(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、減圧器及び蒸発器がこの順で環状に接続されてなる冷媒回路を備え、
前記冷媒回路は、前記蒸発器から前記圧縮機に向かう冷媒と、前記減圧器内の冷媒との間で熱交換を行い、前記減圧器内の冷媒を冷却する熱交換器を有し、
前記冷媒として、第１冷媒と、前記第１冷媒の沸点よりも低い沸点を有し、且つ前記減圧器内における沸点が前記熱交換器における熱交換によって前記減圧器内の冷媒が達する温度以上である第２冷媒と、を含む冷媒組成物を用い、
前記第１冷媒は、ジフルオロエチレン（Ｒ１１３２ａ）と、エタン（Ｒ１７０）及びヘキサフルオロエタン（Ｒ１１６）の少なくとも一方と、を含むことを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
第１圧縮機、第１凝縮器、第１減圧器及び第１蒸発器がこの順で環状に接続されてなる高温側冷媒回路と、
第２圧縮機、第２凝縮器、第２減圧器及び第２蒸発器がこの順で環状に接続されてなる低温側冷媒回路と、を備え、
前記第１蒸発器と前記第２凝縮器とによりカスケード熱交換器が構成され、当該カスケード熱交換器において前記高温側冷媒回路の冷媒と前記低温側冷媒回路の冷媒との間で熱交換がなされて前記低温側冷媒回路の冷媒が冷却され、
前記低温側冷媒回路は、冷媒として、第１冷媒と、前記第１冷媒の沸点よりも低い沸点を有し、且つ前記第２凝縮器内における沸点が前記カスケード熱交換器における熱交換によって前記第２凝縮器内の冷媒が達する温度以上である第２冷媒と、を含む冷媒組成物を用い、
前記第１冷媒は、ジフルオロエチレン（Ｒ１１３２ａ）と、エタン（Ｒ１７０）及びヘキサフルオロエタン（Ｒ１１６）の少なくとも一方と、を含むことを特徴とする冷凍装置。
【請求項３】
前記冷媒組成物は、二酸化炭素（Ｒ７４４）及び亜酸化窒素（Ｒ７４４Ａ）の少なくとも一方を含む第３冷媒をさらに含む請求項１又は２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記第１冷媒は、トリフルオロメタン（Ｒ２３）、共沸混合物（Ｒ５０８Ａ）及び共沸混合物（Ｒ５０８Ｂ）からなる群から選択される少なくとも１種を、第１冷媒の全質量に対して９５質量％以下の含有量で、さらに含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷凍装置。
【請求項５】
前記第２冷媒は、テトラフルオロメタン（Ｒ１４）、エチレン（Ｒ１１５０）、メタン（Ｒ５０）及びアルゴン（Ｒ７４０）からなる群から選択される少なくとも１種を含む請求項１乃至４のいずれか１項に記載の冷凍装置。
【請求項６】
前記第２冷媒の含有量は、前記冷媒組成物の全質量に対して５質量％超である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の冷凍装置。
【請求項７】
前記第２冷媒の含有量は、前記冷媒組成物の全質量に対して３０質量％以下である請求項６に記載の冷凍装置。
【請求項８】
前記第３冷媒の含有量は、前記冷媒組成物の全質量に対して４０質量％以下である請求項３に記載の冷凍装置。
【請求項９】
前記第３冷媒は、前記Ｒ７４４を含み、
前記Ｒ７４４の沸点よりも低い温度において、前記Ｒ７４４との溶解性を有する第４冷媒をさらに含む請求項３又は８に記載の冷凍装置。
【請求項１０】
前記第３冷媒の含有量は、前記冷媒組成物の全質量に対して２０質量％以下である請求項３，８及び９のいずれか１項に記載の冷凍装置。
【請求項１１】
前記熱交換器は、前記蒸発器から前記圧縮機に向かう冷媒が通る配管内に、前記減圧器が挿通されてなる二重管で構成される請求項１に記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷凍装置に関し、特に、圧縮機から吐出された冷媒を凝縮した後、蒸発器にて蒸発させて冷却作用を発揮する冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、貯蔵庫内を−８０℃以下の超低温に冷却可能な冷凍装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような冷凍装置では、冷媒として共沸混合物（Ｒ５０８Ａ）や共沸混合物（Ｒ５０８Ｂ）等が用いられていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１１２３５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
冷凍装置には、地球環境に与える負荷が小さいことが求められる。このため、冷凍装置に用いられる冷媒は、庫内を目標温度まで冷却可能な冷凍性能を有するだけでなく、地球温暖化係数（Global-warming potential：ＧＷＰ）が小さいことが望ましい。また、近年の省エネルギー化の潮流の中で、冷凍装置にも省エネルギー化が求められている。冷凍装置の省エネルギー化を図るためには、冷媒の冷凍性能のさらなる向上が望まれる。
【０００５】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、地球環境へ与える負荷が小さく且つ高い省エネルギー性能を有する冷凍装置を実現するための技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある態様は冷凍装置である。当該冷凍装置は、圧縮機、凝縮器、減圧器及び蒸発器がこの順で環状に接続されてなる冷媒回路を備える。冷媒回路は、蒸発器から圧縮機に向かう冷媒と、減圧器内の冷媒との間で熱交換を行い、減圧器内の冷媒を冷却する熱交換器を有する。また、冷媒回路は、冷媒として、ジフルオロエチレン（Ｒ１１３２ａ）及びエタン（Ｒ１７０）の少なくとも一方を含む第１冷媒と、第１冷媒の沸点よりも低い沸点を有し、且つ減圧器内における沸点が熱交換器における熱交換によって減圧器内の冷媒が達する温度以上である第２冷媒と、を含む冷媒組成物を用いる。
【０００７】
本発明の他の態様もまた冷凍装置である。当該冷凍装置は、第１圧縮機、第１凝縮器、第１減圧器及び第１蒸発器がこの順で環状に接続されてなる高温側冷媒回路と、第２圧縮機、第２凝縮器、第２減圧器及び第２蒸発器がこの順で環状に接続されてなる低温側冷媒回路と、を備える。当該冷凍装置において、第１蒸発器と第２凝縮器とによりカスケード熱交換器が構成され、当該カスケード熱交換器において高温側冷媒回路の冷媒と低温側冷媒回路の冷媒との間で熱交換がなされて低温側冷媒回路の冷媒が冷却される。低温側冷媒回路は、冷媒として、ジフルオロエチレン（Ｒ１１３２ａ）及びエタン（Ｒ１７０）の少なくとも一方を含む第１冷媒と、第１冷媒の沸点よりも低い沸点を有し、且つ第２凝縮器内における沸点がカスケード熱交換器における熱交換によって第２凝縮器内の冷媒が達する温度以上である第２冷媒と、を含む冷媒組成物を用いる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、地球環境へ与える負荷が小さく且つ高い省エネルギー性能を有する冷凍装置を実現するための技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態に係る冷凍装置を搭載する超低温貯蔵庫の概略構造を示す側面図である。
【図２】実施の形態１に係る冷凍装置の冷媒回路図である。
【図３】熱交換器の概略構造を示す模式図である。
【図４】実施の形態２に係る冷凍装置の冷媒回路図である。
【図５】実施の形態３に係る冷凍装置の冷媒回路図である。
【図６】実施の形態４に係る冷凍装置の冷媒回路図である。
【図７】第２冷媒の含有量を異ならせた場合の庫内温度とプルダウン時間とを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１１】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態に係る冷凍装置を搭載する超低温貯蔵庫の概略構造を示す側面図である。超低温貯蔵庫１は、例えば冷凍食品、生体組織あるいは検体などの超低温保存に用いられる。超低温貯蔵庫１は、上面が開放された断熱箱体２と、断熱箱体２の下部に位置し、内部に本実施の形態の冷凍装置等が設置される機械室（図示せず）とを有する。
【００１２】
断熱箱体２は、いずれも上面が開放された外箱３及び内箱４と、外箱３と内箱４の上端同士を接続するブレーカ５と、外箱３、内箱４及びブレーカ５に囲まれた空間に充填される断熱材７とを有する。断熱材７は、例えばポリウレタン樹脂であり、現場発泡方式にて充填することができる。内箱４内の空間は、貯蔵室８を構成する。目標とする貯蔵室８内の温度（以下では適宜、庫内温度と称する）は、例えば−８０℃以下である。このため、断熱箱体２は、庫内温度が０℃付近である低温庫に比べて大きな断熱能力が必要である。したがって、ポリウレタン樹脂製の断熱材７のみで断熱能力を確保する場合は、断熱材７の厚さが著しく大きくなり、貯蔵室８の収納量を十分に確保することが困難である。これに対し、外箱３の内壁面にガラスウール製の真空断熱材を配置することで、断熱材７の厚さ寸法を小さくして、貯蔵室８の収納量を確保することができる。
【００１３】
ブレーカ５は上面が階段状であり、ブレーカ５の上面にパッキン１１を介して断熱扉９が設けられる。断熱扉９は、一端が断熱箱体２に固定され、当該一端を中心として回動自在に設けられる。これにより、貯蔵室８の開口が開閉自在に閉塞される。断熱扉９の他端には、断熱扉９を開閉操作するための把手部１０が設けられる。内箱４の断熱材７側の周面には、冷凍装置の後述する蒸発器１３が取り付けられる。これにより、蒸発器１３での冷媒の蒸発によって貯蔵室８内を冷却することができる。
【００１４】
図２は、実施の形態１に係る冷凍装置の冷媒回路図である。本実施の形態に係る冷凍装置Ｒ１は、単元単段の冷媒回路１２を備える。冷媒回路１２は、圧縮機１４（コンプレッサ）、凝縮器１５（コンデンサ）、減圧器としてのキャピラリーチューブ１８及び蒸発器１３を主要構成として備え、これらがこの順で環状に接続される。圧縮機１４は、例えば一相若しくは三相交流電源を用いる電動圧縮機である。圧縮機１４には、ディスーパーヒータ２０が接続される。圧縮機１４で圧縮された冷媒は、一旦、ディスーパーヒータ２０に吐出されて放熱され、その後、圧縮機１４の密閉容器内に帰還する。そして、圧縮機１４の吐出側に接続される冷媒吐出管３１に吐出される。なお、ディスーパーヒータ２０は、設けられなくてもよい。
【００１５】
冷媒吐出管３１は、補助凝縮器２１（プレコンデンサ）に接続される。冷媒配管を介して、補助凝縮器２１にはフレームパイプ２２が接続され、フレームパイプ２２には凝縮器１５が接続される。フレームパイプ２２は、貯蔵室８の開口縁を加熱して、露付きを防止するための部材である。補助凝縮器２１及び凝縮器１５は、一体の凝縮器として構成され、凝縮用ファン２９により冷却される。凝縮器１５には、デハイドレータ１７（ドライコア）が接続される。デハイドレータ１７は、冷媒回路１２内の水分を除去するための部材である。デハイドレータ１７には、凝縮パイプ２３が接続される。凝縮パイプ２３は、蒸発器１３から出て圧縮機１４に戻る吸込配管３２の一部とともに、熱交換器１６を構成する。
【００１６】
凝縮パイプ２３には、キャピラリーチューブ１８が接続される。キャピラリーチューブ１８は、蒸発器１３から出て圧縮機１４に戻る冷媒が通る吸込配管３２内に挿通される。したがって、キャピラリーチューブ１８は、吸込配管３２とともに二重管を構成する。また、この二重管により熱交換器２５が構成される。熱交換器２５において、蒸発器１３から圧縮機１４に向かう冷媒と、キャピラリーチューブ１８内の冷媒との間で熱交換され、キャピラリーチューブ１８内の冷媒が冷却される。熱交換器２５の二重管構造については、後に詳細に説明する。キャピラリーチューブ１８には、蒸発器１３が接続される。そして、蒸発器１３には、吸込配管３２が接続される。吸込配管３２は、蒸発器１３からヘッダー２６を経て、熱交換器２５に至る。熱交換器２５を出た吸込配管３２は、熱交換器１６、逆止弁２７及び、アキュムレータ２８をこの順に経て、圧縮機１４の吸込側に接続される。
【００１７】
（二重管構造）
熱交換器２５の二重管構造について詳細に説明する。図３は、二重管構造を有する熱交換器の概略構造を示す模式図である。ヘッダー２６の出口側であって、且つ熱交換器１６の上流側に位置し、吸込配管３２の一部を構成する配管３２Ａ内に、キャピラリーチューブ１８が挿通されて、二重管構造の熱交換器２５が構成される。熱交換器２５によって、二重管の外側となる配管３２Ａ内を流れる冷媒と、二重管の内側となるキャピラリーチューブ１８内を流れる冷媒との間で熱交換される。
【００１８】
熱交換器２５は、例えば以下のようにして形成することができる。すなわち、キャピラリーチューブ１８に比べて大径で直管状の配管３２Ａ内に、直管状のキャピラリーチューブ１８が挿通され、二重管が形成される。次に、この二重管が螺旋状に複数回巻回される。このとき、配管３２Ａの軸の中心と、キャピラリーチューブ１８の軸の中心とが極力一致するように巻回され、配管３２Ａの内壁面とキャピラリーチューブ１８の外壁面との間に均一な隙間が形成される。熱交換器２５を螺旋状の二重管構造とすることで、熱交換器２５の長さを十分に確保しながら、熱交換器２５、ひいては冷凍装置Ｒ１の大型化を抑制することができる。
【００１９】
続いて、配管３２Ａの両端部に、接続配管３６が取り付けられる。接続配管３６は、Ｔ字管の一方の側端３６Ａに端管３７の一端が溶接されてなる部材であり、吸込配管３２の一部を構成する。接続配管３６は、他方の側端３６Ｂが配管３２Ａの端部に溶接される。接続配管３６の取付の際、端管３７の他端の開口からキャピラリーチューブ１８の端部が引き出される。そして、端管３７の他端が溶接によりシールされる。また、一方の接続配管３６の下端３６Ｃに、蒸発器１３の出口側に接続された吸込配管３２が接続される。さらに、他方の接続配管３６の下端３６Ｃに、熱交換器１６に至る吸込配管３２が接続される。その後、熱交換器２５の外周全体が断熱材３５（図１参照）で包み込まれる。
【００２０】
このような二重管構造の熱交換器２５では、キャピラリーチューブ１８内を通過する冷媒と、吸込配管３２の配管３２Ａ内を通過する冷媒とが、キャピラリーチューブ１８の全周の壁面を介して熱交換する。したがって、吸込配管の外周面にキャピラリーチューブを巻回した構造に比べて、熱交換効率を向上させることができる。また、熱交換器２５の外周全体が断熱材３５で包まれることで、熱交換器２５が外部からの熱の影響を受け難くなる。これにより、キャピラリーチューブ１８内の冷媒と配管３２Ａ内の冷媒との熱交換をより促進させることができる。
【００２１】
さらに、二重管の内側となるキャピラリーチューブ１８内と、二重管の外側となる配管３２Ａ内において、冷媒の流れが互いに逆方向となる。これにより、熱交換器２５の熱交換能力をより一層向上させることができる。熱交換器２５は、超低温貯蔵庫１の断熱材７内に配置される（図１参照）。具体的には、内箱４の背面側であって、熱交換器１６の下方に位置する断熱材７内に、出し入れ可能に収容される。なお、熱交換器１６も二重環構造を有してもよい。
【００２２】
（冷媒）
冷媒回路１２には、第１冷媒と第２冷媒とを含む冷媒組成物が、冷媒として封入される。第１冷媒は、ジフルオロエチレン（Ｒ１１３２ａ）及びエタン（Ｒ１７０）の少なくとも一方と１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン（Ｒ２４５ｆａ）とブタン（Ｒ６００）とを含む。Ｒ１１３２ａは、標準沸点が−８５．７℃であり、ＧＷＰが１０である。また、Ｒ１７０は、標準沸点が−８８．８℃であり、ＧＷＰが３である。したがって、両者は地球に優しく、且つ−８０℃以下の庫内温度を達成可能な冷媒である。Ｒ２４５ｆａは、沸点が＋１５．３℃であり、Ｒ６００は、沸点が−０．５℃である。これらの冷媒は、共に混合される第１冷媒及び第２冷媒を凝縮させる機能を有する。また、Ｒ６００は、圧縮機１４の潤滑油やデハイドレータ１７で吸収しきれなかった混合水分を、その中に溶け込ませた状態で圧縮機１４に帰還せしめる機能を有する。Ｒ６００は可燃性物質であるが、不燃性であるＲ２４５ｆａと所定割合で混合することにより、不燃性の混合物として扱うことが可能となる。Ｒ２４５ｆａとＲ６００との混合割合は、例えばＲ２４５ｆａ／Ｒ６００＝７０／３０である。また、本実施の形態における冷媒組成物における各冷媒の混合割合は、例えば第１冷媒が２４質量％、第２冷媒が１２質量％である。冷媒組成物が第１冷媒を含有することで、冷媒組成物に、庫内温度を−８０℃以下とする冷凍性能を付与するとともに、低ＧＷＰ化を図ることができる。
【００２３】
第１冷媒は、好ましくは、ヘキサフルオロエタン（Ｒ１１６）、トリフルオロメタン（Ｒ２３）、共沸混合物（Ｒ５０８Ａ）及び共沸混合物（Ｒ５０８Ｂ）からなる群から選択される少なくとも１種（以下では適宜、第１ａ冷媒と称する）をさらに含む。Ｒ１１６は、標準沸点が−７８．４℃であり、Ｒ１１３２ａやＲ１７０よりも難燃性であるが、ＧＷＰは１２２００と高い。Ｒ２３は、標準沸点が−８２．１℃であり、Ｒ１１３２ａやＲ１７０よりも難燃性であるが、ＧＷＰは１４８００と高い。Ｒ５０８Ａは、トリフルオロメタン(Ｒ２３)３９質量％と、ヘキサフルオロエタン（Ｒ１１６）６１質量％とが混合されてなる共沸混合物である。Ｒ５０８Ａは、標準沸点が−８５．７℃であり、Ｒ１１３２ａやＲ１７０よりも難燃性であるが、ＧＷＰは１３２１４と高い。Ｒ５０８Ｂは、トリフルオロメタン(Ｒ２３)４６質量％と、ヘキサフルオロエタン（Ｒ１１６）５４質量％とが混合されてなる共沸混合物である。Ｒ５０８Ｂは、標準沸点が−８６．９℃であり、Ｒ１１３２ａやＲ１７０よりも難燃性であるが、ＧＷＰは１３３９６と高い。
【００２４】
第１ａ冷媒は、Ｒ１１３２ａ及び／又はＲ１７０との共沸効果により、冷媒組成物の冷凍性能をより向上させる目的で含有される。また、第１ａ冷媒は、Ｒ１１３２ａやＲ１７０よりも難燃性であるため、第１ａ冷媒の含有によって冷媒組成物の難燃性を高め得る。
【００２５】
第１ａ冷媒の含有量は、第１冷媒の全質量に対して９５質量％以下であり、好ましくは８０質量％以下であり、より好ましくは６０質量％以下である。また、第１ａ冷媒の含有量は、第１冷媒の全質量に対して０質量％超であり、好ましくは２０質量％超であり、より好ましくは４０質量％超である。第１ａ冷媒の含有量を０質量％超９５質量％以下とすることで、冷媒組成物の冷凍性能を向上させることができる。また、第１ａ冷媒の含有量を０質量％超８０質量％以下とすることで、冷凍性能の向上と低ＧＷＰ化との両立を図ることができる。また、第１ａ冷媒の含有量を２０質量％超９５質量％以下とすることで、良好な冷凍性能と良好な難燃性との両立を図ることができる。また、第１ａ冷媒の含有量を２０質量％超８０質量％以下とすることで、良好な冷凍性能、良好な難燃性及び良好なＧＷＰを実現することができる。さらに、第１ａ冷媒の含有量を４０質量％超６０質量％以下とすることで、良好な難燃性と良好なＧＷＰとを実現しながら、より高い冷凍性能を得ることができる。
【００２６】
第２冷媒は、第１冷媒の沸点（標準沸点）よりも低い沸点（標準沸点）を有する冷媒である。加えて、第２冷媒は、減圧器としてのキャピラリーチューブ１８内における沸点が熱交換器２５における熱交換によってキャピラリーチューブ１８内の冷媒が達する温度以上である冷媒、すなわち、熱交換器２５における熱交換によって、キャピラリーチューブ１８内で凝縮する冷媒である。このような第２冷媒としては、テトラフルオロメタン（Ｒ１４）及びエチレン（Ｒ１１５０）等を挙げることができる。第２冷媒は、好ましくはテトラフルオロメタン（Ｒ１４）及びエチレン（Ｒ１１５０）からなる群から選択される少なくとも１種を含む。
【００２７】
Ｒ１４は標準沸点が−１２７．９℃であり、Ｒ１１５０は標準沸点が−１０３．７℃である。第２冷媒は、第１冷媒よりも低い沸点を有するため、冷媒組成物に第２冷媒を含有させることで冷媒組成物の冷凍性能をより向上させることができる。これにより、所望の庫内温度に達するまでの時間、すなわちプルダウン時間を短縮することができるため、冷凍装置Ｒ１の省エネルギー性能を向上させることができる。また、第２冷媒は、キャピラリーチューブ１８において凝縮する沸点を有するため、蒸発器１３においてその冷凍性能をより確実に発揮することができる。
【００２８】
Ｒ１４のＧＷＰは６５００であり、Ｒ１１５０のＧＷＰは２０以下である。また、第２冷媒の含有量は、冷媒組成物の全質量に対して、好ましくは３０質量％以下である。冷媒組成物の含有量を３０質量％以下とすることで、熱交換器２５を大型化することなく、第２冷媒の全量をより確実に凝縮させることができる。したがって、凝縮せずに無駄となる第２冷媒の量をより確実に減らして、冷媒組成物の冷凍性能の向上と低ＧＷＰ化との両立をより確実に図ることができる。
【００２９】
第２冷媒の含有量は、冷媒組成物の全質量に対して０質量％超、好ましくは５質量％超である。第２冷媒の含有量を５質量％超とすることで、プルダウン時間の短縮に加えて、庫内温度のさらなる低減が可能となる。
【００３０】
また、冷媒組成物は、好ましくは二酸化炭素（Ｒ７４４）及び亜酸化窒素（Ｒ７４４Ａ）の少なくとも一方を含む第３冷媒をさらに含む。Ｒ７４４は、標準沸点が−７８．４℃であり、ＧＷＰが１である。Ｒ７４４Ａは、標準沸点が−８８．５℃であり、ＧＷＰが３１０である。Ｒ７４４及びＲ７４４Ａは、それぞれのＧＷＰが第２冷媒のＧＷＰよりも小さいため（Ｒ７４４はさらに第１冷媒のＧＷＰよりも小さい）、冷媒組成物に第３冷媒を含有させることで、冷媒組成物のさらなる低ＧＷＰ化を図ることができる。
【００３１】
また、冷媒組成物に第３冷媒を含有させることで、冷媒組成物の熱伝導率を向上させることができる。冷媒組成物の熱伝導率が向上することで、冷媒組成物の冷凍能力を向上させることができる。また、圧縮機１４に吸い込まれる冷媒組成物の密度を高めることができる。さらに、第１冷媒との共沸効果も期待できる。したがって、冷媒組成物の冷凍性能をより一層向上させることができる。
【００３２】
ここで、Ｒ７４４の沸点は、第１冷媒や第２冷媒の沸点と比較して高い。したがって、Ｒ７４４は、蒸発器１３内でも蒸発せずに、液体あるいは湿り蒸気として吸込配管３２に送り出される場合がある。よって、蒸発器１３を出た冷媒は、Ｒ７４４の比率が高い傾向にある。加えて、蒸発器１３から出た冷媒は−８５℃以下の極低温である。このため、蒸発器１３から出た冷媒中では、Ｒ７４４はドライアイス化しやすい状態にある。一方で、熱交換器２５の接続配管３６では、冷媒の流通方向がその形状に沿って略直角に変化する（図３における領域Ｘ１，Ｘ２参照）。このため、接続配管３６内を冷媒が通過する際、圧力損失が生じやすい。
【００３３】
Ｒ７４４がドライアイス化しやすい状態にある冷媒が、熱交換器２５の圧力損失が生じやすい領域Ｘ１，Ｘ２に至ると、領域Ｘ１，Ｘ２においてＲ７４４が固化してドライアイスとなる可能性がある。発生したドライアイスは、接続配管３６内に詰まる可能性があり、冷媒回路１２における冷媒の循環が阻害され得る。一方、Ｒ７４４Ａは、窒素（Ｎ）を有する冷媒であるため、爆発性を有する。
【００３４】
このため、第３冷媒の含有量は、冷媒組成物の全質量に対して０質量％超４０質量％以下であることが好ましい。Ｒ７４４の含有量を４０質量％以下とすることで、Ｒ７４４が固化して冷媒循環が阻害されるおそれを抑制することができる。なお、Ｒ７４４の固化を抑制する方法としては、接続配管３６にヒータを設けて領域Ｘ１，Ｘ２を加熱することが考えられる。この場合であっても、Ｒ７４４の固化をより確実に抑制するためには、Ｒ７４４の含有量は、４０質量％以下であることが好ましい。また、Ｒ７４４Ａの含有量を４０質量％以下とすることで、爆発の危険性を抑制することができる。
【００３５】
また、冷媒組成物は、第３冷媒がＲ７４４を含有する場合、Ｒ７４４の沸点よりも低い温度において、Ｒ７４４との溶解性を有する第４冷媒をさらに含むことが好ましい。冷媒組成物に第４冷媒を含有させることでも、Ｒ７４４の固化を抑制することができる。また、上述したヒータ等を設けずにＲ７４４の固化を抑制できるため、冷媒回路１２の複雑化や大型化等を抑制することができる。なお、冷媒組成物への第４冷媒の添加と、Ｒ７４４の含有量を４０質量％以下に設定することとの組み合わせにより、Ｒ７４４の固化をより抑制することができる。
【００３６】
第４冷媒としては、ジフロロメタン（Ｒ３２）、１，１，１，２−テトラフロロエタン（Ｒ１３４ａ）、ｎ−ペンタン（Ｒ６００）、イソブタン（Ｒ６００ａ）、１，１，１，２，３−ペンタフロロペンテン（ＨＦＯ−１２３４ｚｅ）及び１，１，１，２−テトラフロロペンテン（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ）等を挙げることができる。
【００３７】
さらに、Ｒ７４４の固化を抑制する観点からは、Ｒ７４４の含有量は、冷媒組成物の全質量に対して２０質量％以下であることがより好ましい。Ｒ７４４の含有量を２０質量％以下とすることで、ヒータの設置や第４冷媒の添加に依らずに、Ｒ７４４の固化を抑制することができる。なお、Ｒ７４４の含有量を２０質量％以下に設定することと、冷媒組成物への第４冷媒の添加との組み合わせにより、Ｒ７４４の固化をより一層抑制することができる。また、Ｒ７４４Ａの爆発の危険性を抑制する観点からは、Ｒ７４４Ａの含有量は、冷媒組成物の全質量に対して２０質量％以下であることがより好ましい。以上より、第３冷媒の含有量は、冷媒組成物の全質量に対して２０質量％以下であることがより好ましい。
【００３８】
図２を参照しながら、冷媒回路１２における冷媒の循環について説明する。図２中、冷媒の流れは矢印で示されている。冷媒は圧縮機１４において圧縮され、高温ガス状の冷媒となる。この冷媒は、圧縮機１４の密閉容器からディスーパーヒータ２０に向けて吐出される。冷媒は、ディスーパーヒータ２０において放熱された後、再度、密閉容器内に戻る。これにより、密閉容器内を冷却することができる。
【００３９】
次いで、冷媒は、冷媒吐出管３１に吐出され、補助凝縮器２１、フレームパイプ２２及び凝縮器１５を通過し、その過程で冷媒が凝縮して液化する。凝縮した冷媒は、デハイドレータ１７で含有する水分が除去され、熱交換器１６に流入する。熱交換器１６において、凝縮器１５側から流入した冷媒は、吸込配管３２内を流れる低温の冷媒と熱交換する。これにより、凝縮器１５側から流入した冷媒が冷却され、冷媒中の第１冷媒の一部が凝縮する。
【００４０】
その後、冷媒はキャピラリーチューブ１８に流入する。キャピラリーチューブ１８に流入した冷媒は、減圧されるとともに、熱交換器２５を構成する配管３２Ａ内を流れる低温の冷媒と熱交換する。これにより、キャピラリーチューブ１８内の冷媒はさらに冷却される。この冷却により、冷媒として用いられる冷媒組成物中の第１冷媒の残部と第２冷媒とがほぼ完全に凝縮する。そして、冷媒は蒸発器１３に流入する。
【００４１】
蒸発器１３において、冷媒が周囲から熱を奪って蒸発する。これにより冷媒の冷却作用が発揮され、蒸発器１３の周囲が−９０℃程度の超低温に冷却される。蒸発器１３は内箱４の断熱材７側に沿って配置されているため、蒸発器１３の冷却により、貯蔵室８内の温度を−８５℃以下にすることができる。蒸発器１３で蒸発した冷媒は、吸込配管３２に吐出され、ヘッダー２６、熱交換器２５、熱交換器１６、逆止弁２７及びアキュムレータ２８を経て圧縮機１４に帰還する。
【００４２】
以上説明したように、本実施の形態に係る冷凍装置Ｒ１は、蒸発器１３から圧縮機１４に向かう冷媒と、キャピラリーチューブ１８内の冷媒との間で熱交換を行い、キャピラリーチューブ１８内の冷媒を冷却する熱交換器２５を有する。そして、冷凍装置Ｒ１は、冷媒として、Ｒ１１３２ａ及びＲ１７０の少なくとも一方を含む第１冷媒と、第１冷媒の沸点よりも低い沸点を有し、且つキャピラリーチューブ１８内における沸点が熱交換器２５での熱交換によってキャピラリーチューブ１８内の冷媒が達する温度以上である第２冷媒とを含む冷媒組成物を用いる。
【００４３】
第１冷媒は、ＧＷＰが低く、且つ−８５℃以下の非常に低い沸点を有する。また、第２冷媒は、第１冷媒に比べてさらに低い沸点を有する。そして、第２冷媒は、キャピラリーチューブ１８内において、熱交換器２５での熱交換により凝縮する。これにより、冷媒の低ＧＷＰ化を図りながら、冷媒の冷凍性能を向上させることができる。そして、冷凍性能の向上により、プルダウン時間を短縮することが可能となる。よって、冷凍装置Ｒ１の省エネルギー化を図ることができる。したがって、本実施の形態の冷凍装置Ｒ１によれば、地球環境へ与える負荷が小さく且つ高い省エネルギー性能を有する冷凍装置を実現することができる。
【００４４】
また、冷媒の冷凍性能の向上により、蒸発器１３の周囲の温度をより低温まで冷却することができる。このため、圧縮機１４として従来よりも圧縮能力の低い圧縮機を用いることができる。これにより、冷凍装置Ｒ１の消費電力を低減させることができ、この点からも冷凍装置Ｒ１の省エネルギー化を図ることができる。また、冷凍装置Ｒ１の小型化を図ることができる。さらには、多段式の冷凍方式を用いることなく、単段式の冷凍方式によって超低温を実現することができる。このため、冷凍装置を簡素化することができ、コストの低減を図ることができる。
【００４５】
また、冷凍装置Ｒ１に用いられる冷媒は、Ｒ７４４及びＲ７４４Ａの少なくとも一方を含む第３冷媒をさらに含み得る。これにより、冷媒のさらなる低ＧＷＰ化を図ることができる。また、第１冷媒は、Ｒ１１３２ａ及び／又はＲ１７０との共沸効果を有するとともに、これらよりも燃焼性の低い第１ａ冷媒を、第１冷媒の全質量に対して９５質量％以下の含有量でさらに含み得る。これにより、冷媒の冷凍性能をさらに高めることができ、この結果、冷凍装置Ｒ１のさらなる省エネルギー化が可能となる。また、冷媒の難燃性を向上させることができるため、冷凍装置Ｒ１の取り扱い性を向上させることができる。
【００４６】
さらに、熱交換器２５は、吸込配管３２内にキャピラリーチューブ１８が挿通されてなる二重管で構成される。これにより、吸込配管３２内の冷媒とキャピラリーチューブ１８内の冷媒との間の熱交換効率を向上させることができる。このため、キャピラリーチューブ１８内で冷媒、特に第２冷媒をより確実に凝縮させることができ、冷凍装置Ｒ１の省エネルギー化をより確実に実現することができる。また、二重管構造とすることで、所望の熱交換を実現する上で必要となる熱交換器２５の大きさを小さくすることができる。このため、熱交換器２５、ひいては冷凍装置Ｒ１の大型化を抑制することができる。
【００４７】
（実施の形態２）
実施の形態２に係る冷凍装置は、多元単段の冷凍方式を有する点を除き、実施の形態１に係る冷凍装置Ｒ１と概ね共通の構成を有する。本実施の形態の説明においては、実施の形態１と同様の構成について、その説明は適宜省略する。図４は、実施の形態２に係る冷凍装置の冷媒回路図である。本実施の形態では、多元単段の冷媒回路の例として、二元単段の冷媒回路を挙げて説明する。
【００４８】
本実施の形態に係る冷凍装置Ｒ２は、それぞれ独立した冷媒閉回路を構成する高温側冷媒回路５２と低温側冷媒回路８２とを備える。高温側冷媒回路５２は、第１圧縮機５４、第１凝縮器５５、第１減圧器としてのキャピラリーチューブ５８及び第１蒸発器５９を主要構成として備え、これらがこの順で環状に接続される。第１圧縮機５４は、例えば圧縮機１４と同様の電動圧縮機である。第１圧縮機５４には、ディスーパーヒータ６０が接続される。また、第１圧縮機５４には、冷媒吐出管７１が接続される。冷媒吐出管７１は補助凝縮器６１に接続され、補助凝縮器６１にはフレームパイプ６２が接続される。フレームパイプ６２には、低温側冷媒回路８２における第２圧縮機８４のオイルクーラー８４Ｃと、第１凝縮器５５とがこの順に接続される。
【００４９】
第１凝縮器５５には、デハイドレータ５７が接続され、続いてキャピラリーチューブ５８が接続される。キャピラリーチューブ５８は、第１蒸発器５９から出て第１圧縮機５４に戻る吸込配管７２内に挿通される。具体的には、蒸発器５９の吐出側であって、且つアキュムレータ６８の吸込側に位置し、吸込配管７２の一部を構成する配管７２Ａ内に、キャピラリーチューブ５８が挿通され、これにより二重管が構成される。また、この二重管により熱交換器６７が構成される。熱交換器６７により、キャピラリーチューブ５８内を流れる冷媒と、配管７２Ａ内を流れる冷媒とが熱交換する。二重管の構造及び形成方法は、熱交換器２５と同様である。
【００５０】
キャピラリーチューブ５８には、第１蒸発器５９が接続される。第１蒸発器５９は、低温側冷媒回路８２の第２凝縮器８５と熱交換可能に設けられる。したがって、第１蒸発器５９と第２凝縮器８５とによりカスケード熱交換器５６が構成される。第１蒸発器５９には、吸込配管７２が接続される。吸込配管７２は、第１蒸発器５９からヘッダー６６を経て、熱交換器６７に至る。熱交換器６７を出た吸込配管７２は、アキュムレータ６８及び逆止弁６９をこの順に経て、第１圧縮機５４の吸込側に接続される。
【００５１】
（高温側冷媒）
高温側冷媒回路５２には、冷媒として例えば混合冷媒（Ｒ４０４Ａ）が封入される。Ｒ４０４Ａは、ペンタフルオロエタン（Ｒ１２５）と、１，１，１−トリフルオロエタン（Ｒ１４３ａ）と、１，１，１，２−テトラフルオロエタン（Ｒ１３４ａ）とが混合されてなる混合物である。Ｒ４０４Ａにおける各冷媒の割合は、Ｒ１２５が４４質量％、Ｒ１４３ａが５２質量％、Ｒ１３４ａが４質量％である。各冷媒の標準沸点は、Ｒ１２５が−４８．５℃、Ｒ１４３ａが−４７．８℃、Ｒ１３４ａが−２６．１℃、Ｒ４０４Ａが−４６．５℃である。あるいは、高温側冷媒回路５２には、混合冷媒（Ｒ７０４Ｃ）等の他の冷媒が封入されてもよい。Ｒ４０７Ｃは、Ｒ１３４ａと、ジフルオロメタン（Ｒ３２）と、Ｒ１２５とが混合されてなる混合物である。
【００５２】
図４を参照しながら、高温側冷媒回路５２における冷媒の循環について説明する。図４中、高温側冷媒回路５２における冷媒の流れは破線矢印で示されている。冷媒は第１圧縮機５４において圧縮され、高温ガス状の冷媒となる。高温ガス状の冷媒は、第１圧縮機５４からディスーパーヒータ６０に吐出され、放熱されて再び第１圧縮機５４に戻る。これにより第１圧縮機５４を冷却することができる。次いで、冷媒は、冷媒吐出管７１に吐出され、補助凝縮器６１、フレームパイプ６２、オイルクーラー８４Ｃ及び第１凝縮器５５を通過し、その過程で凝縮して液化する。凝縮した冷媒は、デハイドレータ５７で水分が除去され、キャピラリーチューブ５８に流入する。
【００５３】
キャピラリーチューブ５８に流入した冷媒は、減圧されるとともに、熱交換器６７を構成する配管７２Ａ内を流れる低温の冷媒と熱交換する。これにより、キャピラリーチューブ５８内の冷媒は冷却される。そして、冷媒は第１蒸発器５９に流入する。第１蒸発器５９において、冷媒は、カスケード熱交換器５６の第２凝縮器８５内を流れる冷媒から吸熱して蒸発する。この冷媒の蒸発により、第２凝縮器８５内を流れる冷媒が冷却される。第１蒸発器５９で蒸発した冷媒は、吸込配管７２に吐出され、ヘッダー６６を経て熱交換器６７内に流入する。そして、冷媒は、熱交換器６７においてキャピラリーチューブ５８内を流れる冷媒と熱交換した後、アキュムレータ６８、逆止弁６９を経て第１圧縮機５４に帰還する。
【００５４】
低温側冷媒回路８２は、第２圧縮機８４、第２凝縮器８５、第２減圧器としてのキャピラリーチューブ８８及び第２蒸発器８３を主要構成として備え、これらがこの順で環状に接続される。第２圧縮機８４は、第１圧縮機５４と同様の電動圧縮機である。第２圧縮機８４には、ディスーパーヒータ９０が接続される。また、第２圧縮機８４には、冷媒吐出管１０１が接続される。冷媒吐出管１０１は補助凝縮器９１に接続され、補助凝縮器９１にはオイルセパレータ９２が接続される。オイルセパレータ９２には、第２圧縮機８４に戻るオイル戻し管１０３が接続される。
【００５５】
オイルセパレータ９２を出た冷媒配管は、内部熱交換器９３に至る。内部熱交換器９３において、第２圧縮機８４からキャピラリーチューブ８８に向かう途中の高圧側冷媒と、第２蒸発器８３から第２圧縮機８４に戻る途中の低圧側冷媒との間で熱交換される。内部熱交換器９３を通過した冷媒配管は、第２凝縮器８５に接続される。第２凝縮器８５は、第１蒸発器５９とともにカスケード熱交換器５６を構成する。第２凝縮器８５には、デハイドレータ８７が接続され、続いてキャピラリーチューブ８８が接続される。
【００５６】
キャピラリーチューブ８８は、第２蒸発器８３から出て第２圧縮機８４に戻る吸込配管１０２内に挿通される。具体的には、第２蒸発器８３の吐出側であって、且つ内部熱交換器９３の吸込側に位置し、吸込配管１０２の一部を構成する配管１０２Ａ内に、キャピラリーチューブ８８が挿通され、これにより二重管が構成される。また、この二重管により熱交換器９５が構成される。熱交換器９５において、キャピラリーチューブ８８内を流れる冷媒と、配管１０２Ａ内を流れる冷媒とが熱交換する。二重管の構造及び形成方法は、熱交換器２５と同様である。熱交換器９５は、熱交換器２５と同様に、外周全体が断熱材１０５で包み込まれ、超低温貯蔵庫１の断熱材７内に出し入れ可能に収容される（図１参照）。
【００５７】
キャピラリーチューブ８８には、第２蒸発器８３が接続される。第２蒸発器８３は、蒸発器１３と同様に、内箱４の断熱材７側の周面に取り付けられる（図１参照）。第２蒸発器８３には、吸込配管１０２が接続される。吸込配管１０２は、熱交換器９５及び内部熱交換器９３を経て、第２圧縮機８４の吸込側に接続される。第２圧縮機８４には、冷媒配管１０６が接続される。冷媒配管１０６には、キャピラリーチューブ１０８を介して膨張タンク１０７が接続される。膨張タンク１０７は、第２圧縮機８４が停止した際に冷媒を貯留するタンクである。
【００５８】
（低温側冷媒）
低温側冷媒回路８２には、冷媒として実施の形態１と同様の冷媒組成物が封入される。すなわち、低温側冷媒回路８２には、Ｒ１１３２ａ及びＲ１７０の少なくとも一方を含む第１冷媒と、第１冷媒の沸点よりも低い沸点を有し、且つキャピラリーチューブ８８内における沸点が熱交換器９５における熱交換によってキャピラリーチューブ８８内の冷媒が達する温度以上である第２冷媒と、を含む冷媒組成物が用いられる。
【００５９】
第１冷媒は、好ましくは冷媒組成物において主冷媒として含有される。第１冷媒の含有量は、冷媒組成物の全質量に対して、好ましくは５０質量％以上である。冷媒組成物が第１冷媒を含有することで、冷媒組成物に、庫内温度を−８０℃以下とする冷凍性能を付与するとともに、低ＧＷＰ化を図ることができる。
【００６０】
第１冷媒は、好ましくは、ヘキサフルオロエタン（Ｒ１１６）、トリフルオロメタン（Ｒ２３）、共沸混合物（Ｒ５０８Ａ）及び共沸混合物（Ｒ５０８Ｂ）からなる群から選択される少なくとも１種の第１ａ冷媒を、第１冷媒の全質量に対して９５質量％以下でさらに含む。第２冷媒は、テトラフルオロメタン（Ｒ１４）及びエチレン（Ｒ１１５０）からなる群から選択される少なくとも１種を含む。第２冷媒の含有量は、冷媒組成物の全質量に対して、好ましくは５０質量％未満であり、より好ましくは３０質量％以下である。また、第２冷媒の含有量は、冷媒組成物の全質量に対して、好ましくは５質量％超である。
【００６１】
第２冷媒は、好ましくは冷媒組成物において副冷媒として含有される。第２冷媒の含有量は、冷媒組成物の全質量に対して、好ましくは５０質量％未満、より好ましくは３０質量％以下である。第２冷媒の含有量を５０質量％未満とすることで、冷媒組成物のＧＷＰの上昇を抑制することができる。
【００６２】
また、冷媒組成物は、好ましくは二酸化炭素（Ｒ７４４）及び亜酸化窒素（Ｒ７４４Ａ）の少なくとも一方を含む第３冷媒をさらに含む。第３冷媒の含有量は、冷媒組成物の全質量に対して４０質量％以下であることが好ましい。また、冷媒組成物は、第３冷媒の沸点よりも低い温度において、第３冷媒との溶解性を有する第４冷媒をさらに含むことが好ましい。さらに、第３冷媒の含有量は、冷媒組成物の全質量に対して２０質量％以下であることが好ましい。
【００６３】
図４を参照しながら、低温側冷媒回路８２における冷媒の循環について説明する。図４中、低温側冷媒回路８２における冷媒の流れは実線矢印で示されている。冷媒は第２圧縮機８４において圧縮され、高温ガス状の冷媒となる。この冷媒は、第２圧縮機８４からディスーパーヒータ９０に吐出され、放熱されて再び第２圧縮機８４に戻る。これにより第２圧縮機８４を冷却することができる。次いで、冷媒は、冷媒吐出管１０１に吐出され、補助凝縮器９１において放熱された後、オイルセパレータ９２に流入する。オイルセパレータ９２において、冷媒と混合されている第２圧縮機８４の潤滑オイルの大部分と、補助凝縮器９１で凝縮した冷媒の一部とがオイル戻し管１０３を経由して第２圧縮機８４に帰還する。これにより、オイルセパレータ９２の下流側にはより純度の高い冷媒が流れることとなり、冷却効率が向上する。このため、第１圧縮機５４や第２圧縮機８４の性能をそのままに、超低温貯蔵庫１の収容容積を拡大することができる。
【００６４】
残りの冷媒は、オイルセパレータ９２から吐出されて内部熱交換器９３と、カスケード熱交換器５６を構成する第２凝縮器８５とを通過し、その過程で凝縮する。カスケード熱交換器５６における熱交換によって、高温側冷媒回路５２の第１蒸発器５９を流れる冷媒と、低温側冷媒回路８２の第２凝縮器８５を流れる冷媒との間で熱交換がなされ、低温側冷媒回路８２の冷媒が冷却される。この冷却により、冷媒として用いられる冷媒組成物中の第１冷媒の一部が凝縮する。凝縮した冷媒は、デハイドレータ８７で水分が除去され、キャピラリーチューブ８８に流入する。
【００６５】
キャピラリーチューブ８８に流入した冷媒は、減圧されるとともに、熱交換器９５を構成する配管１０２Ａ内を流れる低温の冷媒と熱交換する。これにより、キャピラリーチューブ８８内の冷媒はさらに冷却され、第１冷媒の残部と第２冷媒とがほぼ完全に凝縮する。そして、冷媒は第２蒸発器８３に流入する。第２蒸発器８３において、冷媒が周囲から熱を奪って蒸発する。これにより冷媒の冷却作用が発揮され、第２蒸発器８３の周囲が−９０℃以下の超低温に冷却される。第２蒸発器８３の冷却により、貯蔵室８内の温度を−８５℃以下にすることができる。第２蒸発器８３で蒸発した冷媒は、吸込配管１０２に吐出され、熱交換器９５及び内部熱交換器９３を経て第２圧縮機８４に帰還する。
【００６６】
第２圧縮機８４は、貯蔵室８の庫内温度に基づいて、図示しない制御装置によりＯＮ、ＯＦＦの切換制御がなされる。制御装置により第２圧縮機８４の運転が停止されると、低温側冷媒回路８２の冷媒は、冷媒配管１０６からキャピラリーチューブ１０８を介して膨張タンク１０７に回収される。これにより、低温側冷媒回路８２内の圧力の上昇を抑制することができる。また、制御装置により第２圧縮機８４の運転が開始されると、膨張タンク１０７内の冷媒は、キャピラリーチューブ１０８を介して徐々に第２圧縮機８４内に戻される。これにより、第２圧縮機８４の起動負荷を軽減することができる。
【００６７】
以上説明したように、本実施の形態に係る冷凍装置Ｒ２は、高温側冷媒回路５２と、低温側冷媒回路８２とを備える。また、高温側冷媒回路５２の第１蒸発器５９と低温側冷媒回路８２の第２凝縮器８５とによりカスケード熱交換器５６が構成され、カスケード熱交換器５６において、高温側冷媒回路５２の冷媒と低温側冷媒回路８２の冷媒とが熱交換する。そして、低温側冷媒回路８２は、冷媒として、第１冷媒と、第１冷媒の沸点よりも低い沸点を有し、且つ第２凝縮器８５内における沸点がカスケード熱交換器５６における熱交換によって第２凝縮器８５内の冷媒組成物が達する温度以上である第２冷媒と、を含む冷媒組成物を用いる。このような構成によっても、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。また、冷凍装置Ｒ２は、冷媒組成物のその他の組成や、二重管構造についても実施の形態１と同様の特徴を有し、同様の効果を奏することができる。
【００６８】
なお、第２冷媒は、第１冷媒の沸点よりも低い沸点を有し、且つ第２凝縮器８５内における沸点がカスケード熱交換器５６における熱交換によって第２凝縮器８５内の冷媒が達する温度以上である冷媒であってもよい。この場合であっても、第２蒸発器８３の前段において、第２冷媒をより確実に凝縮させることができ、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。
【００６９】
（実施の形態３）
実施の形態３に係る冷凍装置は、単元多段の冷凍方式を有する点を除き、実施の形態１又は２に係る冷凍装置と概ね共通の構成を有する。本実施の形態の説明においては、実施の形態１又は２と同様の構成について、その説明は適宜省略する。図５は、実施の形態３に係る冷凍装置の冷媒回路図である。本実施の形態では、単元多段の冷媒回路の例として、単元二段の冷媒回路を挙げて説明する。
【００７０】
本実施の形態に係る冷凍装置Ｒ３は、冷媒回路１１２及び冷媒回路１５２を備える。冷媒回路１１２及び冷媒回路１５２は、同様の単元二段の回路構成を備え、互いに独立した回路である。したがって、一方の冷媒回路が故障した場合のバックアップとして、他方の冷媒回路を使用することができる。２つの独立した冷媒回路１１２，１５２を並設することで、より安定的に貯蔵室８内の低温状態を維持することができる。この結果、冷媒回路Ｒ３を搭載する超低温貯蔵庫１の信頼性を向上させることができる。
【００７１】
以下、冷凍装置Ｒ３が備える冷媒回路の構成について説明する。冷媒回路１１２と冷媒回路１５２とは、同一の構成を備え、同一の冷媒が用いられる。このため、以下では冷媒回路１１２について詳細に説明し、冷媒回路１５２についての説明は省略する。冷媒回路１５２において、冷媒回路１１２と同一の符号が付されたものは、同一の作用効果を奏する。
【００７２】
冷媒回路１１２の圧縮機１１４は、例えば圧縮機１４と同様の電動圧縮機である。圧縮機１１４の吐出側に接続される冷媒吐出管１３１は、補助凝縮器１２１に接続される。補助凝縮器１２１にはフレームパイプ１２２が接続され、フレームパイプ１２２にはオイルクーラー１１４Ｃが接続される。オイルクーラー１１４Ｃには、凝縮器１１５が接続される。補助凝縮器１２１及び凝縮器１１５は、一体の凝縮器として構成され、凝縮用ファン１２９により冷却される。
【００７３】
凝縮器１１５には、デハイドレータ１１７が接続され、続いて気液分離器１３０が接続される。気液分離器１３０は、補助凝縮器１２１、フレームパイプ１２２及び凝縮器１１５を通過する過程で凝縮して液化した冷媒と、凝縮せずに気体のままの冷媒とを分離する。気液分離器１３０には、気相配管１３３が接続される。気相配管１３３は、気液分離器１３０で分離される未凝縮の気相冷媒を取り出すための配管である。気相配管１３３は、凝縮パイプ１２３に接続される。
【００７４】
また、気液分離器１３０には、液相配管１３４が接続される。液相配管１３４は、気液分離器１３０で分離される凝縮した液相冷媒を取り出すための配管である。液相配管１３４は、キャピラリーチューブ１３５を介して補助蒸発器１３６に接続される。凝縮パイプ１２３と補助蒸発器１３６とは、中間熱交換器１１６を構成する。中間熱交換器１１６において、キャピラリーチューブ１３５で減圧されて補助蒸発器１３６内に流入する液相冷媒が蒸発し、これにより凝縮パイプ１２３内を流れる気相冷媒が冷却され、凝縮する。凝縮パイプ１２３には、減圧器としてのキャピラリーチューブ１１８が接続される。キャピラリーチューブ１１８は、最終段のキャピラリーチューブである。
【００７５】
キャピラリーチューブ１１８は、蒸発器１１３から出て圧縮機１１４に戻る吸込配管１３２内に挿通される。具体的には、蒸発器１１３の吐出側であって、且つ中間熱交換器１１６の吸込側に位置し、吸込配管１３２の一部を構成する配管１３２Ａ内に、キャピラリーチューブ１１８が挿通され、これにより二重管が構成される。また、この二重管により熱交換器１２５が構成される。熱交換器１２５において、キャピラリーチューブ１１８内を流れる冷媒と、配管１３２Ａ内を流れる冷媒との間で熱交換され、キャピラリーチューブ１１８内の冷媒が冷却される。二重管の構造及び形成方法は、熱交換器２５と同様である。熱交換器１２５は、熱交換器２５と同様に、外周全体が断熱材１４０で包み込まれ、超低温貯蔵庫１の断熱材７内に出し入れ可能に収容される（図１参照）。
【００７６】
キャピラリーチューブ１１８には、蒸発器１１３が接続される。蒸発器１１３は、蒸発器１３と同様に、内箱４の断熱材７側の周面に取り付けられる（図１参照）。蒸発器１１３には、吸込配管１３２が接続される。吸込配管１３２は、熱交換器１２５の配管１３２Ａを経て、補助蒸発器１３６に接続される。補助蒸発器１３６を出た吸込配管１３２は、圧縮機１１４の吸込側に接続される。吸込配管１３２における補助蒸発器１３６と圧縮機１１４との間には、キャピラリーチューブ１３８を介して膨張タンク１３７が接続される。膨張タンク１３７は、圧縮機１１４が停止した際に冷媒を貯留するタンクである。
【００７７】
（冷媒）
冷媒回路１１２には、冷媒として実施の形態１と同様の冷媒組成物が封入される。すなわち、冷媒回路１１２には、Ｒ１１３２ａ及びＲ１７０の少なくとも一方と１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン（Ｒ２４５ｆａ）とブタン（Ｒ６００）とを含む第１冷媒と、第１冷媒の沸点よりも低い沸点を有し、且つキャピラリーチューブ１１８内における沸点が熱交換器１２５における熱交換によってキャピラリーチューブ１１８内の冷媒が達する温度以上である第２冷媒と、を含む冷媒組成物が用いられる。第１冷媒は、好ましくは、ヘキサフルオロエタン（Ｒ１１６）、トリフルオロメタン（Ｒ２３）、共沸混合物（Ｒ５０８Ａ）及び共沸混合物（Ｒ５０８Ｂ）からなる群から選択される少なくとも１種の第１ａ冷媒を、第１冷媒の全質量に対して９５質量％以下でさらに含む。
【００７８】
第２冷媒は、テトラフルオロメタン（Ｒ１４）、エチレン（Ｒ１１５０）、メタン（Ｒ５０）及びアルゴン（Ｒ７４０）からなる群から選択される少なくとも１種を含む。Ｒ５０は標準沸点が−１６４℃であり、Ｒ７４０は標準沸点が−１８５．８℃である。本実施の形態では、冷媒回路１１２が二段の回路構成を備えるため、Ｒ５０及びＲ７４０をより確実に凝縮させることができる。第２冷媒の含有量は、冷媒組成物の全質量に対して、好ましくは３０質量％以下である。また、第２冷媒の含有量は、冷媒組成物の全質量に対して０質量％超、好ましくは５質量％超である。
【００７９】
また、冷媒組成物は、好ましくは二酸化炭素（Ｒ７４４）及び亜酸化窒素（Ｒ７４４Ａ）の少なくとも一方を含む第３冷媒をさらに含む。第３冷媒の含有量は、冷媒組成物の全質量に対して４０質量％以下であることが好ましい。また、第３冷媒にＲ７４４が含まれる場合、冷媒組成物は、Ｒ７４４の沸点よりも低い温度において、Ｒ７４４との溶解性を有する第４冷媒をさらに含むことが好ましい。さらに、第３冷媒の含有量は、冷媒組成物の全質量に対して２０質量％以下であることが好ましい。
【００８０】
図５を参照しながら、冷媒回路１１２における冷媒の循環について説明する。図５中、冷媒の流れは矢印で示されている。また、ここでは冷媒として、Ｒ２４５ｆａ、Ｒ６００、Ｒ１１３２ａ及びＲ１４を含む冷媒組成物を用いる場合を例に挙げて説明する。冷媒は圧縮機１１４において圧縮され、高温ガス状の冷媒となる。この冷媒は、冷媒吐出管１３１に吐出され、補助凝縮器１２１、フレームパイプ１２２、オイルクーラー１１４Ｃ及び凝縮器１１５をこの順に通過する。この過程で、相対的に沸点の高いＲ２４５ｆａ及びＲ６００が主に凝縮する。そして、凝縮器１１５を通過した冷媒は、デハイドレータ１１７で水分が除去され、気液分離器１３０に流入する。Ｒ１１３２ａ及びＲ１４は、その沸点が極めて低い。このため、冷媒が気液分離器１３０に流入する時点では、Ｒ１１３２ａ及びＲ１４は未だ凝縮せずにガス状である。したがって、気液分離器１３０において、Ｒ１１３２ａ及びＲ１４は主に気相配管１３３に、Ｒ２４５ｆａ及びＲ６００は主に液相配管１３４にそれぞれ吐出される。
【００８１】
気相配管１３３に流入した冷媒は、中間熱交換器１１６を構成する凝縮パイプ１２３に流入する。液相配管１３４に流入した冷媒は、キャピラリーチューブ１３５で減圧された後、中間熱交換器１１６を構成する補助蒸発器１３６に流入する。そして、補助蒸発器１３６に流入した冷媒は、補助蒸発器１３６において蒸発し、凝縮パイプ１２３を流れる冷媒を冷却する。また、凝縮パイプ１２３を流れる冷媒は、蒸発器１１３から帰還してくる冷媒によっても冷却される。これにより、気液分離器１３０に到達した時点で未凝縮であった冷媒が冷却され、凝縮する。ここでは、Ｒ１１３２ａの一部が凝縮する。そして、中間熱交換器１１６を通過した冷媒は、キャピラリーチューブ１１８に流入する。
【００８２】
キャピラリーチューブ１１８において、冷媒は減圧されるとともに、熱交換器１２５を構成する配管１３２Ａ内を通過する低温の冷媒と熱交換する。これにより、キャピラリーチューブ１１８内の冷媒はさらに冷却される。この冷却により、Ｒ１１３２ａの残部とＲ１４とがほぼ完全に凝縮する。そして、冷媒は蒸発器１１３に流入する。蒸発器１１３において、冷媒が周囲から熱を奪って蒸発する。これにより冷媒の冷却作用が発揮され、蒸発器１１３の周囲が−９０℃以下の超低温に冷却される。蒸発器１１３の冷却により、貯蔵室８内の温度を−８５℃以下にすることができる。蒸発器１１３で蒸発した冷媒は、吸込配管１３２に吐出され、熱交換器１２５を経て中間熱交換器１１６に至る。中間熱交換器１１６の補助蒸発器１３６において、冷媒は液相配管１３４を介して補助蒸発器１３６に流入する冷媒と合流する。その後、冷媒は圧縮機１１４に帰還する。
【００８３】
圧縮機１１４は、貯蔵室８の庫内温度に基づいて、図示しない制御装置によりＯＮ、ＯＦＦの切換制御がなされる。制御装置により圧縮機１１４の運転が停止されると、冷媒はキャピラリーチューブ１３８を介して膨張タンク１３７に回収される。また、制御装置により圧縮機１１４の運転が開始されると、膨張タンク１３７内の冷媒は、キャピラリーチューブ１３８を介して徐々に圧縮機１１４内に戻される。
【００８４】
以上説明したように、本実施の形態に係る冷凍装置Ｒ３は、単元多段の冷媒回路１１２と冷媒回路１５２とを備える。また、各冷媒回路は、蒸発器１１３から圧縮機１１４に向かう冷媒と、キャピラリーチューブ１１８内の冷媒との間で熱交換を行い、キャピラリーチューブ１１８内の冷媒を冷却する熱交換器１２５を有する。そして、各冷媒回路は、冷媒として、第１冷媒と、第１冷媒の沸点よりも低い沸点を有し、且つキャピラリーチューブ１１８内における沸点が熱交換器１２５における熱交換によってキャピラリーチューブ１１８内の冷媒が達する温度以上である第２冷媒と、を含む冷媒組成物を用いる。これにより、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。また、冷凍装置Ｒ３は、冷媒組成物のその他の組成や、二重管構造についても実施の形態１と同様の特徴を有し、同様の効果を奏することができる。なお、冷凍装置Ｒ３は、冷媒回路１１２及び冷媒回路１５２の一方のみを備えてもよい。
【００８５】
（実施の形態４）
実施の形態４に係る冷凍装置は、多元多段の冷凍方式を有する点を除き、実施の形態１〜３のいずれかに係る冷凍装置と概ね共通の構成を有する。本実施の形態の説明においては、実施の形態１〜３のいずれかと同様の構成について、その説明は適宜省略する。図６は、実施の形態４に係る冷凍装置の冷媒回路図である。本実施の形態では、多元多段の冷媒回路の例として、二元多段の冷媒回路を挙げて説明する。
【００８６】
本実施の形態に係る冷凍装置Ｒ４は、それぞれ独立した冷媒閉回路を構成する高温側冷媒回路２１２と低温側冷媒回路２５２とを備える。高温側冷媒回路２１２の第１圧縮機２１４は、圧縮機１４と同様の電動圧縮機である。第１圧縮機２１４の吐出側に接続される冷媒吐出管２３１は、第１補助凝縮器２２１に接続される。第１補助凝縮器２２１にはフレームパイプ２２２が接続され、フレームパイプ２２２にはオイルクーラー２１４Ｃが接続される。オイルクーラー２１４Ｃには、第２補助凝縮器２１５が接続される。第２補助凝縮器２１５には、低温側冷媒回路２５２における第２圧縮機２５４のオイルクーラー２５４Ｃが接続された後、第１凝縮器２２３が接続される。第１補助凝縮器２２１、第２補助凝縮器２１５及び第１凝縮器２２３は、一体の凝縮器として構成され、凝縮用ファン２２９により冷却される。
【００８７】
第１凝縮器２２３には、デハイドレータ２１７が接続され、続いて第１減圧器としてのキャピラリーチューブ２１８が接続される。キャピラリーチューブ２１８には、第１蒸発器２１３が接続される。第１蒸発器２１３は、低温側冷媒回路２５２の第２凝縮器としての凝縮パイプ２５５とともにカスケード熱交換器２１６を構成する。第１蒸発器２１３には、吸込配管２３２が接続される。吸込配管２３２は、アキュムレータ２２８を経て、第１圧縮機２１４の吸込側に接続される。
【００８８】
（高温側冷媒）
高温側冷媒回路２１２には、冷媒としてＲ４０７Ｄとｎ−ペンタンとが混合された非共沸冷媒が封入される。Ｒ４０７Ｄは、Ｒ３２と、Ｒ１２５と、Ｒ１３４ａとが混合されてなる冷媒である。Ｒ４０７Ｄにおける各冷媒の割合は、Ｒ３２が１５質量％、Ｒ１２５が１５質量％、Ｒ１３４ａが７０質量％である。Ｒ３２の標準沸点は−５１．８℃、Ｒ４０７Ｄの標準沸点は−３８．７℃、ｎ−ペンタンの標準沸点は＋３６．１℃である。
【００８９】
図６を参照しながら、高温側冷媒回路２１２における冷媒の循環について説明する。冷媒は、第１圧縮機２１４で圧縮され、高温ガス状の冷媒となる。この冷媒は、冷媒吐出管２３１に吐出され、第１補助凝縮器２２１、フレームパイプ２２２、オイルクーラー２１４Ｃ、第２補助凝縮器２１５、オイルクーラー２５４Ｃ及び第１凝縮器２２３を、この順に通過し、その過程で凝縮する。凝縮した冷媒は、デハイドレータ２１７で水分が除去され、キャピラリーチューブ２１８に流入する。キャピラリーチューブ２１８において冷媒は減圧され、その後、第１蒸発器２１３に流入する。
【００９０】
第１蒸発器２１３において、冷媒中のＲ３２、Ｒ１２５及びＲ１３４ａは、カスケード熱交換器２１６の凝縮パイプ２５５内を流れる冷媒から吸熱して蒸発する。これにより、凝縮パイプ２５５内を流れる冷媒が冷却される。その後、冷媒は吸込配管２３２に吐出され、アキュムレータ２２８を経て第１圧縮機２１４に帰還する。
【００９１】
第１圧縮機２１４の圧縮性能は例えば１．５ＨＰであり、第１蒸発器２１３での冷却によって到達する温度は、約−２７℃〜約−３５℃になる。このような低温下では、冷媒中のｎ−ペンタンは、第１蒸発器２１３において蒸発しない。したがって、ｎ−ペンタンは、カスケード熱交換器２１６における凝縮パイプ２５５内の冷媒の冷却には寄与しない。一方で、ｎ−ペンタンは、第１圧縮機２１４の潤滑油や、デハイドレータ２１７で除去しきれなかった残存水分を溶け込ませることができ、これらを第１圧縮機２１４に帰還せしめる機能を奏する。また、ｎ−ペンタンは、第１圧縮機２１４内で蒸発して第１圧縮機２１４を冷却する機能を奏する。
【００９２】
低温側冷媒回路２５２の第２圧縮機２５４は、圧縮機１４と同様の電動圧縮機である。第２圧縮機２５４の吐出側に接続される冷媒吐出管２８１は、放熱器２５９に接続される。放熱器２５９は、例えばワイヤコンデンサで構成される。放熱器２５９には、オイルセパレータ２６０が接続される。オイルセパレータ２６０には、第２圧縮機２５４に戻るオイル戻し管２８７が接続される。また、オイルセパレータ２６０には、凝縮パイプ２５５が接続される。凝縮パイプ２５５は、第１蒸発器２１３とともにカスケード熱交換器２１６を構成する。
【００９３】
凝縮パイプ２５５には、デハイドレータ２５７を介して第１気液分離器２６１が接続される。第１気液分離器２６１には、気相配管２８３と液相配管２８４とが接続される。気相配管２８３は、第１気液分離器２６１で分離される未凝縮の気相冷媒を取り出すための配管である。液相配管２８４は、第１気液分離器２６１で分離される凝縮した液相冷媒を取り出すための配管である。気相配管２８３は、第１中間熱交換器２６２を経て第２気液分離器２６５に接続される。液相配管２８４は、デハイドレータ２６３及びキャピラリーチューブ２６４を経て第１中間熱交換器２６２に接続される。第１中間熱交換器２６２は、キャピラリーチューブ２６４で減圧された液相冷媒の蒸発により、気相配管２８３内を流れる気相冷媒を冷却して凝縮させる機能を有する。
【００９４】
第２気液分離器２６５には、気相配管２８５と液相配管２８６とが接続される。気相配管２８５は、第２気液分離器２６５で分離される未凝縮の気相冷媒を取り出すための配管である。液相配管２８６は、第２気液分離器２６５で分離される凝縮した液相冷媒を取り出すための配管である。気相配管２８５は、第２中間熱交換器２６６を経て第３中間熱交換器２７０に接続される。液相配管２８６は、デハイドレータ２６７及びキャピラリーチューブ２６８を経て第２中間熱交換器２６６に接続される。第２中間熱交換器２６６は、キャピラリーチューブ２６８で減圧された液相冷媒の蒸発により、気相配管２８５内を流れる気相冷媒を冷却して凝縮させる機能を有する。
【００９５】
第３中間熱交換器２７０には、第４中間熱交換器２７２が接続される。第４中間熱交換器２７２には、デハイドレータ２７４、及び第２減圧器としてのキャピラリーチューブ２５８がこの順に接続される。第３中間熱交換器２７０及び第４中間熱交換器２７２は、キャピラリーチューブ２５８に向かう冷媒と、第２蒸発器２５３から第２圧縮機２５４に戻る冷媒との間で熱交換を行うための熱交換器である。
【００９６】
キャピラリーチューブ２５８は、第２蒸発器２５３から出て第２圧縮機２５４に戻る吸込配管２８２内に挿通される。具体的には、第２蒸発器２５３の吐出側であって、且つ第４中間熱交換器２７２よりも第２蒸発器２５３側に位置し、吸込配管２８２の一部を構成する配管２８２Ａ内に、キャピラリーチューブ２５８が挿通され、これにより二重管が構成される。また、この二重管により熱交換器２９５が構成される。熱交換器２９５により、キャピラリーチューブ２５８内を流れる冷媒と、配管２８２Ａ内を流れる冷媒との間で熱交換される。二重管の構造及び形成方法は、熱交換器２５と同様である。熱交換器２９５は、熱交換器２５と同様に、外周全体が断熱材２９７で包み込まれ、超低温貯蔵庫１の断熱材７内に出し入れ可能に収容される（図１参照）。なお、第１中間熱交換器２６２〜第４中間熱交換器２７２についても、熱交換器２９５と同様に二重管構造を有してもよい。
【００９７】
キャピラリーチューブ２５８には、第２蒸発器２５３が接続される。第２蒸発器２５３は、蒸発器１３と同様に、内箱４の断熱材７側の周面に取り付けられる（図１参照）。第２蒸発器２５３には、吸込配管２８２が接続される。吸込配管２８２は、熱交換器２９５、第４中間熱交換器２７２、第３中間熱交換器２７０、第２中間熱交換器２６６及び第１中間熱交換器２６２を経て、第２圧縮機２５４の吸込側に接続される。吸込配管２８２には、第１中間熱交換器２６２と第２圧縮機２５４との間において、キャピラリーチューブ２８９を介して膨張タンク２８８が接続される。膨張タンク２８８は、第２圧縮機２５４が停止した際に冷媒を貯留するタンクである。吸込配管２８２と膨張タンク２８８との間には、逆止弁２９０がキャピラリーチューブ２８９と並列に接続される。逆止弁２９０は、膨張タンク２８８に向かう方向が順方向となるように接続される。
【００９８】
（低温側冷媒）
低温側冷媒回路２５２には、冷媒として実施の形態１と同様の冷媒組成物が封入される。すなわち、低温側冷媒回路２５２には、Ｒ１１３２ａ及びＲ１７０の少なくとも一方を含む第１冷媒と、第１冷媒の沸点よりも低い沸点を有し、且つキャピラリーチューブ２５８内における沸点が熱交換器２９５における熱交換によってキャピラリーチューブ２５８内の冷媒が達する温度以上である第２冷媒と、を含む冷媒組成物が用いられる。第１冷媒は、好ましくは、ヘキサフルオロエタン（Ｒ１１６）、トリフルオロメタン（Ｒ２３）、共沸混合物（Ｒ５０８Ａ）及び共沸混合物（Ｒ５０８Ｂ）からなる群から選択される少なくとも１種の第１ａ冷媒を、第１冷媒の全質量に対して９５質量％以下でさらに含む。
【００９９】
第２冷媒は、テトラフルオロメタン（Ｒ１４）、エチレン（Ｒ１１５０）、メタン（Ｒ５０）及びアルゴン（Ｒ７４０）からなる群から選択される少なくとも１種を含む。本実施の形態では、低温側冷媒回路２５２が多段の回路構成を備えるため、Ｒ５０及びＲ７４０をより確実に凝縮させることができる。第２冷媒の含有量は、冷媒組成物の全質量に対して、好ましくは３０質量％以下である。また、第２冷媒の含有量は、冷媒組成物の全質量に対して０質量％超、好ましくは５質量％超である。
【０１００】
また、冷媒組成物は、好ましくは二酸化炭素（Ｒ７４４）及び亜酸化窒素（Ｒ７４４Ａ）の少なくとも一方を含む第３冷媒をさらに含む。第３冷媒の含有量は、冷媒組成物の全質量に対して４０質量％以下であることが好ましい。また、冷媒組成物は、第３冷媒がＲ７４４を含有する場合、Ｒ７４４の沸点よりも低い温度において、Ｒ７４４との溶解性を有する第４冷媒をさらに含むことが好ましい。さらに、第３冷媒の含有量は、冷媒組成物の全質量に対して２０質量％以下であることが好ましい。
【０１０１】
図６を参照しながら、低温側冷媒回路２５２における冷媒の循環について説明する。ここでは、冷媒としてＲ２４５ｆａ、Ｒ６００、Ｒ４０４Ａ、Ｒ１１３２ａ、Ｒ１４、Ｒ５０及びＲ７４０を含む冷媒組成物を用いる場合を例に挙げて説明する。冷媒は第２圧縮機２５４において圧縮され、高温ガス状の冷媒となる。この冷媒は、冷媒吐出管２８１に吐出され、放熱器２５９で放熱される。この放熱により、相対的に沸点の高いＲ２４５ｆａと相対的に沸点が高くオイル相溶性の良好なＲ６００とが凝縮する。Ｒ６００は、オイルキャリア冷媒として機能する。
【０１０２】
放熱器２５９を通過した冷媒は、オイルセパレータ２６０に流入する。オイルセパレータ２６０において、冷媒と混合されている第２圧縮機２５４の潤滑オイルの大部分と、放熱器２５９で凝縮した冷媒の一部とがオイル戻し管２８７を経由して第２圧縮機２５４に帰還する。これにより、オイルセパレータ２６０の下流側にはより純度の高い冷媒が流れることとなり、冷却効率が向上する。オイルセパレータ２６０で分離されたガス状の冷媒は、カスケード熱交換器２１６の凝縮パイプ２５５に流入する。
【０１０３】
凝縮パイプ２５５に流入する冷媒は、放熱器２５９で冷却されている。このため、カスケード熱交換器２１６で低温側冷媒回路２５２の冷媒を冷却するために第１圧縮機２１４にかかる負荷を軽減することができる。また、カスケード熱交換器２１６において、効率よく低温側冷媒回路２５２の冷媒を冷却することができるため、第２圧縮機２５４にかかる負荷も軽減することができる。これにより、冷凍装置Ｒ４全体の運転効率を向上させることができる。
【０１０４】
カスケード熱交換器２１６において、凝縮パイプ２５５中の冷媒は−４０℃〜−３０℃程度に冷却される。これにより、冷媒中のＲ４０４Ａ及びＲ１１３２ａの一部が凝縮する。そして、凝縮パイプ２５５を通過した冷媒は、デハイドレータ２５７を経て第１気液分離器２６１に流入する。この時点では、Ｒ１１３２ａの残部、Ｒ１４、Ｒ５０、Ｒ７４０は未だ凝縮せずにガス状である。したがって、第１気液分離器２６１において、Ｒ４０４Ａ及びＲ１１３２ａの一部は主に液相配管２８４に、Ｒ１１３２ａの残部、Ｒ１４、Ｒ５０、Ｒ７４０は主に気相配管２８３に、それぞれ吐出される。
【０１０５】
液相配管２８４に流入した冷媒は、デハイドレータ２６３を経てキャピラリーチューブ２６４で減圧された後、第１中間熱交換器２６２に流入する。気相配管２８３に流入した冷媒は、第１中間熱交換器２６２において、キャピラリーチューブ２６４で減圧された冷媒の蒸発により冷却される。また、第２蒸発器２５３から帰還してくる冷媒と熱交換して冷却される。この結果、第１中間熱交換器２６２の中間温度は−６０℃程度となり、気相配管２８３内のＲ１１３２ａの残部が凝縮する。Ｒ１４、Ｒ５０、Ｒ７４０は未だガス状態である。第１中間熱交換器２６２を通過した冷媒は、第２気液分離器２６５に流入する。ここで、中間熱交換器の中間温度とは、中間熱交換器の中央部の配管の温度をいう。
【０１０６】
第２気液分離器２６５において、第１中間熱交換器２６２で凝縮したＲ１１３２ａが液相配管２８６に、Ｒ１４、Ｒ５０、Ｒ７４０が気相配管２８５にそれぞれ吐出される。液相配管２８６に流入した冷媒は、デハイドレータ２６７を経てキャピラリーチューブ２６８で減圧された後、第２中間熱交換器２６６に流入する。気相配管２８５に流入した冷媒は、第２中間熱交換器２６６において、キャピラリーチューブ２６８で減圧された冷媒の蒸発により冷却される。また、第２蒸発器２５３から帰還してくる冷媒と熱交換して冷却される。この結果、第２中間熱交換器２６６の中間温度は−９０℃程度となり、気相配管２８５内のＲ１４が凝縮する。Ｒ５０及びＲ７４０は未だガス状態である。第２中間熱交換器２６６を通過した冷媒は、第３中間熱交換器２７０に流入する。
【０１０７】
第３中間熱交換器２７０に流入した冷媒は、第２蒸発器２５３から帰還してくる冷媒と熱交換して冷却され、第４中間熱交換器２７２に流入する。第４中間熱交換器２７２に流入した冷媒は、第２蒸発器２５３から帰還してくる冷媒と熱交換して冷却され、デハイドレータ２７４を経てキャピラリーチューブ２５８に流入する。第３中間熱交換器２７０及び第４中間熱交換器２７２での熱交換によって冷媒は冷却され、Ｒ５０が凝縮する。第４中間熱交換器２７２の中間温度は、−１３０℃程度である。
【０１０８】
キャピラリーチューブ２５８において、冷媒は減圧されるとともに、熱交換器２９５を構成する配管２８２Ａ内を通過する低温の冷媒と熱交換する。これにより、キャピラリーチューブ２５８内の冷媒はさらに冷却される。この冷却により、Ｒ７４０が凝縮する。そして、冷媒は第２蒸発器２５３に流入する。第２蒸発器２５３において、冷媒が周囲から熱を奪って蒸発する。これにより冷媒の冷却作用が発揮され、第２蒸発器２５３の周囲が−１６０℃〜−１５７℃程度の超低温に冷却される。蒸発器２５３の冷却により、貯蔵室８内の温度を−１５２℃程度にすることができる。このように、低温側冷媒回路２５２では、各冷媒の沸点の差を利用して気相状態にある冷媒を次々に凝縮させているため、最終段の第２蒸発器２５３において、極めて低い温度を達成することができる。
【０１０９】
第２蒸発器２５３で蒸発した冷媒は、吸込配管２８２に吐出され、熱交換器２９５、第４中間熱交換器２７２、第３中間熱交換器２７０、第２中間熱交換器２６６及び第１中間熱交換器２６２に順次流入する。そして、第２中間熱交換器２６６及び第１中間熱交換器２６２を通過する際に、それぞれにおいて蒸発した冷媒と合流して第２圧縮機２５４に帰還する。
【０１１０】
第２圧縮機２５４は、貯蔵室８の庫内温度に基づいて、図示しない制御装置によりＯＮ、ＯＦＦの切換制御がなされる。制御装置により圧縮機２５４の運転が停止されると、冷媒は逆止弁２９０を介して膨張タンク２８８に回収される。逆止弁２９０を経由することで、キャピラリーチューブ２８９を経由する場合に比べて、冷媒を迅速に回収することができる。また、制御装置により圧縮機２５４の運転が開始されると、膨張タンク２８８内の冷媒は、キャピラリーチューブ２８９を介して徐々に第２圧縮機２５４内に戻される。第２圧縮機２５４の停止時に冷媒が迅速に回収されることで、低温側冷媒回路２５２内の圧力を迅速に平衡状態にすることができる。これにより、第２圧縮機２５４を円滑に再起動させることができる。よって、第２圧縮機２５４の起動後に低温側冷媒回路２５２内が平衡圧になるまでの時間を短縮することができる。この結果、プルダウン時間を短縮できるため、超低温貯蔵庫１の省エネルギー性能の向上と、利便性とを向上させることができる。
【０１１１】
以上説明したように、本実施の形態に係る冷凍装置Ｒ４は、高温側冷媒回路２１２と、低温側冷媒回路２５２とを備える。また、低温側冷媒回路２５２は、第２蒸発器２５３から第２圧縮機２５４に向かう冷媒と、キャピラリーチューブ２５８内の冷媒との間で熱交換を行い、キャピラリーチューブ２５８内の冷媒を冷却する熱交換器２９５を有する。そして、低温側冷媒回路２５２は、冷媒として、第１冷媒と、第１冷媒の沸点よりも低い沸点を有し、且つキャピラリーチューブ２５８内における沸点が熱交換器２９５における熱交換によってキャピラリーチューブ２５８内の冷媒が達する温度以上である第２冷媒と、を含む冷媒組成物を用いる。これにより、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。また、冷凍装置Ｒ４は、冷媒組成物のその他の組成や、二重管構造についても実施の形態１と同様の特徴を有し、同様の効果を奏することができる。
【０１１２】
なお、第２冷媒は、第１冷媒の沸点よりも低い沸点を有し、且つ凝縮パイプ２５５内における沸点がカスケード熱交換器２１６における熱交換によって凝縮パイプ２５５内の冷媒が達する温度以上である冷媒であってもよい。
【０１１３】
本発明は、上述した各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態を組み合わせたり、当業者の知識に基づいて各種の設計変更などのさらなる変形を加えることも可能であり、そのような組み合わせられ、もしくはさらなる変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれる。上述した各実施の形態同士の組み合わせ、及び上述した各実施の形態への変形の追加によって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態、及び変形それぞれの効果をあわせもつ。
【実施例】
【０１１４】
以下に、実施例に基づいて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
【０１１５】
＜冷媒組成物の冷凍性能の評価＞
まず、組成の異なる複数の冷媒組成物を作製した。具体的には、Ｒ１１３２ａと、Ｒ１１６とを質量比１：１で含有する第１冷媒を用意した。そして、この第１冷媒を複数に分け、それぞれに第２冷媒としてのＲ１４を異なる量で混合して、複数の冷媒組成物を得た。各冷媒組成物におけるＲ１４の含有量は、冷媒組成物全体に対して、５質量％、１０質量％、１５質量％とした。また、第１冷媒のみからなる冷媒組成物（Ｒ１４：０質量％）も用意した。これらの冷媒組成物を、上述した実施の形態２に示す冷凍装置Ｒ２にそれぞれ充填し、貯蔵室８の庫内温度とプルダウン時間とを計測した。庫内温度は、貯蔵室８の中央温度とした。プルダウン時間は、庫内温度が室温（３０℃）から−８０℃に到達するまでの時間として計測し、Ｒ１４が０質量％である冷媒組成物におけるプルダウン時間を１００とした場合の相対値とした。
【０１１６】
結果を図７に示す。図７は、第２冷媒の含有量を異ならせた場合の庫内温度とプルダウン時間とを示すグラフである。図７に示されるように、Ｒ１４の含有量が０，５，１０，１５質量％である各冷媒組成物の庫内温度は、それぞれ−８９．２℃、−８９．３℃、−８９．７℃、−９０．５℃であった。また、それぞれのプルダウン時間は、１００、９４、８７、８２であった。これらの結果から、Ｒ１４を含有しない冷媒組成物に対して、Ｒ１４を含有する冷媒組成物では、プルダウン時間が短縮されることが確認された。また、Ｒ１４の含有量が多いほど、プルダウン時間がより短縮されることが確認された。さらに、Ｒ１４の含有量が５質量％を超えると、プルダウン時間を短縮できるだけでなく、庫内温度をより低下させられることが確認された。
【０１１７】
＜第１ａ冷媒の含有による第１冷媒の性能変化の評価＞
上述した実施の形態２に示す冷凍装置Ｒ２に用いられる低温側冷媒に含まれる第１冷媒として、Ｒ１１３２ａとＲ１１６との質量比を異ならせたサンプル１〜６を用意した。そして、これらのサンプルを実施の形態２に示す冷凍装置Ｒ２にそれぞれ充填し、貯蔵室８の庫内温度を計測して、第１冷媒の冷凍性能を評価した。庫内温度は、貯蔵室８の中央温度とした。冷凍性能の評価において、第１冷媒がＲ１１３２ａ単独の場合の庫内温度を基準温度とし、庫内温度が基準温度以上である場合（具体的には−８９℃超−８８℃以下）を「Ｂ」、基準温度を下回り、且つ下回る程度が相対的に低い場合（具体的には−９０℃超−８９℃以下）を「Ａ」、相対的に高い場合（具体的には−９０℃以下）を「ＡＡ」とした。結果を表１に示す。
【０１１８】
また、冷媒の燃焼性に関する研究報告に基づいて、各サンプルにおける冷媒の混合比率から燃焼性を予測し、第１冷媒の燃焼性を評価した。燃焼性の評価において、燃焼性の程度を相対的に燃焼性の高い「低レベル可燃」と、「低レベル可燃」よりも燃焼性の低い「微燃」と、「微燃」よりも燃焼性の低い「不燃」とに分け、「低レベル可燃」の場合を「Ｂ」、「微燃」の場合を「Ａ」、「不燃」の場合を「ＡＡ」とした。結果を表１に示す。また、ＩＰＣＣによる評価報告に準拠して、各サンプルのＧＷＰを算出し、第１冷媒の環境性能を評価した。環境性能の評価において、ＧＷＰが１００００を超える場合を「Ｂ」、２５００超１００００以下である場合を「Ａ」、２５００以下である場合を「ＡＡ」とした。結果を表１に示す。
【０１１９】
【表１】
0006543450.tif 000002
【０１２０】
表１に示されるように、Ｒ１１６の含有量が第１冷媒の全質量に対して０質量％超９５質量％以下であるサンプル２〜６は、当該含有量がこの範囲から外れるサンプル１，７に比べて、冷凍性能が向上することが確認された。また、Ｒ１１６の含有量が第１冷媒の全質量に対して０質量％超８０質量％以下であるサンプル３〜６は、当該含有量がこの範囲から外れるサンプル１，２，７に対して、良好な冷凍性能と良好な環境性能とを兼ね備えることが確認された。また、Ｒ１１６の含有量が第１冷媒の全質量に対して２０質量％超９５質量％以下であるサンプル２〜５は、当該含有量がこの範囲から外れるサンプル１，６，７に対して、良好な冷凍性能と良好な難燃性とを兼ね備えることが確認された。
【０１２１】
また、Ｒ１１６の含有量が第１冷媒の全質量に対して２０質量％超８０質量％以下であるサンプル３〜５は、当該含有量がこの範囲から外れるサンプル１，２，６，７に対して、良好な冷凍性能、良好な難燃性及び良好な環境性能を兼ね備えることが確認された。さらに、Ｒ１１６の含有量が第１冷媒の全質量に対して４０質量％超６０質量％以下であるサンプル４は、他のサンプル１〜３，５〜７に対して、良好な難燃性と良好なＧＷＰとを兼ね備えながら、より高い冷凍性能を具備することが確認された。
【０１２２】
なお、上述した冷凍性能、燃焼性及び環境性能の評価は、あくまでも第１冷媒に対するものである。したがって、いずれかの性能評価において「Ｂ」と判定された第１冷媒であっても、第２冷媒との組み合わせによって、上述した実施の形態で説明した効果を発揮することができる。また、環境性能の評価において、ＧＷＰが１００００を超える場合を「Ｂ」と評価したが、「Ｂ」と評価されたサンプル１，２であっても、Ｒ５０８ＡやＲ５０８Ｂを主冷媒とする従来の冷媒に比べれば、十分に良好であった。
【符号の説明】
【０１２３】
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４  冷凍装置、  １２，１１２，１５２  冷媒回路、  １３，１１３  蒸発器、  １４，１１４  圧縮機、  １５，１１５  凝縮器、  １８，５８，８８，１１８，２１８，２５８  キャピラリーチューブ、  ２５，９５，１２５，２９５  熱交換器、  ５２，２１２  高温側冷媒回路、  ５４，２１４  第１圧縮機、  ５５，２２３  第１凝縮器、  ５６，２１６  カスケード熱交換器、  ５９，２１３  第１蒸発器、  ８２，２５２  低温側冷媒回路、  ８３，２５３  第２蒸発器、  ８４，２５４  第２圧縮機、  ８５  第２凝縮器。
【図１】
0006543450.tif 000003
【図２】
0006543450.tif 000004
【図３】
0006543450.tif 000005
【図４】
0006543450.tif 000006
【図５】
0006543450.tif 000007
【図６】
0006543450.tif 000008
【図７】
0006543450.tif 000009