(57)【要約】【目的】亜酸化窒素とＨＣ冷媒との混合冷媒と、特別な熱交換器とを適宜組み合わせて採用することにより、冷凍能力を充分に発揮できる１元冷凍装置を提供するものである。【構成】圧縮機１、凝縮器２、減圧装置８、蒸発器９を環状に配管接続して構成した１元冷凍装置において、凝縮器２と減圧装置８とをつなぐ管路に、気液分離器３と、気液分離器の気相部からの冷媒を通す熱交換器６とを設け、気液分離器３の液相の冷媒が流れる液相管と蒸発器９の出口配管とを熱交換器６の戻りの冷媒が流れる戻り流路に接続したものである。【選択図】    図１
2004205198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を環状に配管接続して構成した１元冷凍装置において、亜酸化窒素とＨＣ冷媒との混合物を冷媒として使用し、前記凝縮器と前記減圧装置とをつなぐ管路には気液分離器とこの気液分離器の気相部からの未凝縮冷媒を通す熱交換器とを設け、前記気液分離器の液相部と前記熱交換器とを補助減圧装置を介してつなぐと共に、前記蒸発器の出口配管を前記熱交換器を経由させて前記圧縮機につなぎ、前記蒸発器からの冷媒及び前記補助減圧装置からの冷媒が前記圧縮機に吸入されるようにしたことを特徴とする１元冷凍装置。
【請求項２】
前記ＨＣ冷媒として、プロパン、エタン、エチレン、ｎブタン、イソブタン、ｎペンタンの何れか、又はそれらの混合物を用いたことを特徴とする請求項１に記載の１元冷凍装置。
【請求項３】
前記ＨＣ冷媒の割合を１〜５０重量％としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の１元冷凍装置。
【請求項４】
前記減圧装置として、運転停止時及び異常時に閉じられる膨張弁を用いたこと特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の１元冷凍装置。
【請求項５】
圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を環状に配管接続して構成した１元冷凍装置において、前記凝縮器と前記減圧装置とをつなぐ管路に、気液分離器と、当該気液分離器の気相部からの未凝縮冷媒を通す熱交換器とを設け、前記気液分離器の液相管と前記蒸発器の出口配管とを前記熱交換器の戻り流路に接続したことを特徴とする１元冷凍装置。
【請求項６】
前記冷媒として、亜酸化窒素とＨＣ冷媒との混合物を使用したことを特徴とする請求項５に記載の１元冷凍装置。
【請求項７】
前記ＨＣ冷媒として、プロパン、エタン、エチレン、ｎブタン、イソブタン、ｎペンタンの何れか、又はそれらの混合物を用いたことを特徴とする請求項６に記載の１元冷凍装置。
【請求項８】
前記気液分離器の液相管と前記熱交換器の戻り流路との接続位置を前記蒸発器の出口配管と前記熱交換器の戻り流路との接続位置よりも下流側に設けたことを特徴とする請求項５に記載の１元冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１元冷凍の超低温冷凍装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、−６０℃〜−９０℃以下の超低温の生成には、超低温冷凍装置が用いられている。この超低温冷凍装置は、１元冷凍装置（単元冷凍装置）と、高温側冷凍回路と低温側冷温回路により構成されている二元冷凍装置等の多元冷凍装置とがある。
【０００３】
この１元冷凍装置に亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）とＨＣ冷媒の混合物を充填したものを本出願人は特許文献１として提案した。
【０００４】
【特許文献１】
特願２００２−１７３４５５号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述の本出願人が提案した１元冷凍装置では、圧縮機、凝縮器、キャピラリーチューブ、蒸発器を環状に配管接続した冷凍装置なので、亜酸化窒素やＨＣ冷媒の一部が凝縮器で凝縮せずに循環する恐れがあり、冷凍能力を充分発揮できない恐れがあった。
【０００６】
本発明は、亜酸化窒素とＨＣ冷媒との混合冷媒と、特別な熱交換器とを適宜組み合わせて採用することにより、冷凍能力を充分に発揮できる１元冷凍装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を環状に配管接続して構成した１元冷凍装置において、亜酸化窒素とＨＣ冷媒との混合物を冷媒として使用し、前記凝縮器と前記減圧装置とをつなぐ管路には気液分離器とこの気液分離器の気相部からの未凝縮冷媒を通す熱交換器とを設け、前記気液分離器の液相部と前記熱交換器とを補助減圧装置を介してつなぐと共に、前記蒸発器の出口配管を前記熱交換器を経由させて前記圧縮機につなぎ、前記蒸発器からの冷媒及び前記補助減圧装置からの冷媒が前記圧縮機に吸入されるように構成したものである。
【０００８】
また、本発明は、前記ＨＣ冷媒として、プロパン、エタン、エチレン、ｎブタン、イソブタン、ｎペンタンの何れか、又はそれらの混合物を用いたものである。
【０００９】
また、本発明は、前記ＨＣ冷媒の割合を１〜５０重量％としたものである。
【００１０】
更に、本発明は、前記減圧装置として、運転停止時及び異常時に閉じられる膨張弁を用いたものである。
【００１１】
一方、本発明は、圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を環状に配管接続して構成した１元冷凍装置において、前記凝縮器と前記減圧装置とをつなぐ管路に、気液分離器と、当該気液分離器の気相部からの未凝縮冷媒を通す冷媒流通路を有する熱交換器とを設け、前記気液分離器の液相管と前記蒸発器の出口配管とを前記熱交換器の冷媒戻り流路に接続したものである。
【００１２】
また、本発明は、前記冷媒として、亜酸化窒素とＨＣ冷媒との混合物を使用したものである。
【００１３】
そして、本発明は、当該ＨＣ冷媒として、プロパン、エタン、エチレン、ｎブタン、イソブタン、ｎペンタンの何れか、又はそれらの混合物を用いたものである。
【００１４】
最後に、本発明は、当該気液分離器の液相管と前記熱交換器の戻り流路との接続位置を前記蒸発器の出口配管前記熱交換器の戻り流路との接続位置よりも下流側に設けたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態を図１を参照しつつ説明する。
【００１６】
図１は、通常の冷凍装置（１元冷凍装置）を示している。そして、この冷凍装置には、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ、沸点−８８．５℃）とＨＣ冷媒（プロパン（Ｒ２９０、沸点−４２．１℃）、又は、ブタン（Ｒ６００、沸点−０．５℃）との混合物である冷媒が、例えば、１〜５０重量％封入される。
【００１７】
冷凍装置は、圧縮機１、凝縮器２、気液分離器３、デハイドレータ４、キャピラリーチュ−ブ（補助減圧装置）５、熱交換器６、デハイドレータ７、キャピラリーチュ−ブ（減圧装置）８、蒸発器９、及び膨張タンク１０により構成されている。
【００１８】
すなわち、特許請求の範囲に記載のように、圧縮機１、凝縮器２、キャピラリーチューブ（減圧装置）８、蒸発器９を環状に配管接続して構成した１元冷凍装置において、亜酸化窒素とＨＣ冷媒との混合物を冷媒として使用し、前記凝縮器２と前記減圧装置８とをつなぐ管路には気液分離器３とこの気液分離器３の気相部からの未凝縮冷媒を通す熱交換器６とを設け、前記気液分離器３の液相部と前記熱交換器とをキャピラリーチューブ（補助減圧装置）５を介してつなぐと共に、前記蒸発器９の出口配管を前記熱交換器を経由させて前記圧縮機１につなぎ、前記蒸発器９からの冷媒及び前記補助減圧装置５からの冷媒が前記圧縮機１に吸入されるように構成したものである。
【００１９】
冷媒を構成する亜酸化窒素とＨＣ冷媒は、沸点が異なることから、その沸点の異なり及び凝縮器２通過に伴う相変化を利用して、気液分離器３で分離される。この分離は、実際には完全ではないが、説明を簡単にするために、沸点の低い液化しにくい亜酸化窒素とそれよりも沸点の高く液化しやすいＨＣ冷媒に略分離されるものとして説明する。
【００２０】
この冷凍装置では、気液分離器３を備えているので、亜酸化窒素に比べ沸点が高いＨＣ冷媒は、液相部を通して主にデハイドレータ４、キャピラリーチュ−ブ５、熱交換器６における凝縮冷媒が通る冷媒戻り流路を介して圧縮機１に戻る（即ち、最も温度が低く粘性抵抗による残留問題のある蒸発器９を通過しない）。また、沸点の低い亜酸化窒素は、この気液分離器３の気相部を通して、熱交換器９における未凝縮冷媒（即ちガス冷媒）が通る冷媒流通路、デハイドレータ７、キャピラリーチュ−ブ８、蒸発器９、熱交換器６における凝縮冷媒が通る冷媒戻り流路を介して圧縮機１に戻る。なお、前述のごとく、気相分離器３で分離できなかった気相部を通過する少量のＨＣ冷媒も蒸発器９に循環しており、この少量のＨＣ冷媒は冷凍機油との相溶性が高いため亜酸化窒素に混合した場合の搬送性に優れ、またオイルキャリアとしての作用を備えているので、冷媒としての循環性があり、蒸発器９におけるオイル残りが防止できる。
【００２１】
このように、本願では、亜酸化窒素にＨＣ冷媒を混合しているので、圧縮機１、凝縮器２、蒸発器９内のガス冷媒はＨＣ冷媒単体時に比べれば冷媒の可燃性が低くなる。
【００２２】
また、亜酸化窒素はＨＣ冷媒より沸点が低いので、主に亜酸化窒素が気液分離器３の気相部から熱交換器６の冷媒流通路に供給される。この亜酸化窒素は、熱交換器６における冷媒流通路と冷媒戻り通路とを流れる冷媒との熱交換作用で冷媒流通路を通過することにより冷却（凝縮）され、その出口側において液化される。このため、蒸発器９では少量のＨＣ冷媒を含むが亜酸化窒素がリッチな状態の液冷媒が流入することとなり、ここで蒸発し、亜酸化窒素単体を用いた場合よりも熱交換器６で熱交換される分低い温度の冷媒が得られる。更に、気相と液相に分離された冷媒が熱交換器６で混ざり合うことなく熱交換されるため、蒸発器９へ流入させる冷媒の温度低下はもとより、熱交換器６を経ずに蒸発器９へ流入させる回路に比べて、低い温度の冷媒循環に伴う冷凍能力の増大が図れる。そして、ＨＣ冷媒（可燃性冷媒）は５０重量％以下に抑えているので、不燃性且つ消火作用を有する亜酸化窒素によってＨＣ冷媒の燃焼能力を十分打ち消すことができ、蒸発器９付近で万一リークが発生しても、燃えにくい混合冷媒のまま漏れることになって、冷媒としての安全性を確保できる。
【００２３】
特に、沸点の高い冷媒による蒸発（吸熱＝冷却）作用の能力（即ち冷凍能力）の方が、沸点の低い冷媒のそれよりも大きいことは周知の事実であるが、沸点の異なる冷媒を混合する場合、沸点の高いＨＣ冷媒の混合比率を５０重量％超に設定する方が、その冷凍能力を遺憾無く発揮できることに他ならない。本発明では、その混合比率の上限を５０重量％にすることで、不燃性の点も鑑みてその冷媒の持つ冷凍能力を十分に発揮できるようになっている。
【００２４】
なお、封入するＨＣ冷媒としては、前述したように、プロパンやブタン以外に、イソブタン（Ｒ６００ａ、沸点−１１．７℃）、やエタン（沸点−８８．５℃）、エチレン（沸点−１０３．５７℃）、ｎブタン（沸点−０．５５℃）、ｎペンタン（沸点３６．２℃）、又はそれらの混合物等を用いても構わない。この場合でも、亜酸化窒素の消火作用を鑑みてＨＣ冷媒の混合割合を５０重量％以内にする必要があることは同様である。尚、５０重量％を越えると、即座に燃焼能力が回復して危険に陥るというものではなく、勿論混合するＨＣ冷媒の選定如何によってその重量比率は異なるものであり、ＨＣ冷媒を混合物とする場合でも、ＨＣ冷媒の総量が５０重量％であればよい。
【００２５】
また、この実施形態では、膨張タンク１０を用いたが、たとえば、圧縮機１の停止圧力が小さな場合は、タンク１０が必須というわけではない。
【００２６】
また、本願によれば、冷媒の漏れが発生した場合を想定して、ＨＣ冷媒が可燃性であることを加味し、熱交換器６及び気液分離器３周辺では、ガスシール対策を行うのが良い。たとえば、金属容器で覆う等の対策を行うのが良い。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施形態を図２を参照しつつ説明する。図２において図１と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００２８】
図２の冷凍装置において、減圧装置として膨張弁１２を用いている。この実施形態では、熱交換器６からの冷媒はアキュムレータ１１、膨張弁１２を介して蒸発器９に供給される。
【００２９】
この膨張弁１２は、運転停止時及び異常時に閉じられる。これは、前述したように、この冷凍装置によれば、冷媒のリークが生じても気液分離器以降の冷媒回路（特に蒸発器近傍）においては、亜酸化窒素がリッチの状態の冷媒を循環させているため可燃性は低いが、時間が経過すると、気液分離器で完全に分離できなかったＨＣ冷媒が漏れ出してしまうことがある。このため、機械式又は電子式の膨張弁１２を蒸発器９の前段に配置して、運転停止時及び異常時に強制的に弁１２を閉じることによって蒸発器９に冷媒が流れにくくしている。
【００３０】
本発明の第３の実施形態について図３を参照しつつ説明する。図３において図１と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００３１】
図３は、熱交換器６における気液分離器３の液相管と熱交換器６の戻り流路との接続位置Ａを、蒸発器９の出口配管と熱交換器６の戻り流路との接続位置Ｂよりも戻り流路でいえば下流側（冷媒流通路でいえば上流側）に設けた例を示している。これは、気液分離器３の液相管（詳しくは補助減圧装置たるキャピラリチューブの出口側）を流れる冷媒の温度が−３０℃程度であるのに対し、蒸発器９の出口配管を流れる冷媒の温度が−８５℃程度と低いことから、後者の冷却能力の方が高いことに起因した配慮である。即ち、温度が＋４０℃程度の冷媒が流れる熱交換器６の冷媒流通路に対して上流側（戻り流路でいえば下流側）に気液分離器３の液相管との接続位置Ａを配置させることにより、冷媒流通路を流れる温度の高い冷媒を一次冷却し、極力ガス冷媒を凝縮させるようにし、下流側の接続位置Ｂに流入する低温の蒸発器９の出口配管を流れる冷媒で二次冷却させることで、仮に冷媒流通路において冷媒の未凝縮分が残っていたとしても、より低温の熱交換で凝縮させることができる（即ち二段冷却することができる）ため、通過冷媒の温度をより効率よく低下させることができる。尚、液相管には、補助減圧装置としてのキャピラリチューブ５を配置しているため、熱交換器６へ流入する冷媒を絞り込む一方、できる限り凝縮して冷媒温度を低下させている。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は、請求項１に記載のように、気液分離器で混合冷媒を気相と液相に分離し、この分離した液相の冷媒と気相の冷媒とを熱交換器で熱交換させるように構成しているので、凝縮器から直接減圧装置に冷媒を循環させる場合に比べて、減圧装置に流入する冷媒の凝縮量が増大し、且つ冷媒の温度を低下することができる。このため、未凝縮冷媒が循環することを抑制し、冷凍機としての冷凍能力の低下を防止できる。
【００３３】
また、請求項２に記載のように、前記ＨＣ冷媒として、プロパン、エタン、エチレン、ｎブタン、イソブタン、ｎペンタンの何れか、又はそれらの混合物を用いたので、一般的に他の冷媒に比べて安価であり、かつ、入手も容易であるため、１元冷凍装置を安価に提供することができる。
【００３４】
また、請求項３に記載のように、ＨＣ冷媒の割合を１〜５０重量％としたので、亜酸化窒素単体を用いた場合よりも、冷凍能力を増加させることができると共に、この冷媒が万一漏れたとしても気液分離器を通過後の冷媒は亜酸化窒素がリッチな状態で燃えにくくなっているため、燃焼による危険を抑えることができる。
【００３５】
更に、請求項４に記載の発明のように、減圧装置として、運転停止時及び異常時に閉じられる膨張弁を用いたので、運転停止時及び異常時に蒸発器から冷媒が漏れる恐れを極力防止することができる。
【００３６】
一方、請求項５の発明によれば、圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を環状に配管接続して構成した１元冷凍装置において、凝縮器と減圧装置とをつなぐ管路に、気液分離器と、気液分離器の気相部からの未凝縮冷媒を通す冷媒流通路を有する熱交換器とを設け、気液分離器の液相管と蒸発器の出口配管とを熱交換器の冷媒戻り流路に接続したので、気相と液相に分離された冷媒は熱交換器で混ざり合うことなく熱交換され、蒸発器へ流入させる冷媒の温度を低下することができ、蒸発器の冷凍能力が向上する。
【００３７】
最後に、本発明の請求項８によれば、気液分離器の液相管と熱交換器の戻り流路との接続位置を蒸発器の出口配管と熱交換器の戻り流路との接続位置よりも下流側に設けたので、熱交換器における冷媒流通路を流れる高温の気相冷媒を低温の液相冷媒と熱交換して一次冷却し、低温の蒸発器通過後の冷媒で続けて二次冷却することができるため、この熱交換器の冷媒流通路を通過する冷媒温度を二段階で低下させることができ、結果的に温度の低い冷媒の循環する蒸発器の冷凍能力を効率よく向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態を説明するための冷凍回路図である。
【図２】この発明の他の実施形態を説明するための冷凍回路図である。
【図３】この発明のさらに他の実施形態を説明するための熱交換器図である。
【符号の説明】
１    圧縮機
２    凝縮器
３    気液分離器
５    キャピラリーチューブ（補助減圧装置）
６    熱交換器
８    キャピラリーチューブ（減圧装置）
９    蒸発器
１２    膨張弁（減圧装置）
Ａ    接続位置
Ｂ    接続位置
【図１】
2004205198.tif 000003
【図２】
2004205198.tif 000004
【図３】
2004205198.tif 000005