| 【発明の名称】 |
冷凍を提供する方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】リチャード・エイ・ノーバク
【氏名】ゲアリー・ディー・ラング
【氏名】アラン・アチャルヤ
【氏名】ジョン・ヘンリー・ロイアル
【氏名】モハマッド・アブドュルアジズ・ラシャド
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| 【要約】 |
【課題】従来の冷凍システムは、効果的である一方極低温液体の損失のため（それ故その液体の連続的な置換が必要であるため）に費用がかかる。
【解決手段】（Ａ）フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン及びフルオロエーテルからなるグループからの少なくとも１つの成分並びにフルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル及び大気ガスからなるグループからの少なくとも１つの成分を含む多成分系冷媒を圧縮することと、（Ｂ）前記圧縮された多成分系冷媒流体を冷却すること及び少なくとも部分的に凝縮することと、（Ｃ）少なくとも１部凝縮した多成分系冷媒流体を膨張させて冷凍を生成すること、（Ｄ）冷凍を帯びた多成分系冷媒流体を加温し、少なくとも１部蒸発させて、エンクロージュア中の多成分系冷媒流体からの冷凍を用いること、を含む冷凍の方法を提供する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 （Ａ）フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン及びフルオロエーテルからなる群からの少なくとも１つの成分並びにフルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル及び大気ガスからなる群からの少なくとも１つの成分を含む多成分冷媒流体を圧縮すること、（Ｂ）圧縮された多成分冷媒流体を冷却し、かつ少なくとも一部を凝縮すること、（Ｃ）少なくとも一部が凝縮された多成分冷媒流体を膨張させて、冷凍を発生させること、及び（Ｄ）冷凍を帯びた多成分冷媒流体を加温し、少なくとも一部を蒸発させ、エンクロージュア内での多成分冷媒流体からの冷凍を使用することを含む冷凍を提供する方法。
【請求項２】 前記冷凍が、食品を冷却又は冷蔵するために用いられる請求項１の方法。
【請求項３】 前記冷凍が、医薬を冷却又は冷蔵するために用いられる請求項１の方法。
【請求項４】 前記エンクロージュアが断熱容器であり、冷凍を帯びた多成分冷媒流体を加温しかつ少なくとも一部気化することが断熱エンクロージュア大気流体と熱交換して冷凍された断熱エンクロージュア大気流体を生成することによるものであり、また冷凍された断熱エンクロージュア大気流体を断熱エンクロージュア内に用いて、冷凍を断熱エンクロージュアに提供すること（Ｅ）を含む請求項１の方法。
【請求項５】 工程（Ｂ）における多成分冷媒流体の冷却が、多成分冷媒流体を一部凝縮して、その結果生じた液体が用いられて工程（Ｃ）、（Ｄ）及び（Ｅ）を実行し；更にその結果生じた蒸気を冷却して冷却された流体を生成すること、冷却された流体を膨張させて冷凍を発生させること、その結果生じた冷凍を保有する流体を加温して断熱容器中で用いる冷凍流体を生成すること（Ｆ）を更に含む請求項４の方法。
【請求項６】 工程（Ｂ）における多成分冷媒流体の冷却が、多成分冷媒流体を一部凝縮して、その結果生じた液体が用いられて工程（Ｃ）、（Ｄ）及び（Ｅ）を実行し；更に、その結果生じた蒸気を一部凝縮して液体流体及び気体流体を生成すること、液体流体を膨張させて冷凍を発生させること、その結果生じた冷凍を保有する流体を加温して断熱エンクロージュア中で用いる冷凍流体を生成すること（Ｇ）；及び少なくとも一部蒸気流体を凝縮して少なくとも一部凝縮した流体を膨張して冷凍を発生させること及びその結果生じた冷凍を保有する流体を加温して断熱容器中で用いる冷凍流体を生成すること（Ｈ）を含む請求項４の方法。
【請求項７】 多成分冷媒流体の最高沸点成分の標準沸点が、多成分冷媒流体の最低沸点成分の標準沸点よりも少なくとも５０ケルビン高いものである請求項１の方法。
【請求項８】 多成分冷媒流体が、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン及びフルオロエーテルからなる群からの少なくとも２種の成分を含む請求項１の方法。
【請求項９】 多成分冷媒流体が、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン及びフルオロエーテルからなる群からの少なくとも１種の成分並びに少なくとも１種の大気ガスを含む請求項１の方法。
【請求項１０】 多成分冷媒流体が、少なくとも１種のフルオロエーテルを並びにフルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル及び大気ガスからなる群からの少なくとも１種の成分を含む請求項１の方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に冷凍システムに関するものであり、特に断熱エンクロージュアに冷凍を提供するために有利なものである。
【０００２】
【従来の技術】冷凍の提供（例えば食品や医薬品の冷却及び（又は）凍結するためのもの）を、アンモニア又はフレオンのような冷媒を蒸気圧縮サイクルに採用する機械的な冷凍システムを用いて実行するのが典型的である。そのようなシステムは、比較的高温レベルで冷凍を提供するのに有効である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなシステムは、低レベル温度冷凍を効果的に達成するのに、真空作業及び（又は）カスケーディングを要求するのが普通であり、これは資本経費及び運転経費の両方を増大させる。低温レベルの冷凍をより効果的に提供する１つの方法は、機械的な冷凍システムと独立した又は関連した消耗用の極低温液体（例えば液体窒素）を使用して必要な低レベル冷凍を提供することである。しかしながら、そうしたシステムは、効果的である一方極低温液体の損失のため（それ故その液体の連続的な置換が必要であるため）に費用がかかる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】発明の概要この発明の目的は、例えば熱交換器に又は断熱エンクロージュアに冷凍を供給するための方法を提供することであり、これは、必要なときに低温でそのような冷凍を効果的に供給するために用いることができる。
【０００５】発明の開示上記及び他の目的（これは、本開示を読んだ際に当業者に明らかなものとなるであろう。）は、本発明により達成される。
【０００６】本発明は、（Ａ）フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン及びフルオロエーテルからなるグループからの少なくとも１つの成分並びにフルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル及び大気ガスからなるグループからの少なくとも１つの成分を含む多成分冷媒を圧縮することと、（Ｂ）前記圧縮された多成分冷媒流体を冷却すること及び少なくとも部分的に凝縮することと、（Ｃ）少なくとも１部凝縮した多成分冷媒流体を膨張させて冷凍を生成すること、（Ｄ）冷凍を帯びた多成分冷媒流体を加温し、少なくとも１部蒸発させて、エンクロージュア中の多成分冷媒流体からの冷凍を用いること、を含む冷凍を提供する方法である。
【０００７】
【発明の実施の形態】本明細書で用いられているように、「非毒性」（non-toxic）の語は、許容可能な暴露限界に従って取り扱う場合に、急性又は慢性の危険を生ずることがないことを意味する。本明細書で用いられているように、「非引火性」（non-flammable）の語は、引火点を有さないか又は少なくとも６００Ｋの非常に高い引火点を有すかのいずれかを意味する。
【０００８】本明細書で用いられているように、「非オゾン減少性（non-ozone-depleting）」の語は、オゾン減少の潜在性がゼロであること、即ち塩素、臭素、沃素原子を有していないことを意味している。
【０００９】本明細書で用いられているように、「標準沸点」(normal boiling point)の語は、１標準大気圧、即ち絶対値１４．６９６ポンドパースクエアインチ（絶対圧）（１０１ｋＰａ）における沸騰温度を意味する。
【００１０】本明細書で用いられているように、「間接的な熱交換」（indirect heat exchane）の語は、流体の互いの物理的接触又は相互の混合もなく流体を熱交換関係にもたらすことを意味する。
【００１１】本明細書で用いられているように、「膨張」（expansion）の語は、圧力の減少する効果があることを意味する。
【００１２】本明細書で用いられているように、「ゼオトロピック（非共沸の）」（zeotropic）の語は、相変化を伴うなめらかな温度変化を特徴とするものを意味する。
【００１３】本明細書で用いられているように、「サブクーリング」（subcooling）の語は、その現状の圧力についての液体の飽和温度より低い温度に液体を冷却することを意味する。
【００１４】本明細書で用いられているように、「低温」（low temperature）の語は、２５０Ｋ以下の温度を示し、好ましくは２００Ｋ以下の温度を示す。
【００１５】本明細書で用いられているように、「冷凍」（refrigeration）の語は、周囲よりも低い温度系から熱を周囲大気に取り出す能力を意味する。
【００１６】本明細書で用いられているように、「可変負荷冷媒」（variable load refrigerant）の語は、２種以上の成分の液相が混合物の泡立ち点と露点との間で連続的かつ増大する温度変化を受けるような比率の成分の混合物を意味している。混合物の泡立ち点は、混合物全ては液相にあるが熱を加えることが液相と平衡な気相の形成を開始すると思われる所定圧における温度である。
【００１７】混合物の露点は、混合物全ては気相にあるが、熱を引き出すことが気相と平衡な液相の形成を開始すると思われる所定圧における温度である。従って、混合物の泡立ち点及び露点の間の温度範囲は、液相と気相との両相が平衡状態で共存する範囲である。この発明の実施において、可変負荷冷媒についての泡立ち点と露点との間の温度差は、少なくとも１０Ｋ、好ましくは少なくとも２０Ｋ及び最も好ましくは少なくとも５０Ｋである。
【００１８】本明細書で用いられているように、「フルオロカーボン」の語は、以下のもののうちの１つを意味する：テトラフルオロメタン（ＣＦ4）、パーフルオロエタン（Ｃ2Ｆ6）、パーフルオロプロパン（Ｃ3Ｆ8）パーフルオロブタン（Ｃ4Ｆ10）、パーフルオロペンタン（Ｃ5Ｆ12）、パーフルオロエテン（Ｃ2Ｆ4）、パーフルオロプロペン（Ｃ3Ｆ6）、パーフルオロブテン（Ｃ4Ｆ8）、パーフルオロペンテン（Ｃ5Ｆ10）、ヘキサフルオロシクロプロパン(cyclo-Ｃ3Ｆ6）、及びオクタフルオロシクロブタン（cyclo-Ｃ4Ｆ8）。
【００１９】本明細書で用いられているように、「ヒドロフルオロカーボン」の語は、以下の内の１つである：フルオロホルム（ＣＨＦ3）、ペンタフルオロエタン（Ｃ2ＨＦ5）、テトラフルオロエタン（Ｃ2Ｈ2Ｆ4）、ヘプタフルオロプロパン（Ｃ3ＨＦ7）、ヘキサフルオロプロパン（Ｃ3Ｈ2Ｆ6）、ペンタフルオロプロパン（Ｃ3Ｈ3Ｆ5）、テトラフルオロプロパン（Ｃ3Ｈ4Ｆ4）、ノナフルオロブタン（Ｃ4ＨＦ9）、オクタフルオロブタン（Ｃ4Ｈ2Ｆ8）、ウンデカフルオロペンタン（Ｃ5ＨＦ11）、メチルフルオロライド（ＣＨ3Ｆ）、ジフルオロメタン（ＣＨ2Ｆ2）、エチルフルオライド（Ｃ2Ｈ5Ｆ）、ジフルオロエタン（Ｃ2Ｈ4Ｆ2）、トリフルオロエタン（Ｃ2Ｈ3Ｆ3）ジフルオロエテン（Ｃ2Ｈ2Ｆ2）、トリフルオロエタン（Ｃ2ＨＦ3）、フルオロエテン（Ｃ2Ｈ3Ｆ）、ペンタフルオロプロペン（Ｃ3ＨＦ5）、テトラフルオロプロペン（Ｃ3Ｈ4Ｆ4）、トリフルオロプロペン（Ｃ3Ｈ3Ｆ3）、ジフルオロプロペン（Ｃ3Ｈ4Ｆ2）、ヘプタフルオロフルオロブテン（Ｃ4ＨＦ7）、ヘキサフルオロブテン（Ｃ4Ｈ2Ｆ6）、ノナフルオロペンテン（Ｃ5ＨＦ9）である。
【００２０】本明細書で用いられているように、「フルオロエーテル」の語は、以下の内の１つである：トリフルオロメトキシ−パーフルオロメタン（ＣＦ3−Ｏ−ＣＦ3）、ジフルオロメトキシ−パーフルオロメタン（ＣＨＦ2−Ｏ−ＣＦ3）、フルオロメトキシ−パーフルオロメタン（ＣＨ2Ｆ−Ｏ−ＣＦ3）、ジフルオロメトキシ−ジフルオロメタン（ＣＨＦ2−Ｏ−ＣＨＦ2）、ジフルオロメトキシ−パーフルオロエタン（ＣＨＦ2−Ｏ−Ｃ2Ｆ5）ジフルオロメトキシ−１，２，２，２−テトラフルオロエタン（ＣＨＦ2−Ｏ−Ｃ2ＨＦ4）、ジフルオロメトキシ−１，１，２，２−テトラフルオロエタン（ＣＨＦ2−Ｏ−Ｃ2ＨＦ4）、パーフルオロエトキシ−フルオロメタン（Ｃ2Ｆ5−Ｏ−ＣＨ2Ｆ）、パーフルオロメトキシ−１，１，２−トリフルオロエタン（ＣＦ5−Ｏ−ＣＨ2Ｆ3）、パーフルオロメトキシ−１，２，２−トリフルオロエタン（ＣＦ3−Ｏ−ＣＨ2Ｆ3）、シクロ−１，１，２，２−テトラフルオロプロピルエーテル（cyclo-Ｃ3Ｈ2Ｆ4−Ｏ−）、シクロ−１，１，３，３−テトラフルオロプロピルエーテル（cyclo-Ｃ3Ｈ2Ｆ4−Ｏ−）、パーフルオロメトキシ−１，１，２，２−テトラフルオロエタン（ＣＦ3−Ｏ−Ｃ2ＨＦ4）、シクロ−１，１，２，３，３−ペンタフルオロプロピルエーテル（cyclo-Ｃ3Ｈ5−Ｏ−）、パーフルオロメトキシ−パーフルオロアセトン（ＣＦ3−Ｏ−ＣＦ2−Ｏ−ＣＦ3）、パーフルオロメトキシ−パーフルオロエタン（ＣＦ3−Ｏ−Ｃ2Ｈ5）、パーフルオロメトキシ−１，２，２，２−テトラフルオロエタン（ＣＦ3−Ｏ−Ｃ2ＨＦ4）、パーフルオロメトキシ−２，２，２−トリフルオロエタン（ＣＦ3−Ｏ−Ｃ2Ｈ2Ｆ3）シクロ−パーフルオロメトキシ−パーフルオロアセトン（cyclo-ＣＦ2−Ｏ−ＣＦ2−Ｏ−ＣＦ2−）及び、シクロ−パーフルオロプロピルエーテル（cyclo-Ｃ3Ｆ6−Ｏ）である。
【００２１】本明細書で用いられているように、「大気気体」（atmospheric gas）の語は、以下の内の１つである。窒素（Ｎ2）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、ネオン（Ｎｅ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、酸素（Ｏ2）、及びヘリウム（Ｈｅ）である。
【００２２】本明細書で用いられているように、「低オゾン減少性」（low-ozone-depleting）の語は、モントリオール議定書協定（Montreal Protocol convention）により定義されたオゾン減少ポテンシャルが０．１５未満であることを意味しており、その協定ではジクロロフルオロメタン（ＣＣｌ2Ｆ2）が１．０のオゾン消費ポテンシャルを有する。
【００２３】本発明は、総括的には、規定された非共沸混合物冷媒の使用を含み、広域な温度範囲（例えば周囲温度から低温のような）にわたる冷凍を効率的に提供するものである。１以上の（好ましくは断熱された）エンクロージュアに直接的又は間接的に冷凍を提供するように冷凍を採用してもよい。食品又は医薬のような商品を冷却、即ち冷却及び／又は凍結するために冷凍を用いてもよい。複雑な真空操作を採用する必要もなく、かかる冷凍を効果的に採用することができる。
【００２４】発明は、食品及び医薬生産物の冷却及び（又は）凍結に要求される冷凍（例えば、エアメイクアップシステム（air make-up systems）、冷凍室貯蔵、ブラストフリーザー（blast fleezer）、機械式フリーザー又は極低温フリーザーを従来採用しているフリーザーの応用）を提供するために用いてもよい。送風室、（固定式の又はコンベア式の）トンネル、多重層、螺旋ベルト、流動床、浸漬、板状又は接触式ベルト凍結装置のような全ての型のフリーザー用の冷凍を提供するために本発明を用いてもよい。輸送コンテナ、食品や医薬の凍結乾燥、ドライアイスの製造、冷媒の過冷、蒸気の液化、熱エネルギー貯蔵システム及び発電器における超伝導体、モータ若しくは伝送線の冷却に、本発明をまた用いてもよい。ドライアイスの製造、貯蔵又は流通に本発明をまた用いてもよい。
【００２５】本発明の実施に有用な多成分冷媒流体は、各温度で要求される冷凍を提供するためにフルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン及びフルオロエーテルからなるグループからの少なくとも１種の成分並びにフルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル及び大気ガスからなるグループからの少なくとも１種の成分を含む。冷媒成分の選択は、特定のプロセスに適用させるための冷媒負荷対温度により依存するであろう。適した成分は、標準沸点、潜熱、及び引火性、毒性並びにオゾン消費ポテンシャルに依存して選択されるであろう。
【００２６】本発明の実施に有用な多成分冷媒流体の好ましい具体例は、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン及びフルオロエーテルからなるグループからの少なくとも２種の成分を含む。
【００２７】本発明の実施に有用な多成分冷媒流体の別の好ましい具体例は、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、及びフルオロエーテル及び大気ガスからなるグループからの少なくとも１種の成分、並びに少なくとも１種の大気ガスを含む。
【００２８】本発明の実施に有用な多成分冷媒流体の別の好ましい具体例は、少なくとの１種のフルオロエーテル並びにフルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル及び大気ガスからなるグループからの少なくとも１種の成分を含む。
【００２９】一つの好ましい具体例においては、多成分冷媒流体がフルオロカーボンのみからなる。別の好ましい具体例では、多成分冷媒流体は、フルオロカーボン及びヒドロフルオロカーボンだけからなる。別の好ましい具体例においては、多成分冷媒流体がフルオロカーボン及び大気ガスのみからなる。別の好ましい具体例においては、多成分冷媒流体がフルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン及びフルオロエーテルのみからなる。別の好ましい具体例においては、多成分冷媒流体がフルオロカーボン、フルオロエーテル及び大気ガスのみからなる。
【００３０】本発明の実施に有用な多成分冷媒流体の別の好ましい具体例は、ヒドロクロロフルオロカーボン及び（又は）ヒドロカーボンのような他の成分を含んでもよい。多成分冷媒流体は、ヒドロクロロフルオロカーボンを含まないのが好ましい。本発明の別の好ましい具体例においては、多成分冷媒流体はヒドロカーボンを含まない。多成分冷媒流体が、ヒドロクロロフルオロカーボンもヒドロカーボンも含まないことが最も好ましい。
【００３１】多成分冷媒流体が、非毒性、非引火性及び非オゾン減少性であることが最も好ましい並びに多成分冷媒流体の各々の成分がフルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル又は大気ガスのいずれかであることが最も好ましい。
【００３２】本発明は、効率的に周囲温度から低温にするのに使用するのに特に有利なものである。表１〜６は本発明の実施に有用な多成分冷媒流体混合体の好ましい例を列挙する。表に示した濃度範囲は、モルパーセントにおけるものである。表１〜５に示した例は、１７５Ｋ〜２５０Ｋの温度範囲で特に有用である。表６で示した例は、８０〜１７５Ｋの温度範囲で特に有用である。
【００３３】
【表１】
【００３４】
【表２】
【００３５】
【表３】
【００３６】
【表４】
【００３７】
【表５】
【００３８】
【表６】
【００３９】本発明は、広域な温度範囲（特に低温を含む）にわたって冷凍を供給するのに特に有用である。本発明の好ましい具体例では、冷媒混合体の２種以上の成分の各々が、その冷媒混合物における各々の他の成分の通常の沸点と少なくなくとも５ケルビン、より好ましくは１０ケルビン及び最も好ましくは２０ケルビンだけ異なる標準沸点を有している。このことは、広域な温度範囲（特に極低温を含む）にわたって冷凍を供給する効率を高める。本発明の特に好ましい具体例において、多成分冷媒流体の最高沸点の成分の標準沸点が、多成分冷媒流体の最低沸点の成分の標準沸点よりも少なくとも５０Ｋ、好ましくは１００Ｋ、最も好ましくは２００Ｋ高い。
【００４０】本発明の実施に有用な多成分冷媒流体を構成する成分及びその濃度は、可変負荷多成分冷媒流体を形成するようなものであり、本発明の方法の全温度範囲を通じてそのような可変負荷多成分冷媒流体を維持するものであることが好ましい。このことは、そのような広域な温度範囲にわたり冷凍を発生させて利用することのできる効率を顕著に高める。成分の規定された好ましい群は、非毒性、非引火性及び低又は非オゾン減少性である流体混合物を形成するのに用いることができるという点で更に利点を有する。このことは、典型的には、毒性、引火性及び（又は）非オゾン減少性である従来の冷媒に勝る有利な点をもたらす。
【００４１】非毒性、非引火性及び低又は非オゾン減少性である本発明の実施において有用な一つの好ましい可変負荷多成分冷媒流体は、Ｃ5Ｈ12、ＣＨＦ2−Ｃ2ＨＦ4、Ｃ4ＨＦ9、Ｃ3Ｈ3Ｆ5、Ｃ2Ｆ5−Ｏ−ＣＨ2Ｆ、Ｃ3ＨＦ7、ＣＨ2Ｆ−Ｏ−ＣＦ3、Ｃ2Ｈ2Ｆ4、ＣＨＦ2−Ｏ−ＣＦ3、Ｃ3Ｆ8、Ｃ2ＨＦ5、ＣＦ3−Ｏ−ＣＦ3、Ｃ2Ｆ6、ＣＨＦ3、ＣＦ4、Ｏ2、Ａｒ、Ｎ2、Ｎｅ及びＨｅからなる群からの２以上の成分を含む。
【００４２】本発明の規定された多成分冷媒流体は、ゼオトロピックである。その成分は、関係する全温度範囲に及ぶ異なる沸点を有し、そのために所望のとても低い温度（例えば極低温）を、一段階の圧縮だけで真空操作の必要なく効率的かつ普遍的に達成できる。このことは、単一成分又は単一成分（即ち沸点域の狭い共沸混合物又は共沸混合物に近いもの）のように挙動するよう調合された２若しくは３種の成分の混合物からなる冷凍を提供するために用いられる従来の冷媒と対照的である。
【００４３】本発明を採用して冷凍をエンクロージュア、特に断熱容器に提供する。本発明で用いられるそのような断熱容器は、冷凍装置、冷凍貯蔵コンテナ又は冷蔵室であることが典型的である。その断熱容器は、周囲大気に完全に遮断している必要はない。コンテナや凍結装置への熱の漏れを減ずる任意の断熱手段を、用いてよい。ある限定された環境下で、低温処理室のような周囲よりも低温の施設を断熱していない又は一部のみ断熱しているようにしてもよい。
【００４４】
【実施例】本発明のより詳細な記述を、図面を参照して行う。ここで図１を参照すると、多成分冷媒流体５０を、コンプレッサー５１に通過させることにより圧縮し、圧力を３０から１０００絶対ポンドパースクエアインチ（psia）（２０７から６９００ｋＰａ）の範囲内とするのが普通であり、１００から６００psia（６９０から４１４０ｋＰａ）とするのが好ましい。その結果生じた圧縮多成分冷媒流体５２から該流体５２を、冷却器５３を通過させることにより圧縮熱を除去して冷却する。その結果生じた冷却された圧縮多成分冷媒流体５４を、熱交換器５５に通過させることにより更に冷却しかつ少なくとも一部、好ましくは完全に凝縮する。その結果生じた少なくとも一部凝縮した多成分冷媒流体５６を弁５７を介して膨張させ、圧力を５から１００psia（３４．５から６９０ｋＰａ）の範囲内とすることが普通であり、１５から１００psia（１０３．５から６９０ｋＰａ）の範囲内とすることが好ましい。それにより、ジュールトムソン効果（即ち一定のエンタルピーで圧力を減ずるために流体の温度を低下させること）により冷凍を発生する。バルブ５７を介して多成分冷媒流体の膨張が原因で冷媒のいくらかが気化することもあるかもしれない。流れ５２の高圧冷媒及び流れ５８の低圧冷媒に関して採用される圧力レベル、並びに冷媒の組成を選択し容認できるコスト及び効率で所望の温度を達成する。
【００４５】次いで、冷凍を帯びた多成分冷媒流体５８を、熱交換器５５に通過させることにより加温して気化する。次いで流れ５０としてコンプレッサー５１を通過させ、循環が改めて始まる。熱交換器５５で冷凍を帯びた多成分冷媒流体を加温すること及び気化することは、上述のように間接熱交換冷媒流体５４により冷却するのに役立ち、かつ間接熱交換により断熱エンクロージュア大気流体を冷却するのにも役立つ（これについてはこれから記述するつもりである。）。
【００４６】大気流体（これは、空気であるのが典型例であるが窒素、二酸化炭素、又は任意の他の適当な流体のような他の流体であってもよい）の一部を、断熱エンクロージュア５９から流れ６０に引き出し、分離器６１を通過させて同伴している氷を除去する。分離器６１は遠心分離器、濾過器又は任意の他の適当な分離手段であってもよい。次いで、氷のない断熱密閉大気流体６２は、送風機６３を介して流れる。送風機６３は、加圧ガス流れ６４を生じさせる。加圧ガス流れ６４は、圧力が１５から１００psia（１０４から６９０ｋＰａ）の範囲内であるのが普通であり、１６から２０psia（１１０から１３８ｋＰａ）であるのが好ましい。次いで、加圧ガス流れ６４は、精製装置２５を通過する。必要ならば、図１において流れ６８により示されるような追加的な補給ガスを供給して送風機６９で圧縮し精製装置７１を介して流れ７０に移行させ、次いで流れ７２として流れ６４と結合し流れ６５を形成するようにしてもよい。精製装置２５及び７１は分子ふるい、吸着床又は水分又は二酸化炭素のような高沸点成分を除去する任意の他の適当な手段であってもよい。その代わりに冷凍されるべき流体の全てを流れ６８により得て、エンクロージュア５９から取り出す流体を再循環しないようにしてもよい。
【００４７】次いで、流体６５を熱交換器５５を通過させる。熱交換器５５では流体６５が前述した暖まりかつ気化する多成分冷媒流体との間接的な熱交換により冷却され、冷凍された断熱エンクロージュア大気流体６６を生じる。この大気流体６６は、２５０Ｋ未満の温度を有していることが典型的であり、１００Ｋから２５０Ｋの範囲内の温度であるのが普通であると思われる。大気又はプロセス流体の冷却は、流体の一部の又は完全な液化、例えば液体空気の生成を含んでもよい。次いで、冷凍された液体６６は、断熱エンクロージュア５９内に移行する。断熱エンクロージュア５９では、流体６６内の冷凍を使用する。所望ならば、断熱エンクロージュア５９に、ファン６７又はエンクロージュア内の冷凍をより均一に分配するのを補助するための及び冷凍された流体の伝熱特性を高めるための他の大気循環装置を設けてもよい。
【００４８】図２は、本発明の別の具体例であって、加温多成分冷媒流体と冷却断熱エンクロージュア大気流体との熱交換が断熱容器内で行われるものを例示する。ここで図２を参照すると、多成分冷媒流体３０をコンプレッサー３１を通過させることにより一般に圧力３０から１０００psia（２０７から６９００ｋＰａ）に、好ましくは１００から６００psia（６９０から４１４０ｋＰａ）に圧縮する。その結果生じた圧縮された多成分冷媒流体３２から冷却器３３を通過させることにより圧縮熱を除去して冷却する。その結果生じた冷却された多成分冷媒流体３４を、熱交換器３５を通過させることにより更に冷却して少なくとも１部又は好ましくは完全に凝縮させる。その結果生じた少なくとも１部が凝縮された多成分冷媒流体３６を、弁３７により膨張させて圧力を５から１００psia（３４．５から６９０ｋＰａ）、好ましくは１５から１００psia（１０４から６９０ｋＰａ）の範囲内にする。それによってジュールトムソン効果により冷凍を生ずる。次いで、冷凍を帯びた多成分冷媒流体３８は（これは２相流でもよい）、断熱エンクロージュア４０内に移行する。
【００４９】断熱エンクロージュア４０内における冷凍を帯びた多成分冷媒流体の通過は、熱交換コイル３９又は他の適当な熱交換手段を介した通過を含んでいてもよい。これら熱交換手段において冷凍を帯びた多成分冷媒流体を、断熱エンクロージュア大気流体との間接的熱交換により加温しかつ気化する。所望ならば、冷凍を帯びた冷媒流体をエンクロージュア中に注入して、断熱エンクロージュア大気流体との熱交換が、直接熱交換によるものとしてもよい。次いで、その結果生じた冷凍され断熱されたエンクロージュア大気流体を、断熱エンクロージュア４０全体にわたって用いる。この際、ファン４２のような流体の流れを高める手段の補助を用いて、それにより冷凍を断熱エンクロージュアに供給するのが好ましい。その結果生じた加温された多成分冷媒流体４１を断熱エンクロージュア４０から外に移行し、完全にまだ気化していない場合には熱交換器３５を通過させて前述のように流れ３４の間接的な熱交換により冷却の効果をもたらすことにより更に加温し完全に気化させる。その結果加温された流体を流れ３０で熱交換器３５から外に移行させ、コンプレッサー３１に通し、循環が改めて開始する。
【００５０】図３は、本発明の別の具体例であって、多成分冷媒流体を用いて１以上の温度レベルで冷凍を提供することにより冷凍の異なったレベルを要求する異なった断熱エンクロージュア内又は単一の容器内の異なった温度レベルで用いることのできる断熱エンクロージュア大気流体を冷凍に供給することができるものを示している。
【００５１】ここで図３を参照すると、多成分冷媒流体８０をコンプレッサー８１を通過させることにより圧縮して、３０から６００psia（２０７から４１４０ｋＰａ）の範囲内の圧力にするのが普通である。次いでその結果生じた圧縮された多成分冷媒流体８２を冷却器８３を通過させることにより冷却し及び一部凝縮させる。冷却器８３からの２相多成分冷媒流体を流れ８４で相分離器８５へ移行させ、相分離器８５で蒸気部分と液体部分に分離させる。多成分冷媒流体８０は、非共沸液体混合物であるので、蒸気部分と液体部分との組成は異なる。液体部分は、多成分冷媒流体８０の最大沸点成分物の全部を実質的に含み、かつ蒸気部分は、多成分冷媒流体８０の最低沸点成分物の全部を実質的に含むことが好ましい。
【００５２】多成分冷媒流体の液体部分を、相分離器８５から流れ８７で熱交換器８８を通過させて、過冷する。その結果生じた過冷された液体流れ８９を、弁９０を介して膨張させてジュールトムソン効果により冷凍を生じさせる。その結果生じた冷凍を帯びた多成分冷媒流体９１（これは、１５から１００psia（１０４から６９０ｋＰａ）の範囲内の圧力であるのが普通である。）を混合装置２０を通過させ、次いで流れ９３で熱交換器８８を介して断熱エンクロージュア大気流体と間接的に熱交換を行うことにより加温させ完全に気化させ、次いで流れ８０でコンプレッサー８１に通して新たに循環させる。断熱密閉大気流体を流れ９４で熱交換器８８に移行させ、その結果生じた冷凍断熱エンクロージュア大気流体を（これは、２０Ｆから４０Ｆの範囲内にある温度であるのが普通である。）、熱交換器８８から断熱エンクロージュア（図示しない）へと流れ９５で移行させる。この断熱エンクロージュア（図示しない）において流れ９５内の冷凍を提供し用いる。
【００５３】多成分冷媒流体の蒸気部を、相分離器８５から流れ８６で移行させ、熱交換器８８を通過し、熱交換器８８で流れ９３における加温流体との間接的な熱交換により冷却し、次いで、流れ９６で中間熱交換器９７へ移行させて更に冷却し、次いで、流れ１００で熱交換器９９を通過させ、少なくとも一部を凝縮させる。その結果生じた多成分流体は、熱交換器９９から流れ１０４で熱交換器１０５を通過させて、更に冷却し凝縮させ、次いで、流れ１０８で熱交換器１０７へ移行させ、まだ完全に凝縮されていなければ、完全に凝縮させ、過冷する。
【００５４】過冷した多成分冷媒液体の流れ１０９を、弁１１０を介して膨張させジュールトムソン効果により冷凍を発生させる。その結果生じた冷凍を帯びた多成分冷媒流体１１１（これは２相流であってもよい）を熱交換器１０７を介して通過させることにより加温し、好ましくは少なくとも一部を気化させ、それによって間接的な熱交換により前記流れ１０８並びに流れ１１２で熱交換器１０７に移行する断熱エンクロージュア大気流体を冷却する働きをする。その結果生じた冷凍された断熱エンクロージュア大気流体は、（これは、−３０Ｆから−５０Ｆの範囲内の温度であるのが普通である。）熱交換器１０７から断熱エンクロージュア（図示しない）へ移行させ、その流れ１１３で断熱エンクロージュアで流れ１１３内の冷凍を供給し用いる。
【００５５】加温された多成分冷媒流体を、熱交換器１０７から流れ１０６で熱交換器１０５を通過させ、その流体をに加温し、熱交換器１０５から流れ１０１で熱交換器９９へ通過させ、その流体を、前記冷却流れ１００とのかつ（また）流れ１０２で及び熱交換器９９に通す断熱エンクロージュア大気流体との間接的な熱交換により更に加温し、好ましくは更に気化させる。その結果生じた冷凍された断熱エンクロージュア大気流体は、（これは、０Ｆから−２０Ｆの範囲の温度であるのが普通である。）熱交換器９９から流れ１０３で断熱エンクロージュア（図示せず）へ移行する。その断熱エンクロージュアでは、流れ１０３内の冷凍を提供し用いる。この結果生じた更に加温された多成分冷媒流体は、熱交換器９９から流れ９８で熱交換器９７を通過させ、次いで流れ９２として混合器２０に移行させる。混合器２０では、流れ９２を流れ９１と混合させて流れ９３を形成して更に前述した通りに処理加工する。
【００５６】図４は、本発明の別の具体例であって、多成分冷媒流体を用いて１以上の温度レベルにおいて冷凍を供給し、こうして１以上の断熱エンクロージュアに冷凍を供給することのできるものを示している。図４において示された発明の具体例は、多成分冷媒流体の１以上の相分離を採用している。
【００５７】ここで図４を参照すると、多成分冷媒流体２００をコンプレッサー２０１を通過させることにより圧縮して一般に３０から３００psia（２０７から２０７０ｋＰａ）の範囲内の圧力にする。次いで、その結果生じた圧縮された多成分冷媒流体２０２から冷却器２０３を通過させることにより冷却して圧縮熱を除去する。その結果生じた多成分冷媒流体２０４をコンプレッサー２０５に通過させることにより更に圧縮して一般に６０から６００psia（４１４から４１４０ｋＰａ）の範囲内の圧力とする。その結果生じた圧縮された多成分冷媒流体２０６を、冷却器２０７を通過させることにより冷却しかつ一部凝縮させる。冷却器２０７からの２相多成分冷媒流体を流れ２０８で相分離器２０９へ移行させて、相分離器２０９で蒸気部分と液体部分とに分離する。多成分冷媒流体２００は非共沸混合物であるので、これらの蒸気部分と液体部分との組成は異なる。液体部分が多成分冷媒流体２００の最高沸点成分の全てを実質的に含み、かつ気体部分が多成分冷媒流体２００の最低沸点成分の全てを実質的に含むことが好ましい。
【００５８】多成分冷媒流体の液体部分を、相分離器２０９から流れ２１１で熱交換器２１２を通過させ、過冷する。その結果として生ずる過冷液体流れ２１３を、弁２１４を介して膨張させてジュールトムソン効果により冷凍を生じさせる。その結果として生ずる冷凍を帯びた多成分冷媒流体２１５（これは、１５から１００psia（１０４から６９００ｋＰａ）の範囲内の圧力であるのが普通である。）を、混合装置２１を通過させて、次いで流れ２１７で熱交換器２１２を通過させて断熱エンクロージュア大気流体と間接的に熱交換させることにより加温しかつ完全に蒸発させ、次いで新たな循環のために熱交換器２００でコンプレッサー２０１へ移行させる。断熱エンクロージュア大気流体を流れ２１８で熱交換器２１２に通す。その結果生じた冷凍された断熱エンクロージュア大気流体（これは、３０Ｆから６０Ｆまでの範囲内の温度であるのが普通である。）を、熱交換器２１２から流れ２１９で断熱エンクロージュア（図示せず）に移行させ、断熱エンクロージュア内で流れ２１９内の冷凍を供給し用いる。
【００５９】多成分冷媒流体の蒸気部分を、相分離器２０９から流れ２１０で熱交換器２１２を通過させ、熱交換器２１２において流れ２１７の加温流体との間接的熱交換により冷却し、次いで流れ２２０で中間熱交換器２２１に移行させ更に冷却させる。熱交換器２１２及び２２１における冷却工程の一方又は両方において、多成分冷媒流体の一部を凝縮させ、それで熱交換器２２１からの多成分冷媒流体２２３が２相流となる。流れ２２３を相分離器２２４に通過して、蒸気部分及び液体部分とに分離する。
【００６０】相分離器２２４からの液体部分を、流れ２２６で熱交換器２２７を通過させて過冷却する。その結果生じる液体流れ２２８を、弁２２９を介して膨張させてジュールトムソン効果により冷凍を発生させる。その結果生ずる冷凍を帯びた多成分冷媒流体２３０（これは１５から１００psia（１０４から６９０ｋＰａ）の範囲内の圧力であるのが普通である。）は、混合装置２２を通過し、次いで流れ２３２で熱交換器２２７を通過して断熱エンクロージュア大気流体との間接的熱交換により加温され蒸発する。断熱エンクロージュア大気流体は、流れ２２３で熱交換器２２７に通る。その結果生じた冷凍された断熱エンクロージュア大気流体は、（−７０Ｆから−１１０Ｆの範囲内の温度であるのが普通である。）熱交換器２２７から流れ２３４でエンクロージュア（図示しない）へ移行して、流れ２３４内の冷凍を供給し用いる。熱交換器２２７からの加温された多成分冷媒流体を、流れ２２２で熱交換器２２１を通過させて冷却流れ２２０との間接的な熱交換により加温し、そこから流れ２１６で混合器２１へ通し、流れ２１５と混合し流れ２１７を形成して更に前述のように処理を行う。
【００６１】相分離器２２４からの蒸発部分は、相分離２２４から流れ２２５で相分離器２２４から熱交換器２２７を通過させて流れ２３２の加温液体と間接的に熱交換することにより冷却し、次いで流れ２３５で熱交換器２３６へ移行して更に冷却する。熱交換器２２７及び２３６により冷却する過程で、この蒸気部分を凝縮させ、それで熱交換器２３６からの多成分冷媒流体２３８は液体流れになる。流れ２３８を、熱交換器２３９を通過させることにより過冷する。その結果生じた過冷された液体流れ２４０をバルブ２４１により膨張させてジュールトムソン効果により冷凍を発生させ、生じた冷凍を帯びた多成分冷媒流体２４２（これは、２相流であってもよい。）を、熱交換器２３９を通過させることにより加温して、好ましくは少なくとも一部を蒸発させ、それにより、間接的な熱交換により流れ２４３で熱交換器２３９に通す断熱エンクロージュア大気流体と同様に、前述の過冷流れ２３８を冷却する役割を果たす。その結果生じる冷凍された断熱エンクロージュア大気流体（これは、−１５０Ｆから−３３０Ｆの範囲内の温度であるのが普通である。）は、熱交換器２３９から流れ２４４で断熱密閉空間（図示しない）へ移行させ、そこで流れ２４４内の冷凍を供給し及び用いる。
【００６２】加温された多成分冷媒流体は、熱交換器２３９から流れ２３７で熱交換器２３６を通過し、ここで更に加温されてそこから流れ２３１で混合器２２へ移行させる。混合器２２でその流れ２３１を流れ２３０と混合して流れ２３２を形成し、前述のように更に処理を行う。
【００６３】本発明の更なる具体例において、冷凍サイクルからの廃熱を、冷凍を用いる同一又は異なった設備に熱を供給するのに用いてもよい。例えば、図４に示された具体例の冷却器２０３及び２０７で廃棄された熱を、ボイラー供給水を加熱するのに用いてもよい。
【００６４】図５は、本発明の別の実施例であって単一の多成分冷媒流体システムを用いた複数のエンクロージュアを採用するものを示す。ここで、図５を参照すると、多成分冷媒流体３１０をコンプレッサー３１１に通過させることにより圧縮する。その結果生じた圧縮された多成分冷媒流体３１２から後置冷却器３１３において冷却し圧縮熱を除去して流体３１４を生成する。次いで、流れ３１４での多成分冷媒流体を、熱交換器３０１を通過させることにより冷却する。その結果生じた冷却された多成分冷媒流体３１５を熱交換器３０２に通すことにより更に冷却して、更に冷却された多成分冷媒流体３１６を生成する。多成分冷媒流体３１６は弁３１７を介することによりジュールトムソン膨張を受ける。その結果生じた冷凍を帯びた冷凍多成分冷媒流体３１８を、熱交換器３０２を通すことにより加温して間接的な熱交換によって前述の流れ３１５を更に冷却する効果をもたらす。これは、更に以下に述べるつもりである流れ３３２の冷却と同様である。その結果生じた加温された多成分冷媒流体流れ３１９を、熱交換器３０１に通すことにより更に加温し、間接的な熱交換により流れ３１４の前記冷却をもたらす。これは、更に以下に述べるつもりである流れ３３２の冷却と同様である。その結果生じた更に加温された多成分冷媒流体は、熱交換器３０２から流れ３１０としてコンプレッサー３１１に通す。かくてそのサイクルは、新たに開始される。
【００６５】エンクロージュア３０３からの大気流体を流れ３２０で送風機３２１へ通し、そこから流れ３２２として熱交換器３０１に通して、前述の更に加温された冷凍を帯びた多成分冷媒流体と間接的に熱交換することにより冷却する。その結果生じた冷却された流体流れ３２３をエンクロージュア３０３中に戻す。そこで多成分冷媒流体により生じた冷凍を使用する。エンクロージュア３０５からの大気流体を流れ３３０で送風機３３１に通し、そこから流れ３３２として熱交換器３０２を通過させる。それを、前述の冷凍を帯びた加温多成分冷媒流体との間接的熱交換により冷却する。その結果生じた冷凍された流体流れ３３３をエンクロージュア３０５に戻し、多成分冷媒流体により生じた冷凍を用いる。
【００６６】図に記載された多成分冷媒流れ回路は、閉ループで単一流れサイクルであるが、種々の他の流れ回路をいくらかの応用のために利用するようにしてもよい。すなわち、冷媒流れ回路は、液体の再循環（即ち、冷媒流体を相分離し、液体は分離した蒸気を再度加温しかつ更に冷却すること）を含むことができよう。そのような内部液体の再循環は、冷媒混合プロセスの融通性を提供するのに役立ち、液体の凍結の問題を避けることができる。また、要求される極低温又はエンクロージュアが複数のようないくつかの場合については、冷媒系について複数の流体循環路を利用することが望ましいかもしれない。各々の場合について、各々の分離循環路が、所定の温度範囲にわたって冷凍を提供し、かつ組み合わせた循環路が、全体の温度範囲にわたって効率的な冷凍を提供する。
【００６７】この発明を使用することにより、冷凍を断熱エンクロージュア、特に冷凍をより幅広い温度範囲（例えば、室温から極低温）にわたって要求するエンクロージュアに効率的に提供することができる。本発明は、所定の好ましい具体例によって詳細に記載されているが、当該技術における熟練者は、本特許請求の範囲の精神及び範囲内の発明の他の具体例があることを認識するものと思われる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】３９２０３２４０９
【氏名又は名称】プラクスエア・テクノロジー・インコーポレイテッド
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| 【出願日】 |
平成１１年１２月２８日（１９９９．１２．２８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６７８１７
【弁理士】
【氏名又は名称】倉内 基弘 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２０５６７６（Ｐ２０００−２０５６７６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年７月２８日（２０００．７．２８） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３７４０５６ |
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