CN110418926A - 制冷剂循环装置及制冷剂循环方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种即使在使用HFO系或HCFO系制冷剂的情况下，也能够避免机内压力的变化而实现性能稳定、稳定运行的制冷剂循环装置及制冷剂循环方法。制冷剂循环装置(1)中，压缩机(3)、冷凝器(5)、膨胀阀(7)及蒸发器(9)由主配管(11a、11b、11c、11d)连接而构成使制冷剂循环的制冷剂循环电路，并将包含在分子结构中具有碳‑碳双键的氢氟烯烃或氢氯氟烯烃的制冷剂填充在制冷剂循环电路内，该制冷剂循环装置(1)具备恢复催化剂，该恢复催化剂以能够与制冷剂接触的方式配置于制冷剂循环电路内，并使将最初填充在制冷剂循环电路内的初始制冷剂中所包含的氢氟烯烃或氢氯氟烯烃进行异构化而成的异构体恢复到异构化之前的状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种制冷剂循环装置及制冷剂循环方法。
背景技术
以往，在涡轮热泵中使用了氢氟烃(HFC)制冷剂。然而，HFC制冷剂的全球变暖潜能(Global Warming Potential，GWP)非常高至数百到数千。
从全球环境保护的观点出发，不优选使用GWP高的制冷剂。因此，需要转换到GWP低的制冷剂。
作为GWP低的制冷剂，已知有氢氟烯烃(HFO)系或氢氯氟烯烃(HCFO)系制冷剂(参考专利文献1、专利文献2)。在HFO及HCFO的分子结构内具有碳-碳双键。在HFO及HCFO中，存在具有立体异构体(顺式-反式异构体)的HFO及HCFO。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-83899号公报
专利文献2：日本特开2013-107848号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
关于HFO系及HCFO系制冷剂，稳定性低于HFC，且若暴露于高温环境，则进行异构化。顺式-反式异构体为相同的组成，但是沸点、传热、流动特性等物理性质不同。因此，若进行异构化，则制冷剂的传热特性、流动特性发生变化，并且制冷剂的压力发生变化。例如，若沸点高的异构体(低压立体异构体)进行异构化且沸点低的异构体(高压立体异构体)增加，则制冷剂的饱和压力增加。
关于热泵装置等设备的结构，在最初填充的制冷剂的饱和压力下进行设计，但是若制冷剂随着热泵的运行时间而进行异构化，则机内的压力上升，进而导致设备的破损。
在制冷剂填充时制冷剂的物理性质在运行期间发生变化的状态下，无法保持稳定的热循环。
本发明是鉴于这种情况而完成的，且其目的在于提供一种即使在使用HFO系或HCFO系制冷剂的情况下，也能够避免机内压力的变化并使制冷剂的性能稳定化而实现稳定运行的制冷剂循环装置及制冷剂循环方法。
用于解决技术课题的手段
为了解决上述问题，本发明的制冷剂循环装置及制冷剂循环方法采用以下方案。
本发明提供一种制冷剂循环装置，其中，压缩机、冷凝器、膨胀阀及蒸发器由主配管连接而构成使制冷剂循环的制冷剂循环电路，并将包含在分子结构中具有碳-碳双键的氢氟烯烃(HFO)或氢氯氟烯烃(HCFO)的制冷剂填充在所述制冷剂循环电路内，该制冷剂循环装置具备恢复催化剂，该恢复催化剂以能够与所述制冷剂接触的方式配置于所述制冷剂循环电路内，并使将最初填充在所述制冷剂循环电路内的初始制冷剂中所包含的氢氟烯烃或氢氯氟烯烃进行异构化而成的异构体恢复到异构化之前的状态。
在制冷剂循环电路内循环的制冷剂在循环过程中与恢复催化剂接触。即使最初填充在制冷剂循环电路内的初始制冷剂中所包含的氢氟烯烃或氢氯氟烯烃在制冷剂循环电路内循环过程中进行异构化，也能够通过与恢复催化剂接触而恢复到异构化之前的状态。由此，制冷剂的热物理性质变化得到抑制，能够保持稳定的热循环。
上述发明的一方式中，所述恢复催化剂可以配置于所述压缩机与所述冷凝器之间。
上述发明的一方式中，所述恢复催化剂可以配置于所述冷凝器与所述蒸发器之间。
上述发明的一方式中，制冷剂循环装置具备：驱动机，通过增速机驱动所述压缩机；导入路径，将所述冷凝器和所述驱动机进行连接，并将所冷凝的制冷剂导入到所述驱动机；及返回路径，将所述膨胀阀与所述蒸发器之间的主配管和所述驱动机之间进行连结，并使经由所述驱动机的制冷剂返回到该主配管，所述恢复制冷剂可以配置于所述返回路径或所述驱动机周围。
压缩机与冷凝器之间、冷凝器与蒸发器之间、返回路径及驱动机周围为制冷剂的工作温度变为高温的区域(高温区域)。在此，高温是指150℃以上。高温区域中具有制冷剂容易进行异构化的倾向。通过在高温区域配置恢复催化剂，使通过进行异构化而增加的异构体迅速地恢复到异构化之前的状态，能够抑制制冷剂的热物理性质变化。
本发明提供一种制冷剂循环方法，该方法为制冷剂循环装置中的制冷剂循环方法，该制冷剂循环装置中，压缩机、冷凝器、膨胀阀及蒸发器由主配管连接而构成使制冷剂循环的制冷剂循环电路，并将包含在分子结构中具有碳-碳双键的氢氟烯烃或氢氯氟烯烃的制冷剂填充在所述制冷剂循环电路内，该制冷剂循环方法中，在所述制冷剂循环电路内制冷剂的工作温度成为150℃以上的区域配置恢复催化剂，并使在所述制冷剂循环电路内循环的所述制冷剂与所述恢复催化剂接触，该恢复催化剂使将最初填充在所述制冷剂循环电路内的初始制冷剂中所包含的氢氟烯烃或氢氯氟烯烃进行异构化而成的异构体恢复到异构化之前的状态。
上述发明的一方式中，所述制冷剂的工作温度成为150℃以上的区域可以在所述压缩机与所述冷凝器之间。
上述发明的一方式中，所述制冷剂的工作温度成为150℃以上的区域可以在所述冷凝器与所述蒸发器之间。
上述发明的一方式中，所述制冷剂循环装置具备：驱动机，通过增速机驱动所述压缩机；导入路径，将所述冷凝器和所述驱动机进行连接，并将所冷凝的制冷剂导入到所述驱动机；及返回路径，将所述膨胀阀与所述蒸发器之间的主配管和所述驱动机之间进行连结，并使经由所述驱动机的制冷剂返回到该主配管，所述制冷剂的工作温度成为150℃以上的区域可以在所述返回路径或所述驱动机周围。
发明效果
根据本发明的制冷剂循环装置及制冷剂循环方法，即使在使用包含HFO或HCFO的制冷剂的情况下，也能够避免机内压力的变化，并使制冷剂的性能稳定化，而实现稳定运行。
附图说明
图1是表示一实施方式所涉及的热泵装置的一例的概略结构图。
具体实施方式
本实施方式所涉及的热泵装置中，在制冷剂循环电路内填充有包含氢氟烯烃(HFO)或氢氯氟烯烃(HCFO)的制冷剂(以后，HFO制冷剂或HCFO制冷剂)。HFO或HCFO为在分子结构中具有碳-碳双键的制冷剂。
制冷剂优选将HFO或HCFO作为主要成分。关于HFO或HCFO，在制冷剂中含量多于50质量％，优选多于75质量％，进一步优选多于90质量％。
具体而言，氢氟烯烃(HFO)为(Z)-1，3，3，3-四氟-1-丙烯(HFO1234ze(Z))、(Z)-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯(HFO1336mzz(Z))、(E)-1，1，1，4，4，5，5，5-八氟戊-2-烯(HFO1438mzz(E))或(Z)-1，1，1，4，4，5，5，5-八氟戊-2-烯(HFO1438mzz(Z))等。
具体而言，氢氯氟烯烃(HCFO)为(E)-1-氯-3，3，3-三氟丙烯(HCFO1233zd(E))、(Z)-1-氯-3，3，3-三氟丙烯(HCFO1233zd(Z))、(Z)-1，2-二氯-3，3，3-三氟丙烯(HCFO1223xd(Z))等。
将HFO或HCFO的纯度优选设为97质量％以上，更优选设为99质量％以上，进一步优选设为99.9质量％以上。
制冷剂可以包含添加物。添加物可举出卤烃类、其他氢氟烃类(HFC)、醇类、饱和烃类等。
<卤烃类及其他氢氟烃类>
作为卤烃类，能够举出包含卤素原子的二氯甲烷、三氯乙烯、四氯乙烯等。
作为氢氟烃类，能够举出二氟甲烷(HFC-32)、1，1，1，2，2-五氟乙烷(HFC-125)、氟乙烷(HFC-161)、1，1，2，2-四氟乙烷(HFC-134)、1，1，1，2-四氟乙烷(HFC-134a)、1，1，1-三氟乙烷(HFC-143a)、二氟乙烷(HFC-152a)、1，1，1，2，3，3，3-七氟丙烷(HFC-227ea)、1，1，1，2，3-五氟丙烷(HFC-236ea)、1，1，1，3，3，3-六氟丙烷(HFC-236fa)、1，1，1，3，3-五氟丙烷(HFC-245fa)、1，1，1，2，3-五氟丙烷(HFC-245eb)、1，1，2，2，3-五氟丙烷(HFC-245ca)、1，1，1，3，3-五氟丁烷(HFC-365mfc)、1，1，1，3，3，3-六氟异丁烷(HFC-356mmz)、1，1，1，2，2，3，4，5，5，5-十氟戊烷(HFC-43-10-mee)等。
<醇类>
作为醇类，能够举出碳数1至4的醇，具体而言，能够举成甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、2，2，2-三氟乙醇、五氟丙醇、四氟丙醇、1，1，1，3，3，3-六氟-2-丙醇等。
<饱和烃类>
作为饱和烃类，能够举出碳数3以上且8以下的饱和烃，具体而言，能够混合选自包含丙烷、正丁烷、异丁烷、新戊烷、正戊烷、异戊烷、环戊烷、甲基环戊烷、正己烷及环己烷的组群中的至少1个以上的化合物。其中，作为尤其优选的物质，可举出新戊烷、正戊烷、异戊烷、环戊烷、甲基环戊烷、正己烷、环己烷。
图1是表示填充有上述制冷剂的热泵装置(制冷剂循环装置)的一例的概略结构图。
热泵装置1具备：压缩机3，对制冷剂进行压缩；冷凝器5，使通过压缩机3而压缩的制冷剂冷凝；膨胀阀7，使来自冷凝器5的液体制冷剂膨胀；蒸发器9，使通过膨胀阀7而膨胀的制冷剂蒸发；及恢复催化剂，使包含经异构化的HFO或HCFO的制冷剂恢复到初始状态。
压缩机3、冷凝器5、膨胀阀7及蒸发器9由主配管(11a，11b，11c，11d)连接而构成使制冷剂循环的封闭系统(热泵循环/制冷剂循环电路)。将热泵装置1的各构成部件设计成可以耐受来自制冷剂的压力。热泵装置1能够输出200℃的热水。
压缩机3为可获得高压力比的离心压缩机。压缩机3能够将制冷剂的温度提高至230℃左右。压缩机3具备设置在壳体3a内的叶轮3b、调节吸入制冷剂流量的入口叶片3c、增速机3d及驱动机3e。
叶轮3b利用增速机3d并通过驱动机3e而进行旋转。驱动机3e为电动马达。电动马达还有时通过逆变器装置以旋转频率可变的方式进行操作。驱动机3e的旋转频率由未图示的控制部进行控制。
主配管11a的一端连接于压缩机3的出口侧。主配管11a的另一端连接于冷凝器5的入口侧。
冷凝器5成为制冷剂的冷凝潜热被冷却水夺去的结构。作为冷凝器5，优选使用管壳式换热器，但也可以是板式换热器。在冷凝器5中冷凝的液体制冷剂通过主配管11b，并被导入到膨胀阀7。
主配管11b的一端连接于冷凝器5的出口侧。主配管11b的另一端连接于膨胀阀7。
将膨胀阀7设为电子式膨胀阀或电动球阀，且由未图示的控制部控制开度。通过膨胀阀7，对在主配管流动的液体制冷剂进行减压膨胀。
主配管11c的一端连接于膨胀阀7。主配管11c的另一端连接于蒸发器9的入口侧。
关于蒸发器9，在容器的内部具备传热管(省略图示)。在传热管内连接有冷水配管(省略图示)，以便能够对外部的热负载供给冷水。蒸发器9中，在传热管内流动时，冷水被蒸发器内的液体制冷剂的蒸发潜热冷却。蒸发器9例如为管壳式换热器。
主配管11d的一端连接于蒸发器9的出口侧。主配管11d的另一端连接于压缩机3的入口叶片3c。
热泵装置1的控制部(省略图示)设置于热泵装置1的控制盘内的控制基板上，且具备CPU及存储器。控制部根据冷却水温度、制冷剂压力、冷水出入口温度等按每一控制周期通过数字运算计算各控制量。
热泵装置1具备：导入路径13，将在冷凝器5中冷凝的一部分液体制冷剂从主配管11b导入到驱动机3e；及返回路径14，使经由了驱动机3e的制冷剂返回到主配管11c。所谓“经由了驱动机3e”，包含与驱动机3e进行了接触的、及通过了驱动机3e的周围(壳体3a的范围内)的情况。
导入路径13中，一端连接于位于冷凝器5的出口侧的主配管11b，且另一端连接于驱动机3e。导入路径13的另一端无需直接连接于驱动机3e，在能够使用所冷凝的液体制冷剂对驱动机3e进行冷却的状态下，将主配管11b和驱动机3e之间进行连结即可。例如，导入路径13可以连接于位于驱动机3e附近的壳体3a。
在导入路径13的中途设置有节流阀15。关于节流阀15，由未图示的控制部控制其开度，以便适当地对驱动机3e进行冷却。
返回路径14中，一端连接于驱动机3e，且另一端连接于位于蒸发器9的入口侧的主配管11c。返回路径14的一端无需直接连接于驱动机3e，在使经由了驱动机3e的制冷剂返回到主配管11c的状态下，将驱动机3e和主配管11c之间进行连结即可。例如，返回路径14可以夹着驱动机3e而连接于位于与导入路径13的另一端对置的位置的壳体3a。
恢复催化剂以能够与制冷剂接触的方式配置于制冷剂循环电路内。图1的至例示适于恢复催化剂的配置的位置。
恢复催化剂可以配置于制冷剂的工作温度成为150℃以上、优选成为175℃以上、进一步优选成为200℃以上的区域。恢复催化剂可以配置于制冷剂循环电路内的一处或多处。
制冷剂的工作温度成为150℃以上的区域例如为压缩机3与冷凝器5之间、冷凝器5与膨胀阀7之间、返回路径或驱动机周围等。所谓压缩机3与冷凝器5之间，包含压缩机出口冷凝器入口及主配管11a。所谓冷凝器5与膨胀阀7之间，包含冷凝器出口及主配管11b。驱动机周围包含驱动机3e的外周、端面及容纳驱动机3e的壳体的范围以内(尤其，驱动机3e附近)。
制冷剂的工作温度成为175℃以上的区域为冷凝器5与膨胀阀7之间、返回路径或驱动机周围等。
制冷剂的工作温度成为200℃以上的区域为冷凝器5与膨胀阀7之间。
恢复催化剂具备如下性质：能够使将最初填充在制冷剂循环电路内的制冷剂(初始制冷剂)中所包含的氢氟烯烃或氢氯氟烯烃进行异构化而成的异构体恢复到异构化之前的状态。
关于恢复催化剂，可以根据初始制冷剂的种类而选择合适的恢复催化剂。恢复催化剂例如为金属氟化物、金属氧化物或经氟化处理的金属氧化物。
金属氟化物例如为氟化铝、氟化铬、氟化钛、氟化锰、氟化铁、氟化镍、氟化钴、氟化镁、氟化锆及氟化锑。
金属氧化物例如为将50％以上的金属原子设为铝的包含一种或二种以上的金属的氧化物。作为除了铝以外的其他金属，可举出铬、钛、锰、铁、镍、钴、镁、锆及锑等。更具体而言，金属氧化物可以是氧化铝和铬、氧化铝和氧化锆、氧化铝和二氧化钛、氧化铝和氧化镁等的复合氧化物。
经氟化处理的金属氧化物通过使金属氧化物与氟化剂接触而进行处理并使其干燥而得。经氟化处理的金属氧化物例如为氟化氧化铝、氟化氧化钛、氟化氧化锰、氟化氧化铁、氟化氧化镍、氟化氧化钴、氟化氧化镁、氟化氧化锆、氟化氧化锑或氟化氧化铬。
恢复催化剂可以是增加与制冷剂的接触面积的形状。例如，恢复催化剂为多孔板或金属丝网等形状。在制冷剂以液态形式存在的区域中，可以配置多孔板形状的恢复催化剂。在制冷剂以气态形式存在的区域中，可以配置金属丝网形状的恢复催化剂。恢复催化剂可以朝向与制冷剂流动方向交叉的方向而配置，以便制冷剂通过恢复催化剂的孔(或网眼)。
热泵装置1中，压缩机可以是具备2个叶轮的2级压缩机。
热泵装置1可以具备：润滑油循环部(省略图示)，使润滑油在容纳有增速机3d的壳体3a中循环；抽气装置(省略图示)，对制冷剂循环电路内部进行抽气；及制冷剂供给配管(省略图示)，用于将制冷剂供给到制冷剂循环电路内；等。
接着，对上述结构的热泵装置的操作及作用效果进行说明。
从蒸发器9吸入的低压气体制冷剂由压缩机3的叶轮3b压缩而成为高压气体制冷剂。
从压缩机3喷出的高压气体制冷剂通过主配管11a并被导入到冷凝器5。冷凝器5中，高压气体制冷剂以大致等压被冷却，而成为高压液体制冷剂。大部分高压液体制冷剂通过主配管11b而被导入到膨胀阀7，一部分高压液体制冷剂通过导入路径13而被导入到驱动机3e。
使导入到膨胀阀7的高压液体制冷剂等焓膨胀至低压，并通过主配管11c而被导入到蒸发器9。
导入到蒸发器9的液体制冷剂通过与通过传热管的冷水进行热交换而蒸发并成为低压气体制冷剂。低压气体制冷剂通过主配管11d而流入到压缩机3的入口叶片3c，并由叶轮3b再次压缩。
导入到导入路径13的高压液体制冷剂对驱动机3e进行冷却之后，导入到返回路径14。节流阀15的开度由未图示的控制部等进行调节，以使制冷剂成为所期望的温度。通过设置节流阀15，即使为具有制冷剂成为200℃左右的高温的区域的热泵装置1，也能够通过在冷凝器5中冷凝的液体制冷剂对驱动机3e进行冷却。
填充在制冷剂循环电路内的制冷剂在循环过程中与恢复催化剂接触。在制冷剂中包含初始制冷剂中所包含的氢氟烯烃或氢氯氟烯烃进行异构化而成的异构体的情况下，通过制冷剂与恢复催化剂接触而恢复到异构化之前的状态。由此，能够抑制在初始制冷剂中不占优势的异构体在热泵内占支配地位，避免机内压力的变化，使制冷剂性能稳定化，使热泵装置1稳定运行。
例如，作为初始制冷剂，填充将HCFO1233zd(E)作为主要成分的制冷剂，作为恢复催化剂，配置了氟化氧化铝。制冷剂中所包含的HCFO1233zd(E)可以通过在制冷剂循环电路内暴露于150℃以上的高温而进行异构化并成为HCFO1233zd(Z)。本实施方式的热泵装置1中，在制冷剂的工作温度成为150℃以上的区域中配置有恢复催化剂，若包含作为异构体的HCFO1233zd(Z)的制冷剂与恢复催化剂接触，则HCFO1233zd(Z)恢复到HCFO1233zd(E)。
符号说明
1-热泵装置(制冷剂循环装置)，3-压缩机，3a-壳体，3b-叶轮，3c-入口叶片，3d-增速机，3e-驱动机，5-冷凝器，7-膨胀阀，9-蒸发器，11a、11b、11c、11d-主配管，13-导入路径，14-返回路径，15-节流阀。
Claims (8)
1.一种制冷剂循环装置，其中，压缩机、冷凝器、膨胀阀及蒸发器由主配管连接而构成使制冷剂循环的制冷剂循环电路，并将包含在分子结构中具有碳-碳双键的氢氟烯烃或氢氯氟烯烃的制冷剂填充在所述制冷剂循环电路内，
该制冷剂循环装置具备恢复催化剂，该恢复催化剂以能够与所述制冷剂接触的方式配置于所述制冷剂循环电路内，并使将最初填充在所述制冷剂循环电路内的初始制冷剂中所包含的氢氟烯烃或氢氯氟烯烃进行异构化而成的异构体恢复到异构化之前的状态。
2.根据权利要求1所述的制冷剂循环装置，其中，
所述恢复催化剂配置于所述压缩机与所述冷凝器之间。
3.根据权利要求1或2所述的制冷剂循环装置，其中，
所述恢复催化剂配置于所述冷凝器与所述蒸发器之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的制冷剂循环装置，其具备：
驱动机，通过增速机驱动所述压缩机；
导入路径，将所述冷凝器和所述驱动机进行连接，并将所冷凝的制冷剂导入到所述驱动机；及
返回路径，将所述膨胀阀与所述蒸发器之间的主配管和所述驱动机之间进行连结，并使经由所述驱动机的制冷剂返回到该主配管，
所述恢复制冷剂配置于所述返回路径或所述驱动机周围。
5.一种制冷剂循环方法，该方法为制冷剂循环装置中的制冷剂循环方法，该制冷剂循环装置中，压缩机、冷凝器、膨胀阀及蒸发器由主配管连接而构成使制冷剂循环的制冷剂循环电路，并将包含在分子结构中具有碳-碳双键的氢氟烯烃或氢氯氟烯烃的制冷剂填充在所述制冷剂循环电路内，该制冷剂循环方法中，
在所述制冷剂循环电路内制冷剂的工作温度成为150℃以上的区域配置恢复催化剂，该恢复催化剂使将最初填充在所述制冷剂循环电路内的初始制冷剂中所包含的氢氟烯烃或氢氯氟烯烃进行异构化而成的异构体恢复到异构化之前的状态，
使在所述制冷剂循环电路内循环的所述制冷剂与所述恢复催化剂接触。
6.根据权利要求5所述的制冷剂循环方法，其中，
所述制冷剂的工作温度成为150℃以上的区域在所述压缩机与所述冷凝器之间。
7.根据权利要求5或6所述的制冷剂循环方法，其中，
所述制冷剂的工作温度成为150℃以上的区域在所述冷凝器与所述蒸发器之间。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的制冷剂循环方法，其中，
所述制冷剂循环装置具备：
驱动机，通过增速机驱动所述压缩机；
导入路径，将所述冷凝器和所述驱动机进行连接，并将所冷凝的制冷剂导入到所述驱动机；及
返回路径，将所述膨胀阀与所述蒸发器之间的主配管和所述驱动机之间进行连结，并使经由所述驱动机的制冷剂返回到该主配管，
所述制冷剂的工作温度成为150℃以上的区域在所述返回路径或所述驱动机周围。
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