(57)【要約】スクロール圧縮機を有し、圧縮機への冷媒噴射によって冷媒の吐出温度を低下させる、混合冷媒を利用する、極低温すなわち超低温冷凍システムが開示されている。
2005539194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
極低温冷凍システムであって、
ａ］圧縮機はスクロール圧縮機であり、
ｂ］冷媒が、液状冷媒管から中圧で前記スクロール圧縮機の圧縮室内に噴射され、
ｃ］前記冷媒は、該冷媒の各成分の沸点が互いに少なくとも５０℃異なっている多成分冷媒であり、
ｄ］前記冷媒は低沸点冷媒の含有量が高い、
冷凍システム。
【請求項２】
前記スクロール圧縮機の油サンプに機械的に取り付けられたヒータをさらに有している、請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項３】
噴射される前記冷媒は、ガス状冷媒、またはガス状冷媒と液状冷媒との混合物である、請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項４】
噴射される前記冷媒は液状冷媒である、請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項５】
前記スクロール圧縮機のスクロール部材間での液体の循環は行われない、請求項４に記載の冷凍システム。
【請求項６】
前記スクロール圧縮機内に噴射される前記液状冷媒は、極低温混合冷媒システムの凝縮器から接続される液体管の水平部分の底部から引き出される、請求項４に記載の冷凍システム。
【請求項７】
前記液状冷媒を前記スクロール圧縮機に戻す管内に、流量調整手段をさらに有している、請求項６に記載の冷凍システム。
【請求項８】
前記液状冷媒の前記スクロール圧縮機への前記の戻り管の、前記の液状冷媒管との連結部と前記流量調整手段との間の位置に設置された蓄液タンクをさらに有している、請求項７に記載の冷凍システム。
【請求項９】
前記多成分冷媒は、少なくとも１つの低沸点冷媒と、少なくとも１つの中沸点冷媒と、少なくとも１つの高沸点冷媒とを含んでいる、請求項４に記載の冷凍システム。
【請求項１０】
前記多成分冷媒は、前記低沸点冷媒、前記中沸点冷媒、および前記高沸点冷媒のそれぞれを２つ以上含んでいる、請求項９に記載の冷凍システム。
【請求項１１】
前記多成分冷媒は、５０％を超える含有量の前記低沸点冷媒を含んでいる、請求項９に記載の冷凍システム。
【請求項１２】
前記多成分冷媒は、約２０〜約４５％の含有量の前記低沸点冷媒を含んでいる、請求項９に記載の冷凍システム。
【請求項１３】
前記多成分冷媒は、少なくとも１５％の含有量の低沸点冷媒を含んでいる、請求項９に記載の冷凍システム。
【請求項１４】
前記冷媒は、Ｒ−１２３と、Ｒ−１２４と、Ｒ−１２５と、Ｒ−２１８と、Ｒ−２３および／またはエタンと、Ｒ−１４とからなる混合物である、請求項４に記載の冷凍システム。
【請求項１５】
前記冷媒は、Ｒ−２３６ｆａと、Ｒ−１２５と、Ｒ−２３と、Ｒ−１４と、アルゴンとからなる混合物である、請求項４に記載の冷凍システム。
【請求項１６】
前記冷媒は、２０〜４５％のＲ２３６ｆａと、８〜１５％のＲ−１２５と、１２〜３０％のＲ−２３と、１８〜３４％のＲ−１４と、６〜１５％のアルゴンとからなる混合物である、請求項１６に記載の冷凍システム。
【請求項１７】
極低温冷凍システムにおいて、スクロール圧縮機から出た多成分冷媒の温度を下げる方法であって、
所定量の前記多成分冷媒を、中圧で、液体管から前記圧縮機の圧縮室内に噴射することを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本出願は、２００２年９月１８日に出願された米国仮出願第６０／４１１６７６号の利益を主張する。
【０００２】
発明の背景
冷凍システムは、信頼できる密閉式冷凍システムが開発された１９００年代初頭から存在している。それ以来、冷凍システムは、冷凍技術の改良によって、住宅環境と産業環境の双方において有用であることが実証されてきた。特に極低温冷凍システムは現在、生物医学用途、極低温電子工学、光学コーティング工程、工業的および商業的なコーティング工程、ならびに半導体製造用途において、産業上不可欠の機能を果たしている。冷凍システムの製造業者は、ますます厳しくなる環境規制にも直面している。冷凍産業界は、この環境規制によって、クロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）からクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）へ、最近では、ＨＣＦＣの使用を禁止する欧州連合法（２００１年１月発効）によって、ＨＣＦＣからハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）へと切り換えさせられている。
【０００３】
システムの床面積は冷凍産業におけるもう一つの考慮事項である。たとえば、半導体産業では、システムの全体的な設置面積削減への関心が非常に高い。その結果、冷凍システムの製造業者は、小形の構成部材を用い、かつ性能および容量を犠牲にしない冷凍システムの開発を続けている。
【０００４】
水平床面積が垂直空間よりも制限されている場合、可能であれば、空いている垂直空間を利用するのが有利である。例えば、往復動圧縮機やスクリュー圧縮機は通常、横型方式として設計される。半気密型往復動圧縮機は特に大形であり、冷凍システムの必要床面積を増加させる。これに対して、高効率・大容量のスクロール圧縮機は竪型で設計されるため、空いている垂直空間を活用し、システムの全体的な設置面積を小さくすることができる。
【０００５】
他の適用分野としては、生物保存や、製剤および化学分野での処理がある。極低温混合冷媒システムは、生物の凍結に使用されており、プロセス反応を制御し、またはその他の方法でそのプロセスを制御する目的で、医薬品および化学物質の処理するために用いられる。その他の用途には、製剤および生物分野の薬剤、試薬、および他の物質の凍結乾燥、ならびに食品の冷凍乾燥が含まれる。
【０００６】
スクロール圧縮機の概念は約１００年前に確立されている。しかし、この構成を商業的に実現するために必要な加工精度(tolerance)が実現されたのは、この２０年から３０年の間である。スクロール圧縮機の商業化は、１９８０年代後半から１９９０年代初頭の時期に、主として住宅用および商業用空調の用途で始まった。冷凍スクロールは、１９９０年代半ばまでには、商業用冷凍（すなわち、スーパーマーケットでの冷凍）の用途で使用され始めた。
【０００７】
このような現代のスクロール圧縮機は、モータ軸が垂直であり、モータが圧縮機ハウジングの下部に位置し、かつ圧縮機の油サンプまで下向きに延びている竪型構成を備えている。スクロールはモータの上に配置されている。旋回スクロールはモータ軸によって駆動され、一方、固定スクロールは旋回スクロールより上方の位置に保持されている。
【０００８】
極低温冷凍システムにおける代表的な往復動圧縮機の吐出温度は、１１０℃から１３０℃の範囲である。通常は、１３０℃が（圧縮機のサービス弁の位置で測定される）最高許容吐出温度である。定常作動時は、通常１３０℃よりも低い温度に制限されている。温度が１３０℃を超えると、圧縮機の油が分解され、その後、圧縮機の故障に至る金属の磨耗が生じる。
【０００９】
スクロール圧縮機の圧縮機吐出温度は、より高くなる傾向がある。他の圧縮機との競争力を維持するために、圧縮機吐出温度を管理し冷凍能力を向上させる、冷凍スクロール用の液インジェクションが開発された。
【００１０】
典型的なユニットでは、スクロール圧縮機の吐出温度は、圧縮機の作動条件に著しい制約を与え、全体的なシステム効率を低下させる。影響される要因には、混合物全体の組成と、圧縮機の吐出圧力および吸込み圧力がある。したがって、所定の冷凍システムがより低い蒸発器温度で作動できるように、または所定の蒸発器温度においてより高い冷凍能力で作動できるように、吐出温度を低下させる手段を見つけることが望ましい。
【００１１】
言い換えれば、全体的なシステム性能を最適化して全体的な効率を高めつつ、吐出温度を安全な範囲に維持することが望ましい。参考までに述べると、効率はカルノー効率と比較することができる。たとえば、「極低温工学の進歩：極低温工学会議論文集第４７巻（２００２年）」に発表された、Podtcherniaev、Boiarski、およびFlynnの「混合冷媒で作動する産業用絞りサイクルクーラーの１１０Ｋから１９０Ｋの温度範囲における性能」を参照されたい。
【００１２】
圧縮ガスを冷却する公知の方法の一つは、液状冷媒を、凝縮器から噴射経路を通して、圧縮機に直接噴射する方法である。液状冷媒は、圧縮機のガス吸込み領域に噴射してもよく、スクロール部材によって形成される中段部封止空間に噴射してもよい（たとえば、米国特許第５６４０８５４号および米国特許第５０７６０６７号を参照されたい。）。
【００１３】
冷凍システムの構成および機能は、使用される冷媒の変遷によって変化している。従来、アルキルベンゼン圧縮機油または鉱物油が、ＣＦＣシステムおよびＨＣＦＣシステムと共に使用されてきた。しかし、ＨＦＣは相溶性がはるかに低く、アルキルベンゼン油とは溶けあわないと考えられている。そのため、通常は、ＨＦＣ冷媒との相溶性があるポリオールエステル（ＰＯＥ）圧縮機油が、使用されている。冷凍システムの製造業者は、冷媒選択を規制する現行の環境法に従わなければならず、かつ、冷媒成分の選択が圧縮機や圧縮機油といった冷媒と関連する構成要素に与える影響に対処する方法を提供しなければならない。
【００１４】
現在、コープランド社等の主要なスクロール圧縮機製造業者は、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ５０７等の従来の冷媒に適合するＰＯＥ油を選択し、試験し、承認している。これらの油は、−４５℃（−４９0Ｆ）以上の温度で、これらの冷媒に対して良好な相溶性を示している。圧縮機から吐出管に放出された油は、冷媒に保持されて圧縮機に戻る。したがって、商業冷凍システムは油分離器を必要としない。
【００１５】
必要とされるのは、−４５℃（−４９0Ｆ）よりも低い温度で冷媒との相溶性があるＰＯＥ油に適合する圧縮機を備える冷凍システムである。
【００１６】
現在の冷媒に適合する、効率的で小形の冷凍システムを開発するいくつかの試みがなされている。
【００１７】
２０００年８月８日付けの、藤田等による米国特許第６０９８４２１号「冷凍装置」は、塩素を含まないハイドロフルオロカーボン冷媒（ＨＦＣ−１２５／ＨＦＣ−１４３ａ／ＨＦＣ−１３４ａ）を作動流体として用いた、冷凍装置に使用される液インジェクション付きスクロール圧縮機を開示している。噴射される液体の量は、圧縮機の吐出温度に応じて制御される。さらに、エステル油および／またはエーテル油が冷凍機油として使用され、乾燥器が冷凍サイクル内に配置されている。この構成によれば、従来の冷凍装置の構成を必ずしも変更せずに、冷凍サイクル作動を広範囲で安定して実現することができる。
【００１８】
２０００年６月１３日付けの、スポーシャス(Spauschus)等による米国特許第６０７３４５４号「減圧された二酸化炭素をベースとする冷凍システム」は、新規の冷凍装置および冷凍方法を開示している。この新規の冷凍装置は、脱離器／蒸発器と、脱離器／蒸発器に作動可能に連結されたスクロール圧縮機と、圧縮機に作動可能に連結された再吸収器／凝縮器と、再吸収器／凝縮器および脱離器／蒸発器に作動可能に連結された膨張装置と、二酸化炭素および二酸化炭素が段階的に(differentially)溶解可能な液体混合流体(liquid co-fluid)とを含む循環冷媒とを有している。冷凍方法は、二酸化炭素と液体混合流体とを、二酸化炭素の少なくとも一部が液体混合流体的に溶解するように、スクロール圧縮機内で圧縮して加圧することと、溶解した二酸化炭素が液体混合流体との溶液から離脱するように、溶解した二酸化炭素を含む液体混合流体を減圧することと、気体状の二酸化炭素と液体混合流体とをスクロール圧縮機へ再循環させることとを含んでいる。
【００１９】
２０００年５月２日付けの、東條等による米国特許第６０５５８２７号「冷媒圧縮機および冷凍装置」は、ハイドロフルオロカーボン系の冷媒を吸い込んで圧縮する圧縮部を有するスクロール圧縮機と、凝縮器等とを含み、スクロール圧縮機の圧縮部を駆動する駆動軸を滑り可能に支持する滑り軸受は鉛を含む材料で作られ、滑り軸受を潤滑する潤滑油として、冷媒回路で用いられる冷媒と相溶性のあるエーテル油が用いられる冷凍装置を開示している。
【００２０】
１９９９年１２月２８日付けの、東條等による米国特許第６００６５４２号「冷媒圧縮機および冷凍装置」は、ハイドロフルオロカーボン系の冷媒を吸い込んで圧縮する圧縮部を有するスクロール圧縮機と、凝縮器等とを含み、スクロール圧縮機の圧縮部を駆動する駆動軸を滑り可能に支持する滑り軸受は鉛を含む材料で作られ、滑り軸受を潤滑する潤滑油として、冷媒回路で用いられる冷媒と相溶性のあるエーテル油が用いられる冷凍装置を開示している。
【００２１】
１９９９年６月８日付けの、藤田等による米国特許第５９１０１６１号「冷凍装置」は、塩素を含まないハイドロフルオロカーボン冷媒（ＨＦＣ−１２５／ＨＦＣ−１４３ａ／ＨＦＣ−１３４ａ）を作動流体として用いた、冷凍装置に使用される液インジェクション付きスクロール圧縮機を開示している。噴射される液体の量は、圧縮機の吐出温度に応じて制御される。さらに、エステル油および／またはエーテル油が冷凍機油として使用され、乾燥器が冷凍サイクル内に配置されている。この構成によれば、従来の冷凍装置の構成の大部分の変更を伴うことなく、冷凍サイクル作動を広範囲で安定して実現することができる。
【００２２】
１９９７年１１月１１日付けの藤田等による米国特許第５６８５１６３号「冷凍装置」は、塩素を含まないハイドロフルオロカーボン冷媒（ＨＦＣ−１２５／ＨＦＣ−１４３ａ／ＨＦＣ−１３４ａ）を作動流体として用いた、冷凍装置に使用される液インジェクション付きスクロール圧縮機を開示している。噴射される液体の量は、圧縮機の吐出温度に応じて制御される。さらに、エステル油および／またはエーテル油が冷凍機油として使用され、乾燥器が冷凍サイクル内に配置されている。この構成によれば、従来の冷凍装置の構成の大部分の変更を伴うことなく、冷凍サイクル作動を広範囲で安定して実現することができる。
【００２３】
テレマーク・クライオジェニックス(Telemark Cryogenics)（英国、ノーザンプトン）は、冷凍スクロール圧縮機を用いた極低温冷凍システムを製造している。これらのシステムのいくつかは、液インジェクション付きで使用されるように装備されたスクロールを用いているが、その特徴は利用されていない。残念ながら、このシステムは、望ましい高効率を有していない。
【００２４】
オートカスケード冷凍システムにおけるスクロール圧縮機について記載した他の文献として、米国研究所の１９９６年１０月号に記載された、ロバート・Ｄ・レーマンの論文「生物学的薬剤を液体窒素なしで、−１５０℃で気中保存する機械冷凍式極低温フリーザー」がある。この論文は、液インジェクションを行わない空調用スクロール圧縮機に関するものである。残念ながら、このシステムは、望ましい高効率を有していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
本発明の目的は、効率が改善され、小型化され、かつ冷媒選択を規制する現行の環境法に適合する、極めて低温の、すなわち極低温の冷凍システムを提供することである。
【００２６】
本発明の他の目的は、冷凍システムの設置面積の縮小を可能にする、高効率・大容量の小形圧縮機を提供することである。
【００２７】
本発明の他の目的は、冷媒の吐出温度を管理するスクロール圧縮機を備えた冷凍システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
発明の概要
本明細書に開示される実施態様は、−６０℃から−２０８℃の温度範囲で冷凍を行い、標準沸点（標準沸点とは、たとえば、ある一つの標準大気における純成分の沸点をいう。）が互いに少なくとも５０℃異なる少なくとも２つの冷媒で構成された混合物を用いたシステムを対象としている。本開示では、極低温は−６０℃から−２０８℃の温度範囲を指す。
【００２９】
本開示全体にわたって、冷媒は「Ｒ」番号によって参照される。このような指定はＡＳＨＲＡＥ標準＃３４によって定義されている。ＡＳＨＲＡＥとは、米国加熱冷凍空調学会（American Refrigeration Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers）を意味する。他の冷媒は、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ2）、エタン（Ｃ2Ｈ6）のように、一般的な名称で参照される。
【００３０】
本開示では、様々な冷媒をその標準沸点に基づいて区分することが重要である。−１５℃より高い沸点を有する冷媒を高沸点冷媒と呼ぶ。この群には、Ｒ−１２４、Ｒ−２３６ｆａ、Ｒ−２４５ｆａ、Ｒ−１２３などの冷媒が含まれるが、それらに限られない。−１５℃から−６０℃の間の沸点を有する冷媒を中沸点冷媒と呼ぶ。この群には、Ｒ−１３４ａ、Ｒ−１２５、Ｒ−２２、Ｒ−３２、Ｒ−４１０Ａ、Ｒ−４０４Ａ、プロパンなどの通常の市販の冷媒が含まれるが、それらに限られない。−６０℃より低い沸点を有する冷媒を低沸点冷媒と呼ぶ。この群には、Ｒ−２３、Ｒ−１４、エタン、メタン、キセノン、クリプトン、アルゴン、ヘリウム、ネオン、窒素、酸素、水素などが含まれるが、それらに限られない。
【００３１】
特に、本明細書に開示される実施態様は、少なくとも１つの高沸点冷媒と１つの低沸点冷媒とで構成された混合物と共に使用するのが最も有利であると考えられる。
【００３２】
本発明は、従来技術のシステムを、効率を高めるように修正し、効率を向上させている。本願で開示されているシステムと従来技術との大きな違いは、本願のシステムは、極低温冷凍システムにおいて、低沸点冷媒の含有量の多い混合冷媒を用いた、冷却用液インジェクション付きのスクロール圧縮機を使用していることである。低沸点冷媒は、冷媒混合物の約１５％から５０％以上まで、好ましくは５０％未満、最も好ましくは約２０％から約４５％の範囲の構成比とすることができる。
【００３３】
その効果は、以下のメカニズムによって実現される。
【００３４】
室温の液体は、中間噴射温度まで温度を下げられ、絞り効果によって冷却する。圧縮機内の中間段の圧縮ガスは、それまでにおこなわれた圧縮仕事によって周囲よりも高い温度になっている。液体は、中圧の液体と混合されると、蒸発してガスを冷却する。この混合の結果、中間段のガス温度が下がるため、吐出温度が低下する。
【００３５】
中圧ガスとは異なる組成を有するこのような液体を加えることによって、通常、分子量のより大きな化合物となり、通常、これに伴い比熱比が小さくなる。その結果、全体的な組成が変化し、この２つの混合流の比熱比が下がり、吐出温度が低下する。
【００３６】
２つのスクロールがガスポケットを吸込み圧力で密閉した後に、圧縮過程に冷媒を加えることによって、冷媒の質量流量を増やすことができる。質量流量を増やすと冷凍効率が高くなる。
【００３７】
高沸点液状冷媒が混合物から分離して圧縮機のサンプに蓄積する不都合の起きないように高沸点液状冷媒の存在を管理することによって、このような冷媒を、液インジェクションを行わないスクロール圧縮機で使用できる濃度よりも高濃度で使用することができる。これによって、除熱量を増加したり、および／または、より高濃度の低沸点成分を使用できるようにしたり、あるいは、より高い圧縮比で運転できるようにするなど、いくつかの手段によって、全体的な冷凍効率が向上する。
【００３８】
開示されるシステムは、低沸点冷媒を含む混合冷媒の吐出温度を管理する、高効率・大容量の小形スクロール圧縮機を含んでいる。開示されるシステムの利点は、余分な量の冷媒が圧縮機の作動中に油サンプ内に蓄積しないように、高沸点冷媒成分の循環が管理されることである。このような改善された管理によって、圧縮機の吐出温度が低くなり、全体的なシステム効率を高めることができる。
【００３９】
さらに、本発明は、特別低温用のＰＯＥ油に適合する圧縮機を備えた冷凍システムを提供する。
【００４０】
本願発明で開示されている実施態様は、全体的な必要床面積を小さくするとともに、これらのすべての利点を備えている。
【００４１】
これらの実施態様は、吐出温度を低下させる液インジェクション付の商業生産されるスクロール圧縮機を用い、下記の要素を含む極低温冷凍システムを備えることによって、上記およびその他の利点をもたらす。
【００４２】
・液インジェクション口を有し、電磁弁（任意）を備えたスクロール圧縮機
・特別のＦＭＤ
・クランクケースまたはバンドヒータ（任意設置）
・吐出管
・凝縮器
・蓄液タンク（任意設置）
・液体管
・冷凍プロセス
・冷媒供給管
・蒸発器コイル
・冷媒戻り管
・冷凍プロセスにおける少なくとも１つの流量測定装置
・複数のサービス弁（すべて任意設置）
・複数の電磁弁（すべて任意設置）
・圧縮機吸込み管
・膨張タンク（任意設置）
・油戻り管を有する油分離器（任意設置）
・霜取り管（任意設置）
・液インジェクション管
ここで、スクロール圧縮機は、吐出管を通って、凝縮器に接続されている。凝縮器は冷媒から熱を除去し、液体管を介して、冷凍プロセスの供給入口に接続されている。液体管は、高圧冷媒を冷凍プロセスに送る。冷凍プロセスの供給出口は、冷媒供給管を介して、顧客によって設置される蒸発器コイルの入口に接続されている。冷凍プロセスと蒸発器コイルとの間の冷媒供給管に沿って、第１の電磁弁に接続される第１の流量測定装置（ＦＭＤ）が設けられている。蒸発器コイルの出口は冷媒戻り管につながり、冷媒戻り管は冷凍プロセスの低圧側に接続されている。冷凍プロセスの戻り出口は、圧縮機吸込み管を介してスクロール圧縮機に戻り、閉回路を形成している。
【００４３】
任意設置の膨張タンクは圧縮機吸込み管に接続されている。第２の任意設置のＦＭＤは、膨張タンクの入口と圧縮機吸込み管との間の管に沿って配置されている。冷凍システム内の霜取り供給ループは、以下のように形成されている。任意設置の油分離器の入口は、吐出管の、スクロール圧縮器と凝縮器との間の分岐部と接続している。油分離器の第１の出口は任意設置の第２の電磁弁の入口に接続され、第２の電磁弁は、霜取り管を介して、冷媒供給管の第１の電磁弁と蒸発器コイルとの間の分岐部に接続されている。このように、高温の吐出ガスをウォーミングのために蒸発器に送ることのできる冷媒バイパスが、冷凍プロセス周りに形成されている。この霜取りプロセスは、他の変形例も可能である。それらは引用によって本出願に組み込まれる米国特許第６５７４９７８号に記載されている。
【００４４】
油分離器の第２の出口は、油戻り管を介して、圧縮機吸込み管の冷凍プロセスとスクロール圧縮機との間に戻るように接続されている。凝縮器の出口は、冷媒供給（液体）管と液インジェクション管の両者と接続している。液インジェクション管は、スクロール圧縮機に戻るように接続されている。液体管とスクロール圧縮機との間の液インジェクション管に沿って、蓄液タンク（任意設置、不図示）、任意設置の電磁弁、および第３のＦＭＤが設けられている。
【００４５】
油サンプヒータまたはクランクケースヒータは、冷凍システムに標準的に設けられる設備で、立上げ時に圧縮機が冷媒で満水状態になることを防止する働きをする。この用途では、クランクケースヒータは任意設置である。しかし、クランクケースヒータを使用する場合は２つの方法で使用することができる。第１の方法は、圧縮機サンプ内の冷媒液を最小限に抑えるために、圧縮機の停止時のみこのヒータを稼動させる方法である。しかし、極低温用途の混合冷媒システムでは、液状冷媒の蒸気圧が非常に低く、これに対応して沸点が高いため、このようなヒータによって得られる典型的な温度では、液状冷媒を効果的に減少させない。このため、第１の方法は、通常それほど有効ではない。
【００４６】
場合によっては、圧縮機油サンプの外側に補助ヒータラップを付加し、油サンプ内の液体量を調節するのに十分なエネルギーを与えるのが有利である。第２の方法は、圧縮機の作動時に、油サンプ内の液状冷媒量を減らすために、このヒータを導通する方法である。他の構成では、圧縮機の作動時に、油サンプ内の油を加熱するため、外部ヒータを使用する代わりに、高温の吐出ガスを圧縮機油サンプに熱的に接触させてもよい。
【００４７】
好ましい実施態様では、本発明のシステムは、吐出温度を低下させる液インジェクションと、油サンプを加熱する任意設置のヒータとを有し、液インジェクションを行わないスクロール圧縮機と比べて全体的なシステム効率を向上させるとともに、従来の往復動圧縮機を用いた冷凍システムと比べてシステムのサイズを小さくできるスクロール圧縮機を用いた極低温冷凍システムである。
【００４８】
開示される極低温冷凍システムは、高沸点成分および低沸点成分を有する混合冷媒（ＭＲ）混合物と共に使用するのに適しており、特殊低温ＰＯＥ油、および他のＰＯＥ油、ならびに他の従来の圧縮機油と共に使用するのにも適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
発明の説明
本発明は、吐出温度を低下させる液インジェクションと油サンプを加熱する任意設置のヒータとを有し商業生産されるスクロール圧縮機を用いた、極低温冷凍システムである。吐出温度の管理は、高沸点冷媒の循環を管理することによって行われ、それによって全体的なシステム効率が改善される。スクロール圧縮機を使用することによって、従来の半気密型往復動圧縮機を用いた冷凍システムと比べて、極低温冷凍システムを小型化することができる。さらに、本発明の極低温冷凍システムは、商業生産されるスクロール圧縮機を使用し、高沸点成分および低沸点成分を有する最適化された冷媒（ＭＲ）混合物と共に使用するのに適している。
【００５０】
本発明の極低温冷凍システムは、吐出温度を低下させる液インジェクションと油サンプを加熱するヒータとを有する、商業生産されるスクロール圧縮機を使用し、下記の要素を含んでいる
・液インジェクション口を有し、電磁弁をさらに含むスクロール圧縮機
・特別のＦＭＤ
・任意設置のクランクケースまたはバンドヒータ
・吐出管
・凝縮器
・蓄液タンク（任意設置）
・液体管
・冷凍プロセス
・冷媒供給管
・蒸発器コイル
・冷媒戻り管
・少なくとも一つの流量測定装置
・複数のサービス弁（すべて任意設置）
・複数の電磁弁（すべて任意設置）
・圧縮機吸込み管
・任意設置の膨張タンク
・油戻り管を有する油分離器
・任意設置の霜取り管
・液インジェクション管
各図を参照して、冷凍システムの様々な実施形態についてさらに説明する。
【００５１】
図１は、従来技術の極低温冷凍システム１００である。冷凍システム１００は、霜取り機能を有する効率的な極低温冷凍システムである。冷凍システム１００は、吐出管１０６を介して凝縮器１０４に接続される圧縮機１０２を含んでいる。凝縮器１０４は、液体管１１０を介して、冷凍プロセス１０８の供給入口に接続されている。冷凍プロセス１０８の供給出口は、冷媒供給管１１４を介して、顧客によって設置される蒸発器コイル１１２に接続されている。冷凍プロセス１０８と蒸発器コイル１１２との間の冷媒供給管１１４の管に沿って、任意設置の電磁弁１１８につながる流量測定装置（ＦＭＤ）が設けられている。蒸発器コイル１１２の出口は、冷媒戻り管１２０を介して、冷凍プロセス１０８の戻り入口に接続されている。冷凍プロセス１０８の戻り出口は、圧縮機吸込み管１２２を介して、圧縮機１０２に戻るループを閉じている。通常、冷媒管１１４，１２０および蒸発器１１２は、現場への据付時に、顧客によって設置される。他の構成では、これらの部材は、パッケージ化された単一のユニットとして一体化されている。
【００５２】
冷凍システム１００内の霜取り供給ループは以下のように形成されている。任意設置の油分離器１２８の入口は、吐出管１０６の圧縮機１０２と凝縮器１０４との間の分岐部から接続されている。油分離器１２８の第１の出口は、任意設置の電磁弁の入口に接続され、電磁弁は、霜取り管１３２を介して、冷媒供給管１１４の電磁弁１１８と蒸発器コイル１１２との間の分岐部に接続されている。油分離器１２８の第２の出口は、油戻り管１３４を介して、圧縮機吸込み管１２２の冷凍プロセス１０８と圧縮機１０２との間の分岐部に戻っている。油分離器１２８は任意設置であり、その必要性は、全体的なシステム構成によって決まる。他の構成では、油分離器は、圧縮機から出る全流量を処理するのに使われる。さらに別の構成では、油分離器は完全に省略される。最も重要な点は、冷凍システム内の油の濃度を制限し、油を液相の冷媒に溶解された状態に維持することである。
【００５３】
冷凍システム１００は、圧縮機吸込み管１２２につながる任意設置の膨張タンク１２４をさらに含んでいる。ＦＭＤ１２６が、膨張タンク１２４の入口と圧縮機吸込み管１２２との間に直列に配置されている。膨張タンク１２４およびこれと関連するＦＭＤ１２６は、全体的なシステム構成に応じて任意に設置される。当業者は、膨張タンクをシステムに設ける場合と省略する場合との得失を理解されよう。
【００５４】
冷凍プロセス１０８は、熱交換器１３６と、相分離器１３８と、熱交換器１４０と、熱交換器１４２と、ＦＭＤ１４４とを含んでいる。
【００５５】
冷凍プロセス１０８を通る冷媒供給流路は以下のとおりである。熱交換器１３６の供給入口は液体管１１０から接続され、熱交換器１３６の供給出口は相分離器１３８の供給入口に接続されている。相分離器１３８の供給出口は熱交換器１４０の供給入口に接続され、熱交換器１４０の供給出口は熱交換器１４２の供給入口に接続されている。熱交換器１４２の供給出口は冷媒供給管１１４に接続されている。
【００５６】
冷凍プロセス１０８を通る冷媒戻り流路は以下のとおりである。熱交換器１４２の戻り入口は冷媒戻り管１２０から接続され、熱交換器１４２の戻り出口は熱交換器１４０の戻り入口に接続されている。熱交換器１４０の戻り出口は熱交換器１３６の戻り入口に接続されている。熱交換器１３６の戻り出口は圧縮機吸込み管１２２に接続されている。さらに、相分離器１３８の第２の出口はＦＭＤ１４４に接続され、ＦＭＤの出口は、冷媒戻り経路の熱交換器１４０と熱交換器１４２との間の分岐部に接続されている。
【００５７】
冷凍プロセス１０８として示されているこの特定の構成は、可能性のある一つの構成である。他の多数の構成が可能である。一例として、熱交換器および相分離器の数、ならびにそれらの互いの関係は、様々に変更することができる。重要な要求事項は、冷凍プロセスが、極低温範囲における冷凍能力（蒸発器での熱除去）の形成を支援することである。米国特許第６５０２４１０号は、様々な構成について詳しく説明しており、その開示は引用によって本明細書に組み込まれる
他の構成では、冷凍プロセス１０８は、１つまたは２つ以上の温度で熱交換することによって、気体や液体などの二次流体（すなわち、窒素、空気、またはGalden HT-70などの液体伝熱剤）から除熱する手段を提供する。広範囲の温度が使用可能であるため、複数の温度で二次流体から効果的に除熱することができる。構成によっては、二次流体全体が最低温度と最高温度の間で低圧冷媒と熱交換してもよい。他の構成では、この除熱を用いてガスを液化してもよい。さらに、冷却および／または液化のための二次流体からの除熱は、蒸発器１１２との熱交換によっても生じる。
【００５８】
上述の冷凍システム２００のすべての要素の相互連結は、水圧を利用して行われる。
【００５９】
図１の概略図は、単一の蒸発器に対応した冷凍システム１００を示している。一般に、冷凍システムは、並列もしくは直列に配置された、または並列配置と直列配置とが組合わされた複数の蒸発器を冷却することができる。
【００６０】
図１の冷凍システムは単一の圧縮機を示している。一般的には、複数の圧縮機を使用することができる。これらの圧縮機は、圧縮プロセスをさらにいくつかの段に分割するように、直列に配置することができる。圧縮機を直列に配置する場合、液インジェクションは、少なくとも１つの圧縮機で用いられる。あるいは、冷却需要に基づいて圧縮プロセスを経済的におこなうため、圧縮機を並列に配置してもよい。圧縮機を並列に配置する場合、液インジェクションは、少なくとも１つの圧縮機で用いられる。
【００６１】
他の実施形態では、冷凍システムは、それぞれ異なる温度で作動する少なくとも２つの冷凍システムからなり、高温冷凍プロセスが低温冷凍プロセスから熱を受けるカスケード構成として構成される。この実施形態は、高温ステージの冷媒が標準沸点が少なくとも互いに５０℃異なる２つの成分からなる混合物であり、組み合わされた冷凍ステージの全体的な効果が極低温範囲における冷凍効果を実現するようなカスケード構成を含んでいる。
【００６２】
図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃに示されたスクロール圧縮機は、図１の冷凍システム１００の圧縮機１０２として適切に機能する。さらに、図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃに示されたスクロール圧縮機の使用は、極低温冷凍システム１００の効率的作動およびコンパクト化を一層最適化し、不燃性で塩素を含まず無毒のＭＲ混合物の使用に適している。
【００６３】
スクロール圧縮機が、所定の流量、吸込み圧力、および吐出圧力で所定の冷媒を圧縮するために、往復動圧縮機等の他の圧縮機よりも多くの電流、したがってより多くの電力を使用することはまれではない。スクロールの利点は、半気密型圧縮機と比べて水平面内の設置面積が小さいことである。本発明においては、圧縮機吐出温度の管理を改善することによってスクロール圧縮機の効率を改善し、それによって、圧縮機吐出温度の制限が冷凍システム設計者に及ぼす制約を最小限に抑える方法について説明する。
【００６４】
図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃに示されるスクロール圧縮機を使用する場合、図１の冷凍システムをわずかに修正する必要があることに留意されたい。このシステムの修正は、以下のように、図３に示されている。
【００６５】
図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃは、本発明に適合する、一般に冷凍用途に用いられるスクロール圧縮機の２つの主要部材を示している。スクロール圧縮機２００は、コープランド社（オハイオ州、シドニー）によって製造されているコープランド・グレイシャー型冷凍機用スクロール（たとえば、すべてのＺＦシリーズ）等の、液インジェクション付きの市販のスクロール圧縮機である。
【００６６】
スクロール圧縮機２００は、図２Ａに示されている、静止らせん状部材（スクロール）２１０と、図２Ｂに示されている可動または旋回スクロール２２０とを含んでいる。スクロール２１０とスクロール２２０の形状は同じである。スクロール２２０は、上記の図２Ｃに示されているように、１８０°回転させられ、スクロール２１０と噛み合う。
【００６７】
スクロール圧縮機２００のスクロール２１０および２２０は、互いに嵌り合って三日月形のガスポケットを形成する。より具体的には、スクロール圧縮機２００は、図２に示されているように、低圧ポケットを形成する領域２３０と、中圧ポケットを形成する領域２４０と、高圧ポケットを形成する領域２５０と、中央吐出ポケットを形成する領域２６０とをさらに含んでいる。領域２３０、２４０、および２５０は各々、対となる領域（符号は付していない。）を有し、各々一対の低圧ポケット、中圧ポケット、および高圧ポケットを形成している。これらのポケットは例示的なものである。なお、スクロール圧縮機は連続的な動きを特徴としているので、これらのポケットはスクロール運動のある「一瞬の状態」(snap shot)を取り出したものである。
【００６８】
圧縮機の基本作動、すなわち、低圧・低温の冷媒ガスを得て、圧縮して高圧・高温のガスにする作動は、冷凍産業界では公知の事項である。さらに、スクロール圧縮機２００の基本作動も公知の事項であるが、以下に簡単に説明する。
【００６９】
作動時には、スクロール２１０は静止したままであり、一方、スクロール２２０はスクロール２１０に対して旋回する。このらせん運動が続きながら、低圧ガスは周辺部（領域２３０）に入り、引き込まれ、スクロール圧縮機２００の中心の方へ押し込まれ、ガス圧力が徐々に高められ、ガスは固定スクロール２１０の領域２６０のポートから吐き出される。冷媒ガスのいくつかのポケットは同時に圧縮され、スクロール圧縮機２００の中心（領域２５０および２６０）に向かってより高い圧力が形成され、スクロールの旋回中、ずっと、滑らかでほぼ連続的なサイクルが実現される。
【００７０】
作動中、ガスの体積は減少する。すなわち、スクロール圧縮機２００は内部圧縮を行う。所与のスクロール対において、圧縮量は吐出ポートの大きさに依存する。往復動圧縮機と異なり、スクロール圧縮機２００で得られる圧縮度は明確な限界を有し、それはスクロール２１０および２２０の形状およびサイズに関係している。
【００７１】
図１の極低温冷凍システム１００の圧縮機１０２としてスクロール圧縮機２００を使用することの利点は、従来の往復動圧縮機（すなわち、スクリュー圧縮機またはピストン圧縮機）を使用することと比較すると、スクロール圧縮機２００は、
・小形の竪型構成であるため、必要床面積が小さくなる
・油を完全に不要にすることができる
・低振動かつ低騒音となるようバランスを取ることのできる回転運動を利用している
・弁やその他の磨耗部品を使用しないように構成することができる
・静かで効率的な運転を損なわずに、たとえば１００００ｒｐｍまでの高速で作動することができる
・競争力のあるコストで製造することができる
・より高い体積効率を有している
・主要な可動部品を２つしか使用しないため、信頼性が非常に高い
・摩擦速度が低いため、騒音および磨耗が少ない
ことにある。
【００７２】
実際には、様々な形態のスクロール圧縮機が可能であることに留意されたい。多くの冷凍プロセスでは、圧縮機は油潤滑され、油を吐出管に放出する。さらに、冷凍スクロール圧縮機は通常、吐出弁を有している。ただし、この弁にかかる力は、往復動圧縮機吐出弁にかかる力よりもかなり弱い。
【００７３】
本発明の第１の実施形態として、図３は、極低温冷凍システム３００を示している。冷凍システム３００は、圧縮機１０２がスクロール圧縮機２００に代えられていることを除き、図１の極低温冷凍システム１００と同一である。冷凍システム３００は、液体管１１０（凝縮器１０４の出口）から接続され、スクロール圧縮機２００（すなわち、スクロール圧縮機２００のスクロール２１０，２２０）に戻る液インジェクション管３１０をさらに含んでいる。液インジェクション管３１０の液体管１１０とスクロール圧縮機２００との間には、ＦＭＤ３２０および、任意設置の電磁弁３２１または他の流量調節装置が直列に設けられている。ＦＭＤ３２０は、キャピラリ管、オリフィス、フィードバックを有する比例弁、または流量調節用の任意の流量制限要素等、従来の流量測定装置である。しかし、極低温用途の場合、冷却領域に最適な気体−蒸気−液体流を供給するようにＦＭＤのサイズを変更する必要がある。ＦＭＤ３２０がフィードバックを有する比例弁である場合、フィードバックループは通常、主要なフィードバック源として吐出温度を使用し、システムは、噴射された液体が中間圧縮ガスと混合された後にスクロール内での液体の形成が防止されるように、機械的に、または追加的なフィードバックループによって拘束される。
【００７４】
圧縮機の満水起動(flooded start)および圧縮機の損傷を防止するため、電磁弁または他の流量調節装置が必要である。ソレノイドは、圧縮機サイクルが停止しているときは閉じていなければならない。電磁弁が設けられていないと、「オフ」サイクル中にスクロールが液状冷媒で満水にされる可能性がある。この状態で動力が再印加されると、水力学的な効果によって、圧縮機に永久的損傷を与えるに十分な高圧力が発生する。しかし、スクロールの満水を防止する他の手段も可能である。本発明の必須の要素は、液インジェクションによる圧縮機吐出温度の管理である。
【００７５】
スクロール圧縮機２００に戻る液インジェクション管３１０が必要であるのは、低沸点冷媒を含む混合冷媒を有する極低温冷凍システムにおいては、噴射を行わない場合のスクロール圧縮機吐出温度が１８０℃から２００℃に達する可能性があるからである。しかし、スクロール圧縮機２００の安全作動上の上限は通常、１２５℃から１３５℃（サービス弁位置で測定したとき）に過ぎず、したがって過度の冷却が必要になるのである。すなわち、吐出温度が制限されているため、システム設計者は、低沸点冷媒の割合が少なくなるように冷媒混合物を調整する。低沸点冷媒が少なくなると、システム効率が低下する。液インジェクションによって吐出温度の管理を改善すると、システム効率が向上するのである。標準的な冷凍システムは、同様な目的で液インジェクションを利用している。しかし、このような従来技術の用途では、システムの制限が異なり、流量および作動条件だけが考慮されればよい。極低温冷凍の場合、冷媒混合物の組成は新たな要素であり、液状冷媒の管理は、液状冷媒の沸点がより高いために、より困難となる。液インジェクションを用いることによって、従来技術のシステムと比べてシステム効率を改善することができる。
【００７６】
さらに、液体は蒸気冷媒よりも効率的にスクロール圧縮機２００を冷却することから、ほぼ液体成分からなる冷媒を噴射することが重要である。液インジェクションを使用する際には、噴射された液が途中まで圧縮されたガスと混合した後に液体がスクロール内に存在しないように、噴射される液体の量を制限しなければならない。
【００７７】
極低温混合冷媒システムに対する液インジェクションの必要性は、スクロール圧縮機を用いた従来の冷凍サイクルよりも重要である。
【００７８】
これは、単一冷媒、またはＲ−４１０ＡやＲ−４０４Ａのような、沸点間の差が比較的小さい冷媒の混合物を利用する従来の冷凍システムと異なっている。極低温混合冷媒システムでは沸点間の差が大きく、使用される最高沸点成分の沸点が比較的高いため、冷媒成分の分離が生じることがある。これは、極低温混合冷媒システムが通常、−１５℃以上の標準沸点を有する冷媒を使用するからである。高沸点冷媒は、油潤滑式スクロール圧縮機で使用されると、圧縮機油サンプに溜まる傾向がある。スクロールの竪型構成、および戻り吸込み冷媒が直接圧縮機油サンプに入る構成は、高沸点冷媒が圧縮機油サンプに蓄積するこの分離効果を高めている。この分離を補償するために追加の高沸点冷媒を付加しても、圧縮機の作動時には過度の吐出温度条件は持続する。この点に関しては、従来の冷凍システムは同様の影響を受けない。なぜなら、従来の冷凍システムでは循環流体の組成はほとんど変化しないからである。極低温混合冷媒システムへの影響とは、このような高沸点冷媒が循環から除去されることを意味する。このため、圧縮機の吐出温度が高くなり、冷凍効率が低下するのである。
【００７９】
したがって、液インジェクションを特別な構成の混合冷媒と共に用いることによって、極低温混合冷媒システムに竪型スクロール圧縮機を使用することが可能となり、液インジェクションがない場合の冷凍効率よりも高い冷凍効率が実現される。
【００８０】
従来技術のシステムで実証されているように、液インジェクションを行わないスクロール圧縮機を極低温冷凍システムに適用することは可能である。しかし、液インジェクションを行わないと、圧縮機の良好な信頼性を確保しつつ使用できる冷媒成分の範囲が制限される。これによって、アルゴン、窒素、Ｒ−１４などの極低沸点成分の最大組成が制限され、または、圧縮機の吸込み圧力もしくは吐出圧力およびこれに伴う圧縮比が制限され、システム効率が低下する。
【００８１】
あるいは、システムによる排熱を少なくする高沸点冷媒の割合を制限してもよい。この場合、極低温で除去できる熱量が少なくなり、また、圧縮機を作動させることのできる圧力が制限される。したがって、液インジェクションを用いると、極低温混合冷媒システムで竪型スクロール圧縮機を使用することができ、液インジェクションなしで実現できるよりも高い、冷凍システムの性能レベルが得られる。
【００８２】
冷媒のほとんどが確実に液相でスクロール圧縮機２００の液体管に戻るためには、液インジェクション管３１０の液体管１１０への物理的な接続が重要である。オートカスケード式の冷凍システムの液体管１１０に存在する冷媒は、蒸気および／または気体と液体との混合物であるため、液インジェクション管３１０は液体管１１０の水平部分の底部に対して「ティー」を構成しなければならない。さらに、噴射流に液体を多く確保するように、「ティー」と電磁弁との間に蓄液タンクを設置してもよい。これは、液体と蒸気の冷媒は、一緒に液体管１１０を流れるものの、完全に均質な流れを形成していないからである。重力によって、蓄液器として働くタンクの底部に液体が収集される。その結果、液体量の非常に多い冷媒が、液インジェクション管３１０を通ってスクロール圧縮機２００に戻される。
【００８３】
作動時には、ＦＭＤ３２０は、液状冷媒流の一部だけをスクロール圧縮機２００に戻す。液体は中圧で圧縮室に噴射される。この方法は、吸込み圧力の増減に対応し、したがって吸込み質量流量およびシステム性能を変化させる自己調節システムをもたらす。ＦＭＤ３２０はまた、スクロール圧縮機２００に戻される液状冷媒の圧力を下げるように作動し、その結果どちらの方法でも確実な噴射流が得られる。液状冷媒を液体管１１０からスクロール圧縮機２００に噴射すると、スクロール２１０および２２０が冷却され、それによってスクロールの温度が安全作動限界内に下がる。
【００８４】
スクロール部材内では液体の循環は行われない。少量の液状冷媒は、圧縮室に到達し、高温の主流と混合すると、急速に蒸発する。冷却効果は主として、噴射経路内の「低温」蒸気の対流と、蒸発による除熱とによって生じる。特に、液体の噴射が中圧で行われる場合はこのとおりである。ガスがそれまでの圧縮プロセスによってすでに途中まで加熱されているからである。
【００８５】
周囲温度条件下では、混合冷媒によっては、Ｒ２２、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０４ａ等の従来の冷媒よりも高い蒸発熱と高い標準沸点とを有することがある。この場合、圧縮機が停止したときの過度の冷媒凝縮と油サンプ内での液体形成とを防止するために、より大きなヒータ入力ワット数が必要である。
【００８６】
圧縮機システムをうまく利用するには、使用すべき油の種類が重要である。特に、ＰＯＥ油は、アルキルベンゼンや鉱物油等の従来使用されている油と比べて、スクロール圧縮機を含む様々な圧縮機の設計にうまく適用するのが困難である。液インジェクション付きスクロール圧縮機に対して有用であることが判明している油には、ＣＰＩエンジニアリング社（ミシガン州、ミッドランド）のたとえばBVA Solest LT32（４０℃で約３２センチストークス）、たとえばBVA Solest 46（４０℃で約４６センチストークス）、たとえばBVA Solest 68（４０℃で約６８センチストークス）、たとえばBVA Solest 120（４０℃で約１２０センチストークス）がある。この製品系列の他の油、および同様の粘度グレードを有する他の供給業者による他のＰＯＥ油も有用であると考えられる。
【００８７】
スクロール圧縮機と共に使用できるアルキルベンゼン油の例としてシュリーブ(Shrieve)・ケミカル社（テキサス）のZerol 150（４０℃で約２８センチストークス）がある。Zerol 300（４０℃で約５６センチストークス）も有用であると考えられる。同様に、同程度の粘度グレードの他のアルキルベンゼン油、および場合によってはより粘度の低いいくつかのアルキルベンゼン油も、特にＰＯＥ油と共に使用する場合には有用であると考えられる。極低温冷凍システムの２つの互いに相反する要求として、圧縮機油は、重大な磨耗が起こらないように圧縮機の可動部を潤滑しなければならず、かつ、循環している部位によらず液相を維持するように、使用される冷媒に適合しなければならない。一般に、より高い粘度を有する油を選択すると、圧縮機が磨耗する可能性は低くなるが、油が低温で冷媒から分離されやすくなり、配管や、エキスパンション装置や、制御弁が詰まる可能性が高くなる。
【００８８】
当業者には、油−圧縮機−冷媒の特定の組合せを使用するため、適切な信頼性評価が必要であることが認識されよう。同様に、当業者には、システム内の油の管理に関連する適切な冷凍システム信頼性評価が必要であることが理解されよう。
【００８９】
開示される発明では、冷媒と圧縮機油の多くの可能な組合せが考えられる。このような冷媒の例は、ＩＧＣポリコールド社（カリフォルニア州ペタルマ）のPFC-555HC、PFC-552HC、PFC-551HC等、市販されている従来技術のシステムに見られる。さらに、特定の冷媒混合物およびその制限事項は、米国特許第６５０２４１０号および米国特許第６４８１２２３号に開示されており、これらの開示内容は引用によって本明細書に組み込まれる。
【００９０】
コープランド社の冷凍スクロール、モデルZF48K4E-TWD-551を用いた実験では、Solest LT32をＲ−２３６ｆａ、Ｒ−１２５、Ｒ−２３、Ｒ−１４、およびアルゴンと組み合わせて使用したとき、良好な信頼性が得られた。しかし、Ｒ−２３６ｆａをＲ−２４５ｆａで置き換えたところ圧縮機が故障した。これは、この特定の混合物にはより粘度の高い油が必要であることを示している。しかし、より低濃度のＲ−２４５ｆａとＬＴ３２との組合せのいくつかは、良好で有用であると考えられる。より高い粘度グレードの試験として、Solest 68が、Ｒ−２４５ｆａを含む混合物と共に使用された。
【００９１】
さらに他の油−冷媒の組合せも可能である。たとえば、アルキルベンゼン油は、ＨＣＦＣを含有しない冷媒混合物と共に使用することができる。この場合、システム設計者は、冷凍システムの低温段に余分な油が存在しないように、油管理に一層注意しなければならない。アルキルベンゼン油は、ＨＣＦＣ冷媒混合物と共に使用することもできる。同様に、ＰＯＥ油はＨＣＦＣ冷媒と共に使用することができるが、ＨＣＦＣはＰＯＥに対してより強い親和力を有しやすく、通常、ＨＦＣよりも油を薄める。
【００９２】
システムにおいて使用すべき特定の冷媒混合物もまた、当業者の選択の問題である。考慮すべき因子としては、他のシステム構成部材との材料上の適合性、圧縮機油に対する可溶性および相溶性、低温での凍結、システム効率、環境規制、毒性、可燃性などが挙げられる。当業者には、これらの兼ね合わせの重要性が理解されよう。本発明に関しては、混合物中の高沸点冷媒と油との相互作用が通常、極めて重要である。通常、周囲熱を高い効率で除去することによって全体的なシステム効率を向上させるために、この冷媒は室温に近い高沸点（−１５℃から４０℃）を有することが望ましい。しかし、高沸点冷媒は、圧縮機油を薄め、圧縮機油による潤滑を低下させる傾向がある。
【００９３】
特定の冷媒混合物の試験（充填時重量パーセント）に基づくと、液インジェクションには以下の範囲の組成が有用であると考えられる
Ｒ２３６ｆａ  ２０〜４５％
Ｒ−１２５  ８〜１５％
Ｒ−２３  １２〜３０％
Ｒ−１４  １８〜３４％
アルゴン  ６〜１５％
半気密型往復動圧縮機が液インジェクション付きのスクロール圧縮機の代わりに使用される修正モデルであるPolycold PFC-662システムで使用されるコープランド社ZF-40K4E-TWD圧縮機を用いて、混合物の試験を行った。このシステムで得られる温度は、外部負荷および冷媒混合物に応じて、１０６℃から１６０℃の範囲であった。得られた結果から、液インジェクションを使用した場合、これらのシステムを作動させることができたが、同じ混合物で液インジェクションを行わない場合、吐出温度が過度に高くなり、そのため圧縮機の熱的な過負荷が広がるため、作動させることができないことが分かった。この結果は、本明細書に開示されるシステムと従来技術との違いを一層明確にしている。高沸点冷媒の循環を管理することで、全体的なシステム効率を向上させるようにこれらの混合物を調整することができる。
【００９４】
冷凍システムが最適化される特定の温度に応じて、他の冷媒の組合せも可能である。
【００９５】
一例として、有用と考えられるＨＣＦＣ含有混合物は、米国特許第６４８１２２３号に記載された、Ｒ−１２３、Ｒ−１２４、Ｒ−１２５、Ｒ−２１８、Ｒ−２３および／またはエタン、Ｒ−１４、ならびにアルゴンで構成された混合物である。
【００９６】
他の例として、有用と考えられるＨＣＦＣを含有しない混合物は、米国特許第６５０２４１０号に記載された、Ｒ−４１１２，Ｒ−２４５ｆａ、Ｒ−２３６ｆａ、Ｅ−３４７、Ｒ−１３４ａ、Ｒ−１２５、Ｒ−２１８、Ｒ−２３および／またはエタン、Ｒ−１４、アルゴン、窒素、ネオン、ヘリウムで構成された混合物である。さらに、メタン、酸素、水素、キセノン、クリプトン等の他の化合物が含まれていてもよい。
【００９７】
本明細書に開示される実施形態は、冷媒混合物が少なくとも２０％の高沸点冷媒および１５％の低沸点冷媒で構成される極低温混合冷媒システムに有用である。個々の冷媒の様々な組合せと、冷媒の組成はほぼ無限である。一般に、これらの実施形態の利点は、高沸点冷媒および／または低沸点冷媒の量が増え、低沸点冷媒の沸点が低くなり、高沸点冷媒の沸点が高くなるにつれて大きくなる。
【００９８】
任意設置のヒータ３３０が、スクロール圧縮機２００の油サンプに機械的に取り付けられている。ヒータ３３０は、たとえばオメガエンジニアリング社によって製造されている、従来のクランクケースヒータまたはバンドヒータである。このヒータは、「オフ」サイクル中に起動され、液状冷媒の油サンプへの蓄積を防止する。「満水」状態で動力が再印加されると、発生する水力学的効果によって、圧縮機に永久的な損傷を与えるに十分な高圧力が発生する可能性がある。
【００９９】
この結果、吐出温度を低下させる液インジェクションと油サンプを加熱するヒータとを有し、商業生産されるスクロール圧縮機を用いた本発明の極低温冷凍システムは、効率的に作動するように最適化される。本発明の極低温冷凍システムは、従来の往復動圧縮機を用いた冷凍システムと比べて小形であり、高沸点成分および低沸点成分を有する混合冷媒（ＭＲ）混合物と共に使用するのに適している。
【０１００】
好ましい一実施態様では、高沸点冷媒の沸点は、−１５℃から＋４５℃の範囲に限定される。
【０１０１】
システムの他の実施形態では、ガス噴射またはガスと液体の混合物の噴射を用いて、圧縮機が中圧で冷却される。この場合、液体の蒸発による効果的な除熱が行われなくなり、または除熱量が低下するため、液インジェクションよりも効果が薄いと考えられる。
【０１０２】
システムの他の実施形態では、圧縮機の液インジェクション冷却は、少なくとも１つの中沸点冷媒と１つの低沸点冷媒とで構成されたガスの混合物と共に使用される。
【０１０３】
システムのさらに他の実施形態では、圧縮機の作動時に、任意設置のヒータ３３０に動力が供給される。ヒータは、別の構成で、すなわち、圧縮機油で希釈された液状冷媒の量を調節するのに用いることができる。多くの場合、液インジェクションを用いると、本来的に、圧縮機油と混合される液体の量が制限される。しかし、外部ヒータの使用は、通常は望ましくないが、用途によっては有利である。通常、圧縮機の作動時に加熱すると、圧縮機吐出温度が高くなる傾向がある。しかし、冷媒組成と圧縮機の組合せによっては、この構成が有利であることが予想される。これは、油サンプを加熱することによって圧縮機サンプでの液状冷媒の蓄積が防止され、したがって、循環する混合物の比熱比が低くなって、吐出温度が低下するからである。
【０１０４】
極低温混合冷媒システムには、可能性のある多くの冷媒組成および利用可能な温度が存在するので、第１の実施形態にはいくつかの有用な変形例が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】従来技術の極低温冷凍システムを示している。本図には、極低温混合冷凍プロセスが示されている。
【図２】図２Ａは、本発明に係る、冷凍用途に一般に用いられるスクロール圧縮機の、２つの主要構成部材の一方を示している。図２Ｂは、本発明に係る、冷凍用途に一般に用いられるスクロール圧縮機の、２つの主要構成部材の他方を示している。図２Ｃは、本発明に係る、冷凍用途に一般に用いられるスクロール圧縮機の、組み合わされた２つの主要構成部材を示している。
【図３】本発明による極低温冷凍システムの第２の実施形態を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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