JP3730827B2 - 冷凍を提供する方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に冷凍システムに関するものであり、特に断熱エンクロージュアに冷凍を提供するために有利なものである。
【0002】
【従来の技術】
冷凍の提供(例えば食品や医薬品の冷却及び(又は)凍結するためのもの)を、アンモニア又はフレオンのような冷媒を蒸気圧縮サイクルに採用する機械的な冷凍システムを用いて実行するのが典型的である。そのようなシステムは、比較的高温レベルで冷凍を提供するのに有効である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなシステムは、低レベル温度冷凍を効果的に達成するのに、真空作業及び(又は)カスケーディングを要求するのが普通であり、これは資本経費及び運転経費の両方を増大させる。低温レベルの冷凍をより効果的に提供する1つの方法は、機械的な冷凍システムと独立した又は関連した消耗用の極低温液体(例えば液体窒素)を使用して必要な低レベル冷凍を提供することである。しかしながら、そうしたシステムは、効果的である一方極低温液体の損失のため(それ故その液体の連続的な置換が必要であるため)に費用がかかる。
【0004】
【課題を解決するための手段】
発明の概要
この発明の目的は、例えば熱交換器に又は断熱エンクロージュアに冷凍を供給するための方法を提供することであり、これは、必要なときに低温でそのような冷凍を効果的に供給するために用いることができる。
【0005】
発明の開示
上記及び他の目的(これは、本開示を読んだ際に当業者に明らかなものとなるであろう。)は、本発明により達成される。
【0006】
本発明は、
(A)フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン及びフルオロエーテルからなるグループからの少なくとも1つの成分と、少なくとも1つの大気ガスとを含む非共沸可変負荷多成分冷媒流体を単一段階の圧縮系において圧縮する工程であって、前記多成分冷媒流体の各成分の標準沸点が該多成分冷媒流体の他のすべての成分の標準沸点と少なくとも20ケルビンだけ異なり、かつ、前記多成分冷媒流体の最高沸点成分の標準沸点が、多成分冷媒流体の最低沸点成分の標準沸点よりも少なくとも50ケルビン高い当該工程と、
(B)前記圧縮された多成分冷媒流体を冷却し、かつ少なくとも一部を凝縮する工程と、
(C)前記少なくとも一部凝縮した多成分冷媒流体を膨張させて冷凍を生成する工程と、
(D)前記冷凍を帯びた多成分冷媒流体を加温し、少なくとも一部を蒸発させて、断熱エンクロージュア内で多成分冷媒流体からの冷凍を用いる工程であって、冷凍を帯びた多成分冷媒流体の該加温及び少なくとも一部の蒸発が、断熱エンクロージュア大気流体との熱交換によるもので、冷凍された断熱エンクロージュア大気流体を生成する当該工程と、
(E)前記冷凍された断熱エンクロージュア大気流体を断熱エンクロージュア内で用いて、冷凍を断熱エンクロージュアに提供する工程と
を含む冷凍を提供する方法である。
本発明では、前記工程(B)における多成分冷媒流体の冷却は、多成分冷媒流体を一部凝縮して、その結果生じた液体が用いられて前記工程(C)、(D)及び(E)を実行し、
(F)その結果生じた蒸気を冷却して冷却された流体を生成し、冷却された流体を膨張させて冷凍を発生させ、その結果生じた冷凍を保有する流体を加温して断熱エンクロージュア中で用いる冷凍流体を生成する工程を更に含むことができる。
本発明ではまた、前記工程(B)における多成分冷媒流体の冷却は、多成分冷媒流体を一部凝縮して、その結果生じた液体が用いられて前記工程(C)、(D)及び(E)を実行し、
(G)その結果生じた蒸気を一部凝縮して液体流体及び蒸気流体を生成し、液体流体を膨張させて冷凍を発生させ、その結果生じた冷凍を保有する液体流体を加温して断熱エンクロージュア中で用いる冷凍流体を生成する工程と、
(H)前記蒸気流体を少なくとも一部凝縮して少なくとも一部凝縮した該流体を膨張させて冷凍を発生させ、その結果生じた冷凍を保有する流体を加温して断熱エンクロージュア中で用いる冷凍流体を生成する工程とを更に含むことができる。
本発明において、前記冷凍は、食品を冷却又は凍結するために用いられ得、また、前記冷凍は、医薬を冷却又は凍結するために用いられ得る。
【0007】
【発明の実施の形態】
本明細書で用いられているように、「非毒性」(non-toxic)の語は、許容可能な暴露限界に従って取り扱う場合に、急性又は慢性の危険を生ずることがないことを意味する。
本明細書で用いられているように、「非引火性」(non-flammable)の語は、引火点を有さないか又は少なくとも600Kの非常に高い引火点を有すかのいずれかを意味する。
【0008】
本明細書で用いられているように、「非オゾン減少性(non-ozone-depleting)」の語は、オゾン減少の潜在性がゼロであること、即ち塩素、臭素、沃素原子を有していないことを意味している。
【0009】
本明細書で用いられているように、「標準沸点」(normal boiling point)の語は、1標準大気圧、即ち絶対値14.696ポンドパースクエアインチ(絶対圧)(101kPa)における沸騰温度を意味する。
【0010】
本明細書で用いられているように、「間接的な熱交換」(indirect heat exchane)の語は、流体の互いの物理的接触又は相互の混合もなく流体を熱交換関係にもたらすことを意味する。
【0011】
本明細書で用いられているように、「膨張」(expansion)の語は、圧力の減少する効果があることを意味する。
【0012】
本明細書で用いられているように、「ゼオトロピック(非共沸の)」(zeotropic)の語は、相変化を伴うなめらかな温度変化を特徴とするものを意味する。
【0013】
本明細書で用いられているように、「サブクーリング」(subcooling)の語は、その現状の圧力についての液体の飽和温度より低い温度に液体を冷却することを意味する。
【0014】
本明細書で用いられているように、「低温」(low temperature)の語は、250K以下の温度を示し、好ましくは200K以下の温度を示す。
【0015】
本明細書で用いられているように、「冷凍」(refrigeration)の語は、周囲よりも低い温度系から熱を周囲大気に取り出す能力を意味する。
【0016】
本明細書で用いられているように、「可変負荷冷媒」(variable load refrigerant)の語は、2種以上の成分の液相が混合物の泡立ち点と露点との間で連続的かつ増大する温度変化を受けるような比率の成分の混合物を意味している。混合物の泡立ち点は、混合物全ては液相にあるが熱を加えることが液相と平衡な気相の形成を開始すると思われる所定圧における温度である。
【0017】
混合物の露点は、混合物全ては気相にあるが、熱を引き出すことが気相と平衡な液相の形成を開始すると思われる所定圧における温度である。従って、混合物の泡立ち点及び露点の間の温度範囲は、液相と気相との両相が平衡状態で共存する範囲である。この発明の実施において、可変負荷冷媒についての泡立ち点と露点との間の温度差は、少なくとも10K、好ましくは少なくとも20K及び最も好ましくは少なくとも50Kである。
【0018】
本明細書で用いられているように、「フルオロカーボン」の語は、以下のもののうちの1つを意味する:
テトラフルオロメタン(CF4)、
パーフルオロエタン(C2F6)、
パーフルオロプロパン(C3F8)
パーフルオロブタン(C4F10)、
パーフルオロペンタン(C5F12)、
パーフルオロエテン(C2F4)、
パーフルオロプロペン(C3F6)、
パーフルオロブテン(C4F8)、
パーフルオロペンテン(C5F10)、
ヘキサフルオロシクロプロパン(cyclo-C3F6)、及び
オクタフルオロシクロブタン(cyclo-C4F8)。
【0019】
本明細書で用いられているように、「ヒドロフルオロカーボン」の語は、以下の内の1つである:
フルオロホルム(CHF3)、
ペンタフルオロエタン(C2HF5)、
テトラフルオロエタン(C2H2F4)、
ヘプタフルオロプロパン(C3HF7)、
ヘキサフルオロプロパン(C3H2F6)、
ペンタフルオロプロパン(C3H3F5)、
テトラフルオロプロパン(C3H4F4)、
ノナフルオロブタン(C4HF9)、
オクタフルオロブタン(C4H2F8)、
ウンデカフルオロペンタン(C5HF11)、
メチルフルオロライド(CH3F)、
ジフルオロメタン(CH2F2)、
エチルフルオライド(C2H5F)、
ジフルオロエタン(C2H4F2)、
トリフルオロエタン(C2H3F3)
ジフルオロエテン(C2H2F2)、
トリフルオロエタン(C2HF3)、
フルオロエテン(C2H3F)、
ペンタフルオロプロペン(C3HF5)、
テトラフルオロプロペン(C3H4F4)、
トリフルオロプロペン(C3H3F3)、
ジフルオロプロペン(C3H4F2)、
ヘプタフルオロフルオロブテン(C4HF7)、
ヘキサフルオロブテン(C4H2F6)、
ノナフルオロペンテン(C5HF9)である。
【0020】
本明細書で用いられているように、「フルオロエーテル」の語は、以下の内の1つである:
トリフルオロメトキシ−パーフルオロメタン(CF3−O−CF3)、
ジフルオロメトキシ−パーフルオロメタン(CHF2−O−CF3)、
フルオロメトキシ−パーフルオロメタン(CH2F−O−CF3)、
ジフルオロメトキシ−ジフルオロメタン(CHF2−O−CHF2)、
ジフルオロメトキシ−パーフルオロエタン(CHF2−O−C2F5)
ジフルオロメトキシ−1,2,2,2−テトラフルオロエタン(CHF2−O−C2HF4)、
ジフルオロメトキシ−1,1,2,2−テトラフルオロエタン(CHF2−O−C2HF4)、
パーフルオロエトキシ−フルオロメタン(C2F5−O−CH2F)、
パーフルオロメトキシ−1,1,2−トリフルオロエタン(CF5−O−CH2F3)、
パーフルオロメトキシ−1,2,2−トリフルオロエタン(CF3−O−CH2F3)、
シクロ−1,1,2,2−テトラフルオロプロピルエーテル(cyclo-C3H2F4−O−)、
シクロ−1,1,3,3−テトラフルオロプロピルエーテル (cyclo-C3H2F4−O−)、
パーフルオロメトキシ−1,1,2,2−テトラフルオロエタン(CF3−O−C2HF4)、
シクロ−1,1,2,3,3−ペンタフルオロプロピルエーテル(cyclo-C3H5−O−)、
パーフルオロメトキシ−パーフルオロアセトン(CF3−O−CF2−O−CF3)、
パーフルオロメトキシ−パーフルオロエタン(CF3−O−C2H5)、
パーフルオロメトキシ−1,2,2,2−テトラフルオロエタン(CF3−O−C2HF4)、
パーフルオロメトキシ−2,2,2−トリフルオロエタン(CF3−O−C2H2F3)
シクロ−パーフルオロメトキシ−パーフルオロアセトン(cyclo-CF2−O−CF2−O−CF2−)及び、
シクロ−パーフルオロプロピルエーテル(cyclo-C3F6−O)である。
【0021】
本明細書で用いられているように、「大気気体」(atmospheric gas)の語は、以下の内の1つである。窒素(N2)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)、ネオン(Ne)、二酸化炭素(CO2)、酸素(O2)、及びヘリウム(He)である。
【0022】
本明細書で用いられているように、「低オゾン減少性」(low-ozone-depleting)の語は、モントリオール議定書協定(Montreal Protocol convention)により定義されたオゾン減少ポテンシャルが0.15未満であることを意味しており、その協定ではジクロロフルオロメタン(CCl2F2)が1.0のオゾン消費ポテンシャルを有する。
【0023】
本発明は、総括的には、規定された非共沸混合物冷媒の使用を含み、広域な温度範囲(例えば周囲温度から低温のような)にわたる冷凍を効率的に提供するものである。1以上の(好ましくは断熱された)エンクロージュアに直接的又は間接的に冷凍を提供するように冷凍を採用してもよい。食品又は医薬のような商品を冷却、即ち冷却及び/又は凍結するために冷凍を用いてもよい。複雑な真空操作を採用する必要もなく、かかる冷凍を効果的に採用することができる。
【0024】
発明は、食品及び医薬生産物の冷却及び(又は)凍結に要求される冷凍(例えば、エアメイクアップシステム(air make-up systems)、冷凍室貯蔵、ブラストフリーザー(blast fleezer)、機械式フリーザー又は極低温フリーザーを従来採用しているフリーザーの応用)を提供するために用いてもよい。送風室、(固定式の又はコンベア式の)トンネル、多重層、螺旋ベルト、流動床、浸漬、板状又は接触式ベルト凍結装置のような全ての型のフリーザー用の冷凍を提供するために本発明を用いてもよい。輸送コンテナ、食品や医薬の凍結乾燥、ドライアイスの製造、冷媒の過冷、蒸気の液化、熱エネルギー貯蔵システム及び発電器における超伝導体、モータ若しくは伝送線の冷却に、本発明をまた用いてもよい。ドライアイスの製造、貯蔵又は流通に本発明をまた用いてもよい。
【0025】
本発明の実施に有用な多成分冷媒流体は、各温度で要求される冷凍を提供するためにフルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン及びフルオロエーテルからなるグループからの少なくとも1種の成分並びにフルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル及び大気ガスからなるグループからの少なくとも1種の成分を含む。冷媒成分の選択は、特定のプロセスに適用させるための冷媒負荷対温度により依存するであろう。適した成分は、標準沸点、潜熱、及び引火性、毒性並びにオゾン消費ポテンシャルに依存して選択されるであろう。
【0026】
本発明の実施に有用な多成分冷媒流体の好ましい具体例は、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン及びフルオロエーテルからなるグループからの少なくとも2種の成分を含む。
【0027】
本発明の実施に有用な多成分冷媒流体の別の好ましい具体例は、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、及びフルオロエーテル及び大気ガスからなるグループからの少なくとも1種の成分、並びに少なくとも1種の大気ガスを含む。
【0028】
本発明の実施に有用な多成分冷媒流体の別の好ましい具体例は、少なくとの1種のフルオロエーテル並びにフルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル及び大気ガスからなるグループからの少なくとも1種の成分を含む。
【0029】
一つの好ましい具体例においては、多成分冷媒流体がフルオロカーボンのみからなる。別の好ましい具体例では、多成分冷媒流体は、フルオロカーボン及びヒドロフルオロカーボンだけからなる。別の好ましい具体例においては、多成分冷媒流体がフルオロカーボン及び大気ガスのみからなる。別の好ましい具体例においては、多成分冷媒流体がフルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン及びフルオロエーテルのみからなる。別の好ましい具体例においては、多成分冷媒流体がフルオロカーボン、フルオロエーテル及び大気ガスのみからなる。
【0030】
本発明の実施に有用な多成分冷媒流体の別の好ましい具体例は、ヒドロクロロフルオロカーボン及び(又は)ヒドロカーボンのような他の成分を含んでもよい。多成分冷媒流体は、ヒドロクロロフルオロカーボンを含まないのが好ましい。本発明の別の好ましい具体例においては、多成分冷媒流体はヒドロカーボンを含まない。多成分冷媒流体が、ヒドロクロロフルオロカーボンもヒドロカーボンも含まないことが最も好ましい。
【0031】
多成分冷媒流体が、非毒性、非引火性及び非オゾン減少性であることが最も好ましい並びに多成分冷媒流体の各々の成分がフルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル又は大気ガスのいずれかであることが最も好ましい。
【0032】
本発明は、効率的に周囲温度から低温にするのに使用するのに特に有利なものである。表1〜6は本発明の実施に有用な多成分冷媒流体混合体の好ましい例を列挙する。表に示した濃度範囲は、モルパーセントにおけるものである。表1〜5に示した例は、175K〜250Kの温度範囲で特に有用である。表6で示した例は、80〜175Kの温度範囲で特に有用である。
【0033】
【表1】
【0034】
【表2】
【0035】
【表3】
【0036】
【表4】
【0037】
【表5】
【0038】
【表6】
【0039】
本発明は、広域な温度範囲(特に低温を含む)にわたって冷凍を供給するのに特に有用である。本発明の好ましい具体例では、冷媒混合体の2種以上の成分の各々が、その冷媒混合物における各々の他の成分の通常の沸点と少なくなくとも5ケルビン、より好ましくは10ケルビン及び最も好ましくは20ケルビンだけ異なる標準沸点を有している。このことは、広域な温度範囲(特に極低温を含む)にわたって冷凍を供給する効率を高める。本発明の特に好ましい具体例において、多成分冷媒流体の最高沸点の成分の標準沸点が、多成分冷媒流体の最低沸点の成分の標準沸点よりも少なくとも50K、好ましくは100K、最も好ましくは200K高い。
【0040】
本発明の実施に有用な多成分冷媒流体を構成する成分及びその濃度は、可変負荷多成分冷媒流体を形成するようなものであり、本発明の方法の全温度範囲を通じてそのような可変負荷多成分冷媒流体を維持するものであることが好ましい。このことは、そのような広域な温度範囲にわたり冷凍を発生させて利用することのできる効率を顕著に高める。成分の規定された好ましい群は、非毒性、非引火性及び低又は非オゾン減少性である流体混合物を形成するのに用いることができるという点で更に利点を有する。このことは、典型的には、毒性、引火性及び(又は)非オゾン減少性である従来の冷媒に勝る有利な点をもたらす。
【0041】
非毒性、非引火性及び低又は非オゾン減少性である本発明の実施において有用な一つの好ましい可変負荷多成分冷媒流体は、C5H12、CHF2−C2HF4、C4HF9、C3H3F5、C2F5−O−CH2F、C3HF7、CH2F−O−CF3、C2H2F4、CHF2−O−CF3、C3F8、C2HF5、CF3−O−CF3、C2F6、CHF3、CF4、O2、Ar、N2、Ne及びHeからなる群からの2以上の成分を含む。
【0042】
本発明の規定された多成分冷媒流体は、ゼオトロピックである。その成分は、関係する全温度範囲に及ぶ異なる沸点を有し、そのために所望のとても低い温度(例えば極低温)を、一段階の圧縮だけで真空操作の必要なく効率的かつ普遍的に達成できる。このことは、単一成分又は単一成分(即ち沸点域の狭い共沸混合物又は共沸混合物に近いもの)のように挙動するよう調合された2若しくは3種の成分の混合物からなる冷凍を提供するために用いられる従来の冷媒と対照的である。
【0043】
本発明を採用して冷凍をエンクロージュア、特に断熱容器に提供する。本発明で用いられるそのような断熱容器は、冷凍装置、冷凍貯蔵コンテナ又は冷蔵室であることが典型的である。その断熱容器は、周囲大気に完全に遮断している必要はない。コンテナや凍結装置への熱の漏れを減ずる任意の断熱手段を、用いてよい。ある限定された環境下で、低温処理室のような周囲よりも低温の施設を断熱していない又は一部のみ断熱しているようにしてもよい。
【0044】
【実施例】
本発明のより詳細な記述を、図面を参照して行う。
ここで図1を参照すると、多成分冷媒流体50を、コンプレッサー51に通過させることにより圧縮し、圧力を30から1000絶対ポンドパースクエアインチ(psia)(207から6900kPa)の範囲内とするのが普通であり、100から600psia(690から4140kPa)とするのが好ましい。その結果生じた圧縮多成分冷媒流体52から該流体52を、冷却器53を通過させることにより圧縮熱を除去して冷却する。その結果生じた冷却された圧縮多成分冷媒流体54を、熱交換器55に通過させることにより更に冷却しかつ少なくとも一部、好ましくは完全に凝縮する。その結果生じた少なくとも一部凝縮した多成分冷媒流体56を弁57を介して膨張させ、圧力を5から100psia(34.5から690kPa)の範囲内とすることが普通であり、15から100psia(103.5から690kPa)の範囲内とすることが好ましい。それにより、ジュールトムソン効果(即ち一定のエンタルピーで圧力を減ずるために流体の温度を低下させること)により冷凍を発生する。バルブ57を介して多成分冷媒流体の膨張が原因で冷媒のいくらかが気化することもあるかもしれない。流れ52の高圧冷媒及び流れ58の低圧冷媒に関して採用される圧力レベル、並びに冷媒の組成を選択し容認できるコスト及び効率で所望の温度を達成する。
【0045】
次いで、冷凍を帯びた多成分冷媒流体58を、熱交換器55に通過させることにより加温して気化する。次いで流れ50としてコンプレッサー51を通過させ、循環が改めて始まる。熱交換器55で冷凍を帯びた多成分冷媒流体を加温すること及び気化することは、上述のように間接熱交換冷媒流体54により冷却するのに役立ち、かつ間接熱交換により断熱エンクロージュア大気流体を冷却するのにも役立つ(これについてはこれから記述するつもりである。)。
【0046】
大気流体(これは、空気であるのが典型例であるが窒素、二酸化炭素、又は任意の他の適当な流体のような他の流体であってもよい)の一部を、断熱エンクロージュア59から流れ60に引き出し、分離器61を通過させて同伴している氷を除去する。分離器61は遠心分離器、濾過器又は任意の他の適当な分離手段であってもよい。次いで、氷のない断熱密閉大気流体62は、送風機63を介して流れる。送風機63は、加圧ガス流れ64を生じさせる。加圧ガス流れ64は、圧力が15から100psia(104から690kPa)の範囲内であるのが普通であり、16から20psia(110から138kPa)であるのが好ましい。次いで、加圧ガス流れ64は、精製装置25を通過する。必要ならば、図1において流れ68により示されるような追加的な補給ガスを供給して送風機69で圧縮し精製装置71を介して流れ70に移行させ、次いで流れ72として流れ64と結合し流れ65を形成するようにしてもよい。精製装置25及び71は分子ふるい、吸着床又は水分又は二酸化炭素のような高沸点成分を除去する任意の他の適当な手段であってもよい。その代わりに冷凍されるべき流体の全てを流れ68により得て、エンクロージュア59から取り出す流体を再循環しないようにしてもよい。
【0047】
次いで、流体65を熱交換器55を通過させる。熱交換器55では流体65が前述した暖まりかつ気化する多成分冷媒流体との間接的な熱交換により冷却され、冷凍された断熱エンクロージュア大気流体66を生じる。この大気流体66は、250K未満の温度を有していることが典型的であり、100Kから250Kの範囲内の温度であるのが普通であると思われる。大気又はプロセス流体の冷却は、流体の一部の又は完全な液化、例えば液体空気の生成を含んでもよい。次いで、冷凍された液体66は、断熱エンクロージュア59内に移行する。断熱エンクロージュア59では、流体66内の冷凍を使用する。所望ならば、断熱エンクロージュア59に、ファン67又はエンクロージュア内の冷凍をより均一に分配するのを補助するための及び冷凍された流体の伝熱特性を高めるための他の大気循環装置を設けてもよい。
【0048】
図2は、本発明の別の具体例であって、加温多成分冷媒流体と冷却断熱エンクロージュア大気流体との熱交換が断熱容器内で行われるものを例示する。ここで図2を参照すると、多成分冷媒流体30をコンプレッサー31を通過させることにより一般に圧力30から1000psia(207から6900kPa)に、好ましくは100から600psia(690から4140kPa)に圧縮する。その結果生じた圧縮された多成分冷媒流体32から冷却器33を通過させることにより圧縮熱を除去して冷却する。その結果生じた冷却された多成分冷媒流体34を、熱交換器35を通過させることにより更に冷却して少なくとも1部又は好ましくは完全に凝縮させる。その結果生じた少なくとも1部が凝縮された多成分冷媒流体36を、弁37により膨張させて圧力を5から100psia(34.5から690kPa)、好ましくは15から100psia(104から690kPa)の範囲内にする。それによってジュールトムソン効果により冷凍を生ずる。次いで、冷凍を帯びた多成分冷媒流体38は(これは2相流でもよい)、断熱エンクロージュア40内に移行する。
【0049】
断熱エンクロージュア40内における冷凍を帯びた多成分冷媒流体の通過は、熱交換コイル39又は他の適当な熱交換手段を介した通過を含んでいてもよい。これら熱交換手段において冷凍を帯びた多成分冷媒流体を、断熱エンクロージュア大気流体との間接的熱交換により加温しかつ気化する。所望ならば、冷凍を帯びた冷媒流体をエンクロージュア中に注入して、断熱エンクロージュア大気流体との熱交換が、直接熱交換によるものとしてもよい。次いで、その結果生じた冷凍され断熱されたエンクロージュア大気流体を、断熱エンクロージュア40全体にわたって用いる。この際、ファン42のような流体の流れを高める手段の補助を用いて、それにより冷凍を断熱エンクロージュアに供給するのが好ましい。その結果生じた加温された多成分冷媒流体41を断熱エンクロージュア40から外に移行し、完全にまだ気化していない場合には熱交換器35を通過させて前述のように流れ34の間接的な熱交換により冷却の効果をもたらすことにより更に加温し完全に気化させる。その結果加温された流体を流れ30で熱交換器35から外に移行させ、コンプレッサー31に通し、循環が改めて開始する。
【0050】
図3は、本発明の別の具体例であって、多成分冷媒流体を用いて1以上の温度レベルで冷凍を提供することにより冷凍の異なったレベルを要求する異なった断熱エンクロージュア内又は単一の容器内の異なった温度レベルで用いることのできる断熱エンクロージュア大気流体を冷凍に供給することができるものを示している。
【0051】
ここで図3を参照すると、多成分冷媒流体80をコンプレッサー81を通過させることにより圧縮して、30から600psia(207から4140kPa)の範囲内の圧力にするのが普通である。次いでその結果生じた圧縮された多成分冷媒流体82を冷却器83を通過させることにより冷却し及び一部凝縮させる。冷却器83からの2相多成分冷媒流体を流れ84で相分離器85へ移行させ、相分離器85で蒸気部分と液体部分に分離させる。多成分冷媒流体80は、非共沸液体混合物であるので、蒸気部分と液体部分との組成は異なる。液体部分は、多成分冷媒流体80の最大沸点成分物の全部を実質的に含み、かつ蒸気部分は、多成分冷媒流体80の最低沸点成分物の全部を実質的に含むことが好ましい。
【0052】
多成分冷媒流体の液体部分を、相分離器85から流れ87で熱交換器88を通過させて、過冷する。その結果生じた過冷された液体流れ89を、弁90を介して膨張させてジュールトムソン効果により冷凍を生じさせる。その結果生じた冷凍を帯びた多成分冷媒流体91(これは、15から100psia(104から690kPa)の範囲内の圧力であるのが普通である。)を混合装置20を通過させ、次いで流れ93で熱交換器88を介して断熱エンクロージュア大気流体と間接的に熱交換を行うことにより加温させ完全に気化させ、次いで流れ80でコンプレッサー81に通して新たに循環させる。断熱密閉大気流体を流れ94で熱交換器88に移行させ、その結果生じた冷凍断熱エンクロージュア大気流体を(これは、20Fから40Fの範囲内にある温度であるのが普通である。)、熱交換器88から断熱エンクロージュア(図示しない)へと流れ95で移行させる。この断熱エンクロージュア(図示しない)において流れ95内の冷凍を提供し用いる。
【0053】
多成分冷媒流体の蒸気部を、相分離器85から流れ86で移行させ、熱交換器88を通過し、熱交換器88で流れ93における加温流体との間接的な熱交換により冷却し、次いで、流れ96で中間熱交換器97へ移行させて更に冷却し、次いで、流れ100で熱交換器99を通過させ、少なくとも一部を凝縮させる。その結果生じた多成分流体は、熱交換器99から流れ104で熱交換器105を通過させて、更に冷却し凝縮させ、次いで、流れ108で熱交換器107へ移行させ、まだ完全に凝縮されていなければ、完全に凝縮させ、過冷する。
【0054】
過冷した多成分冷媒液体の流れ109を、弁110を介して膨張させジュールトムソン効果により冷凍を発生させる。その結果生じた冷凍を帯びた多成分冷媒流体111(これは2相流であってもよい)を熱交換器107を介して通過させることにより加温し、好ましくは少なくとも一部を気化させ、それによって間接的な熱交換により前記流れ108並びに流れ112で熱交換器107に移行する断熱エンクロージュア大気流体を冷却する働きをする。その結果生じた冷凍された断熱エンクロージュア大気流体は、(これは、−30Fから−50Fの範囲内の温度であるのが普通である。)熱交換器107から断熱エンクロージュア(図示しない)へ移行させ、その流れ113で断熱エンクロージュアで流れ113内の冷凍を供給し用いる。
【0055】
加温された多成分冷媒流体を、熱交換器107から流れ106で熱交換器105を通過させ、その流体をに加温し、熱交換器105から流れ101で熱交換器99へ通過させ、その流体を、前記冷却流れ100とのかつ(また)流れ102で及び熱交換器99に通す断熱エンクロージュア大気流体との間接的な熱交換により更に加温し、好ましくは更に気化させる。その結果生じた冷凍された断熱エンクロージュア大気流体は、(これは、0Fから−20Fの範囲の温度であるのが普通である。)熱交換器99から流れ103で断熱エンクロージュア(図示せず)へ移行する。その断熱エンクロージュアでは、流れ103内の冷凍を提供し用いる。この結果生じた更に加温された多成分冷媒流体は、熱交換器99から流れ98で熱交換器97を通過させ、次いで流れ92として混合器20に移行させる。混合器20では、流れ92を流れ91と混合させて流れ93を形成して更に前述した通りに処理加工する。
【0056】
図4は、本発明の別の具体例であって、多成分冷媒流体を用いて1以上の温度レベルにおいて冷凍を供給し、こうして1以上の断熱エンクロージュアに冷凍を供給することのできるものを示している。図4において示された発明の具体例は、多成分冷媒流体の1以上の相分離を採用している。
【0057】
ここで図4を参照すると、多成分冷媒流体200をコンプレッサー201を通過させることにより圧縮して一般に30から300psia(207から2070kPa)の範囲内の圧力にする。次いで、その結果生じた圧縮された多成分冷媒流体202から冷却器203を通過させることにより冷却して圧縮熱を除去する。その結果生じた多成分冷媒流体204をコンプレッサー205に通過させることにより更に圧縮して一般に60から600psia(414から4140kPa)の範囲内の圧力とする。その結果生じた圧縮された多成分冷媒流体206を、冷却器207を通過させることにより冷却しかつ一部凝縮させる。冷却器207からの2相多成分冷媒流体を流れ208で相分離器209へ移行させて、相分離器209で蒸気部分と液体部分とに分離する。多成分冷媒流体200は非共沸混合物であるので、これらの蒸気部分と液体部分との組成は異なる。液体部分が多成分冷媒流体200の最高沸点成分の全てを実質的に含み、かつ気体部分が多成分冷媒流体200の最低沸点成分の全てを実質的に含むことが好ましい。
【0058】
多成分冷媒流体の液体部分を、相分離器209から流れ211で熱交換器212を通過させ、過冷する。その結果として生ずる過冷液体流れ213を、弁214を介して膨張させてジュールトムソン効果により冷凍を生じさせる。その結果として生ずる冷凍を帯びた多成分冷媒流体215(これは、15から100psia(104から6900kPa)の範囲内の圧力であるのが普通である。)を、混合装置21を通過させて、次いで流れ217で熱交換器212を通過させて断熱エンクロージュア大気流体と間接的に熱交換させることにより加温しかつ完全に蒸発させ、次いで新たな循環のために熱交換器200でコンプレッサー201へ移行させる。断熱エンクロージュア大気流体を流れ218で熱交換器212に通す。その結果生じた冷凍された断熱エンクロージュア大気流体(これは、30Fから60Fまでの範囲内の温度であるのが普通である。)を、熱交換器212から流れ219で断熱エンクロージュア(図示せず)に移行させ、断熱エンクロージュア内で流れ219内の冷凍を供給し用いる。
【0059】
多成分冷媒流体の蒸気部分を、相分離器209から流れ210で熱交換器212を通過させ、熱交換器212において流れ217の加温流体との間接的熱交換により冷却し、次いで流れ220で中間熱交換器221に移行させ更に冷却させる。熱交換器212及び221における冷却工程の一方又は両方において、多成分冷媒流体の一部を凝縮させ、それで熱交換器221からの多成分冷媒流体223が2相流となる。流れ223を相分離器224に通過して、蒸気部分及び液体部分とに分離する。
【0060】
相分離器224からの液体部分を、流れ226で熱交換器227を通過させて過冷却する。その結果生じる液体流れ228を、弁229を介して膨張させてジュールトムソン効果により冷凍を発生させる。その結果生ずる冷凍を帯びた多成分冷媒流体230(これは15から100psia(104から690kPa)の範囲内の圧力であるのが普通である。)は、混合装置22を通過し、次いで流れ232で熱交換器227を通過して断熱エンクロージュア大気流体との間接的熱交換により加温され蒸発する。断熱エンクロージュア大気流体は、流れ223で熱交換器227に通る。その結果生じた冷凍された断熱エンクロージュア大気流体は、(−70Fから−110Fの範囲内の温度であるのが普通である。)熱交換器227から流れ234でエンクロージュア(図示しない)へ移行して、流れ234内の冷凍を供給し用いる。熱交換器227からの加温された多成分冷媒流体を、流れ222で熱交換器221を通過させて冷却流れ220との間接的な熱交換により加温し、そこから流れ216で混合器21へ通し、流れ215と混合し流れ217を形成して更に前述のように処理を行う。
【0061】
相分離器224からの蒸発部分は、相分離224から流れ225で相分離器224から熱交換器227を通過させて流れ232の加温液体と間接的に熱交換することにより冷却し、次いで流れ235で熱交換器236へ移行して更に冷却する。熱交換器227及び236により冷却する過程で、この蒸気部分を凝縮させ、それで熱交換器236からの多成分冷媒流体238は液体流れになる。流れ238を、熱交換器239を通過させることにより過冷する。その結果生じた過冷された液体流れ240をバルブ241により膨張させてジュールトムソン効果により冷凍を発生させ、生じた冷凍を帯びた多成分冷媒流体242(これは、2相流であってもよい。)を、熱交換器239を通過させることにより加温して、好ましくは少なくとも一部を蒸発させ、それにより、間接的な熱交換により流れ243で熱交換器239に通す断熱エンクロージュア大気流体と同様に、前述の過冷流れ238を冷却する役割を果たす。その結果生じる冷凍された断熱エンクロージュア大気流体(これは、−150Fから−330Fの範囲内の温度であるのが普通である。)は、熱交換器239から流れ244で断熱密閉空間(図示しない)へ移行させ、そこで流れ244内の冷凍を供給し及び用いる。
【0062】
加温された多成分冷媒流体は、熱交換器239から流れ237で熱交換器236を通過し、ここで更に加温されてそこから流れ231で混合器22へ移行させる。混合器22でその流れ231を流れ230と混合して流れ232を形成し、前述のように更に処理を行う。
【0063】
本発明の更なる具体例において、冷凍サイクルからの廃熱を、冷凍を用いる同一又は異なった設備に熱を供給するのに用いてもよい。例えば、図4に示された具体例の冷却器203及び207で廃棄された熱を、ボイラー供給水を加熱するのに用いてもよい。
【0064】
図5は、本発明の別の実施例であって単一の多成分冷媒流体システムを用いた複数のエンクロージュアを採用するものを示す。ここで、図5を参照すると、多成分冷媒流体310をコンプレッサー311に通過させることにより圧縮する。その結果生じた圧縮された多成分冷媒流体312から後置冷却器313において冷却し圧縮熱を除去して流体314を生成する。次いで、流れ314での多成分冷媒流体を、熱交換器301を通過させることにより冷却する。その結果生じた冷却された多成分冷媒流体315を熱交換器302に通すことにより更に冷却して、更に冷却された多成分冷媒流体316を生成する。多成分冷媒流体316は弁317を介することによりジュールトムソン膨張を受ける。その結果生じた冷凍を帯びた冷凍多成分冷媒流体318を、熱交換器302を通すことにより加温して間接的な熱交換によって前述の流れ315を更に冷却する効果をもたらす。これは、更に以下に述べるつもりである流れ332の冷却と同様である。その結果生じた加温された多成分冷媒流体流れ319を、熱交換器301に通すことにより更に加温し、間接的な熱交換により流れ314の前記冷却をもたらす。これは、更に以下に述べるつもりである流れ332の冷却と同様である。その結果生じた更に加温された多成分冷媒流体は、熱交換器302から流れ310としてコンプレッサー311に通す。かくてそのサイクルは、新たに開始される。
【0065】
エンクロージュア303からの大気流体を流れ320で送風機321へ通し、そこから流れ322として熱交換器301に通して、前述の更に加温された冷凍を帯びた多成分冷媒流体と間接的に熱交換することにより冷却する。その結果生じた冷却された流体流れ323をエンクロージュア303中に戻す。そこで多成分冷媒流体により生じた冷凍を使用する。エンクロージュア305からの大気流体を流れ330で送風機331に通し、そこから流れ332として熱交換器302を通過させる。それを、前述の冷凍を帯びた加温多成分冷媒流体との間接的熱交換により冷却する。その結果生じた冷凍された流体流れ333をエンクロージュア305に戻し、多成分冷媒流体により生じた冷凍を用いる。
【0066】
図に記載された多成分冷媒流れ回路は、閉ループで単一流れサイクルであるが、種々の他の流れ回路をいくらかの応用のために利用するようにしてもよい。すなわち、冷媒流れ回路は、液体の再循環(即ち、冷媒流体を相分離し、液体は分離した蒸気を再度加温しかつ更に冷却すること)を含むことができよう。そのような内部液体の再循環は、冷媒混合プロセスの融通性を提供するのに役立ち、液体の凍結の問題を避けることができる。また、要求される極低温又はエンクロージュアが複数のようないくつかの場合については、冷媒系について複数の流体循環路を利用することが望ましいかもしれない。各々の場合について、各々の分離循環路が、所定の温度範囲にわたって冷凍を提供し、かつ組み合わせた循環路が、全体の温度範囲にわたって効率的な冷凍を提供する。
【0067】
この発明を使用することにより、冷凍を断熱エンクロージュア、特に冷凍をより幅広い温度範囲(例えば、室温から極低温)にわたって要求するエンクロージュアに効率的に提供することができる。本発明は、所定の好ましい具体例によって詳細に記載されているが、当該技術における熟練者は、本特許請求の範囲の精神及び範囲内の発明の他の具体例があることを認識するものと思われる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の多成分成分冷媒冷凍システムの好ましい具体例の模式的流れ図である。
【図2】本発明の多成分成分冷媒冷凍システムの別の好ましい具体例の模式的流れ図である。
【図3】複数のレベルの冷凍が提供される本発明の別の好ましい具体例の模式的流れ図である。
【図4】複数のレベルの冷凍が提供されしかも分離が一相以上の本発明の別の好ましい具体例の模式的流れ図である。
【図5】複数のエンクロージュアを用いた本発明の別の好ましい具体例の模式的流れ図である。
【符号の説明】
51 コンプレッサー
53 冷却器
55 熱交換器
57 弁
59 断熱エンクロージュア
31 コンプレッサー
33 冷却器
35 熱交換器
37 弁
40 断熱エンクロージュア
85 相分離器
88,97,99,105,107 熱交換器
209,224 相分離器
212,221,224,227,236,239 熱交換器
301、302 熱交換器
313 後置冷却器
303,305 エンクロージュア
Claims (5)
- (A)フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン及びフルオロエーテルからなる群からの少なくとも1つの成分と、少なくとも1つの大気ガスとを含む非共沸可変負荷多成分冷媒流体を単一段階の圧縮系において圧縮する工程であって、前記多成分冷媒流体の各成分の標準沸点が該多成分冷媒流体の他のすべての成分の標準沸点と少なくとも20ケルビンだけ異なり、かつ、前記多成分冷媒流体の最高沸点成分の標準沸点が、多成分冷媒流体の最低沸点成分の標準沸点よりも少なくとも50ケルビン高い当該工程と、
(B)前記圧縮された多成分冷媒流体を冷却し、かつ少なくとも一部を凝縮する工程と、
(C)前記少なくとも一部が凝縮された多成分冷媒流体を膨張させて、冷凍を発生させる工程と、
(D)前記冷凍を帯びた多成分冷媒流体を加温し、少なくとも一部を蒸発させ、断熱エンクロージュア内で多成分冷媒流体からの冷凍を使用する工程であって、冷凍を帯びた多成分冷媒流体の該加温及び少なくとも一部の蒸発が、断熱エンクロージュア大気流体との熱交換によるもので、冷凍された断熱エンクロージュア大気流体を生成する当該工程と、
(E)前記冷凍された断熱エンクロージュア大気流体を断熱エンクロージュア内で用いて、冷凍を断熱エンクロージュアに提供する工程と
を含む冷凍を提供する方法。 - 前記工程(B)における多成分冷媒流体の冷却が、多成分冷媒流体を一部凝縮して、その結果生じた液体が用いられて前記工程(C)、(D)及び(E)を実行し、
(F)その結果生じた蒸気を冷却して冷却された流体を生成し、冷却された流体を膨張させて冷凍を発生させ、その結果生じた冷凍を保有する流体を加温して断熱エンクロージュア中で用いる冷凍流体を生成する工程を更に含む請求項1の方法。 - 前記工程(B)における多成分冷媒流体の冷却が、多成分冷媒流体を一部凝縮して、その結果生じた液体が用いられて前記工程(C)、(D)及び(E)を実行し、
(G)その結果生じた蒸気を一部凝縮して液体流体及び蒸気流体を生成し、液体流体を膨張させて冷凍を発生させ、その結果生じた冷凍を保有する液体流体を加温して断熱エンクロージュア中で用いる冷凍流体を生成する工程と、
(H)前記蒸気流体を少なくとも一部凝縮して少なくとも一部凝縮した該流体を膨張させて冷凍を発生させ、その結果生じた冷凍を保有する流体を加温して断熱エンクロージュア中で用いる冷凍流体を生成する工程とを更に含む請求項1の方法。 - 前記冷凍が、食品を冷却又は凍結するために用いられる請求項1の方法。
- 前記冷凍が、医薬を冷却又は凍結するために用いられる請求項1の方法。
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