JP5963970B2 - 冷凍装置 - Google Patents
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Description
図1は、図9に例示する実施例の超低温貯蔵庫DFの貯蔵室CB内を−80℃以下の温度(庫内温度)、例えば−85℃乃至−86℃の極低温に冷却する実施例の冷凍装置Rの冷媒回路図である。尚、冷凍装置Rの冷媒回路を構成する圧縮機1、2等は超低温貯蔵庫DFの断熱箱体IBの下部に位置する機械室MCに設置されており、蒸発器(冷媒配管)3は、断熱箱体IBの内箱ILの断熱材I側の周面に交熱的に取り付けられているものとする。
本実施例の冷凍装置Rの冷媒回路は、多元(二元)単段の冷媒回路として、それぞれ独立した冷媒閉回路を構成する高温側冷媒回路4と低温側冷媒回路6により構成されている。高温側冷媒回路4を構成する圧縮機1は、一相若しくは三相交流電源を用いる電動圧縮機である。この圧縮機1で圧縮された冷媒は、圧縮機1の吐出側に接続された冷媒吐出管7に吐出される。この冷媒吐出管7は、補助凝縮器(プレコンデンサ)8に接続される。この補助凝縮器8は前記貯蔵室CBの開口縁を加熱して露付きを防止するためのフレームパイプ9に接続される。
当該高温側冷媒回路4内には、ジフロロメタン(R32)/ペンタフロロエタン(R125)/1,1,1,2−テトラフロロエタン(R134a)共沸混合物(R407D)、或いは、ペンタフロロエタン(R125)/1,1,1−トリフロロエタン(R143a)/1,1,1,2−テトラフロロエタン(R134a)共沸混合物(R404A)、或いは、GWPが1500以下である冷媒組成物として、ジフロロメタン(R32)、ペンタフロロエタン(R125)、1,1,1,2−テトラフロロエタン(R134a)、1,1,1−トリフロロエタン(R143a)の冷媒群に、1,1,1,2,3−ペンタフロロペンテン(HFO−1234ze、GWP6、沸点−19℃)を含むフッ化炭化水素混合冷媒を含む混合冷媒、或いは、同様にGWPが1500以下である冷媒組成物として、ジフロロメタン(R32)、ペンタフロロエタン(R125)、1,1,1,2−テトラフロロエタン(R134a)、1,1,1−トリフロロエタン(R143a)の冷媒群に、1,1,1,2−テトラフロロペンテン(HFO−1234yf、GWP4、沸点−29.4℃)を含むフッ化炭化水素混合冷媒を含む混合冷媒が封入される。
図1において、破線矢印は高温側冷媒回路4を循環する冷媒の流れを示している。即ち、圧縮機1から吐出された高温ガス状冷媒は、冷媒吐出管7を介して密閉容器から吐出され、補助凝縮器8、フレームパイプ9にて放熱した後、再度密閉容器内に戻りオイルクーラ11を通過する。これにより、密閉容器内を温度低下した冷媒により冷却することができる。そして、係る高温ガス状冷媒は、低温側冷媒回路6の圧縮機2のオイルクーラ12、凝縮器13にて凝縮されて放熱液化した後、デハイドレータ14で含有する水分が除去され、二重管構造体21のキャピラリチューブ16に流入する。
他方、低温側冷媒回路6を構成する圧縮機2は、高温側冷媒回路4の圧縮機1と同様に一相若しくは三相交流電源を用いる電動圧縮機である。この圧縮機2の冷媒吐出管26は、内部熱交換器27に至る。この内部熱交換器27は、圧縮機2で圧縮され、キャピラリチューブ28に向かう途中の高圧側冷媒と蒸発器3にて蒸発し、圧縮機2に戻る途中の低圧側冷媒とを熱交換するための熱交換器である。
具体的な構造が図2に示されている。即ち、蒸発器3の出口側であって、且つ、内部熱交換器27の上流側に位置する吸込配管32の一部(蒸発器3の直後)である主管34内に、キャピラリチューブ28を挿通して図2に示すように二重管構造体33を構成している。係る二重管構造により、二重管構造体33の内側となるキャピラリチューブ28を流れる冷媒と、その外側となる主管34を流れる蒸発器3からの冷媒とが熱交換可能に構成されている。
当該低温側冷媒回路6内には、実施例では第1冷媒(主冷媒)としてのエタン(R170)と、これに混合される冷媒としての二酸化炭素(R744)、及び、ジフロロメタン(R32)を含む混合冷媒を封入する。各冷媒の沸点及びGWPは図3に示されている。エタン(R170)の沸点は−88.8℃、GWPは3、二酸化炭素(R744)の沸点は−78.4℃、GWPは1、ジフロロメタン(R32)の沸点は−51.7℃、GWPは650であり、これらを混合した冷媒組成物の沸点は、二酸化炭素(R744)による冷凍能力向上も寄与して−86℃以下となる。
図1において、実線矢印は低温側冷媒回路6を循環する冷媒の流れを示している。具体的に当該低温側冷媒回路6における冷媒の流れを説明すると、圧縮機2から吐出された高温ガス状冷媒は、冷媒吐出管26を介して密閉容器から吐出され、内部熱交換器27、凝縮器22にて凝縮されて放熱液化した後、低温側デハイドレータ31で含有する水分が除去され、キャピラリチューブ28に流入する。
ここで、前述した低温側冷媒回路6の二重管構造体33では、T字管で構成される各接続配管36の部分で、その形状に沿って冷媒の流通方向が略直角に変更されるかたちとなる(図1、図2にX1、X2で示す)。そのため、この接続配管36を冷媒が通過する際、どうしても圧力損失が生じ易い。
図4は低温側冷媒回路6に封入される冷媒組成物の総重量に対する二酸化炭素(R744)の割合(wt%)を段階的に変化させた場合の庫内温度(高さ方向の庫内中央の温度)1/2Hと蒸発器3の入口の温度(蒸発器入口温度)Eva−Inの変化を示している(外気温度+30℃)。エタン(R170)が100(wt%)のときに蒸発器入口温度Eva−Inは−91.2℃、庫内温度1/2Hは−86.0℃であった。そこに二酸化炭素(R744)を4.6(wt%)混合すると、蒸発器入口温度Eva−Inは−92.2℃、庫内温度1/2Hは−86.1℃に下がり、更に、混合する二酸化炭素(R744)を8.8(wt%)に増やすと、蒸発器入口温度Eva−Inは−93.9℃、庫内温度1/2Hは−86.3℃に下がった。
次に、係る組成、即ち、エタン(R170)が84.6(wt%)、二酸化炭素(R744)が15.4(wt%)の組成に対して、ジフロロメタン(R32)を3.1(wt%)混合した場合、各温度は安定して蒸発器入口温度Eva−Inは−91.2℃、庫内温度1/2Hは−86.8℃となった。これは接続配管36の箇所X1、X2部分に詰まったドライアイスを、二酸化炭素(R744)と溶解性が高いジフロロメタン(R32)が溶かして除去したことを表している。このときの組成は、エタン(R170)が81.9(wt%)、二酸化炭素(R744)が15.0(wt%)、ジフロロメタン(R32)が3.1(wt%)である。総重量に対するエタン(R170)と二酸化炭素(R744)の割合が減少しているのは、ジフロロメタン(R32)が入ったためである。
次に、上記低温側冷媒回路6にエタン(R170)と二酸化炭素(R744)に加えて、1,1,1,2−テトラフロロエタン(R134a)を混合してドライアイス化を解消した場合を説明する。前述の実施例では二酸化炭素(R744)との溶解性が高い冷媒(第2冷媒)としてジフロロメタン(R32)を用いたが、この実施例の1,1,1,2−テトラフロロエタン(R134a)も二酸化炭素(R744)の沸点より低い温度において当該二酸化炭素(R744)との溶解性が高い冷媒(第2冷媒)である。尚、1,1,1,2−テトラフロロエタン(R134a)の沸点は−26.1℃、GWPは1300である。また、不燃性でもあり、混合冷媒の不燃化の効果も期待できる。
次に、係る組成、即ち、エタン(R170)が85.2(wt%)、二酸化炭素(R744)が14.8(wt%)の組成に対して、1,1,1,2−テトラフロロエタン(R134a)を4.6(wt%)混合した場合、各温度は安定して蒸発器入口温度Eva−Inは−92.9℃、庫内温度1/2Hは−86.5℃となった。これは接続配管36の箇所X1、X2部分に詰まったドライアイスを、二酸化炭素(R744)と溶解性が高い1,1,1,2−テトラフロロエタン(R134a)が溶かして除去したことを表している。このときの組成は、エタン(R170)が81.3(wt%)、二酸化炭素(R744)が14.1(wt%)、1,1,1,2−テトラフロロエタン(R134a)が4.6(wt%)である。総重量に対するエタン(R170)と二酸化炭素(R744)の割合が減少しているのは、1,1,1,2−テトラフロロエタン(R134a)が4.6(wt%)が入ったためである。
次に、上記低温側冷媒回路6にエタン(R170)の代わりに第1冷媒としてジフルオロエチレン(R1132a)を封入した場合について説明する。この場合の冷媒組成物は、ジフルオロエチレン(R1132a)と二酸化炭素(R744)とジフロロメタン(R32)となり、この組成によって二酸化炭素のドライアイス化を解消した場合である。尚、ジフルオロエチレン(R1132a)の沸点は−83.5℃、GWPは10である。
次に、係る組成、即ち、ジフルオロエチレン(R1132a)が79.2(wt%)、二酸化炭素(R744)が20.8(wt%)の組成に対して、ジフロロメタン(R32)を1.1(wt%)混合した場合、各温度は安定して蒸発器入口温度Eva−Inは−91.6℃、蒸発器出口温度Eva−Outは−91.4℃、庫内温度1/2Hは−89.3℃となった。これは接続配管36の箇所X1、X2部分に詰まったドライアイスを、二酸化炭素(R744)と溶解性が高いジフロロメタン(R32)が溶かして除去したことを表している。このときの組成は、ジフルオロエチレン(R1132a)が78.3(wt%)、二酸化炭素(R744)が20.6(wt%)、ジフロロメタン(R32)が1.1(wt%)である。総重量に対するジフルオロエチレン(R1132a)と二酸化炭素(R744)の割合が減少しているのは、ジフロロメタン(R32)が入ったためである。
3、19 蒸発器
4 高温側冷媒回路
6 低温側冷媒回路
13、22 凝縮器
16、28 キャピラリチューブ
17 カスケード熱交換器
32 吸込配管
33 二重管構造体
34 主管
36 接続配管
DF 超低温貯蔵庫
R 冷凍装置
Claims (10)
- 圧縮機から吐出された冷媒を凝縮した後、キャピラリチューブで減圧し、蒸発器にて蒸発させて冷凍効果を発揮する冷媒回路を備え、
該冷媒回路中の冷媒として、沸点が−89.0℃以上、−78.1℃以下の極低温域の第1冷媒と、二酸化炭素(R744)とを含む混合冷媒を封入し、前記第1冷媒を前記蒸発器にて蒸発させることにより−80℃以下の冷凍効果を発揮させると共に、
前記蒸発器から前記圧縮機に帰還する冷媒が通過する吸込配管の少なくとも一部を加熱することにより、前記吸込配管内において、前記二酸化炭素(R744)を液相又は気相に維持させる又は固化した前記二酸化炭素(R744)を融解させるヒータを設けたことを特徴とする冷凍装置。 - 前記蒸発器から前記圧縮機に帰還する冷媒が通過する前記吸込配管の少なくとも一部を、主管と、該主管の両端にそれぞれ接続された接続配管とから構成し、前記キャピラリチューブを前記主管内に挿入し、両端の前記接続配管から引き出すことで二重管構造体とすると共に、前記ヒータが前記二重管構造体の少なくとも一部を加熱することを特徴とする請求項1に記載の冷凍装置。
- 前記混合冷媒は、前記二酸化炭素(R744)の沸点より低い温度において該二酸化炭素(R744)との溶解性を有する第2冷媒をさらに含むことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の冷凍装置。
- 圧縮機から吐出された冷媒を凝縮した後、キャピラリチューブで減圧し、蒸発器にて蒸発させて冷凍効果を発揮する冷媒回路を備え、
前記蒸発器から前記圧縮機に帰還する冷媒が通過する吸込配管の少なくとも一部を、主管と、該主管の両端にそれぞれ接続された接続配管とから構成し、前記キャピラリチューブを前記主管内に挿入し、両端の前記接続配管から引き出すことで二重管構造体とすると共に、
前記冷媒回路中の冷媒として、沸点が−89.0℃以上、−78.1℃以下の極低温域の第1冷媒と、二酸化炭素(R744)と、該二酸化炭素(R744)の沸点より低い温度において該二酸化炭素(R744)と溶解性を有する第2冷媒とを含む混合冷媒を封入したことを特徴とする冷凍装置。 - 前記二重管構造体の少なくとも一部を加熱するヒータを設けたことを特徴とする請求項4に記載の冷凍装置。
- 前記ヒータの通電を制御する制御手段を備え、
該制御手段は、前記二重管構造体の温度が所定値以下に低下した場合、前記ヒータに通電することを特徴とする請求項2又は請求項5に記載の冷凍装置。 - 前記制御手段は、前記二重管構造体の温度が所定値以下に低下し、且つ、前記冷凍効果で冷却される対象の温度が設定値に対して上昇した場合、前記ヒータに通電することを特徴とする請求項6に記載の冷凍装置。
- 高温側冷媒回路と、低温側冷媒回路とを備え、前記高温側冷媒回路の蒸発器と前記低温側冷媒回路の凝縮器とでカスケード熱交換器が構成され、前記低温側冷媒回路に前記二重管構造体が設けられ、
前記低温側冷媒回路に、前記混合冷媒が封入され、又は、それに加えて前記ヒータが設けられていることを特徴とする請求項2、請求項5乃至請求項7のうちの何れかに記載の冷凍装置。 - 前記接続配管は、圧力損失が生じ易い形状を呈していることを特徴とする請求項2、請求項4乃至請求項8のうちの何れかに記載の冷凍装置。
- 前記接続配管は、T字管であることを特徴とする請求項9に記載の冷凍装置。
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