JP2002243206A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水とＨＦＣ系冷媒とからなるクラスレートを
利用する冷凍装置において、クラスレートの生成速度を
向上させる。 【解決手段】 主熱交換器（12）を介して接続された熱
搬送回路（10）と冷媒回路（20）とを備えている。熱搬
送回路（10）には、水とＨＦＣ１３４ａとからなる熱搬
送媒体が充填されている。熱搬送媒体には、フッ素系の
イオン系界面活性剤が添加されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、クラスレートを利
用した冷凍装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば特開２０００−１６１
７２４号公報等に開示されているように、クラスレート
を利用した冷凍装置が知られている。クラスレートは、
化合物の内部の空孔中に他の特定の原子または分子を取
り込んだ結晶構造をもつ物質であり、その生成過程にお
いては発熱反応を伴い、逆に、分解過程においては吸熱
反応を伴うものである。クラスレートは、蓄熱媒体の
他、熱搬送媒体としても優れた特性を有するものであ
る。

【０００３】本発明者は、例えば水とＨＦＣ１３４ａな
ど、クラスレートを生成しうる複数の媒体の混合物を熱
搬送媒体とし、この熱搬送媒体を連続的に循環させて空
調等を行う冷凍装置を考案した。図１に、そのような冷
凍装置の一例を示す。この冷凍装置は、水とＨＦＣ１３
４ａとからなる熱搬送媒体を充填した熱搬送回路（10）
と、冷媒回路からなる熱源回路（20）とを備えている。
熱搬送回路（10）は、ポンプ（11）と主熱交換器（12）
の高温側熱交換部と室内熱交換器（13）とが順に接続さ
れて構成されている。熱源回路（20）は、蒸気圧縮式の
冷媒回路であり、圧縮機（21）と凝縮器（22）と膨張弁
（23）と上記主熱交換器（12）の低温側熱交換部とが順
に接続されて構成されている。熱搬送回路（10）では、
主熱交換器（12）において熱搬送媒体が冷却され、クラ
スレートが生成される。このクラスレートは室内熱交換
器（13）を介して室内空気と熱交換を行って分解し、室
内空気を冷却する。これにより、室内の冷房が行われ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、水とＨＦＣ１
３４ａとを単に混合させただけの熱搬送媒体では、クラ
スレートの生成に相当の時間が必要であった。そのた
め、熱搬送媒体をゆっくりと冷却すべく、主熱交換器
（12）を大型化したり、特殊な生成槽を設ける必要があ
った。そこで、主熱交換器（12）の小型化等を図るた
め、クラスレートの生成速度の向上が望まれていた。ま
た、消費電力等の観点からも、クラスレートの生成速度
は速い方が好ましい。

【０００５】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、水とＨＦＣ系冷媒と
を含む熱搬送媒体を利用する冷凍装置において、クラス
レートの生成速度を向上することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明に係る冷凍装置は、水とＨＦＣ系冷媒と
を含み且つ冷却されることによってクラスレートを生成
する熱搬送媒体を充填した熱搬送回路を備えた冷凍装置
であって、上記熱搬送媒体には、フッ素系のイオン系界
面活性剤が添加されているものである。

【０００７】上記冷凍装置では、イオン系の界面活性剤
は水に対する溶解度が大きいことから、結果として、Ｈ
ＦＣ系冷媒の水に対する溶解度が向上する。つまり、非
イオン系の界面活性剤では、水の表面に界面活性剤がコ
ーティングされている状態となるので、水の中にまでＨ
ＦＣ系冷媒が溶解することは難しい。しかし、上記冷凍
装置ではイオン系の界面活性剤を添加することとしてい
るので、界面活性剤のイオン性の部分と水との相互作用
が起こりやすくなり、ＨＦＣ系冷媒が水の中にまで侵入
しやすくなる。そのため、ＨＦＣ系冷媒の溶解度が向上
し、クラスレートの生成速度は速くなる。

【０００８】第２の発明に係る冷凍装置は、第１の発明
に係る冷凍装置において、熱搬送回路は、熱搬送媒体を
搬送する搬送手段と、熱搬送媒体を冷却してクラスレー
トを生成させるクラスレート生成側熱交換手段と、上記
クラスレートを分解させて該クラスレートの分解に伴う
冷熱を発生させるクラスレート分解側熱交換手段とが順
に接続された閉回路によって構成され、上記熱搬送回路
において熱搬送媒体を連続的に循環させながらクラスレ
ートの生成を行うものである。

【０００９】上記冷凍装置では、熱搬送媒体を連続的に
循環させながらクラスレートの生成を行うので、クラス
レートの生成速度が速くなることによって、熱搬送媒体
の循環速度を向上させることができる。そのため、装置
の効率を向上させることができる。

【００１０】第３の発明に係る冷凍装置は、第１または
第２の発明に係る冷凍装置において、冷媒が循環する冷
媒回路を備え、クラスレート生成側熱交換手段は、熱搬
送回路の熱搬送媒体と上記冷媒回路の冷媒とを熱交換さ
せるように形成されているものである。

【００１１】このことにより、熱源側回路として冷媒回
路を備え、利用側回路として熱搬送媒体の循環回路を備
えたいわゆる２次冷媒システムの装置において、上述の
作用効果が発揮される。

【００１２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、水とＨ
ＦＣ系冷媒とを含んだ熱搬送媒体にフッ素系のイオン系
界面活性剤を添加することとしたので、クラスレートの
生成速度を向上させることができる。

【００１３】熱搬送回路を熱搬送媒体の循環回路として
構成した場合、クラスレート生成側熱交換手段を小型化
することができる。また、クラスレートを生成するため
の特殊な生成槽は不要である。

【００１４】２次冷媒システムにおいて、上記効果を得
ることも可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００１６】実施形態に係る冷凍装置の装置自体の構成
は、図１に示す冷凍装置と同様である。すなわち、本冷
凍装置は、水およびＨＦＣ１３４ａ（Ｒ１３４ａ）の混
合物からなる熱搬送媒体を循環させる熱搬送回路（10）
と、冷媒回路（20）とを備えており、室内の冷房を実行
する空気調和装置である。熱搬送回路（10）と冷媒回路
（20）とは、主熱交換器（12）を介して接続されてい
る。主熱交換器（12）は、プレート式熱交換器等の液−
液熱交換器によって構成されている。

【００１７】冷媒回路（20）は、熱搬送回路（10）に冷
熱を供給する熱源であって、圧縮機（21）と、熱源側熱
交換器たる室外熱交換器（22）と、減圧手段たる膨張弁
（23）と、主熱交換器（12）の低温側熱交換部とが順に
接続されて構成されている。

【００１８】熱搬送回路（10）は、搬送手段たるポンプ
（11）と、クラスレート生成側熱交換手段たる主熱交換
器（12）の高温側熱交換部と、クラスレート分解側熱交
換手段たる室内熱交換器（13）とが順に接続され、熱搬
送媒体が連続的に循環する循環回路になっている。室内
熱交換器（13）は、熱搬送媒体と室内空気とを熱交換さ
せて室内空気を冷却する熱交換器である。

【００１９】熱搬送回路（10）の熱搬送媒体には、フッ
素系のイオン系界面活性剤が添加されている。このよう
なフッ素系のイオン系界面活性剤としては、例えば、フ
ルオロアルキルスルホン酸ナトリウム塩、フルオロアル
キルアミノ酸ナトリウム塩等を好適に用いることができ
る。

【００２０】上記界面活性剤の添加量は、０．００１ｗ
ｔ％〜３０ｗｔ％が好ましい。添加量が当該範囲よりも
小さいと、添加による生成速度向上の効果を十分に得る
ことができず、逆に、当該範囲よりも大きいと、界面活
性剤が水に溶解しないでＨＦＣ１３４ａが界面活性剤の
方に溶けてしまい、効率的にクラスレートを生成できな
いからである。

【００２１】本冷凍装置による室内の冷房は、以下のよ
うにして行われる。まず、冷媒回路（20）にあっては、
圧縮機（21）から吐出された冷媒は、室外熱交換器（2
2）で凝縮し、膨張弁（23）により減圧され、主熱交換
器（12）の低温側熱交換部で蒸発し、圧縮機（21）に吸
入される。

【００２２】一方、熱搬送回路（10）にあっては、ポン
プ（11）から吐出された熱搬送媒体は、主熱交換器（1
2）において冷媒回路（20）の冷媒と熱交換を行って冷
却され、水とＨＦＣ１３４ａとのクラスレートが生成さ
れる。主熱交換器（12）で生成されたクラスレートは室
内熱交換器（13）に流入し、この室内熱交換器（13）に
おいて室内空気と熱交換を行って分解する。このクラス
レートの分解反応によって冷熱が発生し、室内空気は冷
却される。室内熱交換器（13）を流出した熱搬送媒体
は、ポンプ（11）に吸入される。ポンプ（11）に吸入さ
れた熱搬送媒体は、再び当該ポンプ（11）から吐出さ
れ、上記循環動作を繰り返す。

【００２３】本実施形態によれば、熱搬送媒体にフッ素
系のイオン系界面活性剤を添加しているので、熱搬送媒
体が過冷却状態になると、その過冷却状態は直ちに解消
され、クラスレートが生成される。そのため、クラスレ
ートの生成速度を速めることができる。したがって、ク
ラスレートを短時間の間に生成することができ、主熱交
換器（12）を小型化することが可能となる。また、クラ
スレートの生成のために特殊な生成槽を設ける必要はな
い。

【００２４】特に、本実施形態は、熱搬送媒体を循環さ
せながらクラスレートを生成するシステムであるので、
生成速度の向上の効果は顕著に発揮される。

【００２５】熱搬送媒体の循環速度の制約が少なくなる
ので、適用可能なポンプ（11）の種類が増え、また、ポ
ンプ（11）の効率向上を図ることも可能となる。

【００２６】本実施形態の効果を確認するために以下の
ような実験を行い、界面活性剤の有無によるクラスレー
トの生成速度の相違について調べた。本実験では、圧力
容器内に水とＨＦＣ１３４ａとを充填し、それらを撹拌
しながら冷却し、クラスレートが発生するまでの時間と
発生する温度とを調べた。図２は、その実験結果を示し
ている。

【００２７】水およびＨＦＣ１３４ａの混合物を冷却し
ていくと、やがて当該混合物は過冷却状態になる。そし
て、この過冷却状態の混合物をさらに冷却すると、その
過冷却状態は解消され、水とＨＦＣ１３４ａとの反応に
よってクラスレートが生成される。その際、クラスレー
トの生成熱によって、容器内の混合物の温度は急激に上
昇する。したがって、混合物の温度が急上昇する点は、
クラスレートが発生し始める点である。ここで、単位時
間あたりのクラスレートの生成量が多いほど、発熱量は
多くなる。そのため、混合物の温度上昇ΔＴが大きいほ
ど、単位時間あたりのクラスレートの生成量、すなわち
クラスレートの生成速度は速いことになる。

【００２８】図２から明らかなように、添加剤（つま
り、フッ素系のイオン系界面活性剤）を添加した場合
は、添加剤を添加しない場合に比べて、温度上昇ΔＴが
大きくなっている。このことにより、フッ素系のイオン
系界面活性剤を添加することによって、クラスレートの
生成速度の向上を達成できることを確認した。

【００２９】上記実施形態は、室内の冷房を行う空気調
和装置であった。しかし、本発明は室内の冷房を行う装
置に限定されるものではなく、クラスレートの生成に伴
う発熱を利用して暖房を行う装置であってもよい。ま
た、本発明でいうところの冷凍装置は広義の冷凍装置で
あって、冷却対象物を０℃以下に冷却する狭義の冷凍装
置は勿論、冷蔵装置、空気調和装置等をも含むものであ
る。

【００３０】熱源としての冷媒回路は蒸気圧縮式の冷媒
回路に限定されず、吸収式等の他の冷媒回路であっても
よい。また、熱源はクラスレートを生成するように熱搬
送媒体に冷熱を供給するものであればよく、冷媒回路に
は限定されない。

【００３１】また、本発明に係る冷凍装置は２次冷媒シ
ステムに限定されず、熱搬送回路（10）のみを利用する
装置であってもよい。

【００３２】熱搬送媒体に含まれるＨＦＣ系冷媒はＨＦ
Ｃ１３４ａに限定されず、他の種類の冷媒であってもよ
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】冷凍装置の構成図である。

【図２】添加剤の有無によるクラスレート生成速度の相
違を調べた実験結果を示すグラフである。

【符号の説明】

（10） 熱搬送回路 （11） ポンプ（搬送手段） （12） 主熱交換器（クラスレート生成側熱交換手段） （13） 室内熱交換器（クラスレート分解側熱交換手
段） （20） 冷媒回路 （21） 圧縮機 （22） 室外熱交換器 （23） 膨張弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大平 豊 大阪府摂津市西一津屋１番１号 ダイキン 工業株式会社淀川製作所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水とＨＦＣ系冷媒とを含み且つ冷却され
   ることによってクラスレートを生成する熱搬送媒体を充
   填した熱搬送回路（10）を備えた冷凍装置であって、 上記熱搬送媒体には、フッ素系のイオン系界面活性剤が
   添加されていることを特徴とする冷凍装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の冷凍装置であって、 熱搬送回路（10）は、 熱搬送媒体を搬送する搬送手段（11）と、 熱搬送媒体を冷却してクラスレートを生成させるクラス
   レート生成側熱交換手段（12）と、 上記クラスレートを分解させて該クラスレートの分解に
   伴う冷熱を発生させるクラスレート分解側熱交換手段
   （13）とが順に接続された閉回路によって構成され、上
   記熱搬送回路（10）において熱搬送媒体を連続的に循環
   させながらクラスレートの生成を行うことを特徴とする
   冷凍装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の冷凍装置であ
   って、 冷媒が循環する冷媒回路（20）を備え、 クラスレート生成側熱交換手段（13）は、熱搬送回路
   （10）の熱搬送媒体と上記冷媒回路（20）の冷媒とを熱
   交換させるように形成されていることを特徴とする冷凍
   装置。