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技術 超低温用非共沸冷媒

出願人 発明者
出願日 2007年10月25日 (6年9ヶ月経過) 出願番号 2007-277413
公開日 2009年5月14日 (5年2ヶ月経過) 公開番号 2009-102567
登録日 - 登録番号 -
特許期限 2027年10月25日 (残13年2ヶ月) 状態 未査定
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以下の情報は公開日時点(2009年5月14日)のものです。

課題

在来型の超低温単段式冷凍システム一元式冷凍回路)の冷媒循環系改造することなく、円滑に安定して使用することができる超低温用3元非共沸冷媒を提供すること。

解決手段

高沸点ガス沸点Tb1)、低沸点ガス(沸点Tb2)及び極低沸点ガス(沸点Tb3)を含んでなり、各々の沸点が、−273℃≦Tb3≦−130℃<Tb2<−20℃≦Tb1≦+60℃であり、ガス混合重量組成比が、高圧環境下における露点が室温以上となるように、且つ、その沸点が低圧環境下における露点よりも高くなるように設定されたものであることを特徴とする単段式冷凍システム用の超低温用非共沸冷媒

効果

冷媒としてフルオロカーボン使用量をゼロとして、効果的に冷凍能力を向上できる。温室効果等の環境に対する悪影響が極めて少ない。

この項目の情報は公開日時点(2009年5月14日)のものです。
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背景

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冷凍庫冷凍機用冷媒として、従来から、フルオロカーボン、所謂フロンが広く用いられて来た。 しかしながら、化学構造式塩素を有するフロン(特定フロン)が大気層上層部のオゾン層破壊してオゾンホールを形成するとの懸念・危惧から、条約上は所謂モントリオール議定書(オゾン層を破壊する物質に関するモントリオール議定書)が1987年に採択され、国内法制上は所謂オゾン層保護法特定物質規制等によるオゾン層の保護に関する法律)が1988年に制定された。

このような法律的背景から、法制が整備された後、化学構造式に塩素を有さないフロン系冷媒又はフロン系冷媒の代替物質としての炭化水素系冷媒の開発が推進されてきた。 但し、化学構造式に塩素を有さないフロンであってさえ、その多くが長波長赤外線熱線)の吸収能が高く、所謂温室効果地球環境温暖化する効果)を有するという問題を内在している。

このような技術的背景から、温室効果が小さい物質を選択したり、温室効果が大きい物質の使用量を低減するような技術を開発することが希求されてきたため、低沸点炭化水素主成分として所定の冷媒特性を満たすガスの探索が行われている。 然るに、単独の低沸点炭化水素ガスのみで、従来の特定フロンが有している冷媒としての優れた諸性能と同等の性能を満足することは困難であった。

そこで、2種類以上の低沸点炭化水素ガスを混合することにより、従来の特定フロンが有している冷媒としての優れた諸性能に近づけようとする研究・開発が鋭意推進されてきた。 このような2種以上の低沸点炭化水素ガスからなる混合冷媒としては、従来の常用されてきた単一成分冷媒ガスと同様に一定沸点を示す共沸冷媒が望ましい。 しかしながら、共沸冷媒を実現するための低沸点炭化水素ガスの種類の組合せ組成比率条件は、極めて狭隘な条件に限定されてしまっており、このような条件を外れる殆どの条件においては、2種類以上の低沸点炭化水素ガスを混合しても、非共沸特性を示してしまう。

これらの非共沸冷媒(非共沸特性を示してしまう2種類以上の低沸点炭化水素ガスを混合してなる冷媒)は、単一成分からなる冷媒や、共沸冷媒とは異なり、成分となるガス組成を適宜選択することにより単独のガスの性質を組合せた中間的な望ましい特性を持たせることができるという利点がある反面において、沸点と露点とが不一致であるために、液相と気相とが共存する条件下では、ガス相液化した凝縮相との組成が異なり、凝縮過程においては、一定温度下・一定圧力下では凝縮しないという現象が生じ、冷凍システムの安定した運転に支障を来すという問題点があった。

非共沸冷媒(非共沸特性を示してしまう2種類以上の低沸点炭化水素ガスを混合してなる冷媒)における沸点と露点とが不一致であるという問題点、即ち、液相(凝縮相)と気相(ガス相)とが共存する条件下では、両相の組成が異なるが故に凝縮過程においてピンポイント温度圧力一気に凝縮しないという現象が生じ、冷凍システムの安定した運転に支障を来すという問題点を解決課題とした従来の技術を以下に示す。

特許文献1] 特開昭61−83258号公報 (特公平5−025912号公報)では、非共沸冷媒を用いた冷凍システムにおいて、非共沸混合冷媒蒸発圧力とこれに対応する飽和温度との関係に基づき、膨張弁を介して冷凍システム内の温度・圧力を制御すると共に、これらの制御条件一定範囲を外れると警告手段を作動するようにし、特に後者においては、蒸発器から圧縮機に至る過程低温の吸入冷媒と圧縮機から蒸発器にいたる高圧の冷媒との間で熱交換を行ことが開示されている。 すなわち、使用する成分冷媒の組合せが、低沸点のR−22と高沸点の冷媒R−114であって、それぞれ標準沸点が−40.8℃及び3.85℃であるため非共沸冷媒の特有の露点と沸点の差が大きく、このため圧縮機に於ける液相状態の冷媒吸入などの問題を生じるのであって、冷凍機システムの制御によってこのような状態となることを回避している。

[特許文献2] 特開平8−166172号公報記載では、実施例に開示されている冷媒成分は、フルオロカーボンからなる非共沸混合冷媒、即ち、R−32(標準沸点:−51.7℃)、R−125(標準沸点:−48.5℃)、及び、R−134a(標準沸点:−26.5℃F)である。この非共沸混合冷媒を構成するフルオロカーボンの標準沸点は、何れも、標準大気圧下における常温(0〜40℃)よりも著しく低温度であり、標準大気圧下では標準沸点以下の温度でなければ液化しない。 そのため、圧縮機、凝縮器受液器減圧器、蒸発器から構成し、凝縮器から受液器に流れる冷媒と蒸発器から圧縮機に流れる冷媒とを熱交換させる熱交換器備えた冷凍システムを採用することが開示されている。 冷媒に関しては、沸点の差(混合冷媒としての露点と沸点の差)を小さくすることにより、問題点の課題の解決を図っている。 冷凍システムに関しては、気相と液相との共存する状態において、液化した非共沸冷媒のみを受液器によって分離して蒸発器に送り、また、圧縮機に入る冷媒ガスに液体状態の冷媒が混入して液圧縮を生じるのを防止するため、サクション配管においても気液分離を行なうというメカニズムを採用することが開示されている。 然るに、折角採用したシステムも、却って、その構成が複雑であるが故にメンテナンス保全修理時間・手間・費用を要するのみならず、日常的な運転においても、気液共存状態で気相と液相の組成が異なる特性を有する非共沸溶媒を安定した定常状態に戻すための制御を困難にしている。

[特許文献3] 特許3571296号公報には、トリフルオロメタン(CHF3:R−23)及びパーフルオロエタン(C2:F6:R−116)と、プロパンブタンの1種以上とを含み、前記R−23とR−116との混合比率を、R−23を70〜15wt%、R−116を30〜85wt%としてなることを特徴とする超低温用混合冷媒が開示されている。 当該混合系冷媒は、オゾン破壊能が0で、温暖化効果も低いため環境に悪影響を与えることなく利用できる。R−23及びR−116並びにプロパン及びブタンガスから安価に製造することができ、安全且つ取扱が容易である。 当該混合冷媒の特性により、格別複雑・高度な冷凍機ユニットを新たに構築することが不要であり、既存の冷凍庫の特定フロン冷媒を当該混合冷媒に置換して、そのまま使用継続することが可能であり、超低温、特に−60℃以下の庫内温度を実現することができる。 設備上も極めて安価且つ保守管理が容易である。 超低温を実現できることから、今後発展の予想されるバイオテクノロジーを始め食品その他の分野への展開が期待される。

[特許文献4] 特許3934140号公報(国際公開WO2004/051155A1号パンフレット)には、凝縮器、蒸発器、及び、蒸発器から圧縮機に至る冷媒と凝縮器から蒸発器に至る過程の冷媒との間で熱交換を行なう熱交換器により構成される単段式冷凍機システム、並びに、そのシステムに使用する非共沸冷媒であって、常温近傍の標準沸点を有する冷媒と−60℃以下の低い標準沸点を有する冷媒との組合せからなり、圧縮後の凝縮過程の圧力に於ける冷媒の露点が常温以上であり、且つ、その圧力に於ける沸点が蒸発器から圧縮機に至る過程の低圧圧力における露点以上であることを特徴とす超低温用非共沸冷媒が開示されている。当該冷媒成分の組合せとして、室温近傍の高沸点を有し、蒸気圧の低い冷媒にブタン、イソブタン、超低温用に適した低沸点の冷媒としてエタン、エチレンなどが利用できることが開示されている。

[特許文献5] 特開2007−169331号公報には、単段式冷凍システム一元冷媒用冷凍回路)に使用することができる他成分系多元)非共沸混合溶媒であって、−50〜−80℃の超低温状態を実現することができる2成分を混合したのみの非共沸冷媒で超低温を達成することが可能であって、さらに地球環境の保護の観点からオゾン層破壊係数がゼロで、地球温暖化係数(GWP)が極めて小さい非共沸混合冷媒が開示されている。 ここで、単段式冷凍システム(一元式冷凍回路)とは、特定フロンのような従来技術による一元冷媒に使用されてきた一般的な在来型の冷凍回路であって、圧縮機、凝縮器、キャピラリチューブ液ガス熱交換器、蒸発器を含んで構成される。 イソブタン(i−C4H10)にエチレン(C2H4)又はエタン(C2H6)を添加した他成分系(多元)非共沸混合溶媒を採用することにより、特殊な多元冷媒用冷凍回路を使用することなく、従来技術の一般的な在来型単段式冷凍システム(一元冷媒用冷凍回路)に使用することができることが開示されている。 当該在来型単段式冷凍システム(一元冷媒用冷凍回路)においては、好ましい態様において、熱交換器として巻き込み型熱交換器を使用することにより、既製の冷凍庫を簡単に超低温用冷凍庫にすることが可能であることが開示されている。

特開昭61−83258号公報 特開平8−166172号公報 特許3571296号公報 特許3934140号公報 特開2007−169331号公報

概要

在来型の超低温用単段式冷凍システム(一元式冷凍回路)の冷媒循環系改造することなく、円滑に安定して使用することができる超低温用3元非共沸冷媒を提供すること。 高沸点ガス(沸点Tb1)、低沸点ガス(沸点Tb2)及び極低沸点ガス(沸点Tb3)を含んでなり、各々の沸点が、−273℃≦Tb3≦−130℃<Tb2<−20℃≦Tb1≦+60℃であり、ガス混合重量組成比が、高圧環境下における露点が室温以上となるように、且つ、その沸点が低圧環境下における露点よりも高くなるように設定されたものであることを特徴とする単段式冷凍システム用の超低温用非共沸冷媒。 冷媒としてフルオロカーボン使用量をゼロとして、効果的に冷凍能力を向上できる。温室効果等の環境に対する悪影響が極めて少ない。

目的

発明が解決しようとする課題の第1の事項は、超低温用単段式冷凍システム(一元式冷凍回路)で使用することができる超低温用3元非共沸冷媒を提供することである。

効果

実績

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請求項

以下の情報は公開日時点(2009年5月14日)のものです。

請求項1

単段式冷凍システムに使用するための非共沸冷媒であって、前記単段式冷凍システムは、圧縮機(1)、凝縮器(2)、蒸発器、及び、熱交換器(3)を含んで構成され、前記熱交換器(3)は、高圧系冷凍庫(8)を冷却するための蒸発器(5)から圧縮機(1)に戻る復路系〕内の高温冷媒と、低圧系〔凝縮器(2)から冷凍庫(8)を冷却するための蒸発器(5)に向かう往路系〕内の低温冷媒との間で熱交換をする機能を有し、前記非共沸冷媒は、高沸点ガス(G1)群から選択された少なくとも1種類のガス、低沸点ガス(G2)群から選択された少なくとも1種類のガス、及び、極低沸点ガス(G3)群から選択された少なくとも1種類のガスの少なくとも3種類のガスを必須構成要件とし、前記高沸点ガス(G1)群の沸点Tb1、前記低沸点ガス(G2)群の沸点Tb2、及び、前記極低沸点ガス(G3)群の沸点Tb3が、−273℃≦Tb3≦−130℃<Tb2<−20℃≦Tb1≦+60℃という数値範囲にあり、前記高沸点ガス(G1)群から選択されたガスの合計重量部W1、前記低沸点ガス(G2)群から選択されたガスの合計重量部W2、及び、前記極低沸点ガス(G3)群から選択されたガスの合計重量部W3の重量組成比が、60重量部≦W1≦90重量部、10重量部≦W2≦30重量部、0.1重量部≦W3≦20重量部、且つ、W1+W2+W3=100重量部という数値範囲にあり、さらに、前記高沸点ガス(G1)群から選択されたガスの合計重量部W1、前記低沸点ガス(G2)群から選択されたガスの合計重量部W2、及び、前記極低沸点ガス(G3)群から選択されたガスの合計重量部W3の重量組成比が、圧縮機(1)から熱交換器(3)を経由して冷凍庫(8)を冷却するための蒸発器(5)に到達するまでの高圧環境下における露点が室温(即、単段式冷凍システム運転状態における雰囲気温度)以上となるように、且つ、その沸点が冷凍庫(8)を冷却するための蒸発器(5)から熱交換器(3)を経由して圧縮機(1)に到達するまでの低圧環境下における露点よりも高くなるように設定されたものであることを特徴とする超低温用非共沸冷媒

請求項2

高沸点ガス(G1)群、低沸点ガス(G2)群、及び、極低沸点ガス(G3)群のうちの少なくとも一つの群が、フルオロカーボンガス群を除外した非フルオロカーボンガス群であることを特徴とした請求項1に記載した超低温用非共沸冷媒。

請求項3

高沸点ガス(G1)が、ブタン(沸点−0.5℃)、イソブタン(沸点−12℃)、ブテン(沸点−6.9℃)、及び、エチルアセチレン(沸点+8.1℃)からなる群から選択された少なくとも1種類のガスであり、前記低沸点ガス(G2)が、エタン(沸点−88.68℃)、エチレン(沸点−104.2℃)及びR−14(沸点−128℃)からなる群から選択された少なくとも1種類のガスであり、極低沸点ガス(G3)が、メタン(沸点−161.52℃)であることを特徴とする、請求項1又は2に記載した超低温非共沸混合冷媒

請求項4

高沸点ガス(G1)、低沸点ガス(G2)、及び、極低沸点ガス(G3)の3種類のガスの重量組成比が、高沸点ガス(G1)が、50乃至99.9重量部、低沸点ガス(G2)が、5乃至50重量部、極低沸点ガス(G3)が、0.01乃至10重量部、且つ、高沸点ガス(G1)、低沸点ガス(G2)、及び、極低沸点ガス(G3)の合計重量部が100重量部であることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載した超低温用非共沸冷媒。

請求項5

前記高沸点ガス(G1)群から選択されたガスの合計重量部W1、前記低沸点ガス(G2)群から選択されたガスの合計重量部W2、及び、前記極低沸点ガス(G3)群から選択されたガスの合計重量部W3の重量組成比が、70重量部≦W1≦80重量部、15重量部≦W2≦25重量部、0.1重量部≦W3≦10重量部、且つ、W1+W2+W3=100重量部という数値範囲にあることを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載した超低温用非共沸冷媒。

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