JP2004360931A

JP2004360931A - 冷凍サイクル

Info

Publication number: JP2004360931A
Application number: JP2003156145A
Authority: JP
Inventors: Norimi Sugano; 典伺菅野; Ichiro Fujibayashi; 一朗藤林
Original assignee: Hitachi Home and Life Solutions Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】本発明は、二酸化炭素冷媒を用いた冷凍サイクルにおいて、外気の変動に影響しないシステムを安価に製作し、長期使用に耐え得る信頼性の高い冷凍サイクルを実現することにある。
【解決手段】上記課題を解決するため、本発明は、二酸化炭素冷媒を封入したサイクルにおいて、流路に二酸化炭素吸着器とそれを加熱するヒータを設置して二酸化炭素冷媒の吸脱反応を行わせ冷媒量を調整することにより安価で信頼性の高い冷凍サイクルを可能とするものである。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調機、カーエアコン、冷蔵庫、ショーケース、ヒートポンプ式給湯機等に用いられる二酸化炭素を冷媒とした冷凍サイクルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の冷媒圧縮機を用いた冷凍サイクルでは冷媒としてＣＦＣ（クロロフルオロカーボン）やＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）を使用していたが塩素を含んでいるためオゾン破壊係数が高くなり環境保護の観点から使用が禁止・削減されている。その代替として塩素を含まない冷媒であるＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）が現在使用されているが冷媒が分解されるまでの寿命が長いことから地球温暖化係数が高くなり近年になって問題となっている。そこでオゾン破壊係数がゼロであり地球温暖化係数も低い冷媒として二酸化炭素が次世代冷媒の候補の一つにあげられている。
【０００３】
ヒートポンプ式の冷凍サイクル装置においては外気の変動により蒸発器側の冷媒量が変動すると凝縮器側冷媒も変動する。従って、夏季と冬季では凝縮器側の必要冷媒量が異なるが夏季の冷媒量に合せた場合、冬季には凝縮器側に過度の冷媒が存在することになり異常高圧となる可能性がある。逆に冬季の冷媒量に合わせた場合は夏季に必要な冷媒量が確保できない可能性がある。
【０００４】
現在使われている冷媒について考えた場合、ＨＦＣ冷媒等は臨界点が高く圧力が低いため冬季において凝縮器側の圧力が上昇したとしても影響はないといえる。しかし、二酸化炭素を冷媒として用いた場合、臨界点が低く圧力が高くなることから全体的に高圧に耐えられる設計にする必要がある。また、前記のごとく外気の影響も受けやすくなる。この対応としてサイクル内に冷媒バッファタンクを設け、冷凍サイクルの冷媒回収・充填を行い季節ごとに最適冷媒量の調整を行う方法が特開２００２−３１０５１９号公報に開示されている。
【０００５】
また、ＨＦＣ冷媒等は極性が大きいため冷凍機油も同様に極性の大きいエステル油やエーテル油が用いられてきたが特にエステル油の場合は水分と反応して加水分解反応を起こし、脂肪酸を生成するため水分除去の手段としてドライヤを設置してきた。この対策法は特開平１１−２０１５０５号公報等で開示されている。エステル油以外の冷凍機油では加水分解を起こして遊離脂肪酸が発生しないためドライヤを除去する場合もある。
【０００６】
二酸化炭素を冷媒に用いた場合には超臨界状態の雰囲気になるためサイクル内の有機材料に与える影響について懸念されるとともにエステル油自体も影響を受けやすいと考えられる。また、二酸化炭素と水分が反応して炭酸が生成する事により、サイクル内の酸分の上昇，冷凍機油の劣化，有機材料の劣化，金属材料の腐食等について懸念されるが、この対応としてはサイクル内に炭酸捕捉剤を設けることにより炭酸を除去する方法が特開２００２−１８８８７２号公報にて開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−３１０５１９号公報
【特許文献２】
特開平１１−２０１５０５号公報
【特許文献３】
特開２００２−１８８８７２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、冷凍サイクル内に冷媒バッファタンクを設置した場合、それに伴うバッファ電磁弁や制御回路等も含めシステムが複雑となると共にコストが増大になる。また、冷媒として二酸化炭素を使用した場合、冷媒自体の持込み水分量は少ないといえるが使用する冷凍機油によっては吸湿性が高いものは持込み水分量が増加する。また、超臨界状態となるため有機材料等への影響も懸念され、水分量が多いほど影響を及ぼしやすいと考えられる。二酸化炭素は水分と反応すると炭酸を生成するため、この時生成した炭酸が有機材料の分解や金属材料の腐食を引き起こすことが想定される。
【０００９】
従って、本発明の目的は流路に簡易な構成で二酸化炭素冷媒の循環量を可変にすることである。
【００１０】
尚、本発明のその他の目的と有利点は以下の記述から明らかにされる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するための本発明の冷凍サイクルは、少なくとも圧縮機、凝縮器、減圧装置及び蒸発器を備え、冷凍機油と作動媒体として二酸化炭素冷媒を封入したサイクルにおいて前記作動媒体の流路に二酸化炭素吸着剤とそれを過熱するヒータを設置して二酸化炭素冷媒の吸脱反応を行わせ冷媒量を調整することを特徴とする。また、吸着剤としてケイ酸、アルミン酸アルカリ金属複合塩からなる合成ゼオライトを用いることにより効率的な水分の吸着を可能とすることを特徴とする。
【００１２】
尚、本発明のその他の手段は以下の記述から明らかにされる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を、図１から図３を用いて説明する。
（実施例１）
図１に基本的な冷凍サイクル構成図を示す。冷媒圧縮機１、凝縮器２、減圧装置３、蒸発器４、二酸化炭素吸着器５よりなる冷凍装置において、冷媒圧縮機１は、低温低圧の冷媒ガスを圧縮し、高温高圧の冷媒ガスを吐出し凝縮器２に送る。凝縮器２に送られた冷媒ガスは、その熱を空気中に放出しながら高温高圧の冷媒液となり、減圧装置３に送られる。減圧装置３を通過する高温高圧の冷媒液は絞り効果により低温低圧の湿り蒸気となり二酸化炭素吸着剤を封入した二酸化炭素吸着器５を通り蒸発器３へ送られる。蒸発器３に入った冷媒は周囲から熱を吸収して蒸発し、蒸発器３をでた低温低圧の冷媒ガスは圧縮機１に吸い込まれ、以下同じサイクルが繰り返される。二酸化炭素吸着剤として用いるケイ酸、アルミン酸アルカリ金属複合塩からなる合成ゼオライトは二酸化炭素を吸着するが、ヒータで加熱すると吸着した二酸化炭素を放出する。この吸脱反応を利用してサイクル内の冷媒循環量を調整することにより外気温の変化に対して最適な循環量に調整する事ができる。
【００１４】
このヒータは二酸化炭素吸着器に巻きつけ直接加熱するタイプでもよい。
【００１５】
図２に四方弁を搭載した基本的な冷凍サイクル構成図を示す。冷媒圧縮機１、凝縮器２、減圧装置３、蒸発器４、二酸化炭素吸着器５、ヒータ６、四方弁７よりなる冷凍装置において、冷媒圧縮機１は、低温低圧の冷媒ガスを圧縮し、高温高圧の冷媒ガスを吐出し四方弁を通り凝縮器２に送られる。凝縮器２に送られた冷媒ガスは、その熱を空気中に放出しながら高温高圧の冷媒液となり、減圧装置３に送られる。減圧装置３を通過する高温高圧の冷媒液は絞り効果により低温低圧の湿り蒸気となり蒸発器３へ送られる。蒸発器３に入った冷媒は周囲から熱を吸収して蒸発し、蒸発器３をでた低温低圧の冷媒ガスは二酸化炭素吸着剤を封入した二酸化炭素吸着器５を通り圧縮機１に吸い込まれ、以下同じサイクルが繰り返される。四方弁を切り替えることにより冷媒流路が変り凝縮器２と蒸発器４は作用が入れ替わるが二酸化炭素吸着器５には低温低圧のガスが通過することになる。二酸化炭素吸着剤として用いるケイ酸、アルミン酸アルカリ金属複合塩からなる合成ゼオライトは二酸化炭素を吸着するが、ヒータで加熱すると吸着した二酸化炭素を放出する。この吸脱反応を利用してサイクル内の冷媒循環量を調整することにより外気温の変化に対して最適な循環量に調整する事ができる。
【００１６】
このヒータは二酸化炭素吸着器に巻きつけ直接加熱するタイプでもよい。
【００１７】
図３にヒートポンプ式冷凍サイクルで形成されるヒートポンプ回路とヒートポンプ回路によって加熱される給湯回路の基本的な構成図を示す。冷媒圧縮機１、凝縮器２、減圧装置３、蒸発器４、二酸化炭素吸着器５、ヒータ６よりなる冷凍装置において、冷媒圧縮機１は、低温低圧の冷媒ガスを圧縮し、高温高圧の冷媒ガスを吐出し凝縮器２に送る。凝縮器２に送られた冷媒ガスは、その熱を並行に通る水配管に対して熱交換を行いながら高温高圧の冷媒液となり、減圧装置３に送られる。減圧装置３を通過する高温高圧の冷媒液は絞り効果により低温低圧の湿り蒸気となり二酸化炭素吸着剤を封入した二酸化炭素吸着器５を通り蒸発器３へ送られる。蒸発器３に入った冷媒は周囲から熱を吸収して蒸発し、蒸発器３をでた低温低圧の冷媒ガスは圧縮機１に吸い込まれ、以下同じサイクルが繰り返される。凝縮器２では冷媒配管と並行して水配管が通り二酸化炭素吸着剤として用いるケイ酸、アルミン酸アルカリ金属複合塩からなる合成ゼオライトは二酸化炭素を吸着するが、ヒータで加熱すると吸着した二酸化炭素を放出する。この吸脱反応を利用してサイクル内の冷媒循環量を調整することにより外気温の変化に対して最適な循環量に調整する事ができる。このヒータは二酸化炭素吸着器に巻きつけ直接加熱するタイプでもよい。
【００１８】
以上、本発明の冷凍サイクルであるの具体的な実施の形態を説明したが、作動媒体として二酸化炭素冷媒を用いた冷凍サイクルの構成はこれらに限られるものではない。また、二酸化炭素吸着器の取り付け位置についても温度差を付けることが可能な場所であれば効果が得られるものである。
（実施例２〜３）
本実施例における冷凍サイクルは二酸化炭素吸着器に封入する吸着剤が効率的に冷媒の吸脱を行い循環冷媒量を調整することを特徴としている。また、サイクル内水分を吸着し炭酸の発生を妨げる効果もある。吸着剤の種類としては活性炭、シリカゲル、活性アルミナ、合成ゼオライト等があるが効果的に水分を吸着するには（数１）に示すようなケイ酸、アルミン酸アルカリ金属複合塩からなる合成ゼオライトが有効である。
（数１）
Ｍ_２／ｎＯ・ＡＬ_２Ｏ_３・ｘＳｉＯ_２・ｙＨ_２Ｏ（Ｍ：金属カチオン、ｎ：原子価）
また、二酸化炭素を吸着する事が目的であるため表１に各種ケイ酸、アルミン酸アルカリ金属複合塩からなる合成ゼオライトと被吸着分子の例を示す。本吸着剤は二酸化炭素を吸着する事が目的であるため細孔径３Åの吸着剤では二酸化炭素を吸着する事ができない。従って、細孔径４Å以上の構造をもつケイ酸、アルミン酸アルカリ金属複合塩からなる合成ゼオライトが有効となる。
【００１９】
細孔径４Å以上の構造をもつものはアルカリ金属塩としてＮａ若しくはＣａを有するタイプである。細孔径４Åの場合はＮａタイプ、細孔径５Åの場合はＮａをＣａに置き換えたタイプである。但し。細孔径５Åの場合は油分も吸着してしまう場合があるため、サイクル内に取り付ける場合はフィルタ等を通して油分が吸着しないようにする必要がある。
【００２０】
このシステムに適応する吸着剤の例として（数２）、（数３）に示す。
（数２）
Ｎａ_１２〔（ＡｌＯ_２）_１２（ＳｉＯ_２）_１２〕・２７Ｈ_２Ｏ
（数３）
Ｎａ_８６〔（ＡｌＯ_２）_８６（ＳｉＯ_２）_１０６〕・２７６Ｈ_２Ｏ
【００２１】
【表１】

【００２２】
図４は（数３）で示した吸着剤の圧力と二酸化炭素吸着容量の関係を示したものである。試験温度条件として２５℃、６０℃、１００℃、１５０℃、２００℃で行った。圧力が約３ＭＰａ付近で二酸化炭素の吸着量は飽和している。温度が高いほど二酸化炭素の吸着量は少なくなり、２５℃では約２５ｇ／１００ｇであるものが２００℃では５ｇ／１００ｇまで下がる。
【００２３】
図５は（数３）で示した吸着剤の加熱時間と二酸化炭素残存量の関係を示したものである。常圧下において（数３）に示す吸着剤に二酸化炭素を吸着させ、その後加熱して吸着している二酸化炭素を放出させた時の二酸化炭素残存量を求めた。試験温度条件は６０℃、１００℃、１５０℃、２００℃で行った。試験前に約２３ｇ／１００ｇ吸着させた吸着剤は温度が高いほど早く冷媒を放出し６０分後の二酸化炭素残存量は６０℃で約１８ｇ／１００ｇ、２００℃で約４ｇとなる。従って、吸着した冷媒を放出するには温度が高いほど放出速度が早く、放出量も多いことがわかる。
【００２４】
図６は（数３）で示した吸着剤の加熱温度と水分吸着量の関係を示したものである。２５℃における水分吸着量は約２８ｇ／１００ｇであり、３００℃で完全に放出する。
【００２５】
本実施例の冷凍サイクルに用いる吸着剤は二酸化炭素冷媒を吸着する以外に炭酸の発生を防止するために水分の吸着の用途もかねている。二酸化炭素吸着器を加熱すると吸着した水分も放出してしまう可能性があるためサイクル内の持ちこみ水分にあわせて最高温度を設定する必要がある。例えば吸着水分量が４ｇ／１００ｇの場合は２００℃以上、５ｇ／１００ｇの場合は１７５℃以上に加熱すると水分が放出される。また、水分が吸着すると強度が低下することが知られており、５％で約２割低下、１０％で約５割低下するため、このような吸着剤を用いる場合にはサイクル内持ち込み水分量は多くても５％以下になるよう気をつけなくてはならない。特に冷凍機油賭してポリオールエステル油、ポリビニルエーテル油、ポリアルキレングリコール油等吸湿性の高いものを用いる場合は脱水処理をしてから封入するといった配慮が必要である。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように本発明の冷凍サイクルによれば、二酸化炭素吸着器とそれを加熱するヒータを設置することにより二酸化炭素冷媒の吸脱作用を行わせ環境温度にあわせた循環冷媒量の可変を容易に行うことができる。また、同時にサイクル内の水分を吸着する事により炭酸の発生を防止し信頼性の高い冷凍サイクルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の−実施例を示す基本的な冷凍サイクルの構成図である。
【図２】本発明の−実施例を示す四方弁を搭載した基本的な冷凍サイクルの構成図である。
【図３】本発明の−実施例を示するヒートポンプ回路と給湯回路をもつ基本的な冷凍サイクルの構成図である。
【図４】二酸化炭素吸着剤における圧力と二酸化炭素吸着容量の関係を示したものである。
【図５】二酸化炭素吸着剤における加熱時間と二酸化炭素残存量の関係を示したものである。
【図６】二酸化炭素吸着剤における加熱温度と水分吸着量の関係を示したものである。
【符号の説明】
１…冷媒圧縮機、２…凝縮器、３…減圧装置、４…蒸発器、５…二酸化炭素吸着器、６…ヒータ、７…四方弁、８…給湯回路。

Claims

少なくとも圧縮機、凝縮器、減圧装置、及び蒸発器を備え、冷凍機油と作動媒体として二酸化炭素冷媒を封入したサイクルにおいて、前記作動媒体の流路に二酸化炭素吸着器とそれを加熱するヒータを設けた冷凍サイクル。
上記吸着器は吸着剤として細孔径４Å以上の構造をもつケイ酸、アルミン酸アルカリ金属複合塩からなる合成ゼオライトを有し、そのアルカリ金属はＮａ若しくはＣａの少なくとも一つを有することを特徴とする冷凍サイクル。
上記吸着剤を加熱するヒータの温度範囲は、２００℃以下とした冷凍サイクル。