JP2007169331A

JP2007169331A - 超低温用非共沸混合冷媒及びそれを使用した超低温用一元式冷凍回路

Info

Publication number: JP2007169331A
Application number: JP2005365159A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Hirayama; 義明平山
Original assignee: KANOU REIKI KOGYO KK
Current assignee: KANOU REIKI KOGYO KK
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2007-07-05

Abstract

【課題】本発明は、一元式冷凍回路に使用するー５０℃〜―７０℃の超低温を得られる非共沸混合冷媒で、且つ２成分の混合のみで超低温を達成でき、さらに地球環境の保護の観点からオゾン層破壊係数がゼロで、地球温暖化係数が極めて小さい非共沸混合冷媒を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明は、イソブタン（i-Ｃ_４Ｈ_１０）にエチレン（Ｃ_２Ｈ_４）もしくはエタン（Ｃ_２Ｈ_６）を添加し圧縮機・凝縮器・キャピラリチューブ・液ガス熱交換器・蒸発器からなる通常の一元式冷凍回路に熱交換器として巻き込み型熱交換器を使用することにより既製の冷凍庫を簡単に超低温用冷凍庫にすることが可能とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、超低温用冷凍庫に関する冷媒に関し、地球温暖化防止の観点からオゾン層破壊係数がゼロで、且つ地球温暖化係数が小さい混合冷媒、及びそれを使用した超低温用一元式冷凍回路に関する。

近年、食品の冷凍保管やバイオテクノロジーの分野において超低温用冷凍庫（−５０℃以下）の需要は増大している。超低温用冷凍庫用の冷媒として、従来モノブロモトリフルオロエタン（以下「Ｒ−１３Ｂ１」、と表示）もしくはモノクロジフルオロメタン（以下「Ｒ−２２」、と表示）とモノクロペンタフルオロメタン（以下「Ｒ−５０２」、と表示）の共沸混合冷媒などが利用されてきた。しかしながら、これらの冷媒は塩素を含む為オゾン層の破壊をもたらすため使用はできない。また、塩素を含まない三フッ化メタン（以下「Ｒ−２３」、と表示）、六フッ化エタン（以下「Ｒ−１１６」、と表示）またはこれらの二つの混合冷媒Ｒ−５０８などの使用は、現在のところ規制はされてはいないが地球温暖化係数の数値が高く地球温暖化防止の観点からいえば使用は好ましくないといえる。

また、これらの冷媒を一元式冷凍回路で使用すると、冷凍回路に複数の気液分離器および熱交換器を多段に設けることにより回路が複雑になり機械設置スペースが大きく製造コストメンテナンスコストも高価になりがちであった。更に、封入する冷媒も２種類〜５種類の冷媒を混合する為、目的の温度である超低温（−５０℃〜―７０℃）を達成する為には非常に熟練したエンジニアが必要であった。

また、特許文献１に記載の発明には、「本発明による超低温用冷媒は、トリフルオロメタン（ＣＨＦ₃：Ｒ−２３）及びパーフルオロエタン（Ｃ₂：Ｆ₆：Ｒ−１１６）と、プロパン、ブタンの１種以上とを含み、前記Ｒ−２３とＲ−１１６との混合比率を、Ｒ−２３を７０〜１５ｗｔ％、Ｒ−１１６を３０〜８５ｗｔ％としてなることを特徴としている。」と開示されている。

このように、特許文献１の超低温用冷媒は、３種以上の冷媒を含んだ混合冷媒であり、それぞれの混合比率も複雑であり、取り扱いが困難であった。

また、特許文献１に記載の発明には、「そこで、第２図に示すような沸点等の特性の異なる数種類の冷媒を混合し、圧縮機を１台とした１圧縮機多元方式も試みられている。この例では予め３種の冷媒を混合した混合冷媒は、圧縮機４０で圧縮され、コンデンサー４１で放熱して最も臨界温度の高い第１の冷媒を液化させる。液化された第１の冷媒は液分離機４５で分離され、圧縮機から混入したオイルミストを分離回収してオイル戻りをさせると共に、熱交換器５０において気化し、より臨界温度の低いガス状の第２の冷媒を冷却して液化させる。ここで液化された第２の冷媒は、液分離機４６で分離されて熱交換器５１内で気化し、最も臨界温度の低い第３の冷媒を冷却して液化させる。熱交換器５１内で液化した第３の冷媒は、エバポレータ５５で気化して庫内を所定の低温度に冷却する。熱交換器５０、５１及びエバポレータ５５で気化した第１〜３の冷媒は、まとめて戻りパイプ６０により圧縮機４０に戻される。この１圧縮機多元方式によれば、圧縮機が１台で済むため機械部分は小さくできるが、それぞれの冷媒を循環させる回路は複雑となり、冷凍庫全体としてはやはり大型化が避けられず、保守管理も容易ではない。」と開示されている。

しかし、熱交換器についての詳細は開示されていない。

特許第３５７１２９６号公報（第３頁第４６行目〜第４９行目、及び第３頁第１行目〜第１６行目）

そこで、本発明は上記に鑑みてなされたもので、その課題は、超低温用非共沸混合冷媒及びそれを使用した超低温用一元式冷凍回路、を提供することである。

すなわち、本発明は、上記の課題を解決するためにイソブタンとエチレンもしくはイソブタンとエタンを混合することにより高性能な熱交換器を使用した通常の一元式冷凍回路にて超低温（―５０℃〜―７０℃）をえられる２種混合非共沸混合冷媒を開発することとする。

上記目的を達成するために、具体的には、下記のような手段を取った。

請求項１に記載の本発明は、イソブタン（i-Ｃ_４Ｈ_１０）・エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）を混合してなる非共沸混合冷媒で混合比が、イソブタン（ｉ-Ｃ_４Ｈ_１０）を９０〜６５質量％、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）を１０〜３５質量％であることを特徴とする超低温用非共沸混合冷媒である。

請求項２に記載の本発明は、イソブタン（i-Ｃ_４Ｈ_１０）・エタン（Ｃ_２Ｈ_６）を混合してなる非共沸混合冷媒で混合比が、イソブタン（ｉ-Ｃ_４Ｈ_１０）を９０〜６０質量％、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）を１０〜４０質量％であることを特徴とする超低温用非共沸混合冷媒である。

請求項３に記載の本発明は、前記請求項１又は２の超低温用非共沸混合冷媒を使用した冷凍回路において、巻き込み型熱交換器を用いたことを特徴とする超低温用１元式冷凍回路である。

これは、前記請求項１及び請求項２に記載の超低温用非共沸混合冷媒を用いて、通常の圧縮機・凝縮器・キャピラリチューブ・液ガス熱交換器・蒸発器からなる一元式冷凍回路に熱交換器として巻き込み型熱交換器を使用した一元式冷凍回路である。

そして、請求項１及び請求項２に記載の超低温用非共沸混合冷媒の成分について説明すると、イソブタン（i-Ｃ_４Ｈ_１０）は標準沸点がー１１．６℃で、オゾン層破壊係数（以下、Ｏ・Ｄ・Ｐと略す。）はゼロで、地球温暖化係数（以下、ＧＷＰと略す。）もきわめて低い冷媒である。

また、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）は標準沸点はー１０３．８℃と低く超低温用冷媒に適しており、Ｏ・Ｄ・Ｐはゼロで、ＧＷＰもきわめて低い冷媒である。

また、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）は標準沸点はー８８．５℃で、Ｏ・Ｄ・Ｐはゼロで、ＧＷＰもきわめて低い冷媒である。

本発明ではイソブタン（i-Ｃ_４Ｈ_１０）にエチレン（Ｃ_２Ｈ_４）もしくはエタン（Ｃ_２Ｈ_６）を加えることを特徴としているがイソブタン（i-Ｃ_４Ｈ_１０）自体の標準沸点はー１１．６℃と比較的高く、それ自体では超低温用冷媒には適さないが、イソブタン（i-Ｃ_４Ｈ_１０）の特徴として冷媒自体のエンタルピーが大きく蒸発潜熱も大きいことからシステム内の封入冷媒量を少なくすることができる利点と、更にスーパーヒートのエネルギーが大きい為サクション（蒸発器からの戻りガス）のエネルギーを効率よく使うことができる。

すなわち、イソブタン（i-Ｃ_４Ｈ_１０）を使うことによりエチレン（Ｃ_２Ｈ_４）及びエタン（Ｃ_２Ｈ_６）などの低沸点の冷媒をサクション配管と液配管に配した熱交換器を介して容易に液化することができる。

また、イソブタン（i-Ｃ_４Ｈ_１０）により圧縮機の吐き出し温度を下げるとともに、冷凍機油との溶解性も高いことから冷凍機油上がりによる圧縮機の損傷を軽減できる。また、高性能な巻き込み型熱交換器を使用することにより従来の丸管式二重管式熱交換器より熱交換器自体の大きさを大幅にコンパクト化でき、狭い機械室のスペースに設置が可能になり既製のフリーザー（冷凍機）のキャビネット（断熱厚８０ｍｍ以上）を使い容易に超低温用フリーザー（超低温用冷凍機）を製造することができるようになった。

本発明の超低温用非共沸混合冷媒及びそれを使用した超低温用一元式冷凍回路は、以上の説明から、以下に記載されるような効果を奏する。すなわち、
本発明の非共沸混合冷媒はＯ・Ｄ・Ｐがゼロなうえ、ＧＷＰもきわめて低いことから、従来、超低温用冷媒に使用されているＨＦＣ系冷媒などにくらべて環境破壊の観点からも有効な冷媒といえる。更に、充填量も少なくでき、ガス（冷媒）の製造コストも２種類の混合ですむことから、安価で製造が可能なうえシステム内の充填量もすくなくすることが可能になった。

以下に、本発明の実施をするための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の超低温用非共沸混合冷媒を使用した超低温用一元式冷凍回路の一実施例である。図２は、二元式冷凍回路の一実施例である。

そして、図３は、巻き込み型熱交換器の一実施例である。図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。図５は、Ｕ型の巻き込み型熱交換器である。図６は、トラック型の巻き込み型熱交換器であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。

次に、図１により本発明の超低温用一元式冷凍回路の一実施例を説明する。

当該一元式冷凍回路は、一台の圧縮機で冷媒を循環させるものであり、図示するように、圧縮機１、凝縮器（コンデンサー）２、過冷却熱交換器３、キャピラリチューブ（減圧器）４、蒸発器（エバポレーター）５、及びアキュームレーター６からなる通常の一元式冷凍回路である。図示の実施例においては、過冷却熱交換器３に巻き込み型熱交換器３ａを使用することにより従来の冷凍庫を簡単に超低温用冷凍庫にすることを可能にしたものである。また、本実施例の凝縮器２は、ワイヤーコンデンサー２ａとスキンコンデンサー２ｂより構成されている。尚、図中の矢印は、冷媒の流れである。

当該巻き込み型熱交換器３ａは、高性能な熱交換器であり、その構造は、三つのパイプとそのパイプを巻き込むように螺旋状になった一つのパイプからなる熱交換器である。従来のパイプのなかにパイプを挿入した二重管に比べて伝熱面積が飛躍的に向上し熱交換性能がいいことと、二重管と違いそれぞれが独立した構造になっている為、冷媒の詰まりなどの故障などの危険性が大幅に減少した。加えて従来のフリーザー（冷凍機）を超低温用フリーザー（超低温用冷凍機）にする為には狭い機械室に設置するにあたり二重管に比べて大幅にコンパクト化することができた。また、コストの面でも従来のものと変わらないことも大きい。

この熱交換器を冷凍サイクルの低圧サクション側と高圧側との熱交換に使用することにより混合冷媒のなかのエチレン（Ｃ_２Ｈ_４）及びエタン（Ｃ_２Ｈ_６）を凝縮させるのに従来の二重管では熱交換器の長さが２ｍ以上必要であったのが、巻き込み型の熱交換器では１ｍ以下と大幅に短くすることが可能になった。ただし、この非共沸混合冷媒はこの熱交換器でしか使用できないものではない。二重管・プレート式などでも超低温をえることは可能である。

また、一般に、混合冷媒の場合、最初の始動時は冷凍庫等の設置場所の温度から出発し、最初の間しばらくは混合冷媒の一つ（今回の場合、イソブタン）が常温で凝縮し−１０℃付近で庫内（蒸発器）を循環し熱交換器を介して戻ってくる。時間が経過するに従って熱交換器に帰ってくるガス（ガス化された混合冷媒）が低温になり吐出側のガス（ガス化された混合冷媒）を冷却していく。この熱交換器での熱交換を過冷却と称している。この場合、混合ガス（ガス化された混合冷媒）の特性を利用して自己サイクル内で過冷却を行っているので、自己過冷却と称している。庫内（蒸発器）を循環するガス（ガス化された冷媒）は庫内の熱を吸収して戻って来るので高圧噴射部（キャピラリーの吐出側）の温度以下になることはないが、時間が経過するに従ってかぎりなく近づいて行く。上記の結果が下記の実施例１及び実施例２にて検証された低温データである。

次に、図２により二元式冷凍回路の一実施例について説明する。

当該二元式冷凍回路は、二台の圧縮機で各々異なった冷媒を循環させ熱交換器を介在させて低温を得るものであり、図示するように、二台の高温側圧縮機１ａと低温側圧縮機１ｂからなる二系統の冷凍回路がありカスケード熱交換器３ａを介して所定の冷熱を得る装置である。高圧側と称される冷凍回路では、使用する冷媒を、高温側圧縮機（コンプレッサー）１ａで常温（空冷）又は水道水（水冷）で凝縮しカスケード熱交換器３ａで蒸発（低温）させて高温側圧縮機（コンプレッサー）１ａに帰還させる。当該回路の冷媒は常温で凝縮するもので、その蒸発温度は−３０℃〜−４０℃程度である。

そして、低圧側と称される冷凍回路では、低温側圧縮機１ｂから吐出循環する冷媒は凝縮温度が−１５℃〜−２０℃でありカスケード熱交換器３ａを介して凝縮され本来目的とする蒸発器５ａで噴射蒸発させる。尚、図中の矢印は、冷媒の流れである。

また、膨張タンク７は、二元冷凍回路に設置される保護装置であり、回路の停止時に装置内のガス圧力が高くなるのを膨張タンク７へガスを逃がすことにより装置内の圧力が高くなるのを防ぐ為に設けるものである。更に、低温側キャピラリチューブ４ｂは、機能としては凝縮器によって凝縮液化された冷媒ガスを減圧し蒸発させるために減圧させる機能をもつものである。

一般的に使用している冷媒は、高圧側にはＲ−２２、Ｒ−４０４ａ等であり、低圧側はＲ−２３を使用している。目的とする蒸発器５ａ（冷凍庫内）で所定の低温を得る為−８０℃の蒸発（特性温度）を持つＲ−２３の冷媒を凝縮する為に高温側冷凍回路と熱交換器等が必要である。従って、二元式冷凍回路としては、単純に比較しても一元式冷凍回路の二倍以上の機材が必要であり複雑な装置となることから小型冷凍庫等には適用できない冷凍回路である。従って、本発明の冷凍回路では、単純な構造であり、製造コストの安価な一元式冷凍回路を採用した。

次に、図３〜図６により、本発明の超低温用１元式冷凍回路に使用する巻き込み型熱交換器について説明する。

第３図及び図４に示すように、巻き込み型熱交換器３ｂの基本構成は、１本の第１熱交換パイプ３１の周壁に軸方向に沿って延びる３条の窪み部３１ａ，３１ａ，３１ａを有し、当該３条の窪み部３１ａ，３１ａ，３１ａの内部に３本の第２熱交換パイプ３２，３２，３２を第１熱交換パイプ３１と熱交換関係に圧着固定されている。また、当該３本の第２熱交換パイプ３２，３２，３２は、夫々の両端を分岐収合管（図示せず）により接続されている。換言すると、３本の第２熱交換パイプ３２，３２，３２は各々の両端を束ねて分岐収合管にて接続され１本のパイプとなっている。

そして、図３に示す巻き込み型熱交換器の基本構成は、冷凍装置の冷凍能力、装置の大きさの制約等により、図５及び図６に示すように、Ｕ型、トラック型等に形成されて使用されている。

図５は、巻き込み型熱交換器の基本構成をＵ型に形成したＵ型の巻き込み型熱交換器３ｃである。図６は、巻き込み型熱交換器をトラック型に形成したトラック型の巻き込み型熱交換器３ｄであり、図６（ａ）の平面図に示すように、両端を半円とし中央部分を直線状としたトラック型に形成したものであり、図６（b）の正面図に示すように、重ね合わせて使用されている。図６（ｂ）では３重に重ね合わせて使用している。尚、Ｕ型、トラック型の形状に制限されるものでは無く、直線状、円形、楕円形等、自由な形状を選択できるものである。尚、図５及び図６では、図面の煩雑さを避けるために、第２熱交換パイプ３２は、２本のみを表示しているが、実際は、図３及び図４に示すように、３本の第２熱交換パイプ３２，３２，３２が第１熱交換パイプ３１に圧着固定されている。

また、図３に示すように、例えば、第１熱交換パイプ３１の左端は、低圧側熱交換出口１６へ連通し、第２熱交換パイプ３２、３２、３２の左端は分岐収合管に束ねられて、高圧側熱交換器入り口１８へ連通している。そして、第１熱交換パイプ３１の右端は、低圧側アキュームレーター出口１５へ連通し、第２熱交換パイプ３２、３２、３２の右端は分岐収合管に束ねられて、高圧側過冷却熱交換器出口１３へ連通している。

以下に、本発明の超低温用非共沸混合冷媒の実施例について説明する。

本発明の実施例１は、図１に表記する一元式冷凍回路に本発明のイソブタン（i-Ｃ_４Ｈ_１０）・エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）の二種混合冷媒を容量２３０リットルのフリーザーに充填し実験をおこなった。その結果は、表１である。

実験の結果、表１のイソブタン（i-Ｃ_４Ｈ_１０）＋エチレン（Ｃ２Ｈ４）の混合冷媒においてー７４℃まで冷却が確認され充填量も１７５ｇ〜２００ｇときわめて少ない充填量での性能が確認された。実用上―６０℃以下の温度を維持する性能が確認された。

本発明の実施例２は、図１に表記する一元式冷凍回路に本発明のイソブタン（i-Ｃ_４Ｈ_１０）・エタン（Ｃ_２Ｈ_６）の二種混合冷媒を容量２３０リットルのフリーザーに充填し実験をおこなった。その結果は、表２である。

実験の結果、表２のイソブタン（i-Ｃ_４Ｈ_１０）＋エタン（Ｃ_２Ｈ_６）においてー６５℃まで冷却が確認され充填量も１７５ｇ〜２００ｇときわめて少ない充填量での性能が確認された。すなわち、表２も表１と同様の性能が確認された。

本発明の実施例３は、表１の他の実施例であり、図１の一元式冷凍回路において、各測定点（符号１３〜１８）における温度測定結果である。

実施例の条件は、以下の通りである。
試験ユニット各部温度庫内空気温度―６０℃ 外気温度３０℃
内容量２３０リットルフリーザー
圧縮機２３０Ｖ５０Ｈｚ３８０ｗ
冷媒イソブタン（i-Ｃ_４Ｈ_１０）＋エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）混合比（８０％質量＋２０％質量）
封入量１８５ｇ

また、実施例の各箇所の温度測定結果は下記の通りである。
１３高圧側熱交換器出口 −４８℃
１４低圧側エバポレーター出口 −６７℃
１５低圧側アキュームレーター出口 −５５℃
１６低圧側熱交換器出口 −１０℃
１７低圧側エバポレーター入り口 −７１℃
１８高圧側熱交換器入り口３４℃

本発明は、近年食品の冷凍保管やバイオテクノロジーの分野において超低温用冷凍庫（−５０℃以下）の需要は増大している。これら超低温用冷凍庫を１元冷凍回路に使用できる非共沸混合冷媒の開発を行った結果、通常の一元式冷凍回路で使用でき、高性能な熱交換器を使用することにより、安価で超低温用冷凍庫をつくることが可能となった。

図１は、本発明の超低温用非共沸混合冷媒を使用した超低温用一元式冷凍回路の一実施例である。図２は、二元式冷凍回路の一実施例である。図３は、巻き込み型熱交換器の一実施例である。図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。図５は、Ｕ型の巻き込み型熱交換器である。図６は、トラック型の巻き込み型熱交換器であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。

符号の説明

１圧縮機１ａ高温側圧縮機１ｂ低温側圧縮機
２凝縮器２ａワイヤーコンデンサー２ｂスキンコンデンサー
３過冷却熱交換器３ａカスケード熱交換器３ｂ巻き込み型熱交換器
３ｃＵ型の巻き込み型熱交換器３ｄトラック型の巻き込み型熱交換器
４キャピラリチューブ（減圧器）４ａ高温側キャピラリチューブ（減圧器）
４ｂ低温側キャピラリチューブ（減圧器）
５、５ａ蒸発器（エバポレーター）
６アキュームレーター
７膨張タンク
１３高圧側過冷却熱交換器出口温度計測点
１４低圧側エバポレーター出口温度計測点
１５低圧側アキュームレーター出口温度計測点
１６低圧側熱交換器出口温度計測点
１７低圧側エバポレーター入り口温度計測点
１８高圧側熱交換器入り口温度計測点
３１第１熱交換パイプ３１ａ窪み部
３２第２熱交換パイプ

Claims

イソブタン（ｉ-Ｃ_４Ｈ_１０）を９０〜６５質量％、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）を１０〜３５質量％であることを特徴とする超低温用非共沸混合冷媒。
イソブタン（ｉ-Ｃ_４Ｈ_１０）を９０〜６０質量％、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）を１０〜４０質量％であることを特徴とする超低温用非共沸混合冷媒。
前記請求項１又は２の超低温用非共沸混合冷媒を使用した冷凍回路において、巻き込み型熱交換器を用いたことを特徴とする超低温用１元式冷凍回路。