JP2008215748A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地球温暖化を抑制することができ、且つ冷媒の可燃性を低下させるとともに、非共沸によって生じる冷媒の温度変化を小さくすることのできる空気調和装置を提供すること。
【解決手段】圧縮機、凝縮器、減圧器および蒸発器を接続し、冷媒が循環するように構成した空気調和装置において、強燃性で、炭化水素からなる冷媒と、不燃性で、ペンタフルオロエタンよりも地球温暖化係数が小さい冷媒とを、弱燃性になる質量割合で混合した混合冷媒を封入する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒を循環させて空気などの被伝熱流体を冷却または加熱する空気調和装置に関するものである。

ジフルオロメタンとペンタフルオロエタンとの混合冷媒を冷凍サイクルで用いる従来の空気調和装置では、圧縮機における吐出圧力が上昇したり、吐出温度が上昇するという問題を解決するために、上記混合冷媒全体に対して６５重量％以上のプロパンを混合することが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００５−１５６３４号公報

しかしながら、冷媒全体に占めるプロパンの割合を６５重量％以上とした上記従来の混合冷媒は、爆発下限界が２．１〜６体積％、発熱量が３０〜４６ＭＪ／ｋｇであり、国際規格であるＩＳＯ規格およびＩＥＣ規格に定められた強燃性ガスに相当する。そのため、この混合冷媒は、極めて取扱いに注意が必要な冷媒であり、運転中または設置工事中の冷媒漏洩による爆発が懸念される。なお、規格ＩＳＯ５１４９−１９９３では、爆発下限体積濃度３．５％未満を強燃性ガス、それ以外を弱燃性と定め、規格ＩＥＣ６１Ｄ／１２５／ＣＤＶでは、爆発下限質量濃度が０．１ｋｇ／ｍ³以下または燃焼熱量１９ＭＪ／ｋｇ以上を強燃性、それ以外を弱燃性と定めている。

また、ジフルオロメタンおよびペンタフルオロエタンは温室効果が高いという問題があるうえに、沸点の異なる冷媒をこの混合冷媒に混合した場合には非共沸性が大きくなるという問題がある。非共沸性が大きい場合には、冷媒が定圧変化で凝縮または蒸発するときに冷媒の温度変化が大きくなるため、凝縮器および蒸発器における熱交換性能が低下し、空気調和装置の性能が低下するという問題がある。

従って、本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、地球温暖化を抑制することができ、且つ冷媒の可燃性を低下させるとともに、非共沸によって生じる冷媒の温度変化を小さくすることのできる空気調和装置を提供することを目的としている。

そこで、本発明者らは上記のような従来の問題点を解決すべく鋭意研究、開発を遂行した結果、このような問題点を解決するためには、強燃性で、炭化水素からなる冷媒と、不燃性で、ペンタフルオロエタンよりも地球温暖化係数が小さい冷媒とを、弱燃性まで可燃性を抑制できる質量割合で混合した混合冷媒を用いることが有効であることに想到し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明に係る空気調和装置は、圧縮機、凝縮器、減圧器および蒸発器を接続し、冷媒が循環するように構成した空気調和装置において、強燃性で、炭化水素からなる冷媒と、不燃性で、ペンタフルオロエタンよりも地球温暖化係数が小さい冷媒とを、弱燃性になる質量割合で混合した混合冷媒を封入したものである。

本発明によれば、地球温暖化を抑制することができ、且つ冷媒の可燃性を低下させるとともに、非共沸によって生じる冷媒の温度変化を小さくすることのできる空気調和装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の構成図である。図１において、実施の形態１に係る空気調和装置１は、主要構成機器である圧縮機２、凝縮器３、減圧器４および蒸発器５を備えている。これらの主要構成機器は、冷媒配管で順に接続されており、空気調和装置１に封入された混合冷媒が図１の黒矢印の方向に循環するように構成されている。
凝縮器３および蒸発器５は、例えば、図２に示されるように、複数の伝熱フィン６と、その伝熱フィン６と直交する方向に貫通し、混合冷媒が分岐することなく流れる（図２の黒矢印）一繋がりの伝熱管７とにより構成されるフィン−チューブ型の熱交換器であることができる。この熱交換器では、図２に示されるように、空気などの被伝熱流体の流れ方向（図２の白抜き矢印）に対し伝熱管７が１列に配置されている（１列１パスの熱交換器）。この熱交換器では、伝熱管７を流れる混合冷媒が、伝熱管７の外部を流れる空気などの被伝熱流体と熱交換され、蒸発または凝縮する。

混合冷媒としては、強燃性で、炭化水素からなる冷媒と、不燃性で、ペンタフルオロエタンよりも地球温暖化係数が小さい冷媒とを、弱燃性になる質量割合で混合したもの、好ましくは、弱燃性になり且つ非共沸性による凝縮器３または蒸発器４における冷媒の温度変化がジフルオロメタン、ペンタフルオロエタンおよびテトラフルオロエタンからなる混合冷媒（Ｒ４０７Ｃ）よりも小さくなる質量割合で混合したものを用いることができる。強燃性で、炭化水素からなる冷媒の具体例としては、プロパン、シクロプロパンおよびこれらの混合物からなる群から選択されるものが挙げられ、また、不燃性で、ペンタフルオロエタンよりも地球温暖化係数が小さい冷媒の具体例としては、テトラフルオロエタン、ペンタフルオロプロパン、テトラフルオロプロパン、テトラフルオロプロピレン、テトラフルオロシクロプロパンおよびこれらの混合物からなる群から選択されるものが挙げられる。これらの冷媒の具体的な混合割合は、強燃性で、炭化水素からなる冷媒の質量割合が、混合冷媒全体に対して好ましくは１０質量％以上、４５質量％以下、更に好ましくは１５質量％以上、４０質量％以下である。混合冷媒の混合割合が、上記数値範囲内であれば、非共沸性を小さくすることができ、凝縮器３および蒸発器４での熱交換能が向上する。

なお、本発明において、強燃性とは、爆発下限体積濃度が３．５体積％未満、爆発下限質量濃度が０．１ｋｇ／ｍ³以下および燃焼熱量が１９ＭＪ／ｋｇ以上の何れか１つを少なくとも満たすことを意味し、不燃性とは、燃焼性がないことを意味し、弱燃性とは、爆発下限体積濃度が３．５体積％以上、爆発下限質量濃度が０．１ｋｇ／ｍ³を超え且つ燃焼熱量１９ＭＪ／ｋｇ未満であることを意味する。

また、空気調和装置１には、圧縮機２の動作条件において、凝縮器３の出口の混合冷媒液に０．１質量％以上、好ましくは１質量％以上、５質量％以下溶解し、温度４０℃において、２ｍｍ²／ｓ以上、好ましくは１０ｍｍ²／ｓ以上、更に好ましくは２０ｍｍ²／ｓ以上、１００ｍｍ²／ｓ以下の粘度を有する圧縮機用潤滑油を封入してもよい。このような特定の圧縮機用潤滑油を封入することで、圧縮機２から吐出される圧縮機用潤滑油は、一般的に流速が最も遅くなる凝縮器３の出口の冷媒配管においてその殆どが混合冷媒液に溶解し、凝縮器３、蒸発器５や冷媒配管に滞留することなく、圧縮機２に戻されるため、信頼性の高い空気調和装置の運転ができる。圧縮機用潤滑油の具体例としては、アルキルベンゼン、ポリオールエステル、ポリアルキレングリコール、ポリビニルエーテル、カーボネイト、鉱油およびこれらの混合物が挙げられる。

次に、実施の形態１に係る空気調和装置１の動作について、図２および３を用いて説明する。図３は、実施の形態１による空気調和装置１の動作を示す温度−エンタルピ線図である。混合冷媒は、低温低圧のガス状態（図２および３の［１］）で、圧縮機２に吸入され、高温高圧のガス状態（図２および３の［２］）まで昇圧され、圧縮機２の摺動部の潤滑のために封入されている圧縮機用潤滑油の一部（混合冷媒の質量流量の１質量％程度以下である）とともに吐出される。続いて、昇圧された混合冷媒は、凝縮器３で空気などの被伝熱流体を加熱して、ほぼ一定の圧力を保ちながら凝縮し高圧の混合冷媒液（図２および３の［３］）に変化し、圧縮機用潤滑油は混合冷媒ガスの凝縮によって生じる混合冷媒液に溶解し、混合冷媒とともに流れる。このとき、例えば、３０質量％のプロパンおよび７０質量％のテトラフルオロエタン（Ｒ１３４ａ）からなる混合冷媒（爆発下限体積濃度１２体積％、爆発下限質量濃度０．４ｋｇ／ｍ³および燃焼熱量１４ＭＪ／ｋｇ；以下、本発明の混合冷媒１という）を用いた場合、混合冷媒を構成する冷媒の非共沸性、つまり沸点の違いによって混合冷媒液の温度が約１℃低下する。温度低下した混合冷媒液は、減圧器４で低温低圧の気液二相状態の混合冷媒（図２および３の［４］）に変化し、蒸発器５で空気などの被伝熱流体を冷却して、ほぼ一定の圧力を保ちながら蒸発し低温低圧の混合冷媒ガス（図２および３の［１］）に変化し、混合冷媒の蒸発によって溶出した圧縮機用潤滑油とともに圧縮機２に戻る。蒸発器５においても凝縮器３と同様に、例えば、本発明の混合冷媒１を用いた場合、冷媒の非共沸性によって混合冷媒の温度が約１℃上昇する。

次に、空気調和装置の性能について説明する。一般的に、凝縮器３および蒸発器５における冷媒の温度変化は、非共沸性が大きいほど大きくなり、空気などの被伝熱流体と冷媒とが直交するように流れるフィン−チューブ型の熱交換器では、熱交換能が低下し空気調和装置の効率が低下する。このような温度変化は、例えば蒸発器５の場合には図３の［１］における温度と図３の［４］における温度との差分（ΔＴｅ）である。

例えば、下記式（１）で定義する移動単位数ＮＴＵが０．７、下記式（２）で定義する熱容量流量比Ｒが１．４の条件で、図２に示した１列１パスの熱交換器において、温度変化がない場合の熱交換量Ｑ’[ｋＷ]で規格化した熱交換量Ｑ［ｋＷ］と混合冷媒の温度変化ΔＴｅ［℃］との関係を図４に示す。なお、Ｋは熱交換量熱交換器の熱通過率［ｋＷ/(ｍ²・℃)］、Ａは伝熱面積［ｍ²］、Ｇ_aは空気流量[ｋｇ/ｓ]、Ｃｐ_aは空気比熱［ｋＪ/(ｋｇ・℃)］、Ｗは混合冷媒の熱容量流量［ｋＷ/℃］である。

図４において、Ａ点は、５０質量％のジフルオロメタンおよび５０質量％のペンタフルオロエタンからなる従来の混合冷媒（不燃性；以下、従来の混合冷媒１という）、Ｂ点は、２３質量％のジフルオロメタン、２５質量％のペンタフルオロエタンおよび５２質量％のテトラフルオロエタンからなる従来の混合冷媒（不燃性；以下、従来の混合冷媒２という）を示している。図４に示されるように、冷媒の非共沸性によって生じる温度変化ΔＴｅが大きいほど熱交換量Ｑが低下する。

上述した本発明の混合冷媒１（約１℃の温度差を生じる）は、温度差を生じない場合と比較して熱交換量が約３％低下するが、従来の混合冷媒２よりも、熱交換量が１３％も向上する。

次に、上記温度差、冷媒の可燃性、温室効果および高圧側の動作圧力について説明する。本発明の混合冷媒１、従来の混合冷媒１、従来の混合冷媒２、６５質量％のプロパン、１７．５質量％のジフルオロメタンおよび１７．５質量％のペンタフルオロエタンからなる従来の混合冷媒（爆発下限体積濃度６体積％、爆発下限質量濃度０．１４ｋｇ／ｍ³および燃焼熱量３０ＭＪ／ｋｇ；以下、従来の混合冷媒３という）について、可燃性、温室効果（地球温暖化係数）、性能および高圧側の動作圧力に関する値を表１に示す。温室効果は二酸化炭素の温室効果を基準にした場合の指標である地球温暖化係数で表す。表１中、性能は、混合冷媒の蒸発器５における混合冷媒の温度変化を、混合冷媒の平均温度が１５℃のときに蒸発する際の温度差で示す。また、高圧側の動作圧力は、凝縮温度４０℃における飽和圧力を想定したものである。

表１から分かるように、従来の混合冷媒１および２は、地球温暖化係数が大きく、温室効果が高いという問題がある。従来の混合冷媒３は強燃性であるうえに、非共沸性によって生じる温度差が１１℃もあり、熱交換能が十分とはいえない。
一方、本発明の混合冷媒１は、弱燃性であり、地球温暖化係数は、他の不燃または弱燃性の混合冷媒と比較して約５３〜６０％まで低減できる。また、本発明の混合冷媒１の高圧側の動作圧力は、従来の混合冷媒２の１．６ＭＰａや、過去に空調用冷媒として広く利用されていたＨＣＦＣ冷媒であるジフルオロメタンの１．５ＭＰａとほぼ同程度であり、その他の混合冷媒よりも低い圧力で動作する。

実施の形態１によれば、混合冷媒の可燃性を低下させることができ、さらに、地球温暖化を従来の混合冷媒よりも低くすることができる。さらに、非共沸性による温度差を、従来の混合冷媒よりも小さくすることができるので、空気調和装置の熱交換能を向上させることができる。また、空気調和装を構成する機器の耐圧性にかかわる高圧側の動作圧力を小さくすることができるので、容器や冷媒配管の肉厚を低減することができる。

なお、圧縮機２として、圧縮機内の圧力が低圧側圧力（蒸発圧力）とほぼ同じになる低圧型圧縮機を用いてもよい。このように構成した空気調和装置では、圧縮機内に存在する強燃性で、炭化水素からなる冷媒の量を低減することができる。
なお、混合冷媒に、着臭剤、着色剤などの漏洩検知剤を添加してもよい。漏洩検知剤を添加することで、混合冷媒が冷媒配管の外に漏洩した場合には、混合冷媒とともに着臭剤などの漏洩検知剤が漏洩し、混合冷媒の漏洩を確認することができる。そのため、漏洩箇所の修繕、設置工事の作業停止、もしくは室内の換気などの対策を漏洩の初期段階でとることができる。このような漏洩検知剤の具体例としては、メチルメルカプタン、テトラヒドロチオフェン、アンモニアなどを主成分とする着臭剤、蛍光剤、アゾ顔料などを主成分とする着色剤が挙げられる。

実施の形態２．
プロパンおよびテトラフルオロエタンの混合割合を変えた混合冷媒の可燃性、温室効果、性能、高圧側圧力に関する値を表２に示す。表２から分かるように、特に、プロパンの混合割合を１５質量％〜４０質量％とした混合冷媒が、可燃性、温室効果および性能において優れている。

実施の形態３．
実施の形態１では、プロパンとテトラフルオロエタンとを混合した混合冷媒について説明したが、プロパンの代わりに、プロパンと同等もしくは低い可燃性および地球温暖化係数の冷媒、例えば、シクロプロパンやプロパンとシクロプロパンとの混合物を用いた混合冷媒でも同様の効果が得られる。

実施の形態４．
実施の形態１では、プロパンとテトラフルオロエタンとを混合した混合冷媒について説明したが、テトラフルオロエタンの代わりに、テトラフルオロエタンと同等もしくは低い可燃性、地球温暖化係数および非共沸性による温度差であり、且つテトラフルオロエタンとほぼ同等の高圧側動作圧力である冷媒、例えば、ペンタフルオロプロパン、テトラフルオロプロパン、テトラフルオロプロピレン、テトラフルオロシクロプロパンおよびこれらの混合物でも同様の効果が得られる。特に、地球温暖化係数が小さい冷媒では、さらに温室効果を小さくできる効果がある。

実施の形態５．
実施の形態５に係る空気調和装置は、凝縮器３または蒸発器５として、図５に示されるような、混合冷媒に対し、被伝熱流体が対向流となるように構成される多列（図５では３列）のフィン−チューブ型熱交換器を備える以外は実施の形態１に係る空気調和装置と同じ構成である。この熱交換器では、図５に示されるように、空気などの被伝熱流体の流れ方向（図５の白抜き矢印）に対し伝熱管７が３列に配置されている（３列のフィン−チューブ型熱交換器）。この熱交換器では、伝熱管７を流れる混合冷媒が、伝熱管７の外部を流れる空気などの被伝熱流体と熱交換され、蒸発または凝縮する。

図２に示した１列のフィン−チューブ型熱交換器を蒸発器として利用した場合における混合冷媒の温度変化と空気の温度変化との関係を図６に示す。混合冷媒は空気との熱交換により温度が上昇するが、空気の熱交換器への入口温度は一定であるため、混合冷媒の熱交換器入口から出口までの空気と冷媒との温度差が変化している。一方、図７に示すように、図５に示した３列のフィン−チューブ型熱交換器を蒸発器として利用した場合、混合冷媒の熱交換器の入口からの温度変化に対応して、空気の温度も変化するために、混合冷媒と空気との温度差を小さくすることができる。このように構成した空気調和装置によれば、熱交換器の性能が向上し、空気調和装置の効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る空気調和装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態１におけるフィン−チューブ型熱交換器を説明するための概念図である。 本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の動作を示す温度−エンタルピ線図である。 本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の熱交換量と温度変化との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態５に係る空気調和装置の熱交換器を説明するための概念図である。 本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の１列のフィン−チューブ型熱交換器における冷媒と空気との温度変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態５に係る空気調和装置の多列のフィン−チューブ型熱交換器における冷媒と空気との温度変化を示すグラフである。

符号の説明

１ 空気調和装置、２ 圧縮機、３ 凝縮器、４ 減圧器、５ 蒸発器、６ 伝熱フィン、７ 伝熱管。

Claims (8)

1. 圧縮機、凝縮器、減圧器および蒸発器を接続し、冷媒が循環するように構成した空気調和装置において、強燃性で、炭化水素からなる冷媒と、不燃性で、ペンタフルオロエタンよりも地球温暖化係数が小さい冷媒とを、弱燃性になる質量割合で混合した混合冷媒を封入したことを特徴とする空気調和装置。
2. 前記強燃性で、炭化水素からなる冷媒が、プロパン、シクロプロパンおよびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
3. 前記不燃性で、ペンタフルオロエタンよりも地球温暖化係数が小さい冷媒が、テトラフルオロエタン、ペンタフルオロプロパン、テトラフルオロプロパン、テトラフルオロプロピレン、テトラフルオロシクロプロパンおよびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和装置。
4. 前記強燃性で、炭化水素からなる冷媒の質量割合が、前記混合冷媒全体に対して１５質量％以上であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の空気調和装置。
5. 前記圧縮機の動作条件において、前記凝縮器の出口の前記混合冷媒液に１質量％以上溶解し、２ｍｍ²／ｓ以上の粘度を有する圧縮機用潤滑油を封入したことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の空気調和装置。
6. 前記凝縮器または前記蒸発器を流れる前記混合冷媒に対し、被伝熱流体が対向流となるように構成して熱交換させることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の空気調和装置。
7. 前記圧縮機が低圧型圧縮機であることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の空気調和装置。
8. 前記混合冷媒に、着臭剤または着色剤を添加したことを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の空気調和装置。

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