專利名稱：冷凍裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及由單一的制冷劑回路構成的冷凍裝置，所述制冷劑回路在冷凝從壓縮機噴出的制冷劑后，使其蒸發并發揮冷卻作用。
背景技術：
歷來，在冷藏庫或冷凍機等使用的制冷劑中，廣泛地采用所謂氟里昂。但是，因為含有氯的特定氟里昂破壞大氣層上層部的臭氧，另外，大多數的氟里昂作為溫室效應氣體對地球變暖化帶來生影響，所以氟里昂成為使用受到限制的對象。因此，希望開發一種無破壞臭氧層的危險性，且可以在不變更以往的冷凍回路的情況下維持其性能的可以替代的制冷劑組成物。
為了作為制冷劑而使用，需要在氣體的氣化·冷凝時組成或沸點等物理特性不變化，且與作為潤滑油而使用的石油(烷基苯)相溶性高等特性，除此之外，也要求在與目標庫內溫度的關系下具有充分低的沸點；為了在室溫環境下順利地動作，而臨界溫度較高。因此，以單一成分的制冷劑氣體來實現，是非常困難的。
因此歷來，作為由2種以上的成分構成的混合制冷劑，通過選定其混合組成來調整沸點等特性。特別是，為了可以實現庫內溫度超過-80℃的超低溫，使用由2種以上的成分構成的非共沸類混合制冷劑，因為難以利用在室溫環境下動作的冷凝器的能力來液化低沸點且臨界溫度低的成分，所以采用以其它階段使各成分制冷劑冷凝的多元方式等。
但是，在多元方式的冷凍系統中，有構造復雜化、大型化的問題，另外，維護也比較困難，所以有導致運轉費上漲的問題。
因此，以往，開發了含有丁烷、乙烯及R14(四氟化碳CF4)的非共沸類混合制冷劑(參照專利文獻1)、或含有丁烷、乙烷及R14的非共沸類混合制冷劑(參照專利文獻2)。這些非共沸類混合制冷劑氣體，通過沸點高的丁烷的常溫動作性確保冷凍機中的制冷劑的操作性，通過沸點極其低的乙烷或乙烯實現超低溫。由此，可以在不使用復雜的多元方式的冷凍系統的情況下使庫內溫度為-60℃以下。
專利文獻1特開2003-13049號公報專利文獻2特開2003-13050號公報但是，如上所述在以往的非共沸類混合制冷劑中使用乙烯或乙烷等可燃性氣體。特別是，為了實現庫內溫度為-60℃以下的超低溫，至少丁烷和乙烷或取決于乙烯的乙烷或乙烯的混合比率必須為10％以上，且在非共沸類混合制冷劑的狀態下，并未超出可燃性的區域。因此，可燃性的混合制冷劑有如下的問題在安全方面可靠度差，且操作性非常差。
發明內容
本發明正是為了解決以往的技術問題而作出的，其目的在于提供一種通過使混合制冷劑具有不燃性而可以安全地進行操作，且可以以簡潔的冷凍裝置實現庫內溫度為-85℃以下的超低溫的冷凍裝置。
本發明的冷凍裝置由單一的制冷劑回路構成，所述制冷劑回路在冷凝從壓縮機噴出的制冷劑后，使其蒸發并發揮冷卻作用，并且使蒸發的制冷劑和被冷凝的制冷劑進行熱交換，該冷凍裝置的特征在于，在制冷劑回路中密封有含有R245fa、R600、R23、R14的非共沸混合制冷劑、或含有R245fa、R600、R116、R14的非共沸混合制冷劑、或含有R245fa、R600、R508A、R14的非共沸混合制冷劑、或含有R245fa、R600、R508B、R14的非共沸混合制冷劑。
第2技術方案的冷凍裝置，在上述技術方案中，其特征在于，相對于非共沸混合制冷劑的總重量，R245fa和R600的合計總重量為40重量％～80重量％，R23、或R116、或R508A、或R508B為15重量％～47重量％，R14為3重量％～20重量％。
第3技術方案的冷凍裝置，在上述技術方案中，其特征在于，相對于非共沸混合制冷劑的總重量，R245fa和R600的合計總重量為49重量％～70重量％，R23、或R116、或R508A、或R508B為21重量％～42重量％，R14為9重量％～20重量％。
第4技術方案的冷凍裝置，在上述技術方案中，其特征在于，相對于非共沸混合制冷劑的總重量，R245fa和R600的合計總重量為64重量％，R23、或R116、或R508A、或R508B為24重量％，R14為12重量％。
根據本發明，冷凍裝置由單一的制冷劑回路構成，所述制冷劑回路在冷凝從壓縮機噴出的制冷劑后，使其蒸發并發揮冷卻作用，并且使蒸發的制冷劑和被冷凝的制冷劑進行熱交換，其中，在該冷凍裝置的制冷劑回路中密封有含有R245fa、R600、R23、R14的非共沸混合制冷劑、或含有R245fa、R600、R116、R14的非共沸混合制冷劑、或含有R245fa、R600、R508A、R14的非共沸混合制冷劑、或含有R245fa、R600、R508B、R14的非共沸混合制冷劑，由此，可以不使用氟里昂限制對象制冷劑而通過比較廉價的各種制冷劑，在成為被冷卻對象的庫內實現-80℃以下的超低溫。由此，通過實現庫內溫度-80℃以下，可以使食品、或生物體組織、試樣等的長期保存更加穩定化，從而可以提高可靠度。
特別是，根據本發明，可以在不伴隨著制冷劑組成的變更而變更以往的冷凍回路的情況下維持其性能，并且可以應對臭氧層的破壞這一環境問題。另外，在本發明中，不使用所謂多級式的冷凍方式，可以通過單級式的冷凍方式實現超低溫，所以可以使裝置簡潔化，從而可以降低生產成本。
進而另外，因為在本發明中使用的非共沸混合制冷劑具有不燃性，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況制冷劑配管破損等，從而該混合制冷劑在漏出時燃燒。
特別是，如第2技術方案所述，相對于非共沸混合制冷劑的總重量，R245fa和R600的合計總重量為40重量％～80重量％，R23、或R116、或R508A、或R508B為15重量％～47重量％，R14為3重量％～20重量％，更優選，如第3技術方案所述，相對于非共沸混合制冷劑的總重量，R245fa和R600的合計總重量為49重量％～70重量％，R23、或R116、或R508A、或R508B為21重量％～42重量％，R14為9重量％～20重量％，進一步優選，相對于非共沸混合制冷劑的總重量，R245fa和R600的合計總重量為64重量％，R23、或R116、或R508A、或R508B為24重量％，R14為12重量％，由此，可以穩定地實現庫內溫度-80℃以下，可以使食品、或生物體組織、試樣等的長期保存更加穩定化，從而可以提高可靠度。
進而，通過可靠地使非共沸類混合制冷劑具有不燃性，可以進一步有效地避免在漏出時燃燒的不良情況。
圖1是應用了冷凍裝置的超低溫冷凍庫的主視圖；圖2是圖1的側視圖；圖3是圖1的俯視圖；圖4是本實施例中的制冷劑回路圖；圖5是其它實施例中的制冷劑回路圖；圖6是與使R245fa和R600的混合制冷劑及R14的重量為一定，使R23的重量變化時的各數據有關的圖表；圖7是與使R245fa和R600的混合制冷劑及R23的重量為一定，使R14的重量變化時的各數據有關的圖表。
圖中，R-冷凍裝置；1-超低溫冷凍庫；2-絕熱箱體；7-絕熱材；8-貯藏室；9-絕熱門；12-制冷劑回路；13-蒸發器；14、24-壓縮機；15、25-冷凝器；16-熱交換器；17-干燥器；18-毛細管；20-副冷卻器(sub cooler)；21、26-制冷劑噴出管；22-回流配管。
具體實施例方式
以下，參照附圖對本發明的實施方式進行詳述。圖1表示應用了本發明的冷凍裝置R的超低溫冷凍庫1的主視圖，圖2表示圖1的側視圖，圖3表示圖1的俯視圖。本實施例的超低溫貯藏庫1，用于例如進行長期低溫保存的冷凍食品的貯藏、或生物體組織或試樣等的超低溫保存，由上面開放的絕熱箱體2構成主體。
該絕熱箱體2包括外箱3和內箱4，其均為開放上面且為鋼板制；斷路器5，其連接這兩箱3、4的上端間且為合成樹脂制；以及聚氨基甲酸乙酯樹脂絕熱材7，其以現場發泡方式填充于由這些外箱3、內箱4及斷路器5圍繞而得到的空間內，且該絕熱箱體2使上述內箱4內為上面開口的貯藏室8。
在本實施例中，為了使作為目標的貯藏室8內溫度(以下，稱為庫內溫度)達到例如-80℃以下，劃分貯藏室8內和外氣的絕熱箱體2，需要具有比將庫內溫度設定為0℃附近的低溫庫高的絕熱能力。因此，有如下的問題為了僅由上述的聚氨基甲酸乙酯樹脂絕熱材7確保該絕熱能力，必須形成為相當厚度，從而受到限制的主體尺寸不能夠充分地確保貯藏室8的收納量。由此，本實施例中的絕熱箱體2在外箱3的內壁面配置有玻璃棉制的真空絕熱材，對應于該真空絕熱材產生的絕熱能力，較小地形成聚氨基甲酸乙酯樹脂絕熱材7的厚度尺寸。
另外，斷路器5的上面成形為臺階狀，在此通過密封圈11，以一端為中心，在本實施例中以后端為中心轉動自如地設置有絕熱門9。由此，貯藏室8的上面開口通過絕熱門9開閉自如地閉塞。另外，在絕熱門9的另一端，本實施例中前端，設置有把手部10，通過操作該把手部10，開閉操作絕熱門9。
進而，在內箱4的絕熱材7側的周面，熱交換地安裝有構成冷凍裝置R的制冷劑回路的蒸發器(制冷劑配管)13。另外，在絕熱箱體2的下部構成有未圖示的機械室，在該機械室內設置有構成上述冷凍裝置R的制冷劑回路12的壓縮機14、冷凝器15、以及用于空氣冷卻壓縮機14或冷凝器15的未圖示的鼓風機等。并且，這些壓縮機14、冷凝器15、干燥器17、熱交換器16、作為減壓裝置的毛細管18以及蒸發器13如圖5所示依次環狀地配管連接，構成了冷凍裝置R的制冷劑回路12。再有，所述熱交換器16配置在上述絕熱材7內。
圖4是使用了旋轉式壓縮機14的制冷劑回路圖。壓縮機14構成為，連接有副冷卻器(sub cooler)20，暫時在外部散熱后，再次反饋到密閉容器的殼內，并再次將被壓縮的制冷劑噴出到制冷劑噴出管21。在壓縮機14的輸出側經由制冷劑噴出管21連接有冷凝器15，在冷凝器15的出口側依次連接有干燥器17、熱交換器16、以及作為減壓機構的毛細管18。另外，在毛細管18的出口側連接有蒸發器13，該蒸發器13的出口側通過回流配管22經由熱交換器16連接于壓縮機14的吸入側。
在本實施例中，在上述制冷劑回路12內，填充有由R245fa和R600構成的混合制冷劑、以及由R23和R14構成的非共沸混合制冷劑。R245fa是五氟丙烷(CHF2CH2CF3)，沸點為+15.3℃。R600是丁烷(C4H10)，沸點為-0.5℃。該R600具有如下的功能使壓縮機14的潤滑油或未被干燥器17完全吸收的混合水分在溶入于其中的狀態下反饋到壓縮機14。但是，因為該R600是可燃性物質，所以可以通過與不燃性的R245fa以規定比例，在本實施例中R245fa/R600＝70/30的比例混合，處理為具有不燃性。R23是三氟甲烷(CHF3)，沸點為-82.1℃。R14是四氟化碳(CF4)，沸點為-127.9℃。
并且，就本實施例中的這些混合制冷劑的組成而言，R245fa和R600的混合制冷劑是整體的64重量％，R23是24重量％，R14是12重量％根據以上的結構，從壓縮機14噴出的高溫氣體狀制冷劑，暫時經由副冷卻器20側的制冷劑噴出管，從密閉容器噴出到副冷卻器20，散熱后，再次返回到密閉容器的殼內，經由制冷劑噴出管21噴出到冷凝器15。
流入到冷凝器15的高溫氣體狀制冷劑冷凝并散熱液化后，由干燥器17除去含有的水分，流入到熱交換器16內，與熱交換地配置的回流配管22內的低溫的制冷劑進行熱交換，以此由熱交換器16冷卻并冷凝液化未冷凝的制冷劑。因此，經過了熱交換器16的混合制冷劑由毛細管18減壓并流入到蒸發器13，制冷劑R14、R23蒸發，在蒸發器13中進行冷卻作用，使該蒸發器13的周圍的氣氛溫度為-85℃，使庫內為-80℃的超低溫。另外，通過回流配管22經由了熱交換器16的制冷劑反饋到壓縮機14中。
此時，壓縮機14的功率為425W，運轉中的蒸發器13的最終達到溫度為-100℃～-60℃。因為在這樣的低溫下，制冷劑中的R245fa的沸點為+15.3℃，R600的沸點為-0.5℃，所以在蒸發器13中不蒸發而保持為液體狀態，因而幾乎起不到冷卻的作用。但是，R600起到使壓縮機14的潤滑油或未被干燥器17完全吸收的混入水分在溶入于其中的狀態下反饋到壓縮機14的功能；以及通過該液制冷劑的在壓縮機14內的蒸發而使壓縮機14的溫度降低的功能。
蒸發器13中的蒸發溫度因密封在制冷劑回路12內的非共沸類混合制冷劑的組成比率的不同而不同。以下，基于各實驗結果，詳述對于各制冷劑的組成比率的蒸發器溫度、庫內溫度、高壓側壓力、低壓側壓力。圖6是表示使R245fa和R600的混合制冷劑及R14的重量為一定，使R23的重量變化時的蒸發器入口溫度、庫內溫度、高壓側壓力、低壓側壓力的圖表。圖7是表示使R245fa和R600的混合制冷劑及R23的重量為一定，使R14的重量變化時的蒸發器入口溫度、庫內溫度、高壓側壓力、低壓側壓力的圖表。
圖6的實驗結果是使R23相對于密封的全部制冷劑重量的重量比率從20.0重量％增加到42.0重量％而得到的實驗結果。據此，在該實驗中作為最小量的20.0重量％時，蒸發器13的入口溫度為-88.0℃，與此相對的庫內溫度為-71.0℃。與此相對，若使該R23的重量比率為21.3重量％，則蒸發器13的入口溫度急劇地降低到-95.9℃，與此相對的庫內溫度也降低到-87.5℃。以后，隨著將該R23的重量比率增加到42.0重量％，僅升高稍許溫度，在任一的重量％下均可以使庫內溫度為大約-85℃以下。
另外，圖7的實驗結果是使R14相對于密封的全部制冷劑重量的重量比率從0.0重量％增加到14.1重量％而得到的實驗結果。據此，在該實驗中作為最小量的0.0重量％，即不含有R14時的蒸發器13的入口溫度為-66.1℃，與此相對的庫內溫度為-66.9℃。與此相對，若使該R14的重量比率為1.8重量％，則蒸發器13的入口溫度急劇地降低到-80.2℃，與此相對的庫內溫度也降低到-74.1℃。逐漸增加R14的重量％，在本實驗中，在14.1重量％的時點，蒸發器13的入口溫度降低到-98.9℃，與此相對的庫內溫度也降低到-90.0℃。因為R14的沸點為-129.7℃，所以以后若增加R14的重量比率，則可以預想蒸發器13的溫度及庫內溫度會進一步降低。
但是，從圖7的圖表可知，隨著R14的重量比率增加，高壓側壓力上升。因此，在進一步增加R14的重量比率，成為20重量％以上時，產生高壓側壓力過高例如成為3MPa以上的問題。該高壓側壓力的上升有如下的問題導致對壓縮機14等設備的破損、或該壓縮機14的起動性變差。因此，為了使作為適當目標的庫內溫度為-75℃以下，優選使R14的重量比率為整體的3重量％～20重量％。
再有，如上所述R23的沸點為-82.1℃。因此，只以該R23不能夠使蒸發器13的溫度達到該沸點以下的溫度。但是，如本發明所述通過添加規定量例如大約5重量％以上的沸點明顯低的R14，可以利用R14的冷卻作用，恒定地實現蒸發器13的蒸發溫度為-80℃以下的超低溫。
根據上述各實驗結果，密封在制冷劑回路12內的非共沸混合制冷劑，通過相對于總重量，R245fa和R600的混合制冷劑的合計總重量為從40重量％至80重量％，R23為從15重量％至47重量％，R14為從3重量％至20重量％，可以利用不燃性的非共沸混合制冷劑實現庫內溫度為-70℃以下的超低溫。特別是，密封在制冷劑回路12內的非共沸混合制冷劑，通過相對于總重量，R245fa和R600的混合制冷劑的合計總重量為49重量％～70重量％，R23為21重量％～42重量％，R14為9重量％～20重量％，可以利用不燃性的非共沸混合制冷劑實現庫內溫度為-85℃以下的超低溫。
由此，可以使食品、或生物體組織、試樣等的長期保存更加穩定化，從而可以提高可靠度。另外，因為該非共沸混合制冷劑具有不燃性，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況制冷劑配管破損等，從而該混合制冷劑在漏出時燃燒。
特別是，在使該非共沸混合制冷劑的各成分的組成比率為R245fa和R600的混合制冷劑為64重量％；R23為24重量％；R14為12重量％時，可以實現庫內溫度為-80℃以下的超低溫。由此，可以進一步穩定地進行食品、或生物體組織、試樣等的長期保存，從而可以提高設備的可靠度。
再有，本發明的R23并不限定于此，例如，沸點為-78.4℃的R116(六氟乙烷CF3CF3)，或者以規定比例混合該R23和R116而構成的R508A(R23/R116＝39/61，沸點-85.7℃)或R508B(R23/R116＝46/54，沸點-86.9℃)，也可以起到同樣的效果。
另外，通過使用本發明那樣的非共沸混合制冷劑，可以在不伴隨著制冷劑組成的變更而變更以往的冷凍回路的情況下維持其性能，并且可以應對臭氧層的破壞這一環境問題。另外，在本發明中，不使用所謂多級式的冷凍方式，可以通過單級式的冷凍方式實現超低溫，所以可以使裝置簡潔化，從而可以降低生產成本。
再有，在本實施例中，作為壓縮機使用了如圖4所示的旋轉式壓縮機14，不過也可以使用如圖5所示的往復式壓縮機24。即，在如圖5所示的壓縮機24的噴出側經由制冷劑噴出管26連接有冷凝器25。在該冷凝器25的中段設置有引出到壓縮機24內的油冷卻器27。而且，該油冷卻器27在該冷凝器25的噴出口側，與上述實施例同樣地依次連接有干燥器17、熱交換器16、作為減壓機構的毛細管18。另外，在毛細管18的出口側連接有蒸發器13，該蒸發器13的出口側通過回流配管22經由熱交換器16連接于壓縮機24的吸入側。
在這樣結構中，從壓縮機24噴出的高溫氣體狀制冷劑，經由制冷劑噴出管26噴出到冷凝器25中。在冷凝器25中一部分散熱液化了的制冷劑，在油冷卻器27中冷卻壓縮機24的油后，在后級的冷凝器25中散熱液化。
高溫氣體狀制冷劑在冷凝器25中冷凝并散熱液化后，由干燥器17除去含有的水分，流入熱交換器16內，與熱交換地配設的回流配管22內的低溫的制冷劑熱交換，以此由熱交換器16冷卻并冷凝液化未冷凝的制冷劑。因此，經過了熱交換器16的混合制冷劑與上述實施例同樣地由毛細管18減壓并流入到蒸發器13，制冷劑R14、R23蒸發，在蒸發器13中進行冷卻作用，使該蒸發器13的周圍的氣氛溫度為-85℃，使庫內為-80℃的超低溫。另外，通過回流配管22經由了熱交換器16的制冷劑反饋到壓縮機14中。
這樣，在本發明中使用的壓縮機并不限定于旋轉式，例如往復式的壓縮機，也起到同樣的效果。
再有，在各實施例中，在不使用熱交換器16時，也可以使用其它眾所周知的冷卻機構，將壓縮氣體的溫度冷卻到這些溫度范圍內，進行作為目標的冷凝過程。
權利要求
1.一種冷凍裝置，其由單一的制冷劑回路構成，所述制冷劑回路在冷凝從壓縮機噴出的制冷劑后，使其蒸發并發揮冷卻作用，并且使蒸發的制冷劑和被冷凝的制冷劑進行熱交換，該冷凍裝置的特征在于，在所述制冷劑回路中密封有含有R245fa、R600、R23、R14的非共沸混合制冷劑、或含有R245fa、R600、R116、R14的非共沸混合制冷劑、或含有R245fa、R600、R508A、R14的非共沸混合制冷劑、或含有R245fa、R600、R508B、R14的非共沸混合制冷劑。
2.根據權利要求1所述的冷凍裝置，其特征在于，相對于非共沸混合制冷劑的總重量，所述R245fa和R600的合計總重量為40重量％～80重量％，所述R23、或R116、或R508A、或R508B為15重量％～47重量％，所述R14為3重量％～20重量％。
3.根據權利要求2所述的冷凍裝置，其特征在于，相對于非共沸混合制冷劑的總重量，所述R245fa和R600的合計總重量為49重量％～70重量％，所述R23、或R116、或R508A、或R508B為21重量％～42重量％，所述R14為9重量％～20重量％。
4.根據權利要求3所述的冷凍裝置，其特征在于，相對于非共沸混合制冷劑的總重量，所述R245fa和R600的合計總重量為64重量％，所述R23、或R116、或R508A、或R508B為24重量％，所述R14為12重量％。
全文摘要
提供一種通過使混合制冷劑具有不燃性而可以安全地進行操作，且可以以簡潔的冷凍裝置實現庫內溫度為－85℃以下的超低溫的冷凍裝置。本發明的冷凍裝置(R)由單一的制冷劑回路(12)構成，所述制冷劑回路(12)在冷凝從壓縮機(14)噴出的制冷劑后，使其蒸發并發揮冷卻作用，并且使蒸發的制冷劑和被冷凝的制冷劑進行熱交換，在制冷劑回路(12)中密封有含有R245fa、R600、R23、R14的非共沸混合制冷劑、或含有R245fa、R600、R116、R14的非共沸混合制冷劑、或含有R245fa、R600、R508A、R14的非共沸混合制冷劑、或含有R245fa、R600、R508B、R14的非共沸混合制冷劑。
文檔編號C09K5/04GK1952527SQ200610105659
公開日2007年4月25日 申請日期2006年7月18日 優先權日2005年10月17日
發明者湯澤治郎, 吉田福治, 小林晉, 須藤稔 申請人:三洋電機株式會社