JP2009540262A

JP2009540262A - 冷媒および冷凍システム

Info

Publication number: JP2009540262A
Application number: JP2009514759A
Authority: JP
Inventors: ジェルトプランイェンセン
Original assignee: Elcold Frysere Hobro Aps
Current assignee: Elcold Frysere Hobro Aps
Priority date: 2006-06-15
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2009-11-19
Also published as: TW200817644A; DK177364B1; WO2007144306A1; DK200801842A

Abstract

【課題】環境に優しく、冷却過程中のエネルギーを節約しうる冷媒を提供する。
【解決手段】冷凍システムにおいて使用される冷媒が提供される。冷媒は、イソブタン（C₄H₁₀）、エテン（C₂H₄）、およびメタン（CH₄）を含む少なくとも３つの異なる炭化水素の混合ガスを含む。混合ガスは、少なくとも70重量%のイソブタン（C₄H₁₀）を含む。この冷媒を使用すると、カスケード冷凍システムを必要とせずに、かつフッ化水素酸塩を冷媒に適用することを必要とせずに、例えば-79℃未満の低冷凍温度を得ることが可能である。さらに、当該冷媒が冷媒経路に充填される冷凍システムが提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍システムに使用される冷媒に関する。より具体的には、本発明は、従来技術の冷媒よりも環境に優しい冷媒と、非常に低い冷凍温度を提供可能な冷媒に関する。さらに、本発明は、本発明に従う冷媒が使用可能な冷凍システムに関する。

発明の背景

従来の冷凍システムは、冷媒が流動可能な冷媒経路を備える。冷媒経路において、多くの構成要素が配置され、通常は、圧縮器、凝縮器、膨張要素、および蒸発器が配置される。冷媒経路は閉じている。つまり冷媒は経路を循環する。圧縮器は、並列接続される圧縮器のラックに置き換えられてもよい。これは、例えば、スーパーで一般的に導入されている冷凍システムの種類等の多くの冷凍場所での冷凍システムにおける一般的な事例である。

上記に定義される冷凍システムは、通常は以下の方式で機能する。まず気体冷媒が圧縮器に入り、そこで圧縮される。その後、冷媒は凝縮器に入り、ここで少なくとも部分的に凝縮される。つまり、冷媒が凝縮器を出る際に、冷媒の少なくとも一部は液体状態である。次に、冷媒は、システムにおける冷媒の流れを制御する例えば膨張弁の形状の膨張要素を通過する。ここで冷媒は膨張し、つまり、冷媒の圧力は減少する。次に、冷媒は、蒸発器に入り、液体冷媒は蒸発する。これはエネルギーを消費する工程であるため、周囲から熱を引き込むことによって、蒸発器の位置において冷却効果が得られる。最終的に、気体冷媒は、再び圧縮器に入る。

上述のような冷凍システムにおいて、R134a、R404A、またはR507等の従来の冷媒が使用される。このような冷媒の不利な点は、限られた温度間隔内でしか冷却機能を提供できないことにある。そのため、これらの冷媒は、通常は家庭またはスーパー用の冷凍システム、つまり、約5℃の冷凍温度に維持するように構成される冷蔵庫または約-18℃の冷凍温度に維持するように構成される冷凍庫に使用されるのみである。

用途によっては、より低温の冷凍温度が必要とされる。これは、例えば、特定の種類のワクチン、血清、組織試料の保管等の医療用途における事例である。このような製品は、通常は、-79℃未満の温度で保管しなければならない。さらに、このような桁違いの冷凍温度は食品産業で必要とされる場合があり、それは、保冷中の製品がある輸送手段から別の輸送手段に積み替えられるような場合であっても、製品の温度が輸送中に臨界温度を上回らないようにするためである。に、ある。

より低い冷凍温度を得るために、種々の手法が使用されている。１つの手法として、いわゆるカスケード冷凍システムが挙げられ、このシステムでは、２つ以上の独立型冷凍システムが使用される。第１の冷凍システムは、次の冷凍システムの冷媒を適切な温度等に冷却する。適切な方式で冷媒を選択することによって、最終的に、十分低い冷凍温度を得る。この手法は、カスケードにおける各ステップに少なくとも１つである、２つ以上の圧縮器を使用する必要があるため、システムのエネルギー消費が高くなるという不利点を有する。

別の手法は、いわゆる混合ガス冷凍システムであり、このシステムにおいて使用される冷媒は、異なる沸点を有する種々のガスの混合である。この手法において、そのガスのうちの１つが相転移する際に、周囲からのエネルギー消費または周囲へのエネルギー供給を、相転移の種類に応じて行うことが利用される。従って、最高沸点を有するガスが蒸発する際、蒸発中のエネルギー消費は、残りのガスの冷凍に使用され、残りのガスが凝縮を開始するまで使用されることが好ましい。これは、熱交換器において発生してもよい。所望の結果を得るために、２つの炭化水素およびフッ化水素酸塩（hydrofluoride; HFC）を含む混合ガス冷媒がこれまでに使用されてきた。このような混合ガス冷媒の不利な点は、HFCガスが環境に望ましくないことにあり、従って、この冷媒は、環境の観点から最適ではない。

従って、本発明の目的は、低冷凍温度を提供し、かつ従来技術の冷媒よりも環境に優しい冷媒を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、多数の圧縮器を必要とせずに、非常に低い冷凍温度を提供可能である冷媒を提供することにある。

本発明のまたさらなる目的は、非常に低い冷凍温度を提供可能であり、かつ従来技術の冷凍システムよりも環境に優しい冷凍システムを提供することにある。

本発明の第１の側面によると、上述の目的およびその他の目的は、冷凍システムにおいて使用される冷媒であって、イソブタン（C₄H₁₀）、エテン（C₂H₄）、およびメタン（CH₄）を含む少なくとも３つの異なる炭化水素の混合ガスを含み、前記混合ガスは少なくとも70重量%のイソブタン（C₄H₁₀）を含む、冷媒を提供することによって達成される。

少なくとも３つの異なる炭化水素を含む混合ガスが、１回の冷凍段階によって、つまりカスケード冷凍システムを必要とせずに、非常に低い冷凍温度を提供可能である冷媒として使用可能である。これは、本発明の発明者による驚嘆すべき発見である。従って、必要な圧縮器は１つだけであるため、従来技術のカスケード冷凍システムよりもエネルギーを節約する。さらに、３つまたはそれ以上の炭化水素により所望の冷凍を得るので、混合ガスにフッ化水素酸塩の存在が必要とされない。従って、本発明に従う冷媒は、従来技術の混合ガス冷媒よりも環境に優しい。

従って、本発明の第１の側面に従う冷媒は、環境に優しい方式で非常に低い冷凍温度を提供可能であるが、そうである理由の１つには、従来技術のカスケードシステムよりもエネルギーが節約されること、また冷媒においてフッ化水素酸塩の使用を回避しうることが挙げられる。これは非常に有利なことある。

混合ガスは、例えば、炭化水素のうちの１つ以上あるいはその他の種類の気体または液体における不純物形態の、追加の炭化水素等のさらなる成分を含んでもよい。

混合ガスは、イソブタン（C₄H₁₀）、エテン（C₂H₄）、およびメタン（CH₄）の混合を含む。この混合ガスが、カスケード冷凍システムを必要とせずとも、非常に低い冷凍温度を提供する冷媒として特に適切であることを、本発明の発明者は発見した。イソブタンの沸点は、大気圧において比較的高い（約-16℃）が、エテンおよびメタンの沸点は、大気圧において比較的低く（エテンでは約-105℃およびメタンでは約-180℃）、イソブタンの蒸発により、混合ガスに存在するエテンおよびメタンに冷却効果がもたらされる。このためイソブタンは、エテンおよびメタンの凝縮に「資する」。さらに、エテンおよびメタンの沸点は、エテンの蒸発時にメタンに同様の影響をもたらしうるように、十分異なってい。

混合ガスは、70%から85%の間、70%から80%の間、70%から75%の間等の少なくとも70重量%のイソブタン（C₄H₁₀）を含む。従って、イソブタンは、混合ガスの大部分を形成する。イソブタンは、上述のとおり、その他の炭化水素に冷却効果を提供するため、混合ガスに存在するイソブタンの量は、所望のレベルの冷却効果をもたらしうるように選択されるべきである。比較的大きい割合のイソブタンを選択することによって、その他の炭素水素に関する比較的高レベルの冷却効果を得ることができ、これは、用途によっては非常に有利となる。

炭化水素の１つの沸点は、大気圧において、-25℃以上、-16℃以上など、-40℃以上であってもよい。

代替的にまたは付加的に、炭化水素のうちの少なくとも１つの沸点は、大気圧において、-120℃以下、-150℃以下等、-100℃以下であってもよい。炭化水素のうちの１つの沸点は、-120℃から-100℃の温度間隔内であってもよいが、炭化水素のうちの別のものの沸点は、-150℃以下であってもよい。この場合、沸点の高い方の炭化水素を、蒸発時に、沸点が低い方の炭化水素の冷却に使用してもよい。

本発明の有利な実施形態において、炭化水素のうちの１つの沸点は、大気圧において-40℃以上であり、炭化水素のうちの２つの沸点は、大気圧において-100℃以下である。つまり、炭化水素のうちの１つの沸点は比較的高く、炭化水素のうちの２つの沸点は比較的低い。従って、上述のように、沸点の高い炭化水素は、蒸発時に、その他の２つの炭化水素に冷却効果を提供する。

代替的にまたは付加的に、炭化水素のうちの少なくとも１つは、-45℃から130℃の温度間隔における温度において、および0.2バールから35バールの圧力間隔内の圧力において気液領域にあってもよい。これは、炭化水素のうちの少なくとも１つが、正常動作条件において気液領域であるという利点を有する。従って、この炭化水素は、上述の方式で、その他の炭化水素に冷却効果を提供することが可能である。

混合ガスは、1%から50%の間、5%から40%の間、15%から30%の間、20%から25%の間等の、1重量%から69重量%の間のエテン（C₂H₄）を含んでもよい。

代替的にまたは付加的に、混合ガスは、1%から50%の間、2%から30%の間、3%から20%の間、5%から10%の間等の、1重量%から69重量%のメタン（CH₄）を含んでもよい。

好適な実施形態によると、混合ガスは、約71重量%のイソブタン、約24重量%のエテン、および約5重量%のメタンを含む。このような混合ガスを使用して、-85℃未満またはさらに低い温度等、-79℃未満の冷凍温度に達成することが可能である。前述のように、カスケード冷凍システムを必要とせずに、かつフッ化水素酸塩を冷媒に添加せずに、これらの低い冷凍温度が達成されるのである。

本発明の第２の側面によると、上記目的およびその他の目的は、
・圧縮器と、
・凝縮器と、
・熱交換器と、
・膨張要素と、
・蒸発器と、
を備える冷凍システムであって、前記圧縮器、前記凝縮器、前記熱交換器、前記膨張要素、および前記蒸発器は、冷媒経路によって相互接続され、請求項1〜7のいずれかに記載の冷媒が前記冷媒経路に充填されている、冷凍システムを提供することによって達成される。

本発明の第１の側面に関して記載されるいずれの特徴も、本発明の第２の側面に同等に組み合わせ可能であること、ならびにその逆が可能であることを、当業者は容易に認識することに留意されたい。

本発明の第２の側面は、本発明の第１の側面に従う冷媒を適用するように構成される冷凍システムを提供する。従って、本発明の第２の側面に従う冷凍システムは、低エネルギー消費において、かつ耐久性、強度等に関して冷凍システムの構成要素における特別な必要性を課すことなく、低冷凍温度を提供するように構成される。

圧縮器、凝縮器、膨張要素、および蒸発器の機能について上に説明した。冷凍システムは、熱交換器をさらに備える。熱交換器は、以下の方式で機能することが好ましい。熱交換器は、反対方向に進む冷媒が通過するため、一方の方向に進む冷媒と、反対方向に進む冷媒との間で熱が交換される。これについては、図１に関連してさらに詳細に説明する。

冷媒経路は、前述のように閉じた経路を形成する。冷媒経路は、少なくとも実質的に密閉されることが好ましい。

冷凍システムは冷凍庫であってもよい。この実施形態では、蒸発器は、所望の種類の製品が保管されうる冷凍区域に冷却効果を提供する。提供される冷凍温度は、上述のとおり非常に低く、冷凍容積内の保管温度は、それに対応するように低くなる。従って、製品は、非常に低い温度で保管される。これは、例えば、特定の種類のワクチン、血清、または組織試料等の医薬品の保管に適切である。同時に、冷凍庫は、通常の家庭用冷凍庫の機能に非常に類似する方法で機能するため、設置および駆動するのに非常に容易かつ単純である。

あるいは、冷凍システムは、中央処理装置（Central Processing Unit; CPU）のための冷却装置であってもよい。コンピュータ装置に配置されるCPUは、冷却を必要とする場合が多い。このような冷却は、本発明の第２の側面に従う冷凍システムによって提供されてもよい。この場合、蒸発器は、CPUの熱発生部分に近接して配置されるべきであり、好ましくはそれと熱的に接触するべきである。

次に、本発明について、添付の図面を参照してさらに詳しく説明する。
本発明の実施形態に従う冷凍システムの概略図である。図１の冷凍システムに存在する冷媒のサイクルを示す状態図である。

図面の詳細な説明

図１は、閉回路が形成されるように連結される圧縮器11、第１の凝縮器12、フィルタ乾燥器13、第２の凝縮器14、熱交換器15、膨張要素16、蒸発器17、およびアキュムレータ18を備える冷凍システム10に関する概略図である。閉回路の内部において、本発明の第１の側面に従う冷媒は流動可能である。イソブタン（C₄H₁₀）、エテン（C₂H₄）、およびメタン（CH₄）の混合ガスを含む冷媒が使用される状況に関連して、冷凍システム10の機能について以下に説明する。

気体冷媒は、圧縮器11に入り、ここで圧縮される。次に、圧縮された冷媒は、第１の凝縮器12に入り、ここで冷媒は少なくとも部分的に凝縮する。その後、冷媒は、フィルタ乾燥器13に入り、ここでシステムに存在する水分が吸収され、また、システムに存在する不純物が回収される。次に、冷媒は、第２の凝縮器14に入り、ここで冷媒はさらに凝縮する。

第２の凝縮器14を出ると、冷媒は熱交換器15に入り、ここで別の管において反対方向に流動する冷媒と熱が交換される。これについては後述する。熱交換器15から、冷媒は膨張要素16を通過し、ここで冷媒の圧力が減少する、続いて、膨張した冷媒は蒸発器17に入り、ここで冷媒が蒸発するため、例えば冷凍容積に冷却効果がもたらされる。次に、蒸発した冷媒は、熱交換器15に入る。次に、冷媒はアキュムレータ18に入る。アキュムレータは、冷却負荷における変動による冷媒の流量の変動を補うことが可能であるという点において、「冷媒バッファ」として機能する。最終的に、冷媒は再び圧縮器11に入る。

熱交換器15において以下が行なわれる。第２の凝縮器14から熱交換器15に入る冷媒において、イソブタンが液相から気相へ相転移する。つまり、冷媒のイソブタンは、周囲からエネルギーを消費することによって、冷媒のエテンおよびメタンに冷却効果を提供する。特定のポイントにおいて、エテンがその沸点に達すると、エテンは、気相から液相への相転移を開始し、つまり、凝縮を開始する。冷媒がさらなる冷却作用を受けるため、メタンは、同様に凝縮を開始する。反対方向に流動する冷媒、つまり蒸発器17から熱交換器15に入る冷媒の温度は、典型的には、第２の凝縮器14から膨張要素16の方向に流動する冷媒の温度よりも低い。２つの流れの冷媒の間で熱が交換されるため、これにより、蒸発器17からアキュムレータ18に流動する冷媒が、反対方向に流動するエテンおよびメタンの冷却にも「資する」という結果をもたらす。従って、冷たい方の冷媒は、熱い方の冷媒がエテンおよびメタンの凝縮点に達成することにも「役立つ」。

図２は、図１の冷凍システム10に存在する冷媒のサイクルを示す状態図である。参照番号1〜5は、冷凍システムにおける特定のポイントを示す。また、これらのポイントは、図１において対応する参照番号を使用して標示される。ポイント1からポイント2において、冷媒は、第２の凝縮器14から膨張要素16への方向に熱交換器15を通過する。これにより、冷媒の温度が低下し、エネルギー（エンタルピー）が減少するという結果がもたらされることが、図２から明らかである。冷媒が完全に液相に入ると、ポイント2に達するまで液相と二相状態との間の境界を画定する曲線に従う。

ポイント2からポイント3において、冷媒は膨張要素16を通過する。これにより、温度が低下し（圧力減少のため）、エネルギーが一定レベルに維持されるという結果がもたらされることが図２に示されている。さらに、再び二相領域に入る。

ポイント3からポイント4において、冷媒は蒸発器17を通過する。つまり冷媒は蒸発する。これにより、相転移が行なわれるために温度が一定レベルに維持されるという結果がもたらされることが、図２に示されている。エネルギーは増加し、つまりエネルギーを周囲から消費することによって、冷却作用がもたらされる。

ポイント4からポイント5において、蒸発器17からアキュムレータ18への方向において冷媒は熱交換器15を通過する。温度およびエネルギーが増加するという結果がもたらされることが、図２に示されている。

Claims

冷凍システムにおいて使用される冷媒であって、イソブタン（C₄H₁₀）、エテン（C₂H₄）、およびメタン（CH₄）を含む少なくとも３つの異なる炭化水素の混合ガスを含み、前記混合ガスは、少なくとも70重量%のイソブタン（C₄H₁₀）を含む、冷媒。
前記炭化水素のうちの１つの沸点は、大気圧において-40℃以上である、請求項1に記載の冷媒。
前記炭化水素のうちの少なくとも１つの沸点は、大気圧において-100℃以下である、請求項1または2に記載の冷媒。
前記炭化水素のうちの少なくとも１つは、-45℃から130℃の温度間隔内の温度において、および0.2バールから35バールの圧力間隔内の圧力において気液領域にある、請求項１から３のいずれかに記載の冷媒。
前記混合ガスは、70重量%から75重量%の間のイソブタン（C₄H₁₀）を含む、請求項１から４のいずれかに記載の冷媒。
前記混合ガスは、1重量%から69重量%の間のエテン（C ₂ H ₄ ）を含む、請求項１から５のいずれかに記載の冷媒。
前記混合ガスは、1重量%から69重量%のメタン（CH₄）を含む、請求項１から６のいずれかに記載の冷媒。
・圧縮器と、
・凝縮器と、
・熱交換器と、
・膨張要素と、
・蒸発器と、
を備える冷凍システムであって、前記圧縮器、前記凝縮器、前記熱交換器、前記膨張要素、および前記蒸発器は、冷媒経路によって相互接続され、請求項1から7のいずれかに記載の冷媒が前記冷媒経路に充填されている、冷凍システム。
前記冷媒経路は密閉状である、請求項8に記載の冷凍システム。
前記冷凍システムは冷凍庫である、請求項8または9に記載の冷凍システム。
前記冷凍システムは、中央処理装置（Central Processing Unit; CPU）のための冷却装置である、請求項8または9に記載の冷凍システム。