JPH10507211A - 極低温混合ガス冷媒 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ８０°Ｋから１００°Ｋの極低温の温度範囲で３０気圧までの高圧を発生する１段式圧縮機に使用する極低温用混合ガス冷媒。この冷媒は、３０から５０モル％の窒素、２０モル％未満のメタン、３０モル％を越える量のプロパン、および残余のブタンから成る。

Description

【発明の詳細な説明】 極低温混合ガス冷媒 本発明は混合ガス冷媒に関し、さらに詳細には、好ましくは８０°Ｋから１０ ０°Ｋ迄の温度の極低温範囲で使用され、従来の極低温冷媒に比べて、改良され た効率及び温度安定性を提供する極低温用の混合ガス冷媒に関する。 発明の背景 通常の家庭用又は商業用の冷凍温度範囲で作動するクローズド・サイクル式冷 凍システムでは、使用される冷媒は、典型的にはフレオンタイプの純粋なガス、 あるいはより最近では、構成成分の１つとして少なくともフレオンを利用した混 合ガスである。家庭用の冷凍の範囲で作動するそのような冷凍システムでは、望 まれる圧力比、温度範囲、および、必要な効率を充分に達成し得る装置が利用さ れる。 冷却システムを極低温の領域で作動させる場合には、冷媒は、通常、窒素、ア ルゴン、ヘリウム、メタンなどのように沸点が１２０°Ｋ以下のものである。こ れらの極低温ガスは、典型的には、多段式圧縮機又は高圧オイルレス圧縮機を用 いた非常に高圧のガスシステムの使用を必要とする。従って、これらのシステム は、製造及び運転に多くのコストがかかり、また頻繁なメンテナンスを必要とす る。 コストが安く、より効率的な極低温システムを提供するために、極低温範囲で 使用するための混合ガス冷媒が数多く提案されている。実際に、そのような多く の混合ガス組成物が提供されている。これらのものは、典型的には、窒素、アル ゴン、ネオンのような周知の標準的な極低温冷媒と、メタン、エタン、プロパン 、およびイソブタンのような各種の炭化水素とを、各種の組み合わせで混合して いる。これらの製品はそれぞれ、種々の成分が特定の比率となるような、要素の 特定の組合せを与えている。 現在までに、混合ガス極低温冷媒を記述している参考文献の１つはロシア特許 第６２７，１５４号である。この特許は、窒素を各種の炭化水素と混合する混合 ガス冷媒を示唆する。示唆された混合ガス冷媒の１つは、窒素２５−４０モル重 量パーセント、メタン２０−３５モル重量パーセント、エタン１５−３５モル重 量パーセント、およびプロパン２５−４５モル重量パーセントの組成としたもの である。 上記と同じ成分で、組成比が異なる組み合わせを示唆する参考文献として、英 国特許第１，３３６，８９２号がある。この文献でも、窒素のような標準的な極 低温冷媒を各種の炭化水素と組み合わせた多くの処方が示唆されている。また、 これらの組み合わせの１つとして、窒素２０−７０モル重量パーセント（厳密に は容積比で表示）；メタン１０−３０モル重量パーセント；エタン１０−２５モ ル重量パーセント；およびプロパン１０−２５モル重量パーセントの組成のもの が教示されている。 上記２つの参考文献はそれぞれ、同じ４種類の成分を特定の割合で配合した組 成物を教示したものであるが、効率と、圧縮機に入るガスの単位容積当りの冷凍 能力とは、これらの組み合わせによって異なることが判明した。さらに、極低温 システムに必要とされる特定の温度及び圧力条件を理解することによって、効率 と圧縮機に入るガスの単位容積当りの冷却能力とをさらに高くかつ予期し得ない レベルに改善するために、これら成分のモル分率の範囲をもっと効果的に選定で きることが判った。そのような予期し得ない結果は、各種構成成分の濃度比率を 改めて規定し直すことによって見出されたものであり、その濃度比率は予期し得 ない改善を与えた。 発明の要旨 従って、本発明の目的は、従来技術の混合ガス冷媒に比べて、高い効率と改良 された温度安定性とをもたらす極低温用の混合ガス冷媒を提供することにある。 本発明の別の目的は、２５−３０気圧までの高圧を発生する１段式圧縮機に利 用でき、８０°Ｋから１００°Ｋの温度範囲の極低温に使用される混合ガス冷媒 を提供することにある。 具体的には、本発明により、３０気圧までの高圧で８０°Ｋから１００°Ｋ迄 の温度範囲で使用でき、３０−５０モル％の窒素、３０モル％未満のメタン、３ ０モル％超のプロパン、及び、残余のブタンを含有する混合ガス極低温冷媒が提 供される。 図面の簡単な説明 本発明の特徴と考えられる新規な特性については、添付の請求項に述べられて いる。本発明自体及びその他の目的や利点は、下記の添付図面とともに、以下の 詳細な説明を参照することによって最もよく理解される。図面は、 図１は１段式極低温冷凍システムの概略図、 図２は混合ガス冷媒の熱力学サイクルの温度―エンタルピー線図である。 発明の詳細な説明 本発明の極低温域のための混合ガス式冷媒は、極低温範囲で運転される典型的 なジュール・トムソン（ＪＴ）サイクルに使用されるものである。もしその冷凍 設備が油潤滑式の圧縮機を使用している場合には、油分離機を使用し、低温ブロ ックに流入する前に高圧の混合ガス冷媒流を清浄なものにする必要があろう。そ のような冷凍設備の基本的な構成を図１に示す。同図において、圧縮機１０は、 混合ガス冷媒及びこれに混入した油を低圧入口１２から周期的に受け入れ、圧縮 されたガス及び混入した油を高圧ライン１４へ排出する。圧縮されたガスはアフ タークーラー１６へ送られる。アフタークーラー１６は空冷又は水冷式のもので 、圧縮熱を除去し、且つ、おそらくはガス混合体中の高温成分を凝縮する作用が ある。ライン１８に沿ってアフタークーラーから出ると油分離機２０に入る。油 分離機２０は単純なガス―液体フィルターでよい。油分離機２０は圧縮されたガ ス混合体及び混入した油を受け入れ、油をガスから分離する作用がある。油はラ イン２４上のバルブ２２を経由して圧縮機１０に戻される。高圧ライン２６に沿 って流れる混合ガスは再生式熱交換器２８に送られる。典型的には、この熱交換 器は真空断熱容器に入れられたＪＴクリオスタットとすることができる。中間の 相分離機は一切不要である。このクリオスタットは、向流式熱交換器を含み、該 向流式熱交換器では、流入する液体の流れはすべて流入高圧コイルを通って低温 端へ流れ、そこでＪＴスロットルバルブ３０を通過する際に圧力が低下する。液 体の流れは、次いで蒸発器３２を通り、そこで、冷却されつつある負荷から熱を 吸収し、ライン３４に沿ってクリオスタットの低圧コイルを通ってクリオスタッ ト２８の高温端に戻る。この流れは次に、低圧ライン３６を通って圧縮機１０に 尻る。 この形式のＪＴサイクル冷凍設備用の混合ガス冷媒として種々のものが提案さ れており、従来技術で記述されている。高い効率を得るためには、混合ガスは窒 素やアルゴンのような低沸点成分と、炭化水素やそのハロゲン誘導体のような高 沸点成分とを含むべきである。混合ガス冷媒の組成および各成分の濃度限界は、 下記のパラメータに関して求めることができる。 Ｔa−周囲温度、°Ｋ Ｔc−冷却温度、°Ｋ Ｐh−サイクルの高圧側圧力、Ｍpa Ｐl−サイクルの低圧側圧力、Ｍpa Ｗ −圧縮機の比仕事量、Ｗ／（ｇ／ｓ） Ｑv−圧縮機に入るガスの単位容積当りの冷凍能力、Ｊ／ｍ³ ｑc−比冷凍能力、Ｗ／（ｇ／ｓ） Ｅff−カルノー対比効率 ｈ −エンタルピー、Ｊ／ｇ Ｓ −エントロピー、Ｊ／ｇｋ ｖ −比容積、Ｌ／ｇ 上記で定義した圧縮機の比仕事量、同じく前述の比冷凍能力及び効率は全て、 下記のようにその他のパラメータと関係する。 Ｗ ＝（ｈ₇−ｈ₆）−Ｔa（Ｓ₇−Ｓ₆） ｑc＝ｈ₄−ｈ₃（ＰhとＰlの間の最小ｈ） Ｅff＝ｑc[（Ｔa／Ｔc）−１]／Ｗ Ｑv＝（ｈ₄−ｈ₃）／ｖ₆ これらの状態点の場所は添付図１および２に示されている。 蒸発器内の温度を一定にするためには、図２に示されているように２つの液相 Ｌ１およびＬ２に分れるような混合ガス冷媒ブレンドを使用する必要がある。こ れらの液相は低温では混合されなく、その非混和領域は線図中に破線で示されて いる。 典型的な空調サービス用に設計された１段式圧縮機を使用し且つ極低温範囲で 利用するためには、運転圧力は約２０／２気圧とすべきである。良好な効率を得 るためには、混合ガス冷媒の臨界圧力は最高運転圧力よりも高くすべきである。 この場合、公知の混合冷媒ブレンドのあるものは、臨界温度がＴaよりも高い１ つ又はそれ以上の成分を大量に含み、従って点８において液相を形成することが ある。図１において、点８は周囲温度Ｔaおよび高圧側圧力Ｐhに関係することに なる。その結果、このような公知のブレンドは種々の理由によって、油潤滑式圧 縮機を使用する冷凍設備に使用することが出来ない。 第１には、もしアフタークーラー中に液体が形成されると、その液体は油分離 機において、油とともに流れから除去される。その結果、冷媒は熱交換器、スロ ットル、および蒸発器を通って循環しないことになる。さらに、もし周囲温度Ｔ aが変化した場合には、高沸点成分が油に溶解し又は油から放出されるにつれて 、低温ブロックを循環する混合ガス冷媒の組成もまた変化することになる。 同時に、ガス混合体中の高沸点成分の存在はサイクルの出力効率を高めること ができ、比冷却能力もまたより高いものとなる。従って、高沸点成分の存在を最 適化し、且つ、混合物中の油の粘度を低下させないことによって油の問題を抑さ えることが必要である。 約２２／２気圧の圧力で作動する１段式圧縮機を使用する場合は特に、混合ガ ス冷媒の組成及び割合を最適化して、従来技術の効率よりも高い効率を達成する ことが可能である。例示すれば、ロシア特許第６２７，１５４号は下記のような 混合ガス式極低温冷媒の組成を示唆している。 窒素 モル分率２５−４０％ メタン モル分率２０−２５％ エタン モル分率１５−３５％ プロパン モル分率２５−４５％ 同様に、英国特許第１，３３６，８９２号は下記のように同じ成分のもので、 構成比の異なるものを示唆している。 窒素 モル分率２０−７０％ メタン モル分率１０−３０％ エタン モル分率１０−２５％ プロパン モル分率１０−２５％ 本発明は、上記構成を使用しても、最高の効率値及び最高のＱｖ値を得ること が出来ないことを発見した。逆に、下記の組成がより高い効率をもたらすもので あることを発見した。 窒素 モル分率３０−５０％ メタン モル分率２０％未満 プロパン モル分率３０％超 エタン 残余 本発明の独特な特定の組み合わせにより効率及びＱｖ値が改善されることが判 明した。効率値によって混合ガス冷媒の出力効率を推定することができ、一方Ｑ ｖ値は同じサイズの圧縮機を有する冷凍設備の冷却能力を表わすものである。 例示として、下記の表は本発明とロシア特許第６２７，１５４号の混合物の性 能比較を示したものである。比較は１段式の油潤滑圧縮機の場合の典型的な運転 圧力で行った。本発明の範囲に含まれ、本発明で保護される幾らかのガス混合体 について、いくつかの運転圧力下における性能を示す： さらに、５つの組成物を調製したが、Ｎｏ．１、２および５は本発明に基づい て調製したものであり、組成Ｎｏ．３は英国特許第１，３３６，８９２号、およ び組成Ｎｏ．４はロシア特許第６２７，１５４号に相当するものである。これら を下表５に示す。 表６を参照すると、これら５つの混合ガス冷媒について、２２気圧の高圧運転 、Ｑｃ＝１ワット、およびＴａが３００°Ｋにおけるサイクル特性が比較されて いる。 比較項目のすべてにおいて、本発明の独特な特定の混合物は、公知のいずれの ものをも凌駕し、且つ予期し得ず改善された効率を示した。組成物の構成割合を 変えることによって、そのような予期し得ない効率改善が達成されることは、ま ったく予測できなかったことである。 なお、エタンに代えてエチレンを使用すると、冷却温度が８５°Ｋから１００ °Ｋの間においてカルノー出力効率を達成することができたが、これは特に冷却 温度をｄｔ＝０．１以下に安定化させるために少量のメタンを含ませた混合物の 場合に達成できた。 また、窒素およびメタンの両方の低沸点成分の合計含有量を４０−５５モル％ の範囲に限定すべきであると実験的に確認されたことにも留意すべきである。 以上本発明の特定の実施態様について記述したが、多くの変形が可能であり、 そのような変形は、添付の請求項において採用した用語の範囲を広く解釈するこ とによって包含することを意図するものである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年９月２２日 【補正内容】 請求の範囲 １． ８０°Ｋから１００°Ｋまでの温度範囲において約３０気圧までの高圧を 発生する油潤滑式圧縮機を備えたスロットル式冷凍設備に使用する混合ガス極低 温冷媒であって、下記組成 窒素 ３０−５０モル％、 メタン 少なくとも少量を含み２０モル％未満、 プロパン ３０モル％超、及び エタン又はエチレン 残余 を有する冷媒。 ２．窒素およびメタンの合計量が４０−５０％の範囲である、請求項１に記載の 混合ガス極低温冷媒。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ビクトール・アイ・モゴルイクニー ロシア連邦 モスクワ ジュコフスキー オシペンコ ２／４―８ (72)発明者 ラリー・クルジミール アメリカ合衆国 ペンシルヴェニア州 18104 アレンタウン ハロルドアベニュ ー 1986

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ８０°Ｋから１００°Ｋまでの温度範囲において約３０気圧までの高圧を 発生する油潤滑式圧縮機を備えたスロットル式冷凍設備に使用する混合ガス極低 温冷媒であって、下記組成 窒素 モル分率３０−５０％、 メタン 少なくとも少量を含み２０モル％未満、 プロパン ３０モル％超、及び エタン又はエチレン 残余 を有する冷媒。 ２．窒素およびメタンの合計量が４０−５０％の範囲である、請求項１に記載の 混合ガス極低温冷媒。