WO2023127459A1 - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

冷凍装置は、蒸発器から圧縮機に向かって流れる冷媒によって、膨張装置内を流れる冷媒を冷却する熱交換器を有し、冷媒が循環する冷凍回路、並びに、凝縮器を冷却する冷却風を発生させるファンを備える冷凍装置であって、冷媒は、高沸点冷媒、高沸点冷媒よりも沸点が低い中沸点冷媒、および、中沸点冷媒よりも沸点が低い低沸点冷媒を含む非共沸混合冷媒であり、５０重量％以上かつ８０重量％以下の高沸点冷媒と、１０重量％以上かつ５０重量％未満の前記中沸点冷媒と、２０重量％未満の低沸点冷媒とを含んでおり、冷媒における高沸点冷媒の含有量は中沸点冷媒の含有量よりも多く、冷媒における中沸点冷媒の含有量は低沸点冷媒の含有量よりも多く、圧縮機から導出され凝縮器に流入する冷媒が通過する配管は、配管内を流れる冷媒が、冷却風に対して向流となる向流構成部を有している。

Description

冷凍装置

　本発明は、冷凍装置に関する。

　特許文献１には、フルオロカーボンいわゆるフロン系の冷媒を含まない非共沸混合冷媒が循環し、対象物の温度を－６０℃以下にする冷凍回路が開示されている。

特開２００９－１０２５６７号公報

　混合冷媒の種類および比率、並びに、冷凍回路の周囲温度は、冷凍回路の冷凍能力に影響を及ぼす。具体的には、混合される冷媒の種類および比率が不適切であり、凝縮行程において混合冷媒が十分に液化しない場合、蒸発器で蒸発する混合冷媒の量が少なくなり、冷凍回路の冷凍能力が低下する。また、周囲温度が高くなり、凝縮行程において混合冷媒が十分に液化しない場合、冷凍回路の冷凍能力が低下する。

　本開示は、前記従来の課題を解決するもので、冷凍装置の冷凍能力を安定化することを目的とする。

　前記目的を達成するために、本開示における冷凍装置は、圧縮機、凝縮器、膨張装置、蒸発器、および、蒸発器から圧縮機に向かって流れる冷媒によって、膨張装置内を流れる冷媒を冷却する熱交換器を有し、冷媒が循環する冷凍回路、並びに、凝縮器を冷却する冷却風を発生させるファンを備える冷凍装置であって、冷媒は、高沸点冷媒、高沸点冷媒よりも沸点が低い中沸点冷媒、および、中沸点冷媒よりも沸点が低い低沸点冷媒を含む非共沸混合冷媒であり、５０重量％以上かつ８０重量％以下の高沸点冷媒と、１０重量％以上かつ５０重量％未満の前記中沸点冷媒と、２０重量％未満の低沸点冷媒とを含んでおり、冷媒における高沸点冷媒の含有量は中沸点冷媒の含有量よりも多く、冷媒における中沸点冷媒の含有量は低沸点冷媒の含有量よりも多く、圧縮機から導出され凝縮器に流入する冷媒が通過する配管は、配管内を流れる冷媒が、冷却風に対して向流となる向流構成部を有している。

　本開示の一態様に係る冷凍装置は、冷凍能力を安定化することができる。

本開示の実施形態における冷凍装置の斜視図 冷凍回路の概要図 高沸点冷媒群、中沸点冷媒群および低沸点冷媒群を示す図 圧縮機、ファン、凝縮器および配管の平面図 ファンから見た圧縮機および配管の側面図 冷媒のＴ－ｓ線図 比較例の冷媒のＴ－ｓ線図 本開示の変形例に係る冷媒のＴ－ｓ線図 本開示の変形例に係る冷媒のＴ－ｓ線図 本開示の変形例に係る冷媒のＴ－ｓ線図 本開示の変形例に係る冷媒のＴ－ｓ線図 本開示の変形例に係る冷媒のＴ－ｓ線図 本開示の変形例における冷凍回路の概要図

　以下、本開示の実施形態における冷凍装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下では、図１の矢印で示されるように、使用時にユーザが正対する側を冷凍装置の前方とし、その反対側を冷凍装置の後方とする。また、冷凍装置を前方から見たときの左側および右側を冷凍装置の左方および右方とする。また、冷凍装置が設置される面から離れる側を冷凍装置の上方とし、その反対側を冷凍装置の下方とする。

　図１は、冷凍装置の一例を示す斜視図である。冷凍装置１は、生体組織等の試料を－８０℃以下の超低温にて保管可能な超低温貯蔵庫である。なお、冷凍装置１は、超低温フリーザ、薬用保冷庫、血液保冷庫または恒温器であってもよい。冷凍装置１は、本体部１０、機械部２０、および、後述する冷凍回路３０を備えている。

　本体部１０は、上方を開口する保管室を内部に有する筐体１１、および、開口を開閉する扉１２を有している。保管室は、試料が保管される空間であり、超低温に冷却される。

　機械部２０には、後述する圧縮機３１などが収納されている。

　図２は、冷凍回路３０の概要図である。冷凍回路３０は、保管室を冷却する。冷凍回路３０は、圧縮機３１、凝縮器３２、膨張装置３３、蒸発器３４、熱交換器３５、第２の熱交換器３６、および、冷媒が流れる配管３７を有している。

　圧縮機３１は、冷媒の圧力値が１ＭＰａ以上となるように、冷媒を圧縮する。これにより、冷媒が冷凍回路３０を適切に循環する。

　凝縮器３２は、例えば、ワイヤーチューブ式コンデンサである。これにより、冷媒を効率よく冷却することができる。なお、凝縮器３２は、パイプオンシート式コンデンサ、クロスフィン型コンデンサ、または、マイクロチャンネルコンデンサでもよいが、これらに限定されないことは言うまでもない。

　熱交換器３５は、２重管式の熱交換器である。熱交換器３５は、凝縮器３２と蒸発器３４との間に配置されている。熱交換器３５の内管３５ａは、膨張装置３３である。膨張装置３３は、例えば、キャピラリーチューブである。膨張装置３３には、圧縮機３１から蒸発器３４に向けて冷媒が流れる。熱交換器３５の外管３５ｂには、蒸発器３４から圧縮機３１に向けて冷媒が流れる。以下、蒸発器３４から圧縮機３１に向けて流れる冷媒を、戻り冷媒と称する。

　第２の熱交換器３６は、２重管式の熱交換器である。第２の熱交換器３６は、凝縮器３２と熱交換器３５との間に配置されている。第２の熱交換器３６の内管３６ａには、圧縮機３１から蒸発器３４に向けて冷媒が流れる。第２の熱交換器３６の外管３６ｂには、戻り冷媒が流れる。なお、第２の熱交換器３６は、断熱材（例えば発泡体）で覆われていてもよい。

　冷媒は、高沸点冷媒、高沸点冷媒よりも沸点が低い中沸点冷媒、および、中沸点冷媒よりも沸点が低い低沸点冷媒が混合されている非共沸混合冷媒である。

　図３は、高沸点冷媒群、中沸点冷媒群および低沸点冷媒群を示す図である。高沸点冷媒は、高沸点冷媒群から選択される。高沸点冷媒群は、炭化水素ガスであるノルマルブタン（沸点：－０．５５℃、冷媒番号：Ｒ６００）、および、イソブタン（沸点：－１１．７℃、冷媒番号：Ｒ６００ａ）を有する。なお、冷媒番号は、アメリカ暖房冷凍空調学会（ＡＳＨＲＡＥ）のＳｔａｎｄａｒｄ３４規格に基づく番号である。

　中沸点冷媒は、中沸点冷媒群から選択される。中沸点冷媒群は、炭化水素ガスであるエタン（沸点：－８８．６℃、冷媒番号：Ｒ１７０）、および、エチレン（沸点：－１０３．６８℃、冷媒番号：Ｒ１１５０）、並びに、希ガスであるキセノン（沸点：－１０８．１℃）を有する。

　低沸点冷媒は、低沸点冷媒群から選択される。低沸点冷媒群は、炭化水素ガスであるメタン（沸点：－１６１．４９℃、冷媒番号：Ｒ５０）、および、希ガスであるクリプトン（沸点：－１５３．３５℃）を有する。

　冷媒の総重量は、１５０ｇ以下に定められている。これにより、ＩＥＣ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ）規格に準ずることができる。また、本実施形態の冷媒を構成する炭化水素ガスおよび希ガスは、環境負荷を抑制することができる。

　また、冷媒全体に対する高沸点冷媒の割合は、５０重量％以上かつ８０重量％以下に定められている。冷媒全体に対する中沸点冷媒の割合は、１０重量％以上かつ５０重量％未満に定められている。冷媒全体に対する低沸点冷媒の割合は、２０重量％以下に定められている。そして、冷媒全体に対して中沸点冷媒および低沸点冷媒を合わせた冷媒の割合は、５０重量％以下に定められている。また、冷媒における高沸点冷媒の含有量は中沸点冷媒の含有量よりも多く、冷媒における中沸点冷媒の含有量は低沸点冷媒の含有量よりも多くなるように定められている。

　さらに、冷凍回路３０において蒸発器３４から圧縮機３１に向かって流れる冷媒が熱交換器３５の外管３５ｂに流入するときの冷媒の温度は、低沸点冷媒の臨界温度以下となるように、高沸点冷媒、中沸点冷媒および低沸点冷媒が選択され、高沸点冷媒、中沸点冷媒および低沸点冷媒の冷媒全体に対する割合が定められている。これにより、後述するように、膨張装置３３を流れる冷媒の液化を促進させることができる。

　また、冷凍回路３０において圧縮機３１で圧縮された冷媒の圧力値が、２ＭＰａ以下となるように、高沸点冷媒、中沸点冷媒および低沸点冷媒の種類および冷媒全体に対する割合が定められている。これにより、後述するように、冷媒を十分に液化させること、および、冷媒の低温化を図ることができる。

　本実施形態の冷媒において、高沸点冷媒はノルマルブタンに定められ、中沸点冷媒はエタンに定められ、低沸点冷媒はメタンに定められている。また。本実施形態の冷媒において、高沸点冷媒は５０重量％に定められ、中沸点冷媒は３０重量％に定められ、低沸点冷媒は２０重量％に定められている。なお、冷媒は、オイルキャリアとしてペンタンを有している。

　また、冷凍装置１は、ファン４０をさらに備えている。

　図４は、機械部２０の内部の平面図である。機械部２０は、前壁に前開口部２１、および、後壁に後開口部２２を有している。前開口部２１と後開口部２２とは、前後方向において対向している。なお、前開口部２１および後開口部２２の位置が図４に示す位置に限定されないことは言うまでもない。機械部２０には、圧縮機３１、ファン４０、凝縮器３２、および、圧縮機３１と凝縮器３２とを接続する配管３７が収納されている。

　ファン４０は、凝縮器３２を冷却する冷却風を発生させる。ファン４０は、前後方向において、前開口部２１と後開口部２２との間に配置されている。ファン４０が回転することで、機械部２０の周囲の外気が前開口部２１から機械部２０に吸入され、機械部２０の空気が後開口部２２から排出される。つまり、ファン４０が発生させる冷却風は、機械部２０の内部を前後方向に沿って、前方から後方に向けて流れる。図４の実線の太矢印は、冷却風の流れを示している。なお、機械部２０の周囲の外気は、冷凍装置１が設置されている室内の空気である。外気の温度は、およそ０～３０℃である。

　凝縮器３２、ファン４０、および、圧縮機３１は、この順に、冷却風の流れる方向（すなわち前後方向）に沿って並ぶように配置されている。凝縮器３２は、前開口部２１とファン４０との間に配置されている。つまり、凝縮器３２は、前開口部２１から吸入された外気によって冷却される。

　圧縮機３１は、ファン４０と後開口部２２との間に配置されている。また、圧縮機３１は、冷媒を配管３７に導出する導出部３１ａがファン４０と対向するように配置されている。また、導出部３１ａにおいて冷媒が流れる向きが前後方向に沿って後方から前方に向くように、圧縮機３１は配置されている。つまり、導出部３１ａにおける冷媒の流れは、冷却風に対して向流となる。よって、導出部３１ａを流れる冷媒は、冷却風によって効率よく冷却される。なお、圧縮機３１の配置は、導出部３１ａにおける冷媒の流れが冷却風に対して向流とならない配置でもよい。

　配管３７は、圧縮機３１から導出されて凝縮器３２に流入する冷媒が通過する部位であり、配管３７内を流れる冷媒が冷却風に対して向流となる向流構成部３７ａを有している。向流構成部３７ａは、圧縮機３１と凝縮器３２との間において、冷却風の流れる方向（すなわち前後方向）に沿って延びるように配置されている。

　向流構成部３７ａにおいて、冷媒は、前後方向に沿って後方から前方に向けて流れる。つまり、向流構成部３７ａにおける冷媒の流れは、冷却風に対して向流となる。よって、向流構成部３７ａを流れる冷媒は、冷却風によって効率よく冷却される。

　さらに、配管３７は、圧縮機３１から導出されて凝縮器３２に流入する冷媒が通過する部位であり、配管３７内を流れる冷媒が冷却風に対して交差するように流れる交差流構成部３７ｂを有している。

　図５は、ファン４０から見た圧縮機３１および配管３７の側面図である。図５の二点鎖線は、ファン４０の外形を示している。交差流構成部３７ｂは、ファン４０と圧縮機３１との間において、左右方向に沿って左方から右方に冷媒が流れる第１部位３７ｂ１と、上下方向に沿って下方から上方に冷媒が流れる第２部位３７ｂ２と、左右方向に沿って右方から左方に冷媒が流れる第３部位３７ｂ３と、を有している。つまり、第１～第３部位３７ｂ１～３７ｂ３において、冷媒は、冷却風に対して直交するように流れる。

　よって、第１～第３部位３７ｂ１～３７ｂ３すなわち交差流構成部３７ｂを流れる冷媒は、冷却風によって冷却される。導出部３１ａから流出した冷媒は、第１部位３７ｂ１、第２部位３７ｂ２、第３部位３７ｂ３、および、向流構成部３７ａの順に流れて、凝縮器３２に流入する。

　次に、冷凍装置１の動作を冷媒の流れに沿って説明する。

　圧縮機３１において、上記のように冷媒の圧力値が１ＭＰａ以上かつ２ＭＰａ以下となるように、冷媒は圧縮される。圧縮機３１で圧縮された冷媒の圧力が高くなるほど、圧縮機３１で圧縮されたときの冷媒の温度は高くなる。よって、冷媒の圧力値が１ＭＰａ以上かつ２ＭＰａ以下であるときの冷媒の温度は、冷媒の圧力値が２ＭＰａより高いときの冷媒の温度より低い。

　冷媒は、導出部３１ａを通過する際に冷却風によって冷却される。圧縮機３１の導出部３１ａから導出された冷媒は、交差流構成部３７ｂおよび向流構成部３７ａを流れる際に冷却風によって冷却され、凝縮器３２に流入する。凝縮器３２において、冷媒は、冷却風によって冷却される。

　導出部３１ａ、交差流構成部３７ｂ、向流構成部３７ａおよび凝縮器３２で冷媒が効率よく冷却される。また、上記のように、冷媒の圧力値が２ＭＰａ以下である場合の冷媒の温度は、冷媒の圧力値が２ＭＰより高い場合の冷媒の温度より低い。これにより、冷媒が凝縮器３２から流出して第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するまでに、冷媒の温度は、冷却風の温度すなわち外気の温度まで低下し、少なくとも高沸点冷媒の一部が液化する。

　第２の熱交換器３６の内管３６ａにおいて、冷媒は、第２の熱交換器３６の外管３６ｂを流れる戻り冷媒によって冷却される。第２の熱交換器３６の内管３６ａにおいて、少なくとも高沸点冷媒の一部および中沸点冷媒の一部が液化する。第２の熱交換器３６から流出した冷媒は、熱交換器３５の内管３５ａすなわち膨張装置３３に流入する。

　膨張装置３３において、冷媒の圧力および温度が低下する。また、膨張装置３３において、冷媒は、熱交換器３５の外管３５ｂを流れる戻り冷媒によって冷却される。上記のように、熱交換器３５の外管３５ｂに流入するときの戻り冷媒の温度は低沸点冷媒の臨界温度以下であり、膨張装置３３を流れる冷媒の冷却が促進される。

　これにより、膨張装置３３を流れる冷媒のほぼ全部が液化する。よって、保管室の温度を－８０℃以下の超低温にするために蒸発器３４で気化する冷媒の量を確保することができる。膨張装置３３から流出した冷媒は、蒸発器３４に流入する。

　蒸発器３４において、保管室の空気の熱が冷媒に吸収されることで、保管室の空気が冷却され、冷媒が気化する。蒸発器３４から流出した冷媒は、熱交換器３５の外管３５ｂに戻り冷媒として流入する。

　熱交換器３５の外管３５ｂを流れる戻り冷媒は、膨張装置３３を流れる冷媒から熱を吸収する。熱交換器３５の外管３５ｂにおいて、蒸発器３４で気化しなかった戻り冷媒は気化する。これにより、戻り冷媒のほぼ全部が気化する。熱交換器３５の外管３５ｂから流出した冷媒は、第２の熱交換器３６の外管３６ｂに流入する。

　第２の熱交換器３６の外管３６ｂを流れる戻り冷媒は、第２の熱交換器３６の内管３６ａを流れる冷媒から熱を吸収する。第２の熱交換器３６の外管３６ｂから流出した戻り冷媒は、圧縮機３１に流入する。

　図６は、本実施形態の冷媒のＴ－ｓ線図である。Ｔ－ｓ線図において、縦軸は冷媒の温度（℃）であり、横軸は冷媒の比エントロピー（ｋＪ／ｋｇ・Ｋ）である。高沸点冷媒、中沸点冷媒および低沸点冷媒が上記のように選択されて、冷媒全体に対する上記の割合にて冷媒が混合されている。これにより、本実施形態の冷媒におけるＴ－ｓ線図の飽和液線および乾き飽和蒸気線は、図６に示す形状となる。

　以下、外気の温度が外気の温度範囲内（０～３０℃）で変動し、冷媒の圧力が冷媒の圧力範囲内（１～２ＭＰａ）で変動した場合において、圧縮機３１で圧縮されて第２の熱交換器３６に流入するまでの冷媒の状態について、図６を用いて説明する。はじめに、外気の温度が３０℃であり、冷媒の圧力値が２ＭＰａである場合を説明する。

　冷媒が圧縮機３１で圧縮されることで冷媒の圧力値が２ＭＰａとなると、冷媒は、図６において、乾き飽和蒸気線より右方にある２ＭＰａの等圧線上の点Ａの状態となる。つまり、圧縮機３１で圧縮されたときの冷媒は、気体状態である。

　そして、冷媒は、導出部３１ａ、交差流構成部３７ｂ、向流構成部３７ａ、および、凝縮器３２において冷却風によって冷却されると、点Ａの状態から２ＭＰａの等圧線に沿って温度が下がる方向に移動した状態となる。

　冷媒の圧力値が２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒の温度は、上記のように冷却風の温度（すなわち外気の温度（３０℃））まで低下する。よって、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒は、２ＭＰａの等圧線上において、３０℃に対応する点Ｂの状態となる。点Ｂは、飽和液線と乾き飽和蒸気線との間に位置する。すなわち、外気の温度が３０℃であり、冷媒の圧力値が２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒は、少なくとも高沸点冷媒の一部が液化した状態である。

　また、外気の温度が３０℃であり、冷媒の圧力値が１ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒の温度はおよそ外気の温度（３０℃）であり、このときの冷媒は１ＭＰａの等圧線上の点Ｃの状態となる。点Ｃは、ほぼ乾き飽和蒸気線上に位置する。すなわち、外気の温度が３０℃であり、冷媒の圧力値が１～２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒は、少なくとも高沸点冷媒の一部が液化した状態である。

　また、外気の温度が０℃であり、冷媒の圧力値が２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒の温度はおよそ外気の温度（０℃）であり、このときの冷媒は、２ＭＰａの等圧線上の点Ｄの状態となる。

　また、外気の温度が０℃であり、冷媒の圧力値が１ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒の温度はおよそ外気の温度（０℃）であり、このときの冷媒は、１ＭＰａの等圧線上の点Ｅの状態となる。

　点Ｄおよび点Ｅは、点Ｂと同様に、飽和液線と乾き飽和蒸気線との間に位置する。すなわち、外気の温度が０℃であり、冷媒の圧力値が１～２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するとき冷媒は、少なくとも高沸点冷媒の一部が液化した状態である。したがって、外気の温度が０～３０℃であり、圧力値が１～２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するとき冷媒は、少なくとも高沸点冷媒の一部が液化した状態である。

　このように、圧縮機３１で圧縮された冷媒の圧力値が１～２ＭＰａであること、および、上記のように高沸点冷媒、中沸点冷媒および低沸点冷媒が選択されて、冷媒全体に対する上記の割合にて冷媒が混合されており、かつ、導出部３１ａ、交差流構成部３７ｂおよび向流構成部３７ａにおいて冷媒が冷却されていることにより、外気の温度が０～３０℃の範囲で変動しても、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒は、少なくとも高沸点冷媒の一部が液化した状態となっている。そして、熱交換器３５、３６で冷媒が冷却されることで、冷媒のほぼ全部が液化する。

　よって、冷媒を十分に液化させることができ、ひいては、蒸発器３４で気化する冷媒の量の安定化を図ることができる。したがって、冷凍装置１において、冷凍能力の安定化を図ることができる。

　一方、圧縮機３１で圧縮された冷媒の圧力値が２ＭＰａより高い場合、圧縮された冷媒の温度は、冷媒の圧力値が２ＭＰａ以下である場合よりも高くなる。この場合、導出部３１ａ、交差流構成部３７ｂ、向流構成部３７ａおよび凝縮器３２において冷媒が冷却されても、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒の温度は、冷却風の温度（すなわち外気の温度）まで低下しない。

　つまり、圧縮機３１で圧縮された冷媒の圧力値を２ＭＰａ以下とすることで、冷媒の圧力値が２ＭＰａより高い場合に比べて冷媒の温度を低くすることができる。よって、蒸発器３４での冷媒の温度、ひいては、保管室の温度の低温化を図ることができる。

　図７は、比較例の冷媒におけるＴ－ｓ線図である。高沸点冷媒、中沸点冷媒および低沸点冷媒の種類において、比較例の冷媒と本実施形態の冷媒とは同じである。一方、比較例の冷媒における高沸点冷媒、中沸点冷媒および低沸点冷媒の冷媒全体に対する割合は、本実施形態の冷媒における高沸点冷媒、中沸点冷媒および低沸点冷媒の冷媒全体に対する割合の範囲から外れている。

　具体的には、比較例の冷媒において、高沸点冷媒（ノルマルブタン）は４０重量％に定められ、中沸点冷媒（エタン）は２０重量％に定められ、低沸点冷媒（メタン）は４０重量％に定められている。

　外気の温度が３０℃であり、冷媒の圧力値が２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの比較例の冷媒の温度はおよそ外気の温度（３０℃）であり、このときの比較例の冷媒は、２ＭＰａの等圧線上の点αの状態となる。点αは、飽和液線と乾き飽和蒸気線との間に位置する。すなわち、外気の温度が３０℃であり、冷媒の圧力値が２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの比較例の冷媒は、少なくとも高沸点冷媒の一部が液化した状態である。

　しかしながら、点αは、乾き飽和蒸気線の近傍に位置する。よって、外気の温度が３０℃であるときにおいて、冷媒の圧力が２ＭＰａから僅かに低下した場合、比較例の冷媒は、乾き飽和蒸気線より右方に位置する状態となる。つまりこの場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの比較例の冷媒は、気体状態となり、液化していない。

　このように、比較例の冷媒における高沸点冷媒、中沸点冷媒および低沸点冷媒の冷媒全体に対する割合では、冷媒の圧力の変動によって、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒が液化しない場合がある。つまり、比較例の冷媒では、熱交換器３５、３６で冷媒が冷却されても、十分に液化することができない場合がある。

　本開示は、これまでに説明した実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、各種変形を本実施の形態に施したものも、本開示の範囲内に含まれる。

　例えば、上記の実施形態の冷媒において、高沸点冷媒をイソブタンにしてもよい。つまり、高沸点冷媒をイソブタンに、中沸点冷媒をエタンに、および、低沸点冷媒をメタンに定めてもよい。この場合、高沸点冷媒を５０重量％に、中沸点冷媒を３０重量％に、低沸点冷媒を２０重量％に定めてもよい。

　図８は、高沸点冷媒がイソブタンである場合の冷媒のＴ－ｓ線図である。外気の温度が３０℃であり、冷媒の圧力値が２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒の温度はおよそ外気の温度（３０℃）であり、このときの冷媒は、２ＭＰａの等圧線上の点Ｆの状態となる。点Ｆは、飽和液線と乾き飽和蒸気線との間に位置する。

　すなわち、高沸点冷媒がイソブタンであるときにおいて、外気の温度が３０℃であり、冷媒の圧力値が２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒は、少なくとも高沸点冷媒の一部が液化した状態である。

　なお、外気の温度が３０℃であり、冷媒の圧力値が１ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒の温度はおよそ外気の温度（３０℃）であり、このときの冷媒は、１ＭＰａの等圧線上の点Ｇの状態となる。点Ｇは、乾き飽和蒸気線より右方に位置する。よって、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒は、気体状態であり、液化していない。

　つまり、高沸点冷媒がイソブタンである場合、冷媒の圧力値を２ＭＰａに近づけて、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒を液化させることが望ましい。なお、外気の温度が０℃であり、冷媒の圧力値が１～２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒の温度はおよそ外気の温度（０℃）であり、このときの冷媒は、２ＭＰａの等圧線上の点Ｈと１ＭＰａの等圧線上の点Ｉとの間の状態となる。

　点Ｈおよび点Ｉは、飽和液線と乾き飽和蒸気線との間に位置する。すなわち、高沸点冷媒がイソブタンであるときにおいて、外気の温度が０℃であり、冷媒の圧力値が１～２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒は、少なくとも高沸点冷媒の一部が液化した状態である。

　また、上記の実施形態の冷媒において、中沸点冷媒をエチレンにしてもよい。つまり、高沸点冷媒をノルマルブタンに、中沸点冷媒をエチレンに、および、低沸点冷媒をメタンに定めてもよい。この場合、高沸点冷媒を５０重量％に、中沸点冷媒を３０重量％に、低沸点冷媒を２０重量％に定めてもよい。

　図９は、中沸点冷媒がエチレンである場合の冷媒のＴ－ｓ線図である。外気の温度が３０℃であり、冷媒の圧力値が２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒の温度はおよそ外気の温度（３０℃）であり、このときの冷媒は、２ＭＰａの等圧線上の点Ｊの状態となる。

　点Ｊは、飽和液線と乾き飽和蒸気線との間に位置する。すなわち、中沸点冷媒をエチレンであるときにおいて、外気の温度が３０℃であり、冷媒の圧力値が２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒は、少なくとも高沸点冷媒の一部が液化した状態である。

　なお、外気の温度が３０℃であり、冷媒の圧力値が１ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒の温度はおよそ外気の温度（３０℃）であり、このときの冷媒は、１ＭＰａの等圧線上の点Ｋの状態となる。点Ｋは、乾き飽和蒸気線より右方に位置する。

　よって、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒は、気体状態であり、液化していない。つまり、中沸点冷媒がエチレンである場合、冷媒の圧力値を２ＭＰａに近づけて、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒を液化させることが望ましい。

　なお、外気の温度が０℃であり、冷媒の圧力値が１～２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒の温度はおよそ外気の温度（０℃）であり、このときの冷媒は、２ＭＰａの等圧線上の点Ｌと１ＭＰａの等圧線上の点Ｍとの間の状態となる。点Ｌおよび点Ｍは、飽和液線と乾き飽和蒸気線との間に位置する。

　すなわち、中沸点冷媒をエチレンであるときにおいて、外気の温度が０℃であり、冷媒の圧力値が１～２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒は、少なくとも高沸点冷媒の一部が液化した状態である。

　また、上記の実施形態の冷媒において、中沸点冷媒をキセノンにしてもよい。つまり、高沸点冷媒をノルマルブタンに、中沸点冷媒をキセノンに、および、低沸点冷媒をメタンに定めてもよい。この場合、高沸点冷媒を５０重量％に、中沸点冷媒を３０重量％に、低沸点冷媒を２０重量％に定めてもよい。

　図１０は、中沸点冷媒がキセノンである場合の冷媒のＴ－ｓ線図である。外気の温度が３０℃であり、冷媒の圧力値が１～２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒の温度はおよそ外気の温度（３０℃）であり、このときの冷媒は、２ＭＰａの等圧線上の点Ｎと１ＭＰａの等圧線上の点Ｏとの間の状態となる。　

　点Ｎおよび点Ｏは、飽和液線と乾き飽和蒸気線との間に位置する。また、外気の温度が０℃であり、冷媒の圧力値が１～２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒の温度はおよそ外気の温度（０℃）であり、このときの冷媒は、２ＭＰａの等圧線上の点Ｐと１ＭＰａの等圧線上の点Ｑとの間の状態となる。

　点Ｐおよび点Ｑは、飽和液線と乾き飽和蒸気線との間に位置する。すなわち、中沸点冷媒がキセノンである場合において、外気の温度が０～３０℃であり、冷媒の圧力値が１～２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒は、少なくとも高沸点冷媒の一部が液化した状態である。

　また、上記の実施形態の冷媒において、低沸点冷媒をクリプトンにしてもよい。つまり、高沸点冷媒をノルマルブタンに、中沸点冷媒をエタンに、および、低沸点冷媒をクリプトンに定めてもよい。この場合、高沸点冷媒を５０重量％に、中沸点冷媒を３０重量％に、低沸点冷媒を２０重量％に定めてもよい。

　図１１は、低沸点冷媒がクリプトンである場合の冷媒のＴ－ｓ線図である。外気の温度が３０℃であり、冷媒の圧力値が１～２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒の温度はおよそ外気の温度（３０℃）であり、このときの冷媒は、２ＭＰａの等圧線上の点Ｒと１ＭＰａの等圧線上の点Ｓとの間の状態となる。点Ｒおよび点Ｓは、飽和液線と乾き飽和蒸気線との間に位置する。

　また、外気の温度が０℃であり、冷媒の圧力値が１～２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒の温度はおよそ外気の温度（０℃）であり、このときの冷媒は、２ＭＰａの等圧線上の点Ｔと１ＭＰａの等圧線上の点Ｕとの間の状態となる。

　点Ｔおよび点Ｕは、飽和液線と乾き飽和蒸気線との間に位置する。すなわち、低沸点冷媒がクリプトンである場合において、外気の温度が０～３０℃であり、冷媒の圧力値が１～２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒は、少なくとも高沸点冷媒の一部が液化した状態である。

　また、上記の実施形態の冷媒において、中沸点冷媒をキセノンに、かつ、低沸点冷媒をクリプトンにしてもよい。つまり、高沸点冷媒をノルマルブタンに、中沸点冷媒をキセノンに、および、低沸点冷媒をクリプトンに定めてもよい。この場合、高沸点冷媒を５０重量％に、中沸点冷媒を３０重量％に、低沸点冷媒を２０重量％に定めてもよい。

　図１２は、中沸点冷媒がキセノンであり、かつ、低沸点冷媒がクリプトンである場合の冷媒のＴ－ｓ線図である。外気の温度が３０℃であり、冷媒の圧力値が１～２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒の温度はおよそ外気の温度（３０℃）であり、このときの冷媒は、２ＭＰａの等圧線上の点Ｖの状態と１ＭＰａの等圧線上の点Ｗとの間の状態となる。

　点Ｖおよび点Ｗは、飽和液線と乾き飽和蒸気線との間に位置する。また、外気の温度が０℃であり、冷媒の圧力値が１～２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒の温度はおよそ外気の温度（０℃）であり、このときの冷媒は、２ＭＰａの等圧線上の点Ｘと１ＭＰａの等圧線上の点Ｙとの間の状態となる。

　点Ｘおよび点Ｙは、飽和液線と乾き飽和蒸気線との間に位置する。すなわち、中沸点冷媒がキセノンであり、かつ、低沸点冷媒がクリプトンである場合において、外気の温度が０～３０℃であり、冷媒の圧力値が１～２ＭＰａである場合、第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入するときの冷媒は、少なくとも高沸点冷媒の一部が液化した状態である。

　また、冷凍回路３０は、第２の熱交換器３６を備えなくてもよい。この場合、熱交換器３５は、圧縮機３１から蒸発器３４に向かう冷媒のほぼ全部が液化するように構成されている。

　図１３は、変形例に係る冷凍回路３０の概要図である。変形例に係る冷凍回路３０は、気液分離器１３８、気液分離器１３８と第２の熱交換器３６の外管３６ｂとを接続する第２の配管１３９、および、第２の配管１３９に配置されている第２の膨張装置１４０（例えばキャピラリーチューブ）をさらに有してもよい。

　気液分離器１３８は、凝縮器３２と第２の熱交換器３６との間に配置され、凝縮器３２から第２の熱交換器３６に向かう冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する。

　凝縮器３２から第２の熱交換器３６に向かう冷媒において、高沸点冷媒の一部が凝縮器３２で液化している。つまり、液相冷媒は液体状態の高沸点冷媒である。気液分離器１３８から流出した液相冷媒は、第２の配管１３９を流れ、第２の膨張装置１４０によって減圧されて、第２の熱交換器３６の外管３６ｂに流入する。

　第２の熱交換器３６の外管３６ｂにおいて、液相冷媒は、戻り冷媒と合流し、第２の熱交換器３６の内管３６ａを流れる冷媒を冷却する。これにより、圧縮機３１から蒸発器３４に向けて流れる冷媒、ひいては、蒸発器３４を流れる冷媒の低温化をさらに図ることができる。

　液相冷媒は、第２の熱交換器３６の内管３６ａを流れる冷媒から熱を吸収することで気化し、第２の熱交換器３６の外管３６ｂから流出して圧縮機３１に流入する。

　一方、気相冷媒は、気体状態の高沸点冷媒、中沸点冷媒および低沸点冷媒である。気液分離器１３８から流出した気相冷媒は、配管３７を流れて第２の熱交換器３６の内管３６ａに流入する。

　また、図１３に二点鎖線で示されるように、変形例に係る冷凍回路３０は、熱交換器３５および第２の熱交換器３６を覆い、単一の熱交換器モジュール１４１を構成する断熱材１４２をさらに備えてもよい。

　断熱材１４２は、例えばウレタン樹脂の発泡体である。断熱材１４２によって、熱交換器３５および第２の熱交換器３６の熱が外気に放出されることを抑制できるため、熱交換器３５および第２の熱交換器３６での熱交換が効率よく行われる。よって、熱交換器３５および第２の熱交換器３６の内管３６ａを流れる冷媒を効率よく液化させることができる。

　また、熱交換器３５と第２の熱交換器３６との間の配管３７を含む熱交換器３５および第２の熱交換器３６の周辺の配管３７を断熱材１４２で覆うことができる。熱交換器３５および第２の熱交換器３６の熱が外気に放出されることをさらに抑制できる。したがって、冷凍装置１において、冷凍能力の安定化をさらに図ることができる。

　また、交差流構成部３７ｂは、交差流構成部３７ｂを流れる冷媒の方向が冷却風の方向と直交せずに交差するように構成されてもよい。例えば、第１部位３７ｂ１は、左方から右方に向かうほど、後方から前方に、または、前方から後方に向かうように冷媒が流れるように形成されてもよい。

　また、第２部位３７ｂ２は、下方から上方に向かうほど、後方から前方に、または、前方から後方に向かうように冷媒が流れるように形成されてもよい。そして、第３部位３７ｂ３は、右方から左方に向かうほど、後方から前方に、または、前方から後方に向かうように冷媒が流れるように形成されてもよい。

　また、配管３７は、交差流構成部３７ｂの第１部位３７ｂ１と第２部位３７ｂ２との間、および、第２部位３７ｂ２と第３部位３７ｂ３との間に、向流構成部３７ａを有していてもよい。

　また、熱交換器３５は、外管３５ｂに代えて戻り冷媒が流れる配管を備え、戻り冷媒が流れる配管が膨張装置３３の外周面に巻き付けられるように構成されてもよい。

　２０２１年１２月２７日出願の特願２０２１－２１２６５０の日本出願に含まれる明細書、特許請求の範囲、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。

　本開示の冷凍装置は、超低温貯蔵庫、超低温フリーザ、薬用保冷庫、血液保冷庫または恒温器に広く利用可能である。また、複数の冷凍回路を独立して有する冷凍装置にも広く利用可能である。

　１　冷凍装置
　３０　冷凍回路
　３１　圧縮機
　３１ａ　導出部
　３２　凝縮器
　３３　膨張装置
　３４　蒸発器
　３５　熱交換器
　３６　第２の熱交換器
　３７　配管
　３７ａ　向流構成部
　３７ｂ　交差流構成部
　４０　ファン
　１３８　気液分離器
　１３９　第２の配管
　１４０　第２の膨張装置
　１４１　熱交換器モジュール
　１４２　断熱材
 

 

Claims (10)

1. 　圧縮機、凝縮器、膨張装置、蒸発器、および、前記蒸発器から前記圧縮機に向かって流れる冷媒によって、前記膨張装置内を流れる前記冷媒を冷却する熱交換器を有し、前記冷媒が循環する冷凍回路、並びに、前記凝縮器を冷却する冷却風を発生させるファンを備える冷凍装置であって、
   　前記冷媒は、高沸点冷媒、前記高沸点冷媒よりも沸点が低い中沸点冷媒、および、前記中沸点冷媒よりも沸点が低い低沸点冷媒を含む非共沸混合冷媒であり、５０重量％以上かつ８０重量％以下の前記高沸点冷媒と、１０重量％以上かつ５０重量％未満の前記中沸点冷媒と、２０重量％以下の前記低沸点冷媒とを含んでおり、
   　前記冷媒における前記高沸点冷媒の含有量は前記中沸点冷媒の含有量よりも多く、
   　前記冷媒における前記中沸点冷媒の含有量は前記低沸点冷媒の含有量よりも多く、
   　前記圧縮機から導出され前記凝縮器に流入する前記冷媒が通過する配管は、前記配管内を流れる前記冷媒が、前記冷却風に対して向流となる向流構成部を有している、
   　冷凍装置。
2. 　前記高沸点冷媒は、ノルマルブタンまたはイソブタンであり、
   　前記中沸点冷媒は、エタン、エチレン、または、キセノンであり、
   　前記低沸点冷媒は、メタンまたはクリプトンである、
   　請求項１に記載の冷凍装置。
3. 　前記高沸点冷媒は、ノルマルブタンであり、
   　前記中沸点冷媒は、エタンであり、
   　前記低沸点冷媒は、メタンである、
   　請求項２に記載の冷凍装置。
4. 　前記凝縮器、前記ファンおよび前記圧縮機は、この順に、前記冷却風の流れる方向に沿って配置され、
   　前記向流構成部は、前記凝縮器と前記圧縮機との間で、前記冷却風の流れる方向に沿って延びている、
   　請求項１から３の何れか１項に記載の冷凍装置。
5. 　前記配管は、前記配管内を流れる前記冷媒が、前記冷却風に対して交差するように流れる交差流構成部を有している、
   　請求項１から４の何れか１項に記載の冷凍装置。
6. 　前記圧縮機は、前記冷媒を前記配管に導出する導出部が前記ファンと対向するように配置されている、
   　請求項１から５の何れか１項に記載の冷凍装置。
7. 　前記蒸発器から前記圧縮機に向かって流れる前記冷媒が前記熱交換器に流入するときの前記冷媒の温度は、前記低沸点冷媒の臨界温度以下である、
   　請求項１から６の何れか１項に記載の冷凍装置。
8. 　前記圧縮機から前記蒸発器に向かう前記冷媒の圧力値は、２ＭＰａ以下である、
   　請求項１から７の何れか１項に記載の冷凍装置。
9. 　前記冷凍回路は、前記凝縮器と前記熱交換器との間で、前記凝縮器から前記熱交換器に向かう前記冷媒と前記熱交換器から前記圧縮機に向かう前記冷媒とが熱交換する第２の熱交換器と、
   　前記熱交換器および前記第２の熱交換器を覆い、単一の熱交換器モジュールを構成する断熱材と、をさらに備える、
   　請求項１から８の何れか１項に記載の冷凍装置。
10. 　前記冷凍回路は、
    　前記凝縮器と前記第２の熱交換器との間で、前記凝縮器から前記第２の熱交換器に向かう前記冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器と、
    　前記第２の熱交換器において前記熱交換器から前記圧縮機に向かう前記冷媒と前記液相冷媒とが合流するように、前記第２の熱交換器と前記気液分離器とを接続する第２の配管と、をさらに有する、
    　請求項９に記載の冷凍装置。

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