を蒸発させる主冷却器とを具備し、
上記主冷却器で冷却作用した冷媒を上記圧縮機へ帰還させるように構成されている
ことを特徴とする超低温冷凍装置。
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-
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