(57)【要約】非ＨＣＦＣ混合冷媒を十分に循環させるのに役立つ冷却熱交換器セクションのための方法または装置であって、コンプレッサ手段と、補助コンデンサと、第１のコンデンサと、第２のコンデンサと、第３のコンデンサと、過冷却器（サブクーラー）と、気液分離器と、を含んで構成され、気液分離器の下部からに取り出された液体混合冷媒（過冷却液）は、第１、第２の膨張手段によって分配されて膨張し、それぞれ第１、第２の膨張冷媒流を形成する。ここで、第１の膨張冷媒流は、コンプレッサ手段のオーバーヒートを回避するように、補助コンデンサおよびコンプレッサへと戻される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
約−１５０（℃）での低温冷却を可能とする非ＨＣＦＣ混合冷媒（non-hydrochlorofluorocarbon refrigerant mixture）の製造方法であって、
非ＨＣＦＣ冷媒を冷媒Ｒ７４０に添加するステップを含んで構成される非ＨＣＦＣ混合冷媒の製造方法。
【請求項２】
前記非ＨＣＦＣ混合冷媒が、
冷媒Ｒ１４と、
冷媒Ｒ１３４ａと、
冷媒Ｒ６００と冷媒Ｒ６００ａとからなるグループから選択された任意の一冷媒と、
冷媒Ｒ５０８ａと冷媒Ｒ５０８ｂとからなるグループから選択された任意の一冷媒と、
を含んで構成される請求項１記載の非ＨＣＦＣ混合冷媒の製造方法。
【請求項３】
前記冷媒Ｒ７４０が、容量で前記非ＨＣＦＣ混合冷媒の約１６．５％を占める請求項２記載の非ＨＣＦＣ混合冷媒の製造方法。
【請求項４】
前記冷媒Ｒ１４が、容量で前記非ＨＣＦＣ混合冷媒の約１９．３％を占める請求項３記載の非ＨＣＦＣ混合冷媒の製造方法。
【請求項５】
前記冷媒１３４ａが、容量で前記非ＨＣＦＣ混合冷媒の約２０％を占める請求項４記載の非ＨＣＦＣ混合冷媒の製造方法。
【請求項６】
冷媒Ｒ５０８ａと冷媒Ｒ５０８ｂとからなるグループから選択された前記任意の一冷媒が、容量で前記非ＨＣＦＣ混合冷媒の約２２％を占める請求項５記載の非ＨＣＦＣ混合冷媒の製造方法。
【請求項７】
冷媒Ｒ６００と冷媒Ｒ６００ａとからなるグループから選択された前記任意の一冷媒が、容量で前記非ＨＣＦＣ混合冷媒の約２２％を占める請求項６記載の非ＨＣＦＣ混合冷媒の製造方法。
【請求項８】
前記冷媒Ｒ７４０が、前記非ＨＣＦＣ混合冷媒のうちの約１３．５〜１６．５オンスである請求項２記載の非ＨＣＦＣ混合冷媒の製造方法。
【請求項９】
前記冷媒Ｒ１４が、前記非ＨＣＦＣ混合冷媒のうちの約１５．７〜１９．３である請求項８記載の非ＨＣＦＣ混合冷媒の製造方法。
【請求項１０】
前記前記冷媒１３４ａが、前記非ＨＣＦＣ混合冷媒のうちの約２０オンスである請求項９記載の非ＨＣＦＣ混合冷媒の製造方法。
【請求項１１】
冷媒Ｒ５０８ａと冷媒Ｒ５０８ｂとからなるグループから選択された前記任意の一冷媒が、前記非ＨＣＦＣ混合冷媒のうちの約１８〜２２オンスである請求項１０記載の非ＨＣＦＣ混合冷媒の製造方法。
【請求項１２】
冷媒Ｒ６００と冷媒Ｒ６００ａとからなるグループから選択された前記任意の一冷媒が、前記非ＨＣＦＣ混合冷媒のうちの約２２オンスである請求項１１記載の非ＨＣＦＣ混合冷媒の製造方法。
【請求項１３】
約−１５０（℃）での低温冷却を可能とする冷却システムに使用される非ＨＣＦＣ混合冷媒であって、冷媒Ｒ７４０および少なくとも４つの非ＨＣＦＣ冷媒を含んで構成される非ＨＣＦＣ混合冷媒。
【請求項１４】
冷媒Ｒ１４と、
冷媒Ｒ１３４ａと、
冷媒Ｒ６００と冷媒Ｒ６００ａとなるグループから選択された任意の一冷媒と、
冷媒Ｒ５０８ａと冷媒Ｒ５０８ｂとからなるグループから選択された任意の一冷媒と、
を含んで構成される請求項１３記載の非ＨＣＦＣ混合冷媒。
【請求項１５】
前記冷媒Ｒ７４０が、容量で混合冷媒全体の約１６．５％を占める請求項１４記載の非ＨＣＦＣ混合冷媒。
【請求項１６】
前記冷媒Ｒ１４が、容量で混合冷媒全体の約１９．３％を占める請求項１５記載の非ＨＣＦＣ混合冷媒。
【請求項１７】
前記冷媒Ｒ１３４ａが、容量で混合冷媒全体の約２０％を占めることを特徴とする請求項１６記載の非ＨＣＦＣ混合冷媒。
【請求項１８】
冷媒Ｒ５０８ａと冷媒Ｒ５０８ｂとからなるグループから選択された前記任意の一冷媒が、容量で混合冷媒全体の約２２％を占める請求項１７記載の非ＨＣＦＣ混合冷媒。
【請求項１９】
冷媒Ｒ６００と冷媒Ｒ６００ａとからなるグループから選択された前記任意の一冷媒が、容量で混合冷媒全体の約２２％を占める請求項１８記載の非ＨＣＦＣ混合冷媒。
【請求項２０】
前記冷媒Ｒ７４０が、混合冷媒全体のうちの約１３．５〜１６．５オンスである請求項１４記載の非ＨＣＦＣ混合冷媒。
【請求項２１】
前記冷媒Ｒ１４が、混合冷媒全体のうちの約１５．７〜１９．３である請求項２０記載の非ＨＣＦＣ混合冷媒。
【請求項２２】
前記冷媒Ｒ１３４ａが、混合冷媒全体のうちの約２０オンスである請求項２１記載の非ＨＣＦＣ混合冷媒。
【請求項２３】
冷媒Ｒ５０８ａと冷媒Ｒ５０８ｂとからなるグループから選択された前記任意の一冷媒が、混合冷媒全体のうちの約１８〜２２オンスである請求項２２記載の非ＨＣＦＣ混合冷媒。
【請求項２４】
冷媒Ｒ６００と冷媒Ｒ６００ａとからなるグループから選択された前記任意の一冷媒が、混合冷媒全体のうちの約２２オンスである請求項２３記載の非ＨＣＦＣ混合冷媒。
【請求項２５】
コンプレッサ手段と、
前記コンプレッサ手段に接続される補助コンデンサと、
前記補助コンデンサに接続される気液分離機と、
前記気液分離器に接続される第１のコンデンサと、
前記第１のコンデンサに接続される第２のコンデンサと、
前記第２のコンデンサに接続される第３のコンデンサと、
前記第３のコンデンサに接続される過冷却器と、を含んで構成され、非ＨＣＦＣ混合冷媒の循環に利用できる冷却熱交換器セクション（refrigeration heat exchanger section）であって、
過冷却された非ＨＣＦＣ混合液体冷媒を、前記気液分離器から第１、第２の膨張冷媒流をそれぞれ形成する第１、第２の膨張手段へと分配する手段と、
前記第１の膨張冷媒流を前記補助コンデンサおよび前記コンプレッサ手段へと戻す第１の流路手段と、
前記第２の膨張冷媒流を前記第１のコンデンサに供給する第２の流路手段と、を備え、
前記気液分離器がロウ付けプレート式熱交換器（blazed plate heat exchanger）であることを特徴とする冷却熱交換器セクション。
【請求項２６】
前記非ＨＣＦＣ混合冷媒は、
冷媒Ｒ１４と、
冷媒Ｒ１３４ａと、
冷媒Ｒ７４０と、
冷媒Ｒ６００と冷媒Ｒ６００ａとからなるグループから選択された任意の一冷媒と、
冷媒Ｒ５０８ａと冷媒Ｒ５０８ｂとからなるグループから選択された任意の一冷媒と、
を含んで構成される請求項２５記載の冷却熱交換器セクション。
【請求項２７】
前記冷媒Ｒ７４０が、容量で前記非ＨＣＦＣ混合冷媒の約１６．５％を占める請求項２６記載の冷却熱交換器セクション。
【請求項２８】
前記冷媒Ｒ１４が、容量で前記非ＨＣＦＣ混合冷媒の約１９．３％を占める請求項２７記載の冷却熱交換器セクション。
【請求項２９】
前記冷媒１３４ａが、容量で前記非ＨＣＦＣ混合冷媒の約２０％を占める請求項２８記載の冷却熱交換器セクション。
【請求項３０】
冷媒Ｒ５０８ａと冷媒Ｒ５０８ｂとからなるグループから選択された前記任意の一冷媒が、容量で前記非ＨＣＦＣ混合冷媒の約２２％を占める請求項２９記載の冷却熱交換器セクション。
【請求項３１】
冷媒Ｒ６００と冷媒Ｒ６００ａとからなるグループから選択された前記任意の一冷媒が、容量で前記非ＨＣＦＣ混合冷媒の約２２％を占める請求項３０記載の冷却熱交換器セクション。
【請求項３２】
前記冷媒Ｒ７４０が、前記非ＨＣＦＣ混合冷媒のうちの約１３．５〜１６．５オンスである請求項２６記載の冷却熱交換器セクション。
【請求項３３】
前記冷媒Ｒ１４が、前記非ＨＣＦＣ混合冷媒のうちの約１５．７〜１９．３オンスである請求項３２記載の冷却熱交換器セクション。
【請求項３４】
前記前記冷媒１３４ａが、前記非ＨＣＦＣ混合冷媒のうちの約２０オンスである請求項３３記載の冷却熱交換器セクション。
【請求項３５】
冷媒Ｒ５０８ａと冷媒Ｒ５０８ｂとからなるグループから選択された前記任意の一冷媒が、前記非ＨＣＦＣ混合冷媒のうちの約１８〜２２オンスである請求項３４記載の冷却熱交換器セクション。
【請求項３６】
冷媒Ｒ６００と冷媒Ｒ６００ａとからなるグループから選択された前記任意の一冷媒が、前記非ＨＣＦＣ混合冷媒のうちの約２２オンスである冷却熱交換器セクション。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００２年１１月２７日出願の米国出願第１０／３０５，１８８号の利益を主張した一部継続出願である２００３年１０月１０日出願の米国出願第１０／６８２，７２３号（発明の名称：超低温冷却システムに用いる非ＨＣＦＣ混合冷媒）に基づく優先権を主張する。また、その開示は参照により本明細書に組み込まれるものとする。
【０００２】
本発明は、一般に、低温冷却システムのための装置に関し、より詳しくは、超低温冷却システムに用いられ、その構成要素にＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）系冷媒を含まない非ＨＣＦＣ（non-HCFC）混合冷媒の設計に関する。
【背景技術】
【０００３】
冷却システムにおいて、冷媒ガスはコンプレッサユニットで圧縮される。圧縮により発生する熱は、一般に、この圧縮ガスを水冷式または空冷式のコンデンサコイル（condenser coil）を通過させることによって除去される。冷却されて凝縮した冷媒ガスは、その後、急速に膨張して蒸発コイル（evaporating coil）に流入し、該冷媒ガスはこの蒸発コイルでさらに冷たくなる。このようにして、コイルおよびコイルが周囲に配置された冷却システム・ボックスの内部を冷却する。
【０００４】
−９５（℃）から−１５０（℃）までの間のいわゆる超低温が、一系統の蒸気コンプレッサ（vapor compressor）を用いた冷却システムにおいて実現されている。通常、このようなシステムは、一つのコンプレッサを用いており、このコンプレッサによって−６０（℃）という低温で蒸発温度に到達する冷媒を含む４つあるいは５つのクロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）からなる混合物（混合冷媒）を循環させている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、オゾン層の減少に伴う環境問題は、冷凍庫等の製造業者にとって冷却システム内におけるＣＦＣを含む冷媒（ＣＦＣ系冷媒）の使用レベルを大幅に低減させる必要性を増加させてきており、これまでもその構成要素にＣＦＣ系冷媒を含まない非ＣＦＣ混合冷媒（non-CFC refrigerant mixtures）が開発されてきた。しかしながら、そのような混合冷媒のほとんどが、その熱力学的特性の相違等によって、現在使用されている冷却システムにおいて、簡単にはＣＦＣ冷媒に代替することができないことが分かっている。
【０００６】
また、本発明の発明者は、従来の超低温システムに非ＣＦＣ冷媒を使用すると、冷却経路において冷媒の不均衡な流れを引き起こすこととなって、冷媒のコンプレッサに対する冷却性能を低下させてしまうことを確認している。このようにコンプレッサの冷却レベルが低下してしまうと、コンプレッサのオーバーヒートによってシステム（全体）の故障を引き起こしてしまうおそれがある。
【０００７】
さらに、ＨＣＦＣ系冷媒は塩素を含んでおり、ＣＦＣ系冷媒と同様に、時間とともにオゾン層に影響を及ぼすことになる。このようなことから、本発明の発明者は、ＨＣＦＣ系冷媒を含まない非ＨＣＦＣ混合冷媒によって運転が可能な新規の自動カスケード（autocascade）超低温冷却システムを開発した。この非ＨＣＦＣ混合冷媒は、毒性がなく、化学的に安定し、市販されている（すなわち、入手が容易な）ものであり、また、標準的な冷却オイルの大部分およびコンプレッサに適合するものである。
通常、非ＣＦＣ混合冷媒、すなわち、ＨＣＦＣ系冷媒の構成要素の一つは、オゾンを減少させる化学物質であり、規制の対象となっているものである。
しかし、本発明では、オゾンを減少させる特性を全く有していない非ＨＣＦＣ混合冷媒を使用する。すなわち、混合冷媒は、主として、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）および炭化水素からなるものである。
【０００８】
本発明の発明者は、非ＨＣＦＣ混合冷媒を用いる非ＨＣＦＣ冷媒システムでは、コンプレッサのオーバーヒートを生じさせることのないＣＦＣ冷却システムとは異なり、コンプレッサのオーバーヒートおよびその結果として起こるシステムの故障を回避するために、実質的に、コンプレッサにさらなる多くの液体を戻さなければならないことを見出した。
【０００９】
そして、本発明の発明者は、一つのコンプレッサを備える自動カスケード冷却システムにおいて実質的に非ＨＣＦＣ冷媒を用いた場合でも、コンプレッサがオーバーヒートすることを回避することを可能とした。これは、特別に設計され、第１の気液分離器の下流側に配置される毛細管（capillary tube）または膨張手段（expansion means）を備え、液体冷媒が補助コンデンサ（auxiliary condenser）に直接戻され、そして、コンプレッサに戻されるようにすることによって達成される。この特徴は、より沸点の高い冷媒を通常よりも多量に、そして急速にコンプレッサに戻すことを可能とし、その結果、コンプレッサの優れた動作条件となって、そのオーバーヒートを回避する。
【００１０】
このように、非ＨＣＦＣ系の自動カスケードシステムの全体的な性能は、ＣＦＣ系の自動カスケードシステムと比べても遜色がないものであり、このことは、標準的な９０（°Ｆ）環境において、プルダウン時の冷却速度およびコンプレッサの動作状態が両システムでほとんど同じであるという事実によって明らかとなっている。
【００１１】
本発明はまた、さらに多くの効果を提供するものであり、そのことは、以下の記載によって明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、冷媒の混合物（すなわち、混合冷媒）の構成要素に冷媒Ｒ１４、Ｒ１３４ａ、Ｒ５０８ａ、Ｒ５０８ｂ、Ｒ６００、Ｒ６００ａおよびＲ７４０を使用することによって、冷却システムにＣＦＣ系冷媒やＨＣＦＣ系冷媒を使用しなければならなかったという従来の課題を克服する。これらの冷媒は、所望の特性を達成するために、いわゆる「カクテル」混合物（cocktail mixture）の状態で用いられる場合もある（例えば、Ｒ１４、Ｒ１３４ａ、Ｒ５０８ａまたはＲ５０８ｂ、Ｒ６００ａまたはＲ６００、及びＲ７４０の混合物である）。
【００１３】
したがって、本発明の特徴は、ＣＦＣ系またはＨＣＦＣ系の超低温冷媒に関連するリスクを回避しつつ、必要に応じて当該分野において安全に適用し得る超低温用の非ＨＣＦＣ混合冷媒を提供することである。
【００１４】
また、本発明の他の特徴は、非ＨＣＦＣ混合冷媒を実質的に循環させることのできる冷却熱交換器セクション（refrigeration heat exchanger section）を提供することであり、この冷却熱交換器セクションは、コンプレッサ手段（compressor means）と、補助コンデンサ（auxiliary condenser）と、第１のコンデンサ（first condenser）と、第２のコンデンサ（second condenser）と、第３のコンデンサ（third condenser）と、過冷却（サブクール））手段（subcooler means）と、気液分離器（liquid/gas separator）とを含んで構成されており、過冷却された液体混合冷媒、すなわち、サブクール（過冷却）液を、前記気液分離器から第１、第２の膨張冷媒流（expanded stream）をそれぞれ形成する第１、第２の膨張手段へと分配する手段と、前記第１の膨張冷媒流を前記補助コンデンサおよび前記コンプレッサ手段へと戻す第１の流路手段（first conduit means）と、前記第２の膨張冷媒流を前記第１のコンデンサに供給する第２の流路手段（second conduit means）と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
より具体的には、好ましくは、前記冷却熱交換器セクションは、コンプレッサ手段と、該コンプレッサ手段から流出した混合冷媒を受け取って冷却するように接続される補助コンデンサと、該補助コンデンサから流出した混合冷媒を受け取るように接続されて、過冷却された液体混合冷媒が底部に、気体混合冷媒が上側に取り込まれる第１の気液分離器と、第１、第２の膨張冷媒流をそれぞれ形成するように、前記過冷却された液体混合冷媒を第１、第２の膨張手段に分配する手段と、前記第１の膨張冷媒流を前記補助コンデンサおよび前記コンプレッサ手段に戻す第１の流路手段と、を含んで構成される。
【００１６】
前記熱交換回路における高圧冷媒流路は、前記気液分離器から気体混合冷媒を受け取るように接続される第１のコンデンサと、該第１のコンデンサから前記気体混合冷媒を受け取るように接続され、過冷却されて液化した液体混合冷媒が底部から取り出され、気体混合冷媒が上方から取り出される第２の気液分離器と、該第２の気液分離器の上側から取り出された気体混合冷媒を受け取るように接続される第２のコンデンサと、該第２のコンデンサから取り出される気体混合冷媒の少なくとも一部を受け取るように接続される第３のコンデンサと、該第３のコンデンサから気体混合冷媒を受け取るように接続される過冷却（サブクール）手段と、をさらに含んで構成される。
【００１７】
また、前記熱交換回路における低圧冷媒流路は、前記過冷却手段から前記混合冷媒を受け取るように接続され、受け取った混合冷媒を第１の冷媒流と第２の冷媒流とに分離できる分配手段と、前記第１の冷媒流を受け取るように接続され、第３の膨張冷媒流を形成する第３の膨張手段と、前記第３の膨張冷媒流を前記過冷却手段に供給する第３の流路手段と、前記第２の冷媒流を受け取るように接続され、第４の膨張冷媒流を形成する第４の膨張手段と、前記第４の膨張冷媒流を貯蔵タンクに供給する第４の流路手段と、前記第４の膨張冷媒流を前記貯蔵タンクから前記第３のコンデンサへと供給する第５の流路手段と、前記第３のコンデンサからの前記第４の膨張冷媒流が前記第２の流路手段に供給されるように、前記第３のコンデンサと前記第２のコンデンサとの間に配置される第６の流路手段と、前記第２の気液分離器から過冷却された液体混合冷媒を受け取るように接続され、第５の膨張冷媒流を形成する第６の膨張手段と、前記第５の膨張冷媒流を前記第２のコンデンサに供給する第７の流路手段と、前記第５の膨張冷媒流を前記第２のコンデンサから前記第１のコンデンサへと供給する第８の流路手段と、前記第２の膨張冷媒流を前記第１のコンデンサに供給する第２の流路手段と、前記第２の膨張冷媒流および前記第５の膨張冷媒流を前記第１のコンデンサから前記補助コンデンサへと供給する第９の流路手段と、前記第１、第２および第５の膨張冷媒流を前記補助コンデンサから前記コンプレッサへと供給する第１０の流路手段と、をさらに含んで構成される。
【００１８】
以上では、後述の詳細な説明がより良く理解され、また、この発明の当該技術への貢献がより良く理解されるように、本発明の重要な特徴を、かなり大まかに概説してきたが、以下に記載されるように、本発明には更なる特徴があり、これらも添付の特許請求の範囲の記載（クレーム）の主題を形成することはもちろんである。
【００１９】
この点において、本発明の少なくとも一つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、その適用において、以下の記載の説明や添付図面で示した詳細な構成や要素配置に限定されるものではないことを理解すべきである。本発明は、他の実施形態とすることができ、各種の方法により実施され又遂行され得るものである。また、本明細書で使用されている表現並びに用語は、要約書と同様、説明を目的としたものであって、それらに限定するものと解されるべきではないことを理解すべきである。
【００２０】
よって、当業者であれば、この開示の基礎となる技術思想が、本発明のいくつかの目的を達成するための他の構造、方法及びシステム等を設計する際の基礎として容易に利用できることが理解できるであろう。したがって、特許請求の範囲の記載（クレーム）は、本発明の精神と範囲とを逸脱しない限り等価な構成をも包含するものとみなすことが重要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図面を参照して説明する。図１は、シングル・コンプレッサ方式の超低温冷却システムを示している。図１に示すように、この超低温冷却システムは、冷媒を、閉回路内のコンデンサ、熱交換器セクション（heat exchanger section）および蒸発コイル（evaporator coils）を介して循環させて約−１５０（℃）という低温を提供する。図１に示される熱交換器セクションおよび蒸発コイルは、図２に詳細に記載されている。ただし、コンプレッサおよびコンデンサについては従来と同様であり、図２には示されていない。
空冷式または水冷式のコンデンサは、コンプレッサを冷却するとともに、混合冷媒を気体から液体へと部分的に変化させることによって該混合冷媒から熱（BTU）を取り去る。一方、気液分離器は、気体冷媒と液体冷媒とを分離し、潤滑油（すなわち、液体冷媒）をコンプレッサへと戻す。熱交換器セクションは、冷媒の熱物性を利用して冷却プロセスを達成する。蒸発コイルは、超低温の冷媒流が冷凍庫の内部から熱を吸収することを可能とし、この吸収した熱をコンデンサに供給して除去する。
【００２２】
例えば、この冷却システムとともに用いられる非ＨＣＦＣ混合冷媒は、５つの冷媒の組み合わせであり、その５つの冷媒は、容量で混合冷媒全体の約２０％を占めるＲ１３４ａ（ＣＦ３ＣＦＨ２）、約２２％を占めるＲ５０８（Ｒ２３＋Ｒ１１６ｂ）、約１９．３％を占めるＲ１４（ＣＦ４）、約２２％を占めるＲ６００（Ｃ４Ｆ１０）またはＲ６００ａ（ＣＨ（ＣＨ３）３）、約１６．５％を占めるＲ７４０（アルゴン、Ａｒ）である。なお、−９５（℃）での冷却を行うシステムにおいても、これに類似する熱交換構成を用いている。下記表１は、冷媒を通常（すなわち、大気圧での）の沸点（ＮＢＰ：Ｎｏｒｍａｌ  Ｂｏｉｌｉｎｇ  Ｐｏｉｎｔ）によって配列し、グループ化したものである。
【表１】
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【００２３】
他の可能な非ＨＣＦＣ混合冷媒の組み合わせは、表１から以下の通りである。
混合冷媒  １：Ａ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｅ＋Ｆ＋Ｇ
混合冷媒  ２：Ａ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｅ＋Ｇ
混合冷媒  ３：Ａ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｆ＋Ｇ
混合冷媒  ４：Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｅ＋Ｆ＋Ｇ
混合冷媒  ５：Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｅ＋Ｇ
混合冷媒  ６：Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｆ＋Ｇ
混合冷媒  ７：Ａ＋Ｂ＋Ｄ＋Ｅ＋Ｆ＋Ｇ
混合冷媒  ８：Ａ＋Ｂ＋Ｄ＋Ｅ＋Ｇ
混合冷媒  ９：Ａ＋Ｂ＋Ｄ＋Ｆ＋Ｇ
混合冷媒１０：Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｅ＋Ｆ＋Ｇ
混合冷媒１１：Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｅ＋Ｇ
混合冷媒１２：Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｆ＋Ｇ
ここで、Ｇ（Ｒ７４０）が上記非ＨＣＦＣ混合冷媒の全てにおいて必要とされている点に留意すべきである（表１参照）。これらの組み合わせは、−１４０（℃）または−１５０（℃）という超低温で運転する冷凍庫のためのものであるが、より現実的な混合を行うために、アルファベットＡ〜Ｇの各グループから１つの冷媒を抜くこともあり得る。
【００２４】
−６０〜−９５（℃）で運転する冷凍庫については、混合冷媒の組み合わせは、グループＧ（Ｒ７４０）を除外してもよい。各混合冷媒は、１冷媒当たり±１０％程度の組成許容幅を有する。例えば、混合冷媒が５つの構成要素の混合物である場合（混合冷媒８：Ａ＋Ｂ＋Ｄ＋Ｅ＋Ｇ等）には、各構成要素はそれぞれ容量で混合冷媒全体の約１０〜３０％を占めることになる。
【００２５】
図２は、−１５０（℃）用の非ＨＣＦＣ混合冷媒を用いた自動カスケード冷却システムの熱交換器セクションの概略図である。図２において、非ＨＣＦＣ混合冷媒は、図１に示されるコンデンサから引き出される液体ライン１からロウ付けプレート式熱交換器３（brazed plate heat exchanger）を介して供給され、圧力が２２５（ｐｓｉ）、温度が室温の状態において気体と液体が混じりあった二相混合冷媒を生成する。ロウ付けプレート式熱交換器３は、過熱低減器（desuperheater）および補助熱変換機（auxiliary heat exchanger）の機能を兼ね備える。熱交換器３によって生成された二相混合冷媒は、それから流路（conduit）５を介して補助コンデンサ７へと供給され、流路９を介して補助コンデンサ７から流出する。補助コンデンサ７を通過した二相混合冷媒の温度は、およそ−１０（°Ｆ）になる。
【００２６】
例えば、温度が−１０（°Ｆ）、圧力が約２２０（ｐｓｉ）にて、冷媒Ｒ６００、Ｒ１３４ａおよびＲ２３は、過冷却液（サブクール液）となり、ほぼ垂直に取り付けられた気液分離機１１の下側に溜まる（落ちる）。過冷却液となった混合冷媒は、それから分配されて、２つの毛細管（capillary tube）１３、１５によって膨張する。膨張した液体冷媒（膨張液体冷媒）は、毛細管１３、１５から流路１７、２１へとそれぞれ流れて、低圧冷媒のリターン流に合流する。
【００２７】
一方、冷媒Ｒ１４およびＲ７４０は、沸点の高い微量の他の冷媒とともに、流路２５を介して第１のコンデンサ２３のチューブ側を流れ続ける。なお、第１のコンデンサ２３を通過した後の冷媒Ｒ１４およびＲ７４０の温度は、約−６７（°Ｆ）である。微量のＲ−２３は、第１のコンデンサ２３を通過した後に液相へと過冷却（サブクール）されて流路３５、３７から気液分離器３９へと流れる。液体冷媒Ｒ−２３といくらかの気体は毛細管４１によって膨張し、流路４３、４５を介して第２のコンデンサ４７のチューブ側に供給される。第２のコンデンサ４７を通過した後に、液体冷媒Ｒ３７は、流路２７において流路２１からの膨張液体冷媒と混合され、第１のコンデンサ２３のシェル側へと戻される。
【００２８】
流路３５を介して第１のコンデンサ２３から流出したＲ１４およびアルゴンガス（Ｒ７４０）は、流路４９を介して第２のコンデンサ４７のシェル側へと供給され、典型的には−１３０（°Ｆ）の温度で、流路５１を介して第２のコンデンサ４７から流出する。この温度および２１５（ｐｓｉｇ）以上の圧力によってＲ１４の一部が過冷却されることになり、流路５３を介して毛細管５５に送られる。この毛細管５５において、Ｒ１４は膨張し、流路５７を介して供給されて第３のコンデンサ５９のチューブ側を冷却する。しかしながら、Ｒ１４およびＲ７４０の大部分は、第３のコンデンサ５９のシェル側から流路６１へと流れ、過冷却器（サブクーラー）６３のチューブ側に流入する。Ｒ１４およびＲ７４０のほとんどは、−２２０（°Ｆ）の温度で過冷却器６３から流路６５を介して流出する。これらの気体は、流路６７、６８を介して、毛細管６９、７０にそれぞれ分配され、そこで膨張して最終的な温度である−２６０（°Ｆ）を実現する。膨張したＲ１４およびＲ７４０は、毛細管７０から流路７２を介して過冷却器６３のシェル側に流入し、過冷却器６３のチューブ側を通過する気体冷媒を冷却する。これらの気体冷媒は、その後、過冷却器６３から流路７４を介して流出し、流路５７において、リザーバまたは貯蔵タンク７６（すなわち、これは図１の蒸発コイルを構成する）に収容されていた膨張ガスおよび第３のコンデンサ５９のチューブ側を通過する前に毛細管５５からの膨張ガスと合流する。
【００２９】
第２のコンデンサ４７から流路５１を介して流出したＲ１４およびＲ７４０の一部は、必要に応じて、プルダウン時や重負荷状態にあるときに、システムに過度の圧力がかかることを防止するため、流路８０を介して膨張タンクセクション（図示せず）に迂回させられる。
【００３０】
同時に、毛細管１５からの膨張した液体冷媒は、流路２１から流路２７へと続く流路２１を経て膨らみ、第１のコンデンサ２３のシェル側を流れる。第１のコンデンサ２３のシェル側の液体冷媒は、その後、流路２９において、流路１７からの膨張した液体冷媒と合流し、補助コンデンサ７のシェル側へと送られる。流路２９からの膨張した液体冷媒は、補助コンデンサ７から流路３１を介して流出し、ロウ付けプレート式の熱交換器３のシェル側に沿って流れて、吸込管３３を経て単一のコンプレッサ（すなわち、図１に示すコンプレッサ）に送られる。図１に示すコンプレッサは、膨張した液体冷媒を圧縮し、この圧縮した液体冷媒を図１のコンデンサに供給して図１の閉回路を完成させる。毛細管１３を用いることは、液相冷媒Ｒ６００およびＲ１３４ａが補助コンデンサ７およびロウ付けプレート熱交換器３内で蒸発し続けることを可能にし、また、適当なリターン条件を与えてコンプレッサ（図示せず）がオーバーヒートするのを防止する。同時に、毛細管１５は、第１のコンデンサ２３を冷却するのに十分な量の液体を送る。冷媒Ｒ６００およびＲ１３４ａをコンプレッサへと戻す追加の毛細管１３を用いることにより、非ＨＣＦＣ冷媒のいろいろな熱力学的特性を満たす。そうでなければ、コンプレッサのオーバーヒート、ひいては、冷却システムの故障を招くことを回避するために、十分な量の液体冷媒をコンプレッサに戻すことができない。
【００３１】
図３は、図２に示す非ＨＣＦＣシステムと類似する従来のＣＦＣ系自動カスケード熱交換器セクションを示している。かかる従来のＣＦＣ系システムでは、第１のコンデンサ、第２のコンデンサおよびコンプレッサを冷却するために、気液分離器１１からの冷却液が、第１のコンデンサのシェル側へと続く一つの毛細管を介して供給され、膨張するだけである点が図２に示す非ＨＣＦＣシステムと相違している。図３に示すような従来のＣＦＣ系システムに非ＨＣＦＣ冷媒が使用されると、コンプレッサのオーバーヒートの原因となり、その結果、最終的には、システムの故障に至る。
【００３２】
反対に、本発明に係る非ＨＣＦＣ自動カスケード冷却システムにＣＦＣ系冷媒が加えられると、あまりに多くの液体を補助コンデンサに戻すことになり、このため、コンプレッサがあふれて、最終的には故障を招くこととなって、システムの熱力学的な運転が完全に崩壊する。
【００３３】
図４は、本発明に係る非ＨＣＦＣ自動カスケードシステムに関して、３５〜３０（℃）の環境で、冷凍庫が−１５０（℃）に到達する性能、すなわち、−１５０（℃）での冷却性能を有することを明示している。コンプレッサの吐出温度は、図５に示すように、約１１２（℃）の安全なレベルにある。コンプレッサの油受（oil sump）もまた、図５に示すように、約８０（℃）の安全なレベルにある。このように、本発明によれば、効率的で安全な方法で、望ましい温度−１５０（℃）に到達することができること、すなわち、−１５０（℃）での冷却が可能であることが示されている。なお、−１４０〜−１５０（℃）の冷凍庫を実現するためには、混合冷媒が、Ｒ６００ａ（２２オンス）、Ｒ１３４ａ（２０オンス）、Ｒ５０８ｂまたはＲ５０８ａ（１８〜２０オンス）、Ｒ１４（１５．７〜１９．３オンス）及びＲ７４０（１３．５〜１６．５オンス）で構成されるのが望ましい。
【００３４】
また、非ＨＣＦＣシステムに示されるように、コンプレッサの吸込温度は低いほど望ましいことに留意すべきである。それは、この低い温度がコンプレッサの冷却をアシストするからである。
【００３５】
上記説明および図面は、本発明の目的、特徴および効果を実現する好ましい実施形態を単に示しているに過ぎず、本発明がそれに制限されることを意図するものではない。特許請求の範囲に記載した発明の精神および範囲内で生じるいかなる改良も本発明の一部であると考慮される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係るシングル・コンプレッサ方式の冷却システムを示すブロック図である。
【図２】非ＨＣＦＣ混合冷媒を用いた自動カスケード冷却システムの熱交換器セクションを示す図である。
【図３】従来のＣＦＣ径冷媒を用いた自動カスケード冷却システムの熱交換器セクションを示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る自動カスケード冷却システムにおける混合冷媒の３５〜３０（℃）環境での動作時間−温度特性を表す図である。一般的なＧＳＭ端末機の音声コーデック装置の構成を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る自動カスケード冷却システムにおける混合冷媒の３５〜３０（℃）環境での動作時間−圧力／温度特性を表す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…液体ライン、３…ロウ付けプレート式熱交換器、７…補助コンデンサ、１１，３９…気液分離器、１３，１５，４１，５５，６９，７０…毛細管、２３…第１のコンデンサ、４７…第２のコンデンサ、５９…第３のコンデンサ、６３…過冷却器、７６…貯蔵タンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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