JP2020098090A - 非共沸冷媒を提供する方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】容器から排出した際に、配合率が比較的正確な、非共沸冷媒を提供する方法及び装置を提供する。
【解決手段】この方法及び装置では、冷媒を少なくとも２つの成分を含む冷媒混合物から形成し、成分を冷媒に対するそれぞれの質量分率の比で容器１１に投入し、冷媒混合物を容器１１の内部で形成し、容器１１の内部の温度及び／又は圧力を、制御装置２１によって、冷媒が完全な気体又は完全な液体として存在するように設定する。
【選択図】図１
【解決手段】この方法及び装置では、冷媒を少なくとも２つの成分を含む冷媒混合物から形成し、成分を冷媒に対するそれぞれの質量分率の比で容器１１に投入し、冷媒混合物を容器１１の内部で形成し、容器１１の内部の温度及び／又は圧力を、制御装置２１によって、冷媒が完全な気体又は完全な液体として存在するように設定する。
【選択図】図１
Description
本発明は、冷媒を少なくとも２つの成分を含む冷媒混合物から形成し、その成分を冷媒に対するそれぞれの質量分率の比で容器に投入し、冷媒混合物を容器の内部で形成する、非共沸冷媒を提供する方法及び装置に関する。
冷媒は、一般に、冷凍機の閉じた冷凍サイクル内を循環し、連続的に様々な相変化をする。冷媒は、冷凍サイクルにおける所定の温度差内で使用できるように設計する必要がある。従来技術として、単一成分冷媒、及び２つ以上の物質を含む冷媒混合物も知られている。冷媒は、ドイツ国家規格ＤＩＮ ８９６０、パラグラフ６に従って命名される。
法的要件を満たすために、冷媒は大気中のオゾン分解又は地球温暖化の実質的な原因となってはならない。更に、冷媒は、安全規制に従う必要があり、とりわけ、冷凍サイクルの充填、発送、及び作動をより困難にすることを避けるため、可燃性であってはならない。この場合、可燃性とは、周囲の酸素と反応して熱を放出する冷媒の特性を意味する。冷媒は、特に、欧州規格ＥＮ２の火災クラスＣ又はＤＩＮ ３７８のクラスＡ２、Ａ２Ｌ、及びＡ３に該当する場合には、可燃性が高い。
更に、冷媒は、ＣＯ２換算量が比較的低くなければならず、つまり、相対温室効果又は地球温暖化係数（ＧＷＰ）ができるだけ低く、冷媒が放出されたときに環境に間接的なダメージを与えないようにするべきである。このＧＷＰは、二酸化炭素を基準にして、所定質量の温室効果ガスがどの程度地球温暖化の原因となっているかを示すものである。この値は、特定の期間（この場合、比較可能性のために２０年とされる）にわたる平均的な温暖化効果を表す。相対ＣＯ２換算量及びＧＷＰの定義については、気候変動に関する政府間パネル（ＩＰＣＣ）第５次評価報告書、付録８．Ａ、表８．Ａ．１を参照されたい。
共沸冷媒混合物は、一定の特性を持つ純粋物質のような挙動を示す。すなわち、共沸冷媒混合物の露点曲線及び沸点(bubble point)曲線は少なくとも１点で接触し、共沸冷媒混合物の組成は、気相又は液相で常に同じである。非共沸冷媒混合物は、温度勾配と呼ばれる温度範囲で相転移が起こす。温度勾配は、一定圧力での沸点と露点との差と見なされる。従って、非共沸冷媒混合物では、露点曲線と沸点曲線はどの点でも接触せず、露点曲線と沸点曲線との間には、冷媒混合物が安定して存在しない状態空間がある。この状態空間は、混和性ギャップとも呼ばれる。ここで、冷媒混合物は、組成の異なる少なくとも２つの異なる相に分離する(demixes)。それゆえ、液相は、冷媒混合物の低沸点物質を高濃度で含み得る。容器に保存された冷媒混合物を、容器より液体又は気体から排出した場合、冷媒混合物の濃度は常に変化する。従って、容器の充填レベルが下がると、冷媒混合物の組成は気相及び液相で変化する。この組成の変化は、冷媒混合物の組成が、最初に投入された冷媒混合物の組成とはもはや一致しない場合があることを意味する。この問題は、冷凍技術における液化ガスの保存で一般的に発生する。
ＷＯ０２／０８４１６８Ａ１には、液化ガスを容器に保存する方法が記載されている。容器から排出した際に分離することによって組成が変化すると、すぐに、混合物の成分が追加され、所望の組成が元通りとなる。従って、混合物は、特定の許容範囲内で提供できる。
本発明は、容器から排出した際に配合率が比較的正確な、非共沸冷媒を提供する方法及び装置を提案するという課題を解決する。
この課題は、請求項１の特徴を有する方法、請求項１０の特徴を有する装置、及び請求項２０の特徴を有する冷凍機により解決される。
本発明に係る、非共沸冷媒を提供する方法では、冷媒を少なくとも２つの成分を含む冷媒混合物から形成し、成分を冷媒に対するそれぞれの質量分率の比で容器に投入し、冷媒混合物を容器の内部で形成し、容器の内部の温度及び／又は圧力を、制御装置によって、冷媒が完全な気体又は完全な液体として存在するように設定する。
これによれば、制御装置によって、冷媒の特定の混和性ギャップをバイパスして、冷媒が完全な気体又は完全な液体のいずれかで存在するように、容器の内部の温度及び／又は圧力が常に制御されることが保証される。そして、容器の内部の冷媒混合物の少なくとも２つの成分の濃度を変化させることなく、容器から、気体又は液体のいずれかである冷媒を排出できる。また、ある成分を追加する余分な手間をかける必要もなく、容器から排出した際の配合率が正確な冷媒を提供できる。冷媒は、原則として、少なくとも２つの成分を容器に投入し、それらを容器で保存することにより、容器の内部で生成できる。
従って、更なる成分を前記容器に供給することなく、冷媒混合物を構成する成分の濃度を、容器から冷媒を排出する間、一定にすることができる。従って、原則として、成分を供給して容器の内部で冷媒を混ぜる代わりに、完成した冷媒を、容器に保存できる。従って、完成した冷媒混合物又は冷媒を容器に供給する場合、容器の内部への成分の供給も省略できる。
本方法の一実施形態では、完全な液体又は気体である冷媒の温度を、制御装置の温度制御手段によって制御してもよい。この温度制御手段は、冷媒混合物に応じて、冷媒が常に完全な液体又は完全な気体の状態にあり、冷媒の混和性ギャップがバイパスされ又は回避されるように、容器の内部の温度を設定できるように設計されていてもよい。
本方法の他の実施形態では、完全な液体又は気体である冷媒の圧力を、制御装置の圧力制御手段によって、単独で又は温度の制御に加えて、制御してもよい。この圧力制御手段を用いて、冷媒が容器の内部で完全に液体又は気体の状態となるように、容器の内部の圧力を常に設定してもよい。圧力を制御することによっても、冷媒の混和性ギャップがバイパスされることが保証される。
冷媒は、１０Ｋ以上、好ましくは１５Ｋ以上、より好ましくは１８Ｋ以上の、温度勾配を有していてもよい。冷媒の温度勾配は、冷凍手段が実質的に作動できなくなるので、２０Ｋを超えるべきではない。
冷媒は、２０年にわたって、２５００未満、好ましくは１５００未満、より好ましくは５００未満の相対ＣＯ２換算量を有していてもよい。従って、冷媒は環境への影響を少なくできる。
更に、冷媒は不燃性であってもよい。冷媒が不燃性である場合、冷媒の可燃性に関して特定の安全対策を講じる必要がないので、冷凍サイクル、特に冷凍機の、費用対効果を高めることができる。この場合、冷媒は少なくとも火災クラスＣ及び／又は冷媒安全グループＡ１に割り当てられない。更に、冷凍サイクルは、輸送の種類にかかわらず、輸送前に冷凍サイクルを冷媒で充填できるので、発送及び輸送が容易である。可燃性冷媒の場合、設置場所での作動中にしか充填できない場合がある。更に、不燃性の冷媒は、発火源が存在していても使用できる。
冷媒は、−６０℃〜＋１８０℃、好ましくは−７０℃〜＋１８０℃、より好ましくは−８０℃〜＋１８０℃の温度範囲で使用されるように設計されていてもよい。従って、冷媒混合物は、冷凍機、特に冷凍サイクルで、この温度範囲内で使用できるように設計されていてもよい。
冷媒は、ある質量分率の二酸化炭素、及び、ある質量分率の少なくとも１つの更なる成分から構成されていてもよい。この更なる成分は、ＧＷＰが低く、不燃性又は限られた範囲で可燃性であってもよい。二酸化炭素の質量分率が大きくなると冷媒混合物の凝固点が上昇するので、冷凍サイクルで比較的低い温度に到達させる場合、二酸化炭素の分率を可能な限り低くする必要がある。二酸化炭素の凝固温度又は凝固点は−５６．６℃であるので、二酸化炭素濃度が高いと−６０℃にはほとんど到達できない。
本発明に係る、少なくとも２つの成分を含む冷媒混合物から構成されている非共沸冷媒を提供する装置は、少なくとも２つの投入弁と、冷媒混合物を形成するために、投入弁を介して、冷媒に対するそれぞれの質量分率で成分が投入される容器と、冷媒が完全な気体又は完全な液体として存在するように容器の内部の温度及び／又は圧力を設定できる制御装置を備えている。本発明に係る装置の利点については、本発明に係る方法の利点の説明を参照されたい。
制御装置は、温度制御手段及び／又は圧力制御手段を備えていてもよい。この温度制御手段により、冷媒が混和性ギャップ内の状態にあることを回避できるように、容器の内部の温度を制御できる。これに代えて又はこれに加えて、圧力制御手段により、容器の内部の圧力を相応に制御してもよい。
圧力制御手段は、容器の内部に配置できる可撓性ダイヤフラムを有していてもよく、ダイヤフラムは、容器の内部を、冷媒を収容するための収容スペースと、均等化ガスを収容するための均等化スペースとに分割していてもよい。ダイヤフラムは、可撓性を有する材料で構成されていてもよく、又は、ダイヤフラムの空間的変位によって収容スペース及び均等化スペースにおける体積の連続的な変化を可能にするピストン若しくはこれと同等のもので設計されていてもよい。均等化スペースからの冷媒の排出により、容器の内部の体積が変化する場合、ダイヤフラムは収容スペースの体積の変化に追従できるので収容スペースが大きくなるので、例えば、冷媒が完全に液体として存在する、冷媒の蒸気圧よりも高い圧力となる。冷媒の排出中、冷媒は分離できず、容器の内部における冷媒混合物中の成分の均一な濃度を常に保証できる。この場合、収容スペースの体積と均等化スペースの体積との比率は常に圧力によって決定され、冷媒を分離させずに、容器又は収容スペースの可能な限りの完全な排出が保証される。均等化ガスの種類、量、及び圧力は、場合に応じて選択できる。
特に、均等化スペースは窒素で充填されていてもよい。すでに証明されているように、窒素又は窒素分子は、その物理的性質に関して特に有利に均等化ガスとして使用できる。
圧力制御手段は、容器内圧を測定するための圧力センサと、容器に接続された圧力均等化弁とを有していてもよい。圧力センサは、直接若しくは制御装置の制御部材を介して、圧力均等化弁に取り付けられ又は接続されていてもよい。冷媒は、圧力均等化弁を介して容器から環境に排出するか、又は、例えばポンプを介して、容器に供給できるので、所望の容器内圧を常に設定できる。圧力センサは、圧力均等化弁に組み込まれていてもよい。更に、圧力制御手段は、圧力センサが圧力均等化弁から空間的に独立して配置され、制御電子機器によって制御が行われるような設計にしてもよい。
温度制御手段は、容器内温度を測定するための温度センサと、容器に接続され及び／又はその内部に配置された温度調整ユニットとを有していてもよい。この温度調整ユニットは、例えば、容器の外壁に設けられているか、又は、容器の内部に配置されていてもよい。この温度調整ユニットは、熱交換器のように設計されていてもよい。更に、この温度調整ユニットは、容器の内部を冷凍し及び／又は加熱するように設計されていてもよい。容器の内部の冷凍は、温度調整ユニットにおける冷凍サイクルの熱交換器によって簡単に実施でき、加熱は、電気加熱手段、例えば加熱ヒータによって実施できる。温度センサは、所望の容器内温度が設定されるように温度調整ユニットを制御する、温度制御手段の制御電子回路又は制御部材に接続されていてもよい。
この装置は、成分を容器に送るポンプを備えていてもよい。このポンプは、冷媒混合物を容器に送り、容器内圧を所望の大きさにする。この冷媒混合物は、ポンプで送られる場合、気体又は液体として存在していてもよい。
この装置は、容器から冷媒を排出するための出口弁を備えていてもよい。この出口弁を介して、投入された冷媒を容器から排出できる。この出口弁は、冷媒を輸送するための他の容器、又は、例えば冷凍機が冷媒で充填される場合は、冷凍機の冷凍サイクルに接続されていてもよい。
この装置は、各成分用の供給ラインが設けられた保存容器を備えていてもよく、成分を容器に供給するためのこの供給ラインには、投入弁及び質量流量センサが接続されていてもよい。従って、冷媒混合物の成分の数に応じて、それぞれの成分を保存するための保存容器を各成分に使用してもよい。成分を容器に投入するための供給ラインは、各保存容器に接続されていてもよい。成分を所望の比率で追加するために、投入弁と質量流量センサが各供給ラインに設けられている。投入弁を介して容器に投入される成分の質量分率は、質量流量センサによって測定され且つ制御できる。成分が容器に投入される前に成分が混合され、それによって形成された冷媒混合物が、単一の供給ラインを介して容器に投入されるように、供給ラインが容器に間接的に接続されていてもよい。
更に、供給ラインは、装置の静的ミキサ又はジェットミキサに接続されていてもよい。この供給ラインは、静的ミキサ又はジェットミキサの上流又は内部で互いに結合されている。静的ミキサ又はジェットミキサの下流、及び容器に接続された供給ラインにおいて容器の上流に、ポンプが設けられていてもよい。このポンプは、特にコンプレッサであってもよい。
この装置の更なる有利な実施形態は、方法についての請求項１を参照する従属請求項の特徴の説明からもわかる。
本発明に係る冷凍機は、本発明に係る装置を備えている。この冷凍機は、装置が接続された冷凍サイクルを備えていてもよい。従って、例えば、冷凍機又は冷凍サイクルを冷媒で充填することもできる。
以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、第１の実施形態に係る、非共沸冷媒を提供する装置１０を示し、この装置１０は、少なくとも２つの成分の冷媒混合物（図示しない）を生成及び保存する容器１１を備えている。この装置１０は、更に、各成分の供給ライン１２，１３，３８を備え、この供給ライン１２，１３，３８に、それぞれ、投入弁１４，１５，３７及び質量流量センサ１６，１７，３９が設けられている。この供給ライン１２，１３，３８は、各々、それぞれの成分を保存するための保存容器（図示しない）に接続されている。関連する成分の質量分率は、投入弁１４，１５，３７を介して容器１１の内部の冷媒に加えることができる。投入弁１４，１５，３７は、質量流量センサ１６，１７，３９によってそれぞれ制御できる。
供給ライン１２，１３，３８は、それぞれの成分が供給ライン１８で混合されるように供給ライン１８で互いに結合されている。この供給ライン１８は、容器１１に直接接続され、この供給ライン１８には装置１０のポンプ１９が設けられており、これにより冷媒混合物を圧力下で容器１１に投入できる。容器１１には、容器１１から冷媒を排出するための出口弁２０も取り付けられている。例えば、冷媒で充填できる更なる容器又は冷凍サイクルを出口弁２０に接続してもよい。
装置１０は、また、制御装置２１を備えている。ここにはその一部のみが示されている。この制御装置２１は、容器１１の内圧を測定する圧力センサ２３と、容器１１に接続された圧力均等化弁２４とを有する圧力制御手段２２を有している。冷媒は、容器１１の内圧を下げるために、圧力均等化弁２４を介して、容器１１から排出できる。更に、ポンプ１９は、容器１１の内圧の増加又は充填が必要な場合に、圧力センサ２３を介して作動させることができる。この圧力制御手段２２は、圧力均等化弁２４及びポンプ１９を作動させるための制御部材及び手段（図示しない）を有していてもよい。
本実施形態に係る装置１０では、圧力制御手段２２は、容器１１の内部２５に、この内部２５を、冷媒を収容するための収容スペース２７と、この場合分子窒素で充填された、均等化スペース２８とに分割する可撓性ダイヤフラム２６が設けられた設計となっている。収容スペース２７からの冷媒の排出によって生じる収容スペースの体積の変化又は充填レベルの変化は、ダイヤフラム２６による均等化スペース２８の体積の対応する変化により均等化され、収容スペース２７は、冷媒が常に完全に液体として存在するように、冷媒の蒸気圧よりも高い圧力に設定されており、それゆえ、冷媒が容器１１から排出される際に冷媒の分離が防止される。
図２は、図１の装置とは対照的に、第２の実施形態に係る装置２９を示している。この装置２９は、圧力制御手段３１を有する容器３０を備えている。この場合、圧力制御手段３１は、同様に圧力センサ２３及び圧力均等化弁２４を有している。装置２９の制御装置３２は、圧力制御手段３１に加えて温度制御手段３３を有している。この温度制御手段３３は、容器内温度又は容器３０の内部３５に存在する冷媒の温度を測定するための温度センサ３４とこの内部３５に設けられた温度調整ユニット３６とを有している。この内部３５の冷媒は、温度調整ユニット３６を使用して冷却又は加熱することができる。この温度調整ユニット３６は、温度センサ３４の測定値に基づき制御され、これにより、冷媒が内部で完全に気体として存在するように内部の冷媒の温度を常に設定できる。従って、冷媒が容器３０から排出される際の冷媒の分離を防止できる。
Claims (20)
- 非共沸冷媒を提供する方法であって、
冷媒を少なくとも２つの成分を含む冷媒混合物から形成し、
前記成分を前記冷媒に対するそれぞれの質量分率の比で容器(11,30）に投入し、
前記冷媒混合物を前記容器の内部で形成し、
前記容器の内部の温度及び／又は圧力を、制御装置(21,32)によって、前記冷媒が完全な気体又は完全な液体として存在するように設定することを特徴とする方法。 - 請求項１に記載の方法おいて、
更なる成分を前記容器に供給することなく、前記成分の濃度を、前記容器(11,30)から冷媒を排出する間、一定にすることを特徴とする方法。 - 請求項１又は２に記載の方法において、
完全な液体又は気体である前記冷媒の温度を、前記制御装置(21,32)の温度制御手段(33)によって制御することを特徴とする方法。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法において、
完全な液体又は気体である前記冷媒の圧力を、前記制御装置(21,32)の圧力制御手段(22,31)によって制御することを特徴とする方法。 - 請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法において、
前記冷媒は、１０Ｋ以上、好ましくは１５Ｋ以上、より好ましくは１８Ｋ以上の、温度勾配を有することを特徴とする方法。 - 請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法において、
前記冷媒は、２０年にわたって、２５００未満、好ましくは１５００未満、より好ましくは５００未満の相対ＣＯ２換算量を有することを特徴とする方法。 - 請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法において、
前記冷媒は不燃性であることを特徴とする方法。 - 請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法において、
前記冷媒は、−６０℃〜＋１８０℃、好ましくは−７０℃〜＋１８０℃、より好ましくは−８０℃〜＋１８０℃の温度範囲で使用されるように設計されていることを特徴とする方法。 - 請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法において、
前記冷媒は、ある質量分率の二酸化炭素（ＣＯ２）、及び、ある質量分率の少なくとも１つの更なる成分から構成されていることを特徴とする方法。 - 少なくとも２つの成分を含む冷媒混合物から構成されている非共沸冷媒を提供する装置であって、
少なくとも２つの投入弁(14,15,37)と、
前記冷媒混合物を形成するために、前記投入弁を介して、前記冷媒に対するそれぞれの質量分率で前記成分が投入される容器(11,30)と、
前記冷媒が完全な気体又は完全な液体として存在するように前記容器の内部の温度及び／又は圧力を設定できる制御装置(21,32)と
を備えることを特徴とする装置。 - 請求項１０に記載の装置において、
前記制御装置(21,32)は、温度制御手段(33)及び／又は圧力制御手段(22,31)を備えていることを特徴とする装置。 - 請求項１１に記載の装置において、
前記圧力制御手段(22,31)は、前記容器(11)の内部(25)に配置された可撓性ダイヤフラム(26)を有し、
前記可撓性ダイヤフラムは、前記内部を、前記冷媒を収容するための収容スペース(27)と均等化ガスを収容するための均等化スペース（28）とに分割していることを特徴とする装置。 - 請求項１２に記載の装置において、
前記均等化スペース(28)は、窒素（Ｎ２）で充填されていることを特徴とする装置。 - 請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の装置において、
前記圧力制御手段(22,31)は、容器内圧を測定するための圧力センサ(23)と、前記容器(11,30)に接続された圧力均等化弁(24)とを有することを特徴とする装置。 - 請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の装置において、
前記温度制御手段(33)は、容器内温度を測定するための温度センサ(34)と、前記容器(30)に接続された及び／又はその内部に配置された温度調整ユニット(36)とを有することを特徴とする装置。 - 請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の装置において、
前記装置(10,29)は、成分を前記容器(11,30)に送るポンプ(19)を備えることを特徴とする装置。 - 請求項１０〜１６のいずれか１項に記載の装置において、
前記装置(10,29)は、前記容器(11,30)から前記冷媒を排出するための出口弁(20)を備えることを特徴とする装置。 - 請求項１０〜１７のいずれか１項に記載の装置において、
前記装置(10,29)は、各成分用の供給ライン(12,13,38)が設けられた保存容器を備え、
前記成分を前記容器(11,30)に供給するための前記供給ラインには、投入弁(14,15,37)及び質量流量センサ(16,17,39)が接続されていることを特徴とする装置。 - 請求項１８に記載の装置において、
前記供給ライン(12,13,18,37)は、前記装置(10,29)の静的ミキサ又はジェットミキサに接続されていることを特徴とする装置。 - 請求項１０〜１９のいずれか１項に記載の装置(10,29)を備える冷凍機。
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