CN1952527A - 冷冻装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种通过使混合制冷剂具有不燃性而可以安全地进行操作，且可以以简洁的冷冻装置实现库内温度为－85℃以下的超低温的冷冻装置。本发明的冷冻装置(R)由单一的制冷剂回路(12)构成，所述制冷剂回路(12)在冷凝从压缩机(14)喷出的制冷剂后，使其蒸发并发挥冷却作用，并且使蒸发的制冷剂和被冷凝的制冷剂进行热交换，在制冷剂回路(12)中密封有：含有R245fa、R600、R23、R14的非共沸混合制冷剂、或含有R245fa、R600、R116、R14的非共沸混合制冷剂、或含有R245fa、R600、R508A、R14的非共沸混合制冷剂、或含有R245fa、R600、R508B、R14的非共沸混合制冷剂。
Description
技术领域
本发明涉及由单一的制冷剂回路构成的冷冻装置，所述制冷剂回路在冷凝从压缩机喷出的制冷剂后，使其蒸发并发挥冷却作用。
背景技术
历来，在冷藏库或冷冻机等使用的制冷剂中，广泛地采用所谓氟里昂。但是，因为含有氯的特定氟里昂破坏大气层上层部的臭氧，另外，大多数的氟里昂作为温室效应气体对地球变暖化带来生影响，所以氟里昂成为使用受到限制的对象。因此，希望开发一种无破坏臭氧层的危险性，且可以在不变更以往的冷冻回路的情况下维持其性能的可以替代的制冷剂组成物。
为了作为制冷剂而使用，需要在气体的气化·冷凝时组成或沸点等物理特性不变化，且与作为润滑油而使用的石油(烷基苯)相溶性高等特性，除此之外，也要求：在与目标库内温度的关系下具有充分低的沸点；为了在室温环境下顺利地动作，而临界温度较高。因此，以单一成分的制冷剂气体来实现，是非常困难的。
因此历来，作为由2种以上的成分构成的混合制冷剂，通过选定其混合组成来调整沸点等特性。特别是，为了可以实现库内温度超过-80℃的超低温，使用由2种以上的成分构成的非共沸类混合制冷剂，因为难以利用在室温环境下动作的冷凝器的能力来液化低沸点且临界温度低的成分，所以采用以其它阶段使各成分制冷剂冷凝的多元方式等。
但是，在多元方式的冷冻系统中，有构造复杂化、大型化的问题，另外，维护也比较困难，所以有导致运转费上涨的问题。
因此，以往，开发了含有丁烷、乙烯及R14(四氟化碳：CF4)的非共沸类混合制冷剂(参照专利文献1)、或含有丁烷、乙烷及R14的非共沸类混合制冷剂(参照专利文献2)。这些非共沸类混合制冷剂气体，通过沸点高的丁烷的常温动作性确保冷冻机中的制冷剂的操作性，通过沸点极其低的乙烷或乙烯实现超低温。由此，可以在不使用复杂的多元方式的冷冻系统的情况下使库内温度为-60℃以下。
【专利文献1】特开2003-13049号公报
【专利文献2】特开2003-13050号公报
但是，如上所述在以往的非共沸类混合制冷剂中使用乙烯或乙烷等可燃性气体。特别是，为了实现库内温度为-60℃以下的超低温，至少丁烷和乙烷或取决于乙烯的乙烷或乙烯的混合比率必须为10％以上，且在非共沸类混合制冷剂的状态下，并未超出可燃性的区域。因此，可燃性的混合制冷剂有如下的问题：在安全方面可靠度差，且操作性非常差。
发明内容
本发明正是为了解决以往的技术问题而作出的，其目的在于提供一种通过使混合制冷剂具有不燃性而可以安全地进行操作，且可以以简洁的冷冻装置实现库内温度为-85℃以下的超低温的冷冻装置。
本发明的冷冻装置由单一的制冷剂回路构成，所述制冷剂回路在冷凝从压缩机喷出的制冷剂后，使其蒸发并发挥冷却作用，并且使蒸发的制冷剂和被冷凝的制冷剂进行热交换，该冷冻装置的特征在于，在制冷剂回路中密封有：含有R245fa、R600、R23、R14的非共沸混合制冷剂、或含有R245fa、R600、R116、R14的非共沸混合制冷剂、或含有R245fa、R600、R508A、R14的非共沸混合制冷剂、或含有R245fa、R600、R508B、R14的非共沸混合制冷剂。
第2技术方案的冷冻装置，在上述技术方案中，其特征在于，相对于非共沸混合制冷剂的总重量，R245fa和R600的合计总重量为40重量％～80重量％，R23、或R116、或R508A、或R508B为15重量％～47重量％，R14为3重量％～20重量％。
第3技术方案的冷冻装置，在上述技术方案中，其特征在于，相对于非共沸混合制冷剂的总重量，R245fa和R600的合计总重量为49重量％～70重量％，R23、或R116、或R508A、或R508B为21重量％～42重量％，R14为9重量％～20重量％。
第4技术方案的冷冻装置，在上述技术方案中，其特征在于，相对于非共沸混合制冷剂的总重量，R245fa和R600的合计总重量为64重量％，R23、或R116、或R508A、或R508B为24重量％，R14为12重量％。
根据本发明，冷冻装置由单一的制冷剂回路构成，所述制冷剂回路在冷凝从压缩机喷出的制冷剂后，使其蒸发并发挥冷却作用，并且使蒸发的制冷剂和被冷凝的制冷剂进行热交换，其中，在该冷冻装置的制冷剂回路中密封有含有R245fa、R600、R23、R14的非共沸混合制冷剂、或含有R245fa、R600、R116、R14的非共沸混合制冷剂、或含有R245fa、R600、R508A、R14的非共沸混合制冷剂、或含有R245fa、R600、R508B、R14的非共沸混合制冷剂，由此，可以不使用氟里昂限制对象制冷剂而通过比较廉价的各种制冷剂，在成为被冷却对象的库内实现-80℃以下的超低温。由此，通过实现库内温度-80℃以下，可以使食品、或生物体组织、试样等的长期保存更加稳定化，从而可以提高可靠度。
特别是，根据本发明，可以在不伴随着制冷剂组成的变更而变更以往的冷冻回路的情况下维持其性能，并且可以应对臭氧层的破坏这一环境问题。另外，在本发明中，不使用所谓多级式的冷冻方式，可以通过单级式的冷冻方式实现超低温，所以可以使装置简洁化，从而可以降低生产成本。
进而另外，因为在本发明中使用的非共沸混合制冷剂具有不燃性，所以可以安全地使用，操作性可以提高，且可以避免如下的不良情况：制冷剂配管破损等，从而该混合制冷剂在漏出时燃烧。
特别是，如第2技术方案所述，相对于非共沸混合制冷剂的总重量，R245fa和R600的合计总重量为40重量％～80重量％，R23、或R116、或R508A、或R508B为15重量％～47重量％，R14为3重量％～20重量％，更优选，如第3技术方案所述，相对于非共沸混合制冷剂的总重量，R245fa和R600的合计总重量为49重量％～70重量％，R23、或R116、或R508A、或R508B为21重量％～42重量％，R14为9重量％～20重量％，进一步优选，相对于非共沸混合制冷剂的总重量，R245fa和R600的合计总重量为64重量％，R23、或R116、或R508A、或R508B为24重量％，R14为12重量％，由此，可以稳定地实现库内温度-80℃以下，可以使食品、或生物体组织、试样等的长期保存更加稳定化，从而可以提高可靠度。
进而，通过可靠地使非共沸类混合制冷剂具有不燃性，可以进一步有效地避免在漏出时燃烧的不良情况。
附图说明
图1是应用了冷冻装置的超低温冷冻库的主视图；
图2是图1的侧视图；
图3是图1的俯视图；
图4是本实施例中的制冷剂回路图；
图5是其它实施例中的制冷剂回路图；
图6是与使R245fa和R600的混合制冷剂及R14的重量为一定，使R23的重量变化时的各数据有关的图表；
图7是与使R245fa和R600的混合制冷剂及R23的重量为一定，使R14的重量变化时的各数据有关的图表。
图中，R-冷冻装置；1-超低温冷冻库；2-绝热箱体；7-绝热材；8-贮藏室；9-绝热门；12-制冷剂回路；13-蒸发器；14、24-压缩机；15、25-冷凝器；16-热交换器；17-干燥器；18-毛细管；20-副冷却器(sub cooler)；21、26-制冷剂喷出管；22-回流配管。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详述。图1表示应用了本发明的冷冻装置R的超低温冷冻库1的主视图，图2表示图1的侧视图，图3表示图1的俯视图。本实施例的超低温贮藏库1，用于例如进行长期低温保存的冷冻食品的贮藏、或生物体组织或试样等的超低温保存，由上面开放的绝热箱体2构成主体。
该绝热箱体2包括：外箱3和内箱4，其均为开放上面且为钢板制；断路器5，其连接这两箱3、4的上端间且为合成树脂制；以及聚氨基甲酸乙酯树脂绝热材7，其以现场发泡方式填充于由这些外箱3、内箱4及断路器5围绕而得到的空间内，且该绝热箱体2使上述内箱4内为上面开口的贮藏室8。
在本实施例中，为了使作为目标的贮藏室8内温度(以下，称为库内温度)达到例如-80℃以下，划分贮藏室8内和外气的绝热箱体2，需要具有比将库内温度设定为0℃附近的低温库高的绝热能力。因此，有如下的问题：为了仅由上述的聚氨基甲酸乙酯树脂绝热材7确保该绝热能力，必须形成为相当厚度，从而受到限制的主体尺寸不能够充分地确保贮藏室8的收纳量。由此，本实施例中的绝热箱体2在外箱3的内壁面配置有玻璃棉制的真空绝热材，对应于该真空绝热材产生的绝热能力，较小地形成聚氨基甲酸乙酯树脂绝热材7的厚度尺寸。
另外，断路器5的上面成形为台阶状，在此通过密封圈11，以一端为中心，在本实施例中以后端为中心转动自如地设置有绝热门9。由此，贮藏室8的上面开口通过绝热门9开闭自如地闭塞。另外，在绝热门9的另一端，本实施例中前端，设置有把手部10，通过操作该把手部10，开闭操作绝热门9。
进而，在内箱4的绝热材7侧的周面，热交换地安装有构成冷冻装置R的制冷剂回路的蒸发器(制冷剂配管)13。另外，在绝热箱体2的下部构成有未图示的机械室，在该机械室内设置有构成上述冷冻装置R的制冷剂回路12的压缩机14、冷凝器15、以及用于空气冷却压缩机14或冷凝器15的未图示的鼓风机等。并且，这些压缩机14、冷凝器15、干燥器17、热交换器16、作为减压装置的毛细管18以及蒸发器13如图5所示依次环状地配管连接，构成了冷冻装置R的制冷剂回路12。再有，所述热交换器16配置在上述绝热材7内。
图4是使用了旋转式压缩机14的制冷剂回路图。压缩机14构成为，连接有副冷却器(sub cooler)20，暂时在外部散热后，再次反馈到密闭容器的壳内，并再次将被压缩的制冷剂喷出到制冷剂喷出管21。在压缩机14的输出侧经由制冷剂喷出管21连接有冷凝器15，在冷凝器15的出口侧依次连接有干燥器17、热交换器16、以及作为减压机构的毛细管18。另外，在毛细管18的出口侧连接有蒸发器13，该蒸发器13的出口侧通过回流配管22经由热交换器16连接于压缩机14的吸入侧。
在本实施例中，在上述制冷剂回路12内，填充有由R245fa和R600构成的混合制冷剂、以及由R23和R14构成的非共沸混合制冷剂。R245fa是五氟丙烷(CHF2CH2CF3)，沸点为+15.3℃。R600是丁烷(C4H10)，沸点为-0.5℃。该R600具有如下的功能：使压缩机14的润滑油或未被干燥器17完全吸收的混合水分在溶入于其中的状态下反馈到压缩机14。但是，因为该R600是可燃性物质，所以可以通过与不燃性的R245fa以规定比例，在本实施例中R245fa/R600＝70/30的比例混合，处理为具有不燃性。R23是三氟甲烷(CHF3)，沸点为-82.1℃。R14是四氟化碳(CF4)，沸点为-127.9℃。
并且，就本实施例中的这些混合制冷剂的组成而言，R245fa和R600的混合制冷剂是整体的64重量％，R23是24重量％，R14是12重量％
根据以上的结构，从压缩机14喷出的高温气体状制冷剂，暂时经由副冷却器20侧的制冷剂喷出管，从密闭容器喷出到副冷却器20，散热后，再次返回到密闭容器的壳内，经由制冷剂喷出管21喷出到冷凝器15。
流入到冷凝器15的高温气体状制冷剂冷凝并散热液化后，由干燥器17除去含有的水分，流入到热交换器16内，与热交换地配置的回流配管22内的低温的制冷剂进行热交换，以此由热交换器16冷却并冷凝液化未冷凝的制冷剂。因此，经过了热交换器16的混合制冷剂由毛细管18减压并流入到蒸发器13，制冷剂R14、R23蒸发，在蒸发器13中进行冷却作用，使该蒸发器13的周围的气氛温度为-85℃，使库内为-80℃的超低温。另外，通过回流配管22经由了热交换器16的制冷剂反馈到压缩机14中。
此时，压缩机14的功率为425W，运转中的蒸发器13的最终达到温度为-100℃～-60℃。因为在这样的低温下，制冷剂中的R245fa的沸点为+15.3℃，R600的沸点为-0.5℃，所以在蒸发器13中不蒸发而保持为液体状态，因而几乎起不到冷却的作用。但是，R600起到使压缩机14的润滑油或未被干燥器17完全吸收的混入水分在溶入于其中的状态下反馈到压缩机14的功能；以及通过该液制冷剂的在压缩机14内的蒸发而使压缩机14的温度降低的功能。
蒸发器13中的蒸发温度因密封在制冷剂回路12内的非共沸类混合制冷剂的组成比率的不同而不同。以下，基于各实验结果，详述对于各制冷剂的组成比率的蒸发器温度、库内温度、高压侧压力、低压侧压力。图6是表示使R245fa和R600的混合制冷剂及R14的重量为一定，使R23的重量变化时的蒸发器入口温度、库内温度、高压侧压力、低压侧压力的图表。图7是表示使R245fa和R600的混合制冷剂及R23的重量为一定，使R14的重量变化时的蒸发器入口温度、库内温度、高压侧压力、低压侧压力的图表。
图6的实验结果是使R23相对于密封的全部制冷剂重量的重量比率从20.0重量％增加到42.0重量％而得到的实验结果。据此，在该实验中作为最小量的20.0重量％时，蒸发器13的入口温度为-88.0℃，与此相对的库内温度为-71.0℃。与此相对，若使该R23的重量比率为21.3重量％，则蒸发器13的入口温度急剧地降低到-95.9℃，与此相对的库内温度也降低到-87.5℃。以后，随着将该R23的重量比率增加到42.0重量％，仅升高稍许温度，在任一的重量％下均可以使库内温度为大约-85℃以下。
另外，图7的实验结果是使R14相对于密封的全部制冷剂重量的重量比率从0.0重量％增加到14.1重量％而得到的实验结果。据此，在该实验中作为最小量的0.0重量％，即不含有R14时的蒸发器13的入口温度为-66.1℃，与此相对的库内温度为-66.9℃。与此相对，若使该R14的重量比率为1.8重量％，则蒸发器13的入口温度急剧地降低到-80.2℃，与此相对的库内温度也降低到-74.1℃。逐渐增加R14的重量％，在本实验中，在14.1重量％的时点，蒸发器13的入口温度降低到-98.9℃，与此相对的库内温度也降低到-90.0℃。因为R14的沸点为-129.7℃，所以以后若增加R14的重量比率，则可以预想蒸发器13的温度及库内温度会进一步降低。
但是，从图7的图表可知，随着R14的重量比率增加，高压侧压力上升。因此，在进一步增加R14的重量比率，成为20重量％以上时，产生高压侧压力过高例如成为3MPa以上的问题。该高压侧压力的上升有如下的问题：导致对压缩机14等设备的破损、或该压缩机14的起动性变差。因此，为了使作为适当目标的库内温度为-75℃以下，优选使R14的重量比率为整体的3重量％～20重量％。
再有，如上所述R23的沸点为-82.1℃。因此，只以该R23不能够使蒸发器13的温度达到该沸点以下的温度。但是，如本发明所述通过添加规定量例如大约5重量％以上的沸点明显低的R14，可以利用R14的冷却作用，恒定地实现蒸发器13的蒸发温度为-80℃以下的超低温。
根据上述各实验结果，密封在制冷剂回路12内的非共沸混合制冷剂，通过相对于总重量，R245fa和R600的混合制冷剂的合计总重量为从40重量％至80重量％，R23为从15重量％至47重量％，R14为从3重量％至20重量％，可以利用不燃性的非共沸混合制冷剂实现库内温度为-70℃以下的超低温。特别是，密封在制冷剂回路12内的非共沸混合制冷剂，通过相对于总重量，R245fa和R600的混合制冷剂的合计总重量为49重量％～70重量％，R23为21重量％～42重量％，R14为9重量％～20重量％，可以利用不燃性的非共沸混合制冷剂实现库内温度为-85℃以下的超低温。
由此，可以使食品、或生物体组织、试样等的长期保存更加稳定化，从而可以提高可靠度。另外，因为该非共沸混合制冷剂具有不燃性，所以可以安全地使用，操作性可以提高，且可以避免如下的不良情况：制冷剂配管破损等，从而该混合制冷剂在漏出时燃烧。
特别是，在使该非共沸混合制冷剂的各成分的组成比率为：R245fa和R600的混合制冷剂为64重量％；R23为24重量％；R14为12重量％时，可以实现库内温度为-80℃以下的超低温。由此，可以进一步稳定地进行食品、或生物体组织、试样等的长期保存，从而可以提高设备的可靠度。
再有，本发明的R23并不限定于此，例如，沸点为-78.4℃的R116(六氟乙烷：CF3CF3)，或者以规定比例混合该R23和R116而构成的R508A(R23/R116＝39/61，沸点：-85.7℃)或R508B(R23/R116＝46/54，沸点：-86.9℃)，也可以起到同样的效果。
另外，通过使用本发明那样的非共沸混合制冷剂，可以在不伴随着制冷剂组成的变更而变更以往的冷冻回路的情况下维持其性能，并且可以应对臭氧层的破坏这一环境问题。另外，在本发明中，不使用所谓多级式的冷冻方式，可以通过单级式的冷冻方式实现超低温，所以可以使装置简洁化，从而可以降低生产成本。
再有，在本实施例中，作为压缩机使用了如图4所示的旋转式压缩机14，不过也可以使用如图5所示的往复式压缩机24。即，在如图5所示的压缩机24的喷出侧经由制冷剂喷出管26连接有冷凝器25。在该冷凝器25的中段设置有引出到压缩机24内的油冷却器27。而且，该油冷却器27在该冷凝器25的喷出口侧，与上述实施例同样地依次连接有干燥器17、热交换器16、作为减压机构的毛细管18。另外，在毛细管18的出口侧连接有蒸发器13，该蒸发器13的出口侧通过回流配管22经由热交换器16连接于压缩机24的吸入侧。
在这样结构中，从压缩机24喷出的高温气体状制冷剂，经由制冷剂喷出管26喷出到冷凝器25中。在冷凝器25中一部分散热液化了的制冷剂，在油冷却器27中冷却压缩机24的油后，在后级的冷凝器25中散热液化。
高温气体状制冷剂在冷凝器25中冷凝并散热液化后，由干燥器17除去含有的水分，流入热交换器16内，与热交换地配设的回流配管22内的低温的制冷剂热交换，以此由热交换器16冷却并冷凝液化未冷凝的制冷剂。因此，经过了热交换器16的混合制冷剂与上述实施例同样地由毛细管18减压并流入到蒸发器13，制冷剂R14、R23蒸发，在蒸发器13中进行冷却作用，使该蒸发器13的周围的气氛温度为-85℃，使库内为-80℃的超低温。另外，通过回流配管22经由了热交换器16的制冷剂反馈到压缩机14中。
这样，在本发明中使用的压缩机并不限定于旋转式，例如往复式的压缩机，也起到同样的效果。
再有，在各实施例中，在不使用热交换器16时，也可以使用其它众所周知的冷却机构，将压缩气体的温度冷却到这些温度范围内，进行作为目标的冷凝过程。
Claims (4)
1.一种冷冻装置，其由单一的制冷剂回路构成，所述制冷剂回路在冷凝从压缩机喷出的制冷剂后，使其蒸发并发挥冷却作用，并且使蒸发的制冷剂和被冷凝的制冷剂进行热交换，该冷冻装置的特征在于，
在所述制冷剂回路中密封有：
含有R245fa、R600、R23、R14的非共沸混合制冷剂、或
含有R245fa、R600、R116、R14的非共沸混合制冷剂、或
含有R245fa、R600、R508A、R14的非共沸混合制冷剂、或
含有R245fa、R600、R508B、R14的非共沸混合制冷剂。
2.根据权利要求1所述的冷冻装置，其特征在于，
相对于非共沸混合制冷剂的总重量，
所述R245fa和R600的合计总重量为40重量％～80重量％，
所述R23、或R116、或R508A、或R508B为15重量％～47重量％，
所述R14为3重量％～20重量％。
3.根据权利要求2所述的冷冻装置，其特征在于，
相对于非共沸混合制冷剂的总重量，
所述R245fa和R600的合计总重量为49重量％～70重量％，
所述R23、或R116、或R508A、或R508B为21重量％～42重量％，
所述R14为9重量％～20重量％。
4.根据权利要求3所述的冷冻装置，其特征在于，
相对于非共沸混合制冷剂的总重量，
所述R245fa和R600的合计总重量为64重量％，
所述R23、或R116、或R508A、或R508B为24重量％，
所述R14为12重量％。
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