JPH07104057B2 - 二元冷凍装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明はオゾン層を破壊する危険性のない冷媒にて構成
した二元冷凍装置に関する。

（ロ）従来の技術 従来のこの種二元冷凍装置は、例えば特開昭54−21658
号公報に示されている。当該従来技術に示された構成は
低温側冷凍サイクルの蒸発器において−80℃程の超低温
を得るためのもので、高温側冷凍サイクルの冷媒として
R500（R12（ジクロロジフルオロメタン）とR152a（1,1
−ジフルオロエタン）との共沸混合物）を、また、低温
側冷凍サイクルの冷媒としてR503（R13（クロロトリフ
ルオロメタン）とR23（トリフルオロメタン）との共沸
混合物）を用いている。R500の沸点は大気圧（1.033kg/
cm²abs）で−33.45℃であり、R503の沸点は大気圧で−8
8.65℃である。

上記R12及びR13は圧縮機のオイルと相溶性が良く、冷媒
回路中のオイルを圧縮機まで引き戻す役割も果たす。

（ハ）発明が解決しようとする課題 然し乍ら上記低温側冷凍サイクルに封入されるR500及び
R503はその中のR12或るいはR13が地球のオゾン層を破壊
する恐れがあり、使用できなくなってきた。

その為、R500に代えてオゾン層を破壊しないR200（クロ
ロジフルオロメタン、沸点は大気圧で−40.75℃）を高
温側冷凍サイクルに用いる必要がある。また、R22は圧
縮機オイルとの相溶性が悪く、高温側冷凍サイクル中の
オイル圧縮機に戻らなくなる危険性がある。

更に、R503に代えてR23（沸点は大気圧で−82.05℃）の
みを低温側冷凍サイクルに用いると、R23は同様に圧縮
機オイルとの相溶性が悪いので、低温側冷凍サイクル中
のオイルが圧縮機に戻らなくなり、冷凍サイクルの配管
内壁面に残留して冷媒流通路を狭めるので、冷媒の循環
量も減り、更に、配管の熱交換率も悪化するので冷却能
力が著しく低下する問題が生じる。

本発明は、係る課題を解決することを目的とする。

（ニ）課題を解決するための手段 請求項１の発明はカスケードコンデンサ11に高温側冷凍
サイクルS1と低温側冷凍サイクルS2とを連結して成る二
元冷凍装置において、高温側冷凍サイクルS1にはクロロ
ジフルオロメタン（R22、CHClF₂）を含む冷媒を充填す
ると共に、低温側冷凍サイクルS2にはトリフルオロメタ
ン（R23、CHF₃）及びｎ−ペンタン（C₅H₁₂）から成る混
合冷媒若しくはトリフルオロメタン及びジクロロモノフ
ルオロメタン（R21、CHCl₂F）から成る混合冷媒を充填
して二元冷凍装置を構成したものである。

請求項２の発明は、更にこの高温側冷凍サイクルS1に充
填される冷媒にR21を混入したものである。

（ホ）作 用 R22、R23、ｎ−ペンタン（沸点は大気圧で＋36.07℃）
及びR21（沸点は大気圧で＋8.95℃）は、いずれもオゾ
ン層を破壊する危険性がない。

また、高温側冷凍サイクルではカスケードコンデンサに
て−40℃程の低温が得られる。

更に、低温側冷凍サイクルの蒸発器では−80℃以下の超
低温が得られる。

特にｎ−ペンタン及びR21は圧縮機オイルとの相溶性が
非常に良好であるため両冷凍サイクル中のオイルを、そ
れに解け込ませた状態で圧縮機に帰還せしめ、特にR21
は圧縮機内で蒸発して圧縮機を冷却する働きをする。

（ヘ）実施例 次に、図面において実施例を説明する。第１図は本発明
の二元冷凍装置の冷媒回路図を示している。S1は高温側
冷凍サイクルを、また、S2は低温側冷凍サイクルを示し
ている。

高温側冷凍サイクルS1を構成する圧縮機１の吐出側配管
２は補助凝縮器３に接続され、補助凝縮器３は圧縮機１
のオイルクーラー４、補助凝縮器５、低温側冷凍サイク
ルS2を構成する圧縮機６のオイルクーラー７、凝縮器
８、乾燥器９、キャピラリチューブ10を順次経て、カス
ケードコンデンサ11に接続されて受液器12を経て吸込側
配管13にて圧縮機１に接続されている。14は各凝縮器
３、５及び８の冷却用ファンである。

低温側冷凍サイクルS2の圧縮機６の吐出側配管15はオイ
ル分離器16に接続され、そこで分離された圧縮機オイル
はリターン配管17にて圧縮機６に帰還せられる。一方冷
媒は配管18に流入して吸込側熱交換器19と熱交換した
後、カスケードコンデンサ11内の配管20内を通過して凝
縮し、乾燥器21、キャピラリチューブ22を経て入口管23
より蒸発器24に流入し、出口管25より出て吸込側熱交換
器19内を経て圧縮機６の吸込側配管26より圧縮機６に帰
還する構成である。27は膨張タンクでありキャピラリチ
ューブ28を介して吸込側配管26に接続されている。

高温側冷凍サイクルS1には前述のR22及びR21の混合冷
媒）が充填される。この時、圧縮機１の吐出温度が高い
場合はR152a（1,1−ジフルオロエタン、CH₃CHF₂、沸点
は大気圧で−24.95℃）や、R142d（１−クロロ−1,1−
ジフルオロエタン、C₂ClF₂H₃、沸点は大気圧で−9.75
℃）をこれに混入しても良い。R152aやR142bは圧縮機１
の吸上温度が比較的高くても吐出温度が上がらないので
これを混入することで圧縮機１の吐出温度の上昇を抑え
られる。また、R21は圧縮機１のオイルとの相溶性が良
いので、このオイルをR21に溶け込ませた状態で圧縮機
１に良好に帰還させることができ、それによって後述す
るのと同様の理由でカスケードコンデンサ11の温度上昇
を防止でき、更に、オイル不足による圧縮機１の焼き付
きも防止できる。

然し乍ら、R21、R152a及びR142bに沸点が高いので、入
れ過ぎれは今度はカスケードコンデンサ11にて所要の蒸
発温度（−40℃程）が得られなくなる。

出願人は鋭意研究の結果、最も安全性が高く、所要の蒸
発温度が得られる比率を割り出し、R22が70重量％、R15
2aまたはR142bが25重量％、R21が５重量％であることを
導き出した。

この混合冷媒が各凝縮器３、５及び８にて凝縮し、キャ
ピラリチューブ10にて減圧されてカスケードコンデンサ
11に流入してそこで蒸発することにより、カスケードコ
ンデンサ11は後述する第２図及び第３図L9及びL10で示
す如く−40℃以下となる。

低温側冷凍サイクルS2にはR23とｎ−ペンタンの冷媒混
合物が充填される。圧縮機６から吐出された冷媒及び圧
縮機オイルはオイル分離器16に流入する。そこで気体状
の部分と液体状の部分とに分離され、オイルの大部分は
液体であるのでリターン配管17より圧縮機６に戻され
る。気体状の冷媒とオイルは配管18を通り、吸込側熱交
換器19と熱交換し、更にカスケードコンデンサ11にて高
温側冷凍サイクルS1内の冷媒の蒸発によって冷却されて
凝縮せられる。その後、キャピラリチューブ22にて減圧
された後、蒸発器24に流入して蒸発する。この蒸発器24
は図示しない冷凍庫の壁面に熱交換関係に付設されて庫
内を冷却する。

この低温側冷凍サイクルS2中に充填される冷媒混合物の
混合比率と、低温側冷凍サイクルS2各部の温度及び圧力
との関係を第２図に示す。

横軸はｎ−ペンタンの混合比率であり、縦軸は温度及び
圧力である。また、図中L1は圧縮機６の温度、L2は吐出
側配管15の温度、L3は吸込側配管26の温度を示す。更
に、L4は圧縮機６の吐出圧力、L5は蒸発器24の出口管25
の温度、L6は庫内温度、L7は蒸発器24の入口管23の温
度、L8は圧縮機６の吸込圧力をそれぞれ示す。更に又、
L9はカスケートコンデンサ11の出口温度、L10はカスケ
ードコンデンサ11の入口温度を示す。

ｎ−ペンタンの混合比率を低下させて行った場合、13重
量％付近を境として吐出側配管15のL2が低下し、庫内温
度L6は上昇する。また、吸込側配管26の温度L3及び出口
管25の温度L5は上昇を続ける。これはオイル分離機16か
ら配管18に流入した圧縮機６のオイルが戻らなくなった
為である。即ち、オイルが冷凍サイクル中に滞留すると
配管内面に付着し、流通路の断面積が減る。それによっ
て冷媒の循環量が減少するので圧縮機６の仕事量が減っ
て温度L2が低下する。一方、配管の壁面にオイルが付着
することで熱交換が悪化し、庫内温度L6が上昇するから
である。

従って、ｎ−ペンタンを13重量％以上封入することによ
って低温側冷凍サイクルS2内に循環する圧縮機６のオイ
ルを、ｎ−ペンタンに溶け込ませた状態で圧縮機６に良
好に帰還させることができることが分かった。

一方ｎ−ペンタンの沸点は高い為、多過ぎれば今度は蒸
発温度が上昇してしまい、二元冷凍装置で必要とされる
蒸発温度が得られなくなる。これは第２図でｎ−ペンタ
ンが15重量％以上から庫内温度L6が徐々に上昇し始める
ことからも分かる。

そこで、理想的には混合比率をR23が86重量％、ｎ−ペ
ンタンが14重量％とすることで、吸込圧力（L8）が0.7k
g/cm²absで庫内温度（L6）−85℃程が得られた。これに
よって従来のR503を使用していた場合と同等の超低温が
得られ、且つ、オイル戻しの問題も解決できた。

次に、第３図にR23とR21の冷媒混合物を低温側冷凍サイ
クルS2に封入した場合の混合比率と、低温側冷凍サイク
ルS2各部の温度及び圧力との関係を示す。

横軸はR21の混合比率であり、縦軸は温度及び圧力であ
る。また、図中L1〜L10は第２図と同一部位の温度或る
いは圧力とする。

R21の混合比率を低下させて行った場合、28重量％付近
を境として吐出側配管15の温度L2及び吐出圧力L4が低下
し、庫内温度L6及び出口管25の温度L5は上昇する。ま
た、吸込側配管26の温度L3は上昇を続ける。これはオイ
ル分離機16から配管18に流入した圧縮機６のオイルが前
述同様に圧縮機６に戻らなくなった為である。

従って、R21を28重量％以上封入することによって低温
側冷凍サイクルS2内に循環する圧縮機６のオイルを、R2
1に溶け込ませた状態で圧縮機６に良好に帰還させるこ
とができることが分かった。

一方R21の沸点は高い為、多過ぎれば同様に蒸発温度が
上昇してしまい、二元冷凍装置で必要とされる蒸発温度
が得られなくなる。これは第３図でR21が30重量％以上
から庫内温度L6及び蒸発器24の入口温度17が再び上昇し
始めることからも分かる。

そこで、理想的には混合比率をR23が71重量％、R21が29
重量％とすることで、吸込圧力（L8）が0.7kg/cm²absで
庫内温度（L6）−83℃程が得られる。

（ト）発明の効果 以上の如く、オゾン層を破壊しない冷媒によって二元冷
凍装置を運転し、低温側冷凍サイクルの蒸発器に於て所
要の冷凍温度が得られる。特に、圧縮機オイルを良好に
帰還せしめることにより冷凍能力の悪化を防止し、且
つ、安全に冷凍作用を発揮させることができる様にな
る。

【図面の簡単な説明】

各図は実施例を示し、第１図は冷媒回路図、第２図はｎ
−ペンタンの混合比率と冷媒回路各部の温度及び圧力の
相関々係を示す図、第３図はR21の混合比率と冷媒回路
各部の温度及び圧力の相関々係を示す図である。 S1……高温側冷凍サイクル、S2……低温側冷凍サイク
ル、１、６……圧縮機、11……カスケードコンデンサ、
24……蒸発器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 湯沢 治郎 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三洋 電機株式会社内 (72)発明者 井上 勝彦 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三洋 電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−256766（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】カスケードコンデンサにて高温側冷凍サイ
   クルと低温側冷凍サイクルとを連結して成る二元冷凍装
   置において、前記高温側冷凍サイクルにはクロロジフル
   オロメタンを含む冷媒を充填すると共に、前記低温側冷
   凍サイクルにはトリフルオロメタン及びｎ−ペンタンか
   ら成る混合冷媒若しくはトリフルオロメタン及びジクロ
   ロモノフルオロメタンから成る混合冷媒を充填したこと
   を特徴とする二元冷凍装置。
2. 【請求項２】高温側冷凍サイクルに充填される冷媒にジ
   クロロモノフルオロメタンを混入したことを特徴とする
   請求項１記載の二元冷凍装置。