JP2562723B2 - 冷媒組成物及び冷凍装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は、非共沸混合冷媒を用いる超定温冷凍装置に
好適であり、且つ、オゾン層を破壊する危険性がない冷
媒組成物及びそれを利用した冷凍装置に関する。

（ロ）従来の技術 従来、非共沸混合冷媒を用いる冷凍装置は、より沸点
の高い冷媒の蒸発と最終段の蒸発器からの低温帰還冷媒
によって、より沸点の低い冷媒を順次凝縮して行くこと
により、最終段において最も沸点の低い冷媒を蒸発させ
て超低温を得ている。特に−130℃以下の超低温を得る
冷凍装置に用いられている混合冷媒は、特開平１−2442
51号公報に示される如く、ジクロロジフルオロメタン
（CHCI₂F₂、R12）と、クロロジフルオロメタン（CCIF
₃H、R22）と、ブロモトリフルオロメタン（CBrF₃、R13B
1）と、テトラフルオロメタン（CF₄、R14）及びメタン
（CH₄、R50）とから構成されていた。

各冷媒の沸点はそれぞれ大気圧においてR12は−29.65
℃、R22は−40.75℃、R13B1は−57.75℃、R14は−127.8
5℃、R50は−161.45℃であり、複数の気液分離器と中間
熱交換器を用い、第１段の中間熱交換器においてR12とR
22及びR13B1の一部を蒸発させて残りのR13B1とR14の一
部を凝縮し、第２段の中間熱交換器においてそれらを蒸
発させて残りのR14とR50を凝縮して、このR50を最終段
の蒸発器にて蒸発させることにより−140℃程の超低温
を得ている。

上記R12はR13B1を凝縮する役目も果たすがそれ以外に
冷凍装置中の圧縮機オイルをそれに溶け込ませた状態で
圧縮機に帰還せしめる働きをする。

（ハ）発明が解決しようとする課題 然し乍ら、上記冷媒の内、R12及びR13B1は地球のオゾ
ン層を破壊する恐れがあるため、オゾン層を破壊する危
険性のない冷媒によって上記超低温を得る非共沸混合冷
媒の開発が要望されていた。

本発明は、係る課題を解決することを目的とする。

（ニ）課題を解決するための手段 請求項１の発明は、ジクロロフルオロメタン（CHCI
₂F、R21）と、クロロジフルオロメタン（R22）と、トリ
フルオロメタン（CHF₃、R23）と、テトラフルオロメタ
ン（R14）及びメタン（R50）とから冷媒組成物を構成し
たものである。

請求項２の発明は、沸点の異なる複数種の冷媒が充填
され、圧縮機から吐出された冷媒を凝縮することで分離
された沸点の高い冷媒の蒸発にて沸点の低い冷媒を凝縮
させて行き、最も沸点の低い冷媒を蒸発器にて蒸発させ
ることにより冷却作用を発揮する冷媒回路に、請求項１
記載の冷媒組成物を充填して冷凍装置を構成したもので
ある。

請求項３の発明は、圧縮機から吐出された冷媒を凝縮
した後蒸発器にて蒸発せしめて冷却作用を発揮する第１
の冷媒閉回路と、沸点の異なる複数種の冷媒が充填さ
れ、圧縮機から吐出された冷媒を凝縮することで分離さ
れた沸点の高い冷媒の蒸発にて沸点の低い冷媒を凝縮さ
せて行き、最も沸点の低い冷媒を蒸発器にて蒸発させる
ことにより冷却作用を発揮する第２の冷媒閉回路とから
成る冷凍装置であって、前記第２の冷媒閉回路の圧縮機
から蒸発器に至る高圧側冷媒配管と前記第１の冷媒閉回
路の蒸発器との間に熱交換器を構成したものにおいて、
前記第１の冷媒閉回路には、クロロジフルオロメタン
（R22）と、１−クロロ−１、１−ジフルオロエタン（C
H₃CClF₂、R142b、ジクロロフルオロエタン（R21）及び
1,1,1,2−テトラフルオロメタン（CH₂FCF₃、R134a）か
ら選ばれる一種若しくは複数種の冷媒を充填すると共
に、前記第２の冷媒閉回路には請求項１記載の冷媒組成
物を充填したものである。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、冷媒組
成物の組成をR21（ジクロロフルオロメタン）が１乃至4
0重量％、R22（クロロジフルオロメタン）が１乃至60重
量％、R23（トリフルオロメタン）が１乃至60重量％、R
14（テトラフルオロメタン）が１乃至40重量％、R50
（メタン）が0.1乃至30重量％としたものである。

請求項５の発明は、請求項１の発明において冷媒組成
物をR21が14.5重量％、R22が38.3重量％、R23が21.7重
量％、R14が20.9重量％、R50が4.6重量％としたもので
ある。

（ホ）作用 上記したいずれの冷媒も、現在オゾン層を破壊する危
険性はないものとされている。また、R22の沸点は大気
圧において−40.75℃、R23は−82.05℃であり、最終段
の蒸発器からの帰還冷媒と、R22とR23の蒸発によってR1
4及びR50を順次凝縮して行って、最終段の蒸発器にてR5
0を蒸発させることができる。更に、R21は圧縮機オイル
との相溶性が良く、又、その沸点は大気圧において＋8.
9℃であるので、冷媒回路中のオイルをそれに溶け込ま
せた状態で圧縮機に帰還せしめる。

実験によればR21を１乃至40重量％、R22を１乃至60重
量％、R23を１乃至60重量％、R14を１乃至40重量％、R5
0を0.1乃至30重量％とすることにより、最終段の蒸発器
において−135℃以下の超低温が得られた。

特に、R21を14.5重量％、R22を38.3重量％、R23を21.
7重量％、R14を20.9重量％、R50を4.6重量％とすること
により、最良の冷却効果を発揮できた。

（ヘ）実施例 次に図面において本発明の実施例を説明する。図面は
本発明を適用せる冷凍装置（Ｒ）の冷媒回路（１）を示
している。冷媒回路（１）はそれぞれ独立した第１の冷
媒閉回路としての高温側冷媒回路（２）と第２の冷媒閉
回路としての低温側冷媒回路（３）とから構成されてい
る。（４）は高温側冷媒回路（２）を構成する一相若し
くは三相交流電源を用いる電動圧縮機であり、電動圧縮
機（４）の吐出側配管（4D）は補助凝縮器（５）に接続
され、補助凝縮器（５）は更に冷凍庫（75）の貯蔵室
（76）開口縁を加熱する露付防止パイプ（６）に接続さ
れ、次に電動圧縮機（４）のオイルクーラー（７）に接
続された後、凝縮器（８）に接続される。（９）は凝縮
器（８）冷却用の送風機である。凝縮器（８）を出た高
圧側冷媒配管（200）は乾燥器（12）を経た後、減圧器
（13）を介して蒸発器を構成する蒸発器部分としての第
１蒸発器（14A）と第２蒸発器（14B）を経てアキュムレ
ータ（15）に接続された後、低圧側冷媒配管（201）を
経て電動圧縮機（４）の吸入側配管（4S）に接続され
る。この低圧側冷媒配管（201）には分岐配管（202）の
入口側（202A）及び出口側（202B）が接続され、中途部
を低温側冷媒回路（３）の電動圧縮機（10）のオイルク
ーラー（11）とされている。第１蒸発器（14A）と第２
蒸発器（14B）は直列に接続され、全体として高温側冷
媒回路（２）の蒸発器を構成している。

高温側冷媒回路（２）には、R22（クロロジフルオロ
メタン）、R142b（１−クロロ−１、１−ジフルオロエ
タン）、R21（ジクロロフルオロメタン）及びR134a（1,
1,1,2−テトラフルオロエタン）から選ばれる一種若し
くは複数種の冷媒が充填されている。ここで、R142b及
びR134aの沸点は、それぞれ大気圧において−9.8℃及び
−27℃である。

但し、第１及び第２の蒸発器（14A），（14B）におい
て少なくとも−18℃〜−35℃の冷却温度が必要とされる
ので、組み合わせとしてはR22単体、R22とR21の混合冷
媒、R22とR142bの混合冷媒、R22とR142bとR21の混合冷
媒、R134a単体或いはR134aとR21の混合冷媒が考えられ
る。R22とR21或いはR134aとR21の混合の場合は、いずれ
も混合比例えば90:10、R22とR142bの混合の場合は混合
比例えば70:30、R22とR142bとR21との混合は混合比例え
ば70:25:5が望ましい。

電動圧縮機（４）から吐出された高温ガス状冷媒は、
補助凝縮器（５）、露付防止パイプ（６）、オイルクー
ラー（７）及び凝縮器（８）で凝縮されて放熱液化した
後、乾燥器（12）で含有する水分を除去され、減圧器
（13）にて減圧されて第１及び第２蒸発器（14A），（1
4B）に次々に流入して蒸発し、気化熱を周囲から吸収し
て各蒸発器（14A），（14B）を冷却し、冷媒液溜めとし
てのアキュムレータ（15）に流入する。

この時、電動圧縮機（４）の能力は例えば1.5HPであ
り、運転中の各蒸発器（14A），（14B）の最終到達温度
は例えばR22、R142b、R21混合の場合は−30℃程にな
る。この時冷媒は各蒸発器（14A），（14B）では全部は
蒸発せず、従ってアキュムレータ（15）から出て低圧側
冷媒配管（201）を流れる冷媒の湿り度は高く、温度は
−20℃前後となっている。この低温ガス冷媒の一部は入
口側（202A）から分岐配管（202）に流入し、残りの一
部はそのまま吸入側配管（4S）より電動圧縮機（４）に
帰還する。分岐配管（202）に流入した湿り度の高い冷
媒はオイルクーラー（11）に至り、そこで低温側冷媒回
路（３）の電動圧縮機（10）内の潤滑油と熱交換してそ
れを冷却し、電動圧縮機（10）の焼付きや潤滑油の劣化
を防止する。

オイルクーラー（11）から出る冷媒は＋20℃程の温度
となって出口側（202B）より電動圧縮機（４）に吸入さ
れる。従って総ての吸入冷媒をオイルクーラー（11）に
流すと低温側冷媒回路（３）の電動圧縮機（10）の焼付
き防止効果は向上するものの、今度は高温側冷媒回路
（２）の電動圧縮機（４）への吸入ガス冷媒の温度が高
くなり過ぎるため、電動圧縮機（４）が焼付きを起して
破損してしまう。これに対して本発明では低圧側冷媒配
管（201）を流れる冷媒を分岐配管（202）にて分流し、
例えば40％をそのまま電動圧縮機（４）に吸入せしめ、
60％をオイルクーラー（11）を経て電動圧縮機（４）に
吸入されるように構成している。これによって、電動圧
縮機（４），（10）双方の焼付きを防止して安定した動
作を達成している。

低温側冷媒回路（３）を構成する電動圧縮機（10）の
吐出側配管（10D）は補助凝縮器（17）に接続された後
油分離器（18）に接続される。油分離器（18）からは電
動圧縮機（10）に戻る油戻し管（19）と高圧側冷媒配管
（203）に分かれる。高圧側冷媒配管（203）中には第１
凝縮パイプ（23A）と第２凝縮パイプ（23B）が直列に接
続され、それぞれ第１蒸発器（14A）及び第２蒸発器（1
4B）内に挿入されている。第１蒸発器（14A）と第１凝
縮パイプ（23A）及び第２蒸発器（14B）と第２凝縮パイ
プ（23B）はそれぞれカスケードコンデンサ（25A）及び
（25B）を構成している。第２凝縮パイプ（23B）は乾燥
器（28）を経て第１の気液分離器（29）に接続される。
気液分離器（29）から出た気相配管（30）は第１の中間
熱交換器（32）内を通過して第２の気液分離器（33）に
接続される。気液分離器（29）から出た液相配管（34）
は乾燥器（35）と減圧器（36）を経て第１の中間熱交換
器（32）に接続される。気液分離器（33）から出た液相
配管（38）は第３の中間熱交換器（44）に熱交換的に配
設した乾燥器（39）を経た後減圧器（40）を経て第２の
中間熱交換器（42）に接続される。気液分離器（33）か
ら出た気相配管（43）は第２の中間熱交換器（42）内を
通過した後、第３の中間熱交換器（44）内を通過し、同
様に第３の中間熱交換器（44）に熱交換的に配設した乾
燥器（45）を経て減圧器（46）に接続される。減圧器
（46）は蒸発器としての蒸発パイプ（47）に接続され、
更に蒸発パイプ（47）は第３の中間熱交換器（44）に接
続される。第３の中間熱交換器（44）は第２（42）及び
第１の中間熱交換器（32）に次々に接続された後、電動
圧縮機（10）の吸入側配管（10S）に接続される。吸入
側配管（10S）には更に電動圧縮機（10）停止時に冷媒
を貯留する膨張タンク（51）が減圧器（52）を介して接
続される。

低温側冷媒回路（３）には沸点の異なる五種類の混合
冷媒が封入される。即ち、R21（ジクロロフルオロメタ
ン）、R22（クロロジフルオロメタン）、R23（トリフル
オロメタン）、R14（テトラフルオロメタン）及びR50
（メタン）から成る混合冷媒があらかじめ混合された状
態で封入される。各冷媒の組成はR21が１乃至40重量
％、R22が１乃至60重量％、R23が１乃至60重量％、R14
が１乃至40重量％、R50が0.1乃至30重量％の範囲であ
る。

更に、実験の結果最良の組み合わせ組成は、R21が14.
5重量％、R22が38.3重量％、R23が21.7重量％、R14が2
0.9重量％、R50が4.6重量％であることを突き止めた。

尚、R50はメタンであり酸素との結合にて爆発を生じ
るが上記割合の各フロン冷媒と混合することによって爆
発の危険性は無くなる。従って混合冷媒の漏洩事故が発
生したとしても爆発事故は発生しない。

ここで実施例では高温側冷媒回路（２）の蒸発器を二
つの蒸発器部分即ち第1,第２蒸発器（14A），（14B）に
分割し、低温側冷媒回路（３）の高圧側配管を第1,第２
凝縮パイプ（23A），（23B）に分割したことにより、二
つのカスケードコンデンサ（25A），（25B）を構成した
が、それに限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で
更に多くのカスケードコンデンサに分割しても何等差支
えない。

次に冷媒の循環を説明すると、電動圧縮機（10）から
吐出された高温高圧（高圧側圧力は16.3kg/cm²Gであっ
た）のガス状混合冷媒は補助凝縮器（17）にて予冷され
た後、油分離器（18）にて冷媒と混在している電動圧縮
機（10）の潤滑油の大部分を油戻し管（19）にて電動圧
縮機（10）に戻し、冷媒自体は第１凝縮器（23A）及び
第２凝縮器（23B）に次々に流入して、それぞれカスケ
ードコンデンサ（25A）及び（25B）にて第１（14A）及
び第２蒸発器（14B）より冷却されて混合冷媒中の沸点
の高い冷媒を凝縮液化せられる。この時、カスケードコ
ンデンサ（25A），（25B）の温度は−23.4℃であった。

第２凝縮器（23B）を出た混合冷媒は乾燥器（28）を
経て気液分離器（29）に流入する。この時点では混合冷
媒中のR14とR50は沸点が極めて低い為に未だ凝縮されて
おらずガス状態であり、R21とR22とR23の一部のみが凝
縮液化されている為、R14とR50は気相配管（30）に、R2
1とR22とR23の一部は液相配管（34）へと分離される。
気相配管（30）に流入した冷媒混合物は第１の中間熱交
換器（32）と熱交換して凝縮された後、気液分離器（3
3）に至る。ここで第１の中間熱交換器（32）には蒸発
パイプ（47）より帰還して来る低温の冷媒が流入し、更
に液相配管（34）に流入したR22とR23の一部が減圧器
（36）で減圧された後、第１の中間熱交換器（32）に流
入してそこで蒸発することにより冷却に寄与する為、第
１の中間熱交換器（32）の温度は−55℃となっている。
従って気相配管（30）を通過した混合冷媒中の残りのR2
2及びR23とR14の一部は凝縮液化され、R50は更に沸点が
低い為に未だガス状態である。よってR22及びR23とR14
の一部は気液分離器（33）から液相配管（38）へ又、R5
0と残りのR14は気相配管（43）へと分離され、R23とR14
の一部は乾燥器（39）を経て減圧器（40）にて減圧され
第２の中間熱交換器（42）に流入して第２の中間熱交換
器（42）内で蒸発する。第２の中間熱交換器（42）には
蒸発パイプ（47）からの帰還低温冷媒が流入すると共に
R23とR14の蒸発が更に冷却に寄与するため、第２の中間
熱交換器（42）の温度は−84℃となっている。更に第３
の中間熱交換器（44）には蒸発パイプ（47）からの帰還
低温冷媒が直ぐに流入しているために、その温度は−9
8.4℃の極めて低い温度となっているので、第２及び第
３の中間熱交換器（42），（44）と熱交換した気相配管
（43）を通過する最も沸点の低い冷媒R50と残りのR14は
凝縮液化され、乾燥器（45）を経て減圧器（46）にて減
圧された後、蒸発パイプ（47）に流入してそこで蒸発す
る。この時の蒸発パイプ（47）表面の温度は−138℃に
到達している（入口は−138.8℃、出口は−138.6℃）。
これが本発明の冷凍装置（Ｒ）の最終到達温度であり、
この蒸発パイプ（47）を冷凍庫（75）の貯蔵室（76）に
熱交換的に配設することにより貯蔵室内を−138℃の超
低温の環境とすることが可能となる。蒸発パイプ（47）
から流出した冷媒は前述の如く第3,第2,第１の中間熱交
換器（44），（42），（32）に次々に流入、流出し、各
冷媒R14,R23,R22及びR21と合流しながら電動圧縮機（1
0）に吸入される（低圧側圧力は0.36kg/cm²Gであっ
た）。

ここで第１の気液分離器（29）にて液相配管（34）に
流入したR21は第１の中間熱交換器（32）に流入するも
のの、既に極めて低い温度となっているため蒸発せず液
状態のままであり、従って冷却に何等寄与しないが、油
分離器（18）で分離し切れなかった残留オイルや各乾燥
器で吸収し切れなかった混入水分をその内に溶け込ませ
た状態で電動圧縮機（10）に帰還せしめる機能を奏す
る。電動圧縮機（10）のオイルや水が低温側冷媒回路
（13）内を循環すると超低温であることにより、各部に
残留する現象が発生し、目詰りが生じ、冷却作用を発揮
できなくなる原因となる。その為にR21で略完全なるオ
イルと水分の帰還を達成している。

以上を繰り返えすことにより冷媒回路（１）は定常状
態で蒸発パイプ（47）に−138℃の超低温を発生する様
動作するが、電動圧縮機（４），（10）は1.5HP程度の
能力で済み、格別大なる能力を必要としない。これはカ
スケードコンデンサ（25A），（25B）部分の熱交換が良
好に行なわれている事と混合冷媒の選択が大きく寄与し
ている。これによって電動圧縮機による騒音の削減と低
消費電力が達成される。又、−138℃の達成によって後
述する冷凍庫（75）内の生体資料を氷の再結晶化点より
低い温度（−130℃以下）に冷却する事が可能となり、
永久保存が達成されることになる。

（ト）発明の効果 本発明の冷媒組成物及び冷凍装置によれば、オゾン層
を破壊するおそれがなく、更に、−130℃以下の超低温
を機械式冷凍機によって安定して得ることが出来るもの
である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示す冷媒回路図である。 （２）……高温側冷媒回路、（３）……低温側冷媒回
路、（４），（10）……電動圧縮機、（25A），（25B）
……カスケードコンデンサ、（29），（33）……気液分
離器、（32），（42），（44）……中間熱交換器、（4
7）……蒸発パイプ。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ジクロロフルオロメタンとクロロジフルオ
   ロメタンとトリフルオロメタンとテトラフルオロメタン
   及びメタンから成る冷媒組成物。
2. 【請求項２】沸点の異なる複数種の冷媒が充填され、圧
   縮機から吐出された冷媒を凝縮することで分離された沸
   点の高い冷媒の蒸発にて沸点の低い冷媒を凝縮させて行
   き、最も沸点の低い冷媒を蒸発器にて蒸発させることに
   より冷却作用を発揮する冷媒回路であって、請求項１記
   載の冷媒組成物を充填して成る冷凍装置。
3. 【請求項３】圧縮機から吐出された冷媒を凝縮した後蒸
   発器にて蒸発せしめて冷却作用を発揮する第１の冷媒閉
   回路と、沸点の異なる複数種の冷媒が充填され、圧縮機
   から吐出された冷媒を凝縮することで分離された沸点の
   高い冷媒の蒸発にて沸点の低い冷媒を凝縮させて行き、
   最も沸点の低い冷媒を蒸発器にて蒸発させることにより
   冷却作用を発揮する第２の冷媒閉回路とから成り、前記
   第２の冷媒閉回路の圧縮機から蒸発器に至る高圧側冷媒
   配管と前記第１の冷媒閉回路の蒸発器との間に熱交換器
   を構成したものにおいて、前記第１の冷媒閉回路にはク
   ロロジフルオロメタン、１−クロロ−1,1−ジフルオロ
   エタン、ジクロロフルオロメタン及び1,1,1,2−テトラ
   フルオロエタンから選ばれる一種若しくは複数種の冷媒
   を充填すると共に、前記第２の冷媒閉回路には請求項１
   記載の冷媒組成物を充填して成る冷凍装置。
4. 【請求項４】冷媒組成物の組成はジクロロフルオロメタ
   ンが１乃至40重量％、クロロジフルオロメタンが１乃至
   60重量％、トリフルオロメタンが１乃至60重量％、テト
   ラフルオロメタンが１乃至40重量％、メタンが0.1乃至3
   0重量％であることを特徴とする請求項１記載の冷媒組
   成物。
5. 【請求項５】冷媒組成物の組成はジクロロフルオロメタ
   ンが14.5重量％、クロロジフルオロメタンが38.3重量
   ％、トリフルオロメタンが21.7重量％、テトラフルオロ
   メタンが20.9重量％、メタンが4.6重量％であることを
   特徴とする請求項１記載の冷媒組成物。