(57)【要約】      （修正有）【課題】地球環境にも良好な異なった沸点を有する混合冷媒を用いても、得られる低温には限界があり、また、その限界を超えて超（極）低温を得ようとするには凝縮器等を複数つなげて用い、段階的に温度を下げる方式しかなく、この場合、装置規模が非常に大きくなってしまうという点である。【解決手段】非共沸混合冷媒による冷凍方法は異なった沸点を有する複数の冷媒を混合した混合冷媒を圧縮冷凍機により循環させる非共沸混合冷媒による冷凍方法において、冷凍サイクルを構成する凝縮途中の回路中に切り替え弁を介して連通する冷凍機吸引口にバイパス路を設け、そのバイパス路に低沸点冷媒の高圧を冷却減圧すると共に高沸点冷媒液を二元凝縮し、蒸発するサイクルの自己発生装置を組み入れる構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なった沸点を有する複数の冷媒を混合した混合冷媒を圧縮冷凍機により循環させる非共沸混合冷媒による冷凍方法において、冷凍サイクルを構成する凝縮途中の回路中に切り替え弁を介して連通する冷凍機吸引口にバイパス路を設け、そのバイパス路に低沸点冷媒の高圧を冷却減圧すると共に高沸点冷媒液を二元凝縮し、蒸発するサイクルの自己発生装置を組み入れることを特徴とする非共沸混合冷媒による冷凍方法。
【請求項２】
サイクルの自己発生装置は、高効率の熱交換器とし、非共沸混合冷媒の凝縮特性を利用して、高沸点の凝縮冷媒液を当該熱交換器の一次側を通過させ当該熱交換器の二次側で膨張弁を介して蒸発させ、蒸発冷媒ガスが冷凍機に吸引されることを特徴とする請求項１に記載の非共沸混合冷媒による冷凍方法。
【請求項３】
上記サイクルの自己発生装置は、高沸点凝縮冷媒液が、当該熱交換器一次側を通過する時に、当該熱交換器二次側での蒸発潜熱源となり、二次側蒸発潜熱は、一次側冷媒の冷却凝縮熱源となることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の非共沸混合冷媒による冷凍方法。
【請求項４】
上記熱交換器の一次側には未凝縮の低沸点冷媒が混入するが、上記熱交換器の二次側にて高沸点冷媒液が蒸発する為、蒸発潜熱にて低沸点冷媒が冷却され減圧されることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載の非共沸混合冷媒による冷凍方法。
【請求項５】
凝縮器から流出した冷媒はエバポレーターに流入する前回路途中に予冷器をもうけ、一次側を通過させ、エバポレーターからの戻り冷媒を予冷器二次側に通し、一次側冷媒を過冷却させるが、前記サイクルの自己発生器より排出した蒸発冷媒を予冷器二次側に合流させ過冷却熱源とさせることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３または請求項４に記載の非共沸混合冷媒による冷凍方法。
【請求項６】
前記したサイクルの自己発生装置から排出された冷媒を前記した圧縮冷凍機に直接的に戻す回路を設けてあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の非共沸混合冷媒による冷凍方法。
【請求項７】
異なった沸点を有する複数の冷媒を混合した非共沸混合冷媒を使用して、圧縮冷凍機、凝縮器、エバポレーターを循環させる冷凍装置において、前記した凝縮器の二次側に切り替え弁を介してバイパス路を設け、そのバイパス路に低沸点冷媒の高圧を減衰するサイクルの自己発生装置を設けるとともに、前記したエバポレーターに冷媒が流入する前に一次側を通され、エバポレーターからの戻り冷媒を二次側を通して圧縮冷凍機へ送る予冷器を設けてあることを特徴とする非共沸混合冷媒による冷凍装置。
【請求項８】
前記したサイクルの自己発生装置から排出された冷媒を前記した予冷器の二次側流入口へ導く管路もしくは前記した圧縮冷凍機へ直接的に戻す管路を設けてあることを特徴とする請求項７に記載の非共沸混合冷媒による冷凍装置。
【請求項９】
前記した圧縮冷凍機の冷媒吐出口には減衰制御の圧力スイッチを備え、前記切り替え弁を制御することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の非共沸混合冷媒による冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は非共沸混合冷媒、即ち、液体状態と蒸発してできたガスの組成が異なる混合物である冷媒を用いた冷凍方法及びその冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、冷媒に求められる特性は沸点が低いこと、即ち、冷却到達温度が低いこと、臨界温度が常温であること、即ち常温で凝縮できること、蒸発潜熱が大きいこと、即ち、冷媒の単位重量あたりの冷却熱量が大きいこと、蒸気密度が大きい、即ち装置容積が小さくて済むこと、圧縮比が小さいこと、即ち圧縮動力が小さくて済むことであり、最後に分解性、腐食性、毒性等のないことである。
【０００３】
この条件に適合するものとしてフロン系、プロパン、液化炭酸ガスが知られているが、プロパンは可燃性があること、液化炭酸ガスは高圧力での使用が必要とされることから、特殊な場合を除いてフロン系が使用されるのが一般的であった。
【０００４】
しかし、フロン系は地球オゾン層の破壊につながるものとして大気中への放散が規制され、その結果冷凍装置のような閉鎖された環境でもその漏洩や廃棄等に伴なってフロン系が使用できなくなった。
【０００５】
そこで、フロン系に代わるものとしてプロパンの可燃性を抑える不活性材として液化炭酸ガスを混入させて使用する混合冷媒が考え出された。しかし、この混合冷媒は確かに効果はあるものの、現在の圧縮冷凍機における圧力負荷規制等にも起因して得られる冷却、冷凍の低温には限界があり、それ以上の超低温を得ることは不可能となっている。
【０００６】
また、混合冷媒を用いて超（極）低温を得るためには凝縮器を縦列させて用いて冷媒の往路と帰路で前記凝縮器を通過させることとして段階的に温度を下げていく方式のものが知られているが、この場合にはシステム（装置）が大規模なものとなってしまい、現実的には構築設置することはかなりの困難があった。
【特許文献１】特開平６−１７０４０号公報
【特許文献２】実公昭５５−００２３７４号公報
【特許文献３】特願２００３−３５０２７３号出願書類
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする問題点は地球環境にも良好な異なった沸点を有する混合冷媒を用いても、得られる低温には限界があり、また、その限界を超えて超（極）低温を得ようとするには凝縮器等を複数つなげて用い、段階的に温度を下げる方式しかなく、この場合、装置規模が非常に大きくなってしまうという点である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この問題点を解決するために、本発明に係る非共沸混合冷媒による冷凍方法は異なった沸点を有する複数の冷媒を混合した混合冷媒を圧縮冷凍機により循環させる非共沸混合冷媒による冷凍方法において、冷凍サイクルを構成する凝縮途中の回路中に切り替え弁を介して連通する冷凍機吸引口にバイパス路を設け、そのバイパス路に低沸点冷媒の高圧を冷却減圧すると共に高沸点冷媒液を二元凝縮し、蒸発するサイクルの自己発生装置を組み入れることを特徴とし、サイクルの自己発生装置は、高効率の熱交換器とし、非共沸混合冷媒の凝縮特性を利用して、高沸点の凝縮冷媒液を当該熱交換器の一次側を通過させ当該熱交換器の二次側で膨張弁を介して蒸発させ、蒸発冷媒ガスが冷凍機に吸引されることを特徴とし、上記サイクルの自己発生装置は、高沸点凝縮冷媒液が、当該熱交換器一次側を通過する時に、当該熱交換器二次側での蒸発潜熱源となり、二次側蒸発潜熱は、一次側冷媒の冷却凝縮熱源となることを特徴とし、上記熱交換器の一次側には未凝縮の低沸点冷媒が混入するが、上記熱交換器の二次側にて高沸点冷媒液が蒸発する為、蒸発潜熱にて低沸点冷媒が冷却され減圧されることを特徴とし、凝縮器から流出した冷媒はエバポレーターに流入する前回路途中に予冷器をもうけ、一次側を通過させ、エバポレーターからの戻り冷媒を予冷器二次側に通し、一次側冷媒を過冷却させるが、前記サイクルの自己発生器より排出した蒸発冷媒を予冷器二次側に合流させ過冷却熱源とさせることを特徴とし、前記したサイクルの自己発生装置から排出された冷媒を前記した圧縮冷凍機に直接的に戻す回路を設けてあることを特徴としている。
【０００９】
また、本発明に係る非共沸混合冷媒による冷凍装置は異なった沸点を有する複数の冷媒を混合した非共沸混合冷媒を使用して、圧縮冷凍機、凝縮器、エバポレーターを循環させる冷凍装置において、前記した凝縮器の二次側に切り替え弁を介してバイパス路を設け、そのバイパス路に低沸点冷媒の高圧を減衰するサイクルの自己発生装置を設けるとともに、前記したエバポレーターに冷媒が流入する前に一次側を通され、エバポレーターからの戻り冷媒を二次側を通して圧縮冷凍機へ送る予冷器を設けてあることを特徴とし、前記したサイクルの自己発生装置から排出された冷媒を前記した予冷器の二次側流入口へ導く管路もしくは前記した圧縮冷凍機へ直接的に戻す管路を設けてあることを特徴とし、前記した圧縮冷凍機の冷媒吐出口には減衰制御の圧力スイッチを備え、前記切り替え弁を制御することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る非共沸混合冷媒による冷凍方法及び冷凍装置は上記したように構成されている。使用される非共沸混合冷媒にあっては冷媒装置の起動時に未凝縮の低沸点冷媒は非常に高圧となり、圧縮冷凍機を破壊しかねない圧力状況となっており、このままでは圧縮冷凍機の連続運転は不可能となってしまう。本発明にあってはこの冷凍装置の起動初期には切り替え弁を作用させてバイパス路を開き、サイクルの自己発生装置である熱交換器を通すことで凝縮液化されている高沸点の冷媒液を膨張、蒸発させてガス化して直接あるいは予冷器の二次側を通して圧縮冷凍機に戻し送り、圧縮冷凍機を連続運転可能な圧力に減衰させることができる。
【００１１】
サイクルの自己発生装置である熱交換器は流入し、排出する冷媒によって蒸発熱源、凝縮熱源を有することとなり、蒸発したガス状の冷媒を圧縮冷凍機に戻すことで、この圧縮冷凍機の連続運転を可能とするが、このサイクルの自己発生装置である熱交換器の作動中にも、低沸点冷媒は混合している高沸点冷媒とともに本流を通って膨張弁を通過して、エバポレーターへ入り蒸発、冷却の作用を連続している。
【００１２】
エバポレーターを通過した戻りの冷媒は予冷器である熱交換器の二次側を通過することで未凝縮となっている低沸点の冷媒ガスを冷却減圧して圧縮冷凍機へ戻し送ることとなる。予冷器である熱交換器によって低沸点冷媒が冷却凝縮されて設定圧力以下になると、減衰制御用の圧力スイッチが作用して切り替え弁を作動させバイパス路を閉じてサイクルの自己発生装置を停止し、予冷器が組み込まれた冷凍サイクル（回路）となって作動し、混合冷媒の全てが回路を循環することとなり、低沸点冷媒の凝縮がより促進されて超（極）低温を現出できることとなるのである。即ち、この冷凍装置にあって予冷器である熱交換器は二段目の凝縮器としての作用をすることとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施例として図面に示すような構成とすることによって実現した。
【実施例１】
【００１４】
次に、本発明の好ましい実施の一例を図面を参照して説明する。図１は本発明を実施した非共沸混合冷媒による冷凍装置の回路図、図２は同じくサイクルの自己発生装置の機能を示す図、図３は同じく経時変化の状態を示す図である。
【００１５】
これらの図にあって１０は圧縮冷凍機（コンプレッサー）を示しており、この圧縮冷凍機１０に異なる沸点を有する複数の冷媒、例えば高沸点冷媒としてプロパン、低沸点冷媒として炭酸ガスを混合した非沸点混合冷媒が既知の手段により供給される。
【００１６】
通常の連続運転時にあって、この圧縮冷凍機１０から吐出された高圧の冷媒ガスは凝縮器（コンデンサ）に送られ、液化されて配管を通り、高効率の熱交換器を採用した予冷器１５の一次側流入口１５ａに導入されて、その予冷器１５の一次側を通過して一次側排出口１５ｂより排出される。この予冷器１５は中間プレート１５ｅによって一次側と二次側とを仕切った構成とされている。
【００１７】
予冷器１５の一次側排出口１５ｂより排出された冷媒は膨張弁１６を通って膨張されてエバポレーター（冷却器、蒸発器）１７へ送り込まれる。エバポレーター１７を通過した冷媒は予冷器１５の二次側流入口１５ｅへ導かれ、予冷器１５の二次側を通過して二次側排出口１５ｄから排出され、配管を通って圧縮冷凍機１０へ吸引され戻っていく。これが、本実施例における冷凍装置の通常連続運転時の冷媒の循環回路である。
【００１８】
しかしながら、高沸点冷媒と低沸点冷媒とが混合されている非共沸混合冷媒を使用する時、冷凍サイクルの起動時にあって未凝縮の低沸点冷媒は非常に高圧となっており、圧縮冷凍機１０を損傷してしまう虞れもある。そこで、これを解消するため、本実施例では凝縮器１１の二次側となる配管に切り替え弁１４により開閉されるバイパス路２０を備え、このバイパス路２０に高効率の熱交換器を用いたサイクルの自己発生装置１２を組み込む構成としている。
【００１９】
このサイクルの自己発生装置１２は内部が中間プレートＮで仕切られ、一次側１８と二次側４とが構成されている。冷凍サイクルの起動時、圧縮冷凍機１０の吐出口近傍に設けられた減衰制御用の圧力スイッチ１３は吐出された冷媒ガスの高圧を検知して切り替え弁１４を作動させ、バイパス路２０を開とする。
【００２０】
バイパス路２０へ分岐流入した冷媒は凝縮器１１で冷却凝縮された高沸点冷媒の凝縮液と未凝縮の低沸点冷媒ガスの混在状態となっており、これがサイクルの自己発生装置１２の一次側１８の流入口１へ流入し、一次側１８を通過して一次側１８の排出口２より排出され、膨張弁７を通って二次側４の流入口１２ｂから二次側４へ流入する。そして、二次側４の排出口１２ｃから排出されるまでの間に、凝縮液となっている高沸点冷媒が蒸発を開始する。
【００２１】
また、サイクルの自己発生装置１２の二次側４の排出口１２ｃは管路５によって前記した予冷器１５の二次側流入口１５ｃへ導かれるか、あるいは管路６によって直接的に圧縮冷凍機１０へ戻されるルートへ連結される。ここで、蒸発された冷媒ガスが圧縮冷凍機１０へ吸引され戻るために圧縮冷凍機１０の運転に支障を生じてしまうことはない。
【００２２】
サイクルの自己発生装置１２の二次側４における凝縮液となっている高沸点冷媒の蒸発潜熱は続いて一次側１８へ流入する混合冷媒の高沸点冷媒の過冷却用冷熱源となり、さらには低沸点冷媒の未凝縮ガスの冷却減圧のための冷熱源としても作用する。
【００２３】
前記した高沸点冷媒の過冷却作用は一次側１８に流入する高沸点冷媒凝縮液の凝縮を促進させ、これによって蒸発する際の蒸発潜熱を増大させることとなる。この時に、一次側１８における高温の凝縮冷媒液は二次側４における冷媒の蒸発を促す蒸発用熱源として作用する。
【００２４】
即ち、サイクルの自己発生装置１２にあっては、一次側１８に流入する冷媒の冷却を二次側４でなされる蒸発作用が助け、二次側４における蒸発を一次側１８の凝縮潜熱によって持続する。この結果、混合されている低沸点冷媒は高沸点冷媒凝縮液の蒸発潜熱によって冷却、減圧が促進され、速やかに低沸点冷媒の凝縮液のサイクルを行なう助力となるのである。
【００２５】
上記したサイクルの自己発生装置１２の作動中にも、バイパス路２０へ流入しなかった低沸点冷媒ガスは混合されている高沸点凝縮冷媒液とともに、通常時の管路を通り、膨張弁１６を通ってエバポレーター１７を通過して蒸発、冷却の作用を行なっている。
【００２６】
エバポレーター１７を通過した戻りの冷媒は予冷器１５の二次側流入口１５ｃへ入り、未凝縮となっている低沸点冷媒ガスを冷却、凝縮して二次側排出口１５ｄから圧縮冷凍機１０へ戻ることになる。
【００２７】
予冷器１５の作用によって、低沸点冷媒が冷却、凝縮して設定した圧力以下になると、減衰制御用の圧力スイッチ１３が作動して切り替え弁１４を作動し、バイパス路２０を閉じ、サイクルの自己発生装置１２の作動を停止して、前記した予冷器１５を組み込んだ通常の運転状態となり、混合されている全冷媒が冷媒装置の回路全体を循環を行ない、低沸点冷媒の凝縮をより促進して超（極）低温を現出することとなる。
【００２８】
冷媒の圧力が設定値以下となって、サイクルの自己発生装置１２の作動が停止すると、このサイクルの自己発生装置１２内の残留冷媒は圧縮冷凍機１０のサクション力で吸引され、予冷器１５を通過した戻り冷媒に合流して圧縮冷凍器１０へ吸引されていく。なお、サイクルの自己発生装置１２や予冷器１５は上記した作業を冷媒の流通のみによる熱交換作用で実行するため、外部的な熱源は一切不要なものとされる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本実施例は上記のように構成されている。この実施例では非共沸混合冷媒としてプロパンと炭酸ガスの混合冷媒を想定してはいるが、本発明の実施によってより沸点の低いメタン等の混合も可能となり、さらには冷媒を二種以上の複数種混合させることも考えられ、より一層の超低温をのぞむこともできる。さらには、予冷器１５も単一装備のみならず、複数台を設置することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明を実施した非共沸混合冷媒による冷凍装置の回路図である。
【図２】サイクルの自己発生装置の機能を示す図である。
【図３】経時変化の状態を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１      一次側流入口
２      一次側排出口
４      二次側
５      管路
６      管路
７      膨張弁
８      一次側の冷媒
９      二次側の冷媒
１０    圧縮冷凍機
１１    凝縮器
１２    サイクルの自己発生装置
１２ｂ  二次側流入口
１２ｃ  二次側排出口
１３    減衰制御用の圧力スイッチ
１４    切り替え弁
１５    予冷器
１５ａ  一次側流入口
１５ｂ  一次側排出口
１５ｃ  二次側流入口
１５ｄ  二次側排出口
１５ｅ  中間プレート
１６    膨張弁
１７    エバポレーター
１８    一次側
２０    バイパス路
【図１】
2006064331.tif 000003
【図２】
2006064331.tif 000004
【図３】
2006064331.tif 000005