(57)【要約】【課題】ＧＷＰが低く高性能な冷媒を用いた冷凍装置を提供する。【解決手段】冷凍装置は、冷媒が循環する冷媒回路を構成する圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器を備え、前記冷媒は、１１．００質量％超２０．７５質量％未満のＲ３２と、５６．７５質量％超５９．００質量％未満のＲ１２５と、２２．５０質量％超３０．００質量％未満のＲ１２３４ｙｆとからなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が循環する冷媒回路を構成する圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器を備え、
前記冷媒は、
１１．００質量％超２０．７５質量％未満のＲ３２と、
５６．７５質量％超５９．００質量％未満のＲ１２５と、
２２．５０質量％超３０．００質量％未満のＲ１２３４ｙｆとからなる、
冷凍装置。
【請求項２】
前記冷媒は、
１１．９７質量％以上１８．８０質量％以下のＲ３２と、
５７．２０質量％以上５８．７８質量％以下のＲ１２５と、
２４．００質量％以上２９．２５質量％以下のＲ１２３４ｙｆとからなる、
請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記冷媒は、
１２．９５質量％以上１６．８５質量％以下のＲ３２と、
５７．６５質量％以上５８．５５質量％以下のＲ１２５と、
２５．５０質量％以上２８．５０質量％以下のＲ１２３４ｙｆとからなる、
請求項２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記冷媒によって−４０℃以下に冷却される被冷却部を更に備える、
請求項１から３のいずれかに記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器の間で冷媒を循環させる冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１に記載されているように、冷凍装置用の冷媒の１つにＲ４０４Ａがある。Ｒ４０４Ａは、オゾン層破壊係数が０である。また、Ｒ４０４Ａを用いることで、冷凍装置は必要十分な性能を発揮することができる。よって、Ｒ４０４Ａは、理想的な冷媒の１つと考えることができ、事実、従来広く用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−１０５５６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、Ｒ４０４Ａは、地球温暖化係数（以下、ＧＷＰと記載）が３９２０と高い。よって、冷凍装置用の冷媒としてＲ４０４Ａを使い続けることは好ましくない。Ｒ４０４Ａの代替冷媒を用いた冷凍装置が求められている。
【０００５】
本発明は、このような状況に鑑みなされたものであり、ＧＷＰが低く高性能な冷媒を用いた冷凍装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る冷凍装置は、冷媒が循環する冷媒回路を構成する圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器を備え、前記冷媒は、１１．００質量％超２０．７５質量％未満のＲ３２と、５６．７５質量％超５９．００質量％未満のＲ１２５と、２２．５０質量％超３０．００質量％未満のＲ１２３４ｙｆとからなる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ＧＷＰが低く高性能な冷媒を用いた冷凍装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明に係る冷凍装置が備える冷媒回路の一例を示している。冷媒回路１は、例えば、収納庫の内部温度が−４０℃以下となるバイオメディカルフリーザのような冷凍装置に備え付けられている。
【００１１】
冷媒回路１は、圧縮機１１、凝縮器１２、絞り装置１３及び蒸発器１４を有している。圧縮機１１、凝縮器１２、絞り装置１３及び蒸発器１４は、この順に配管で環状に連結されている。冷媒回路１の内部には、潤滑剤等の添加剤とともに冷媒が封入されている。冷媒回路１は、図示されるこれらの機器以外に、例えば補助凝縮器及びオイルセパレータのような補機を有していてもよい。
【００１２】
なお、圧縮機１１、凝縮器１２、絞り装置１３及び蒸発器１４は、いずれも冷凍装置において一般的に使用されているものであるので、それらの詳細な説明は省略する。
【００１３】
この冷媒回路１において、冷媒は次のように温度変化しながら循環する。なお、図１中の矢印は、冷媒の循環方向を示す。まず、ガス状の冷媒は、圧縮機１１に吸い込まれ、圧縮される。このとき、冷媒の温度は上昇する。圧縮機１１から吐出された冷媒は、凝縮器１２で冷却され、凝縮する。凝縮器１２を通過した冷媒は、絞り装置１３において断熱膨張する。このとき、冷媒の温度は低下する。絞り装置を通過した冷媒は、蒸発器１４において蒸発する。このとき、冷媒は、蒸発器１４の外部と熱交換し、蒸発器１４の外部を冷却する。すなわち、冷媒回路１を備える冷凍装置の収納庫の内部を−４０℃以下に冷却する。そして、冷媒自身の温度は上昇する。その後、冷媒は再び圧縮機１１に吸い込まれ、圧縮される。
【００１４】
このような冷媒回路１に用いられる冷媒に求められる要件の１つは、蒸発器１４における蒸発温度が−４０℃よりも低いということである。また、当然ながら、冷媒の体積能力は大きければ大きいほどよく、ＧＷＰは小さければ小さいほどよい。
【００１５】
また、圧縮機１１から吐出される冷媒の温度である吐出温度は、１６０℃よりも低い必要がある。吐出温度が１６０℃以上となる場合、配管及びガスケット等の冷媒回路構成要素に求められる耐熱性のレベルが上がり、冷凍装置の製造コストが上昇してしまうからである。
【００１６】
また、冷媒回路１に用いられる冷媒が、沸点が互いに異なる複数種類の冷媒を混合してなる混合冷媒である場合、沸点と露点の温度差（以下、必要に応じて、温度勾配と記載）は小さければ小さいほどよい。温度勾配が大きいと、蒸発器１４の入口と出口との間で温度差が生じ、蒸発器１４により冷却された冷却空気などに温度ムラが発生し、庫内温度が不均一になってしまうからである。
【００１７】
本発明者は、シミュレーションを繰り返し試行錯誤した結果、Ｒ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆからなり、これらの冷媒の混合比が特定の範囲内にある冷媒組成物が、上記の各要件を満たすことを見出した。Ｒ３２は、化学式がＣＨ２Ｆ２であり、沸点（露点）が−５２℃である冷媒である。Ｒ１２５は、化学式がＣＦ３ＣＨＦ２であり、沸点（露点）が−４８℃である冷媒である。Ｒ１２３４ｙｆは、化学式がＣＦ３ＣＦＣＨ２であり、沸点（露点）が−２９℃である冷媒である。
【００１８】
表１は、冷媒回路１に用いられる冷媒として、沸点が互いに異なる複数種類の冷媒を混合してなる種々の混合冷媒を適用した場合のシミュレーション結果を示している。シミュレーションの条件は、蒸発温度が−４５℃、凝縮温度が５０℃、圧縮機１１における吸い込みガス温度が４０℃であり、凝縮器１２における過冷却は無い、というものである。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
表１中の１番の冷媒は、Ｒ４０４Ａ、すなわち、Ｒ１２５、Ｒ１４３ａ及びＲ１３４ａからなり、これらをそれぞれ、４４．００質量％、５２．００質量％及び４．００質量％含む冷媒である。この１番の冷媒を、他の冷媒を評価する際の基準（対照）とした。具体的には、体積能力については、１番の冷媒の体積能力を基準として、何倍となるかを算出した。また、圧縮機１１から吐出される冷媒の温度については、１番の冷媒を用いた場合の温度を基準として、差を算出した。また、冷媒の沸点及び露点については、１番の冷媒の各値を基準として、差を算出した。
【００２１】
表１中の２番から１２番までの冷媒は、いずれもＲ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆからなる冷媒である。これらの冷媒は、表１に示されるように、１番の冷媒と比較して、いずれもＧＷＰが大幅に小さい点で優れている。但し、その他のパラメータを詳細に検討すると、以下に説明するように、３番から７番の冷媒が良好と評価され、他の冷媒は不良と評価される。
【００２２】
２番の冷媒は、Ｒ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆを、それぞれ、１１．００質量％、５９．００質量％及び３０．００質量％含んでいる。２番の冷媒は、１番の冷媒と比較すると、体積能力がやや小さく、露点がやや大きい点で若干劣るものの、沸点が低い点で優れている。よって、２番の冷媒は１番の冷媒と同等と評価される。
【００２３】
３番の冷媒は、Ｒ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆを、それぞれ、１１．９７質量％、５８．７８質量％及び２９．２５質量％含んでいる。３番の冷媒は、１番の冷媒と比較すると、体積能力は０．９８倍でありやや小さい。しかしながら、沸点は２．２℃低く、露点の差は０．０℃である。よって、３番の冷媒は良好と評価される。
【００２４】
４番の冷媒は、Ｒ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆを、それぞれ、１２．９５質量％、５８．５５質量％及び２８．５０質量％含んでいる。４番の冷媒は、１番の冷媒と比較すると、体積能力は１．００倍であり同等である。さらに、沸点は２．４℃低く、露点は０．３℃低い。よって、４番の冷媒は良好（特に良好）と評価される。
【００２５】
５番の冷媒は、Ｒ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆを、それぞれ、１４．９０質量％、５８．１０質量％及び２７．００質量％含んでいる。５番の冷媒は、１番の冷媒と比較すると、体積能力は１．０２倍であり大きい。さらに、沸点は２．７℃低く、露点は０．９℃低い。よって、５番の冷媒は良好（特に良好）と評価される。
【００２６】
６番の冷媒は、Ｒ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆを、それぞれ、１６．８５質量％、５７．６５質量％及び２５．５０質量％含んでいる。６番の冷媒は、１番の冷媒と比較すると、吐出温度の差は、９．０℃であり十分許容できる値である。体積能力は１．０５倍であり大きい。さらに、沸点は３．０℃低く、露点は１．４℃低い。よって、６番の冷媒は良好（特に良好）と評価される。
【００２７】
７番の冷媒は、Ｒ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆを、それぞれ、１８．８０質量％、５７．２０質量％及び２４．００質量％含んでいる。７番の冷媒は、１番の冷媒と比較すると、吐出温度の差は、１１．２℃でありやや大きいものの許容できる値である。また、体積能力は１．０８倍であり大きい。さらに、沸点は３．３℃低く、露点は１．９℃低い。よって、７番の冷媒は良好と評価される。
【００２８】
８番の冷媒は、Ｒ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆを、それぞれ、２０．７５質量％、５６．７５質量％及び２２．５０質量％含んでいる。８番の冷媒は、１番の冷媒よりも、吐出温度が１３．３℃高い。この値は許容できない。よって、８番の冷媒は不良と評価される。
【００２９】
９番の冷媒は、Ｒ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆを、それぞれ、２２．７０質量％、５６．３０質量％及び２１．００質量％含んでいる。９番の冷媒は、１番の冷媒よりも、吐出温度が１５．５℃高い。この値は許容できない。よって、９番の冷媒は不良と評価される。
【００３０】
１０番の冷媒は、Ｒ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆを、それぞれ、１０．８０質量％、４０．７０質量％及び４８．５０質量％含んでいる。１０番の冷媒は、１番の冷媒と比較すると、体積能力は０．８６倍であり著しく小さい。露点の差は４．０℃であり著しく大きい。よって、１０番の冷媒は不良と評価される。
【００３１】
１１番の冷媒は、Ｒ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆを、それぞれ、１４．８０質量％、４０．００質量％及び４５．２０質量％含んでいる。１１番の冷媒は、１番の冷媒と比較すると、体積能力は０．９２倍であり著しく小さい。露点の差は２．５℃であり著しく大きい。よって、１１番の冷媒は不良と評価される。
【００３２】
１２番の冷媒は、Ｒ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆを、それぞれ、２６．６０質量％、３７．７０質量％及び３５．７０質量％含んでいる。１２番の冷媒は、１番の冷媒と比較すると、吐出温度の差が１９．４℃であり著しく大きい。この値は許容できない。よって、１２番の冷媒は不良と評価される。
【００３３】
すなわち、Ｒ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆは、それぞれ、１１．００質量％超２０．７５質量％未満、５６．７５質量％超５９．００質量％未満、及び、２２．５０質量％超３０．００質量％未満であることが好ましい。また、Ｒ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆは、それぞれ、１１．９７質量％以上１８．８０質量％以下、５７．２０質量％以上５８．７８質量％以下、及び、２４．００質量％以上２９．２５質量％以下であることがより好ましい。また、Ｒ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆは、それぞれ、１２．９５質量％以上１６．８５質量％以下、５７．６５質量％以上５８．５５質量％以下、及び、２５．５０質量％以上２８．５０質量％以下であることが更に好ましい。
【００３４】
続いて、シミュレーションの結果を検証する実験について説明する。
【００３５】
実験においては、冷媒回路１を備えるバイオメディカルフリーザに、沸点が互いに異なる複数種類の冷媒を混合してなる種々の混合冷媒を用い、蒸発器１４の入口及び出口における冷媒の温度を計測した。実験に用いられたバイオメディカルフリーザは、被冷却部である収納庫を備え、収納庫の内部が−４０℃以下に冷却される冷凍装置である。このバイオメディカルフリーザにおいて、蒸発器１４は、収納庫の外面を取り囲む配管で構成されている。冷媒として、沸点が互いに異なる複数種類の冷媒を混合してなる混合冷媒を用いる場合、蒸発器１４では、先に説明した温度勾配が発生する。そのため、庫内温度は、蒸発器１４の入口付近に比べ、蒸発器１４の出口付近の方が高くなる。当然ながら、これらの部分の温度差は、小さい方がよい。
【００３６】
そこで、蒸発器１４の入口における冷媒温度と蒸発器１４の出口における冷媒温度の差（出口温度から入口温度を引いた値）が、基準（対照）であるＲ４０４Ａを用いた場合と同程度に小さくなる冷媒を良好と評価し、Ｒ４０４Ａを用いた場合と比べて大きくなる冷媒を不良と評価した。
【００３７】
実験に用いた冷媒の組成と併せて、実験結果を表２に示す。
【００３８】
【表２】
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【００３９】
１３番及び１４番の冷媒は、いずれも、Ｒ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆからなる冷媒である。
【００４０】
１３番の冷媒は、Ｒ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆを、それぞれ、１３．１４５質量％、５８．５０５質量％及び２８．３５０質量％含んでいる。１３番の冷媒は、蒸発器１４の入口における冷媒温度と蒸発器１４の出口における冷媒温度の差が０．０℃である。すなわち、ほとんど差がない。よって、１３番の冷媒は、良好と評価される。
【００４１】
１４番の冷媒は、Ｒ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆを、それぞれ、１５．２５質量％、５８．０２質量％及び２６．７３質量％含んでいる。１４番の冷媒は、蒸発器１４の入口における冷媒温度と蒸発器１４の出口における冷媒温度の差が−０．２℃である。すなわち、差が小さい。よって、１４番の冷媒は、良好と評価される。
【００４２】
また、２番の冷媒は、シミュレーションを行った２番の冷媒と同じ冷媒である。２番の冷媒は、蒸発器１４の入口における冷媒温度と蒸発器１４の出口における冷媒温度の差が０．５℃である。すなわち、差の値が正になる一方、差の絶対値は１番の冷媒よりも小さくなっている。よって、２番の冷媒は同等と評価される。
【００４３】
１３番及び１４番の冷媒の組成は、それぞれ、シミュレーションにおいて良好と評価された４番及び５番の冷媒の組成に近い。また、２番の冷媒は、シミュレーションにおいて同等と評価されている。
【００４４】
よって、先に説明したシミュレーションの結果、良好と判断された冷媒は、実際の冷凍装置に適用しても良好と判断されるということが、この実験によって確認された。
【００４５】
なお、本発明が、先に説明された実施形態には限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形や応用が可能であることは言うまでもない。
【００４６】
例えば、本発明に係る冷凍装置は、バイオメディカルフリーザには限られず、ショーケース、冷凍冷蔵倉庫、保冷車又は製氷機等の冷凍装置であってもよい。また、得られる冷却温度は、例えば−８０℃のように−４０℃よりも低くてもよいし、−４０℃よりも高くてもよい。
【００４７】
また、本発明に係る冷凍装置が備える冷媒回路は、図１に示される冷媒回路１には限られない。Ｒ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆは、互いに沸点が異なる。よって、本発明に係る冷凍装置は、蒸発器に向かう冷媒と蒸発器を出た冷媒との間で熱交換を行わせ、Ｒ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆを沸点が高いものから順に段階的に凝縮させる単元冷媒回路を備えていてもよい。この場合、本発明に係る冷凍装置は、シンプルな構成の冷媒回路で効率よく、例えば−８０℃以下又は−１５０℃以下の極低温を得ることができる。
【００４８】
さらに、本発明に係る冷凍装置が備える冷媒回路は、このような単元冷媒回路又は図１に示される冷媒回路１を２つ有していてもよい。この場合、各冷媒回路の能力を多少小さなものとしても、両冷媒回路を作動させることにより、例えば−８０℃以下又は−１５０℃以下の極低温を得ることができる。また、一方の冷媒回路に不具合が生じても、他方の冷媒回路を作動させることによって、必要最低限の冷凍能力を確保することができる。
【００４９】
また、本発明に係る冷凍装置は、二元冷媒回路を備えていてもよい。二元冷媒回路とは、互いに沸点が異なる２種類の冷媒を、それぞれ独立した冷媒回路で循環させるとともに、これら２種類の冷媒をカスケード熱交換器を介して熱交換することによって、例えば−８０℃以下又は−１５０℃以下の極低温を得る冷媒回路である。この場合、本明細書で説明したＲ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆからなる冷媒（以下、本冷媒）は、低温側冷媒回路と高温側冷媒回路のいずれで使用されてもよい。二元冷媒回路で使用される他の冷媒の沸点の方が、本冷媒の沸点よりも高い場合は、本冷媒は、低温側冷媒回路で使用することができる。二元冷媒回路で使用される他の冷媒の沸点の方が、本冷媒の沸点よりも低い場合は、本冷媒は、高温側冷媒回路で使用することができる。このような二元冷媒回路を備えることで、本発明に係る冷凍装置は、より確実に、例えば−８０℃以下又は−１５０℃以下の極低温を得ることができる。
【００５０】
二元冷媒回路を構成する冷媒回路のうち本冷媒を用いる冷媒回路が、蒸発器に向かう冷媒と蒸発器を出た冷媒との間で熱交換を行わせ、Ｒ３２、Ｒ１２５及びＲ１２３４ｙｆを沸点が高いものから順に段階的に凝縮させる冷媒回路であってもよいことは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、極低温が得られる冷凍装置として好適に利用される。
【符号の説明】
【００５２】
１  冷媒回路
１１  圧縮機
１２  凝縮器
１３  絞り装置
１４  蒸発器
【図１】
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