JP2010002134A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクル内に空気や水等が混入するリスクを低減し、蒸発器への冷凍機油の循環率を低く抑える、炭素２重結合を有する冷媒を用いた冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】冷凍サイクル装置１００は圧縮機１と凝縮器２とドライヤ３とエジェクタ４と気液分離器５と蒸発器７とを有し、気液分離器５において分離されたガス冷媒は圧縮機１に戻り、気液分離器５において分離された液冷媒は蒸発器７において蒸発した後、エジェクタ４に吸い込まれる。分子構造中に炭素２重結合を有し可燃性である「２、３、３、３−テトラフルオロプロピレン（異性体を含む）」が冷媒として使用され、該冷媒と相互溶解性が乏しく且つ該冷媒より密度の小さい「アルキルベンゼン油」が冷凍機油として用いられる。
【選択図】図１

Description

本発明は冷凍サイクル装置、特に、凝縮機の下流側にエジェクタを配置した冷凍サイクル装置に関するものである。

従来の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁（流量調整弁、キャピラリーチューブ等）と、蒸発器と、が順に冷媒配管によって接続されたり、圧縮機と、凝縮器と、エジェクタと、気液分離器と、が順に冷媒配管によって接続されたりしていた。
後者の場合、気液分離器において分離された液冷媒は蒸発器において蒸発した後、エジェクタに吸い込まれ、一方、分離されたガス冷媒は圧縮機に戻り、再度圧縮されるものである。このため、エジェクタは、膨張弁におけるエネルギロスを回収し、圧縮機の入口における冷媒圧力を上昇させるから、圧縮機の負担（圧縮比）が低減する（例えば、特許文献１参照）。

また、冷媒に冷凍機油が溶け込んでいる場合（冷媒との相互溶解性が高く、液冷媒中への冷凍機油溶解比率が高い場合に同じ）、蒸発器側への油循環率が高いまま維持され、熱伝達率の低下を招いて機器の効率を低下させてしまう。このため、気液分離器に粗粒化部材を設けて、液冷媒が粗粒化部材を通過する際、液冷媒に含まれた冷凍機油の粒径を大きくすることによって油分離効率を向上させる発明（冷凍機油の沈降速度を増加させる発明）が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−２０５８９８号公報（第３−４頁、第１図） 特開２００６−１２５７１９号公報（第４−５頁、第１図）

近年、オゾン層破壊防止の観点から塩素を含まない冷媒への代替が行われたが、これら塩素を含まないＨＦＣ冷媒は比較的温暖化係数（地球温暖化可能性に同じ、二酸化炭素の温室効果を基準にした温室効果の度合いを示す値、Ｇｌｏｂａｌ Ｗａｒｍｉｎｇ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ、以下「ＧＷＰ」と称す）が高いため、冷凍サイクル装置の外への漏洩防止対策が取られたり、機器の廃棄時には冷媒回収義務が課せられたりしている。
しかしながら、回収率がまだ不充分であることから、更にＧＷＰの低い冷媒へ規制される情勢にある。特に、ＥＵではカ−エアコン用に関してはＧＷＰの値が１５０以下の冷媒へ規制される情勢にあり、その候補冷媒として、二酸化炭素（ＣＯ₂）などの自然冷媒以外に、ハイドロフルオロオレフィンなどの検討が開始されている。

ハイドロフルオロオレフィンは炭素の２重結合を持つ分子構造である。一般に炭素と炭素との二重結合や三重結合という官能基、言い換えるとアルケンやアルキンのような（不飽和炭化水素）は、さまざまな分子が付加反応するという特徴を持っている。このため、従来の２重結合を持たない冷媒に対して、２重結合を持つ冷媒は、２重結合部が開裂し易く官能基が他の物質と反応し易く化学的安定性が極端に劣る特性を有している。
特に、冷凍回路内にコンタミとして混入した空気や水分との反応によって冷媒の分解が懸念される。また、ハイドロフルオロオレフィンのなかでもテトラフルオロプロピレンは、沸点が−１９℃と高い。このため、冬季の外気温度が低いときなど、冷凍サイクルの低圧側は負圧になる可能性が高く、冷凍回路内に空気や水分が混入するおそれが高い。すなわち、冷媒配管に欠陥部等がある場合、そこから混入した空気が冷媒と反応して、冷媒の分解が促進され、スラッジが生成されるリスクが高くなるという問題があった。

さらに、特許文献２に開示された発明では、液冷媒の密度より低い密度の冷凍機油を用いる場合には、冷凍機油が浮上して粗粒化部材を通過しないため、油分離効果が全く得られないという問題があった。

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、ハイドロフルオロオレフィンなどの炭素２重結合を有する冷媒を用いた場合にも、低圧側が負圧になる範囲を減らして冷凍サイクル内に空気や水等が混入するリスクを低減することを目的とする。
さらに、冷媒との相互溶解性に乏しく液冷媒より密度の低い冷凍機油を用いる場合にも、蒸発器への冷凍機油の循環率を低く抑えて機器の効率低下を防止することを目的とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、後記気液分離器において分離された気相状態の冷媒を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機において圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
該凝縮器において凝縮した冷媒を膨張させると共に、後記蒸発器において蒸発した冷媒を吸引するエジェクタと、
該エジェクタにおいて膨張された冷媒を気相状態の冷媒と液相状態の冷媒とに分離する気液分離器と、
該気液分離器において分離された液相状態の冷媒を蒸発させる蒸発器と、を有し、
前記冷媒として、炭素２重結合を有する冷媒、または炭素２重結合を有する冷媒を含む混合冷媒が使用されてなることを特徴とする。

したがって、本発明に係る冷凍サイクル装置は、エジェクタの下流側に気液分離器を設け、気液分離器において分離された気相状態の冷媒（以下、「ガス冷媒」と称す）を圧縮機に導き、気液分離器において分離された液相状態の冷媒（以下、「液冷媒」と称す）をエジェクタに吸引させ、炭素２重結合を有した冷媒または炭素２重結合を有した冷媒を含む混合冷媒（その他のＨＦＣ系、ＨＣ系、あるいは自然冷媒などとの混合冷媒）を使用するから、冷凍サイクルの低圧側が大気圧以上に昇圧されるため、冷凍サイクル内に空気や水等が混入するおそれが低減する。よって、冷媒が分解するリスクが低減され、冷凍サイクル装置の長期に渡る安定稼働が図られる。

［実施の形態１］
図１〜図３は本発明の実施形態１に係る冷凍サイクル装置を説明するものであって、図１は構成を示す冷媒回路図、図２は構成部材の一部（エジェクタ）の特性を示す圧力分布図、図３は図１に示す回路構成図の各位置における冷媒状態を示すＰ−Ｈ線図（モリエル線図）である。

（回路構成）
図１において、冷凍サイクル装置１００は、中温低圧のガス冷媒を吸入圧縮して高温高圧のガス冷媒を吐出する圧縮機１と、高温高圧のガス冷媒を冷却凝縮して中温高圧の液冷媒を吐出する凝縮器２と、凝縮器２の下流側（液配管中）に設置され、前記液冷媒中に水分が含まれていた場合に該水分を除く（または水分量を低減する）ドライヤ３と、ドライヤ３からの液冷媒を減圧（膨張）させると共に、蒸発器７を経由したガス冷媒を、吸い込んで混合するエジェクタ４と、エジェクタ４から出た二相状態の低温低圧冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離する気液分離器５と、気液分離器５から出た液冷媒を蒸発させる蒸発器７と、を有している。
なお、蒸発器７において蒸発して吐出される中温低圧のガス冷媒は、エジェクタ４に吸い込まれる。また、気液分離器５から出た低温低圧のガス冷媒は圧縮機１に吸引される。
なお、前記「低温、中温、高温、低圧、高圧」とは、説明上の便宜であって、高温高圧と中温高圧とが、必ずしも同じ圧力を意味するものではなく、中温高圧と中温低圧とが、必ずしも同じ温度を意味するものではない。

（冷媒）
冷凍サイクル装置１００には冷媒として、ＧＷＰの値が小さい冷媒（以下、「低ＧＷＰ冷媒」と称す）が使用されている。たとえば、低ＧＷＰ冷媒として、分子構造中に炭素２重結合を有し可燃性である「２、３、３、３−テトラフルオロプロピレン（異性体を含む）」が使用される。
２、３、３、３−テトラフルオロプロピレンは可燃下限値（ＬＦＬ）が、「６．５％」であって、可燃性を有し、大気圧下２５℃における沸点は「−２９℃」である。すなわち、Ｒ４１０Ａ冷媒の大気圧下２５℃における沸点は「−４０℃」であるから、これに比べて高い沸点を有している。
また、２、３、３、３−テトラフルオロプロピレンの２５℃における液密度は「１０９４ｋｇ／ｍ^∧３」である。

（冷凍機油）
圧縮機１内には、２、３、３、３−テトラフルオロプロピレンとの相互溶解性に乏しく、且つ、２、３、３、３−テトラフルオロプロピレンより液密度の小さいアルキルベンゼン油が封入されている。アルキルベンゼン油の密度は「９００〜９９０ｋｇ／ｍ^∧３」であるので、前記液冷媒より密度が小さい。

（動作）
次に、冷凍サイクル装置１００における動作について、図１〜図３に基づいて説明する。なお、図１における位置「Ａ、Ｂ、Ｃ・・・」における冷媒の状態が、図３における状態「Ａ、Ｂ、Ｃ・・・」に対応している。
まず、圧縮機１ から吐出された高温高圧のガス冷媒（状態Ａ）は、凝縮器２において被加熱媒体である空気等に放熱し、冷媒は凝縮され中温高圧の液冷媒となる（状態Ｂ）。そして、該液冷媒に水分が含まれている場合にはドライヤ３において水分を除去（水分量を減少）された後 、該液冷媒はエジェクタ４に流入する。

エジェクタ４では、ドライヤ３を通過した液冷媒がエジェクタノズル部４ａで減圧され（状態Ｃ）、エジェクタデフューザ部４ｂで昇圧され、エジェクタ混合部４ｃに吐出される。一方、エジェクタ吸引部４ｅからは蒸発器７において蒸発したガス冷媒が吸引される（状態Ｇ）。そして、エジェクタデフューザ部４ｂを通過した冷媒とエジェクタ吸引部４ｅから吸引された冷媒とが、エジェクタ混合部４ｃにおいて混合され、エジェクタ出口４ｄより二相冷媒として吐出される（状態Ｄ）。

エジェクタ４から吐出された二相冷媒は、気液分離器５に流入して、ガス冷媒（状態Ｈ）と液冷媒（状態Ｅ）とに分離される。
分離されたガス冷媒は、圧縮機１に導かれる（状態Ｈ）。一方、分離された液冷媒は、蒸発器７に流入し、蒸発器７内で圧力損失を受けながら蒸発し（状態Ｇ）、エジェクタ４ のエジェクタ吸引部４ｅに吸引される。
また、気液分離器５内では、二相冷媒に含まれた冷凍機油が分離され、油戻しパイプ６を介して圧縮機１に戻される。

（作用効果）
したがって、冷凍サイクル装置１００において、最も低圧となる範囲（状態Ｅ、状態Ｄ、状態Ｈより低圧となる範囲）は、エジェクタ４内部に限定されている。すなわち、ドライヤ３を通過した液冷媒が減圧される部位である「エジェクタノズル部４ａ」と、蒸発器７を通過したガス冷媒が流れる「エジェクタ吸引部４ｅ（状態Ｇ）からエジェクタ混合部４ｃの範囲」とが、最も低圧となる。

一方、従来のエジェクタを使用せず絞り機構に毛細管等を用いた冷凍サイクルの冷媒状態を図３中に点線で示している。毛細管等のサイクルではエジェクタによる昇圧効果がないため低圧側の圧力がエジェクタを用いた冷凍サイクルに比べて低い。すなわち、エジェクタによって図中「ΔＰ」の昇圧効果が奏される。
つまり、エジェクタの昇圧効果によって低圧が上昇するため、高沸点冷媒を用いても低圧側が負圧になる可能性のある範囲を、エジェクタ内部に限定することができる。よって、空気や水等が冷凍サイクル内に混入するリスクを低減することができると共に、外気温度が低いときに、蒸発温度の下限値を伸ばすことが可能となるから、温度の制御幅が広いくなっている（拡大されている）。
さらに、圧縮機１が吸引するガス冷媒の圧力が上がるから、圧縮比が低減され、圧縮機１の入力が低減される。また、これによって圧縮機構部の漏れ損失も減少するから、機器の効率が向上するという効果も得られる。

さらに、冷凍サイクル装置１００では、冷媒（２、３、３、３−テトラフルオロプロピレン）との相互溶解性の乏しいアルキルベンゼン系冷凍機油を使用するから、圧縮機１や気液分離器５内における冷媒への冷凍機油の冷媒溶解量を少なくすることができるため、相互溶解性の高い冷凍機油に比べて機器への冷媒封入量を減らすことができる。よって、仮に、可燃性を有する前記冷媒が漏洩したとしても、火災の危険性を減少させることが可能になっている。
なお、冷凍サイクル装置１００よりドライヤ３を撤去してもよい。冷媒自体あるいは機器への影響がない場合には、循環する冷媒中に含まれる僅かな量の水分は許容されるからである。

（混合冷媒）
以上、冷媒として２、３、３、３−テトラフルオロプロピレンを使用するものを示しているが、本発明はこれに限定するものではなく、炭素２重結合を有する冷媒であれば何れであってもよい。すなわち、エジェクタの昇圧効果によって空気や水等の混入が防止されるため、空気による炭素２重結合が分解するリスクが軽減されるからである。
また、冷媒は、炭素２重結合を有する冷媒と他の冷媒とが混合された混合冷媒であってもよい。たとえば、混合される他の冷媒として、ＨＦＣ系冷媒（Ｒ１３４ａ、Ｒ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ等）、ＨＣ系冷媒（イソブタン、プロパン等）、自然冷媒（二酸化炭素（ＣＯ₂）等）などがある。
さらに、２、３、３、３−テトラフルオロプロピレン冷媒が使用される場合、または、２、３、３、３−テトラフルオロプロピレンに替えて「炭素２重結合を有し且つ可燃性を有する冷媒」が使用される場合、凍機油としてアルキルベンゼンに替えて、当該冷媒に対して相互溶解性に乏しいもの、たとえば、ＰＡＧ等、を用いてもよい。すなわち、かかる特性によって冷媒充填量を減らす効果が得られるからである。

［実施の形態２］
図４は本発明の実施形態２に係る冷凍サイクル装置の一部（気液分離器）を模式的に示す側面視の断面図である。なお、冷凍サイクル装置２００の冷媒回路の構成や、構成部材の一部（エジェクタ）の特性は冷凍サイクル装置１００（実施の形態１）に同じであるから、冷凍サイクル装置２００は前記冷凍サイクル装置１００と同様の作用効果を奏する。 以下、冷凍サイクル装置１００にない冷凍サイクル装置２００の構成と、かかる構成による作用効果について説明する。

図４において、冷凍サイクル装置２００の気液分離器５０には油分離機構が設けられている。すなわち、気液分離器５０の中では、液冷媒、ガス冷媒、冷凍機油が混在するが、それぞれの間に密度差（比重差に同じ）があるため、これを利用して冷凍機油を分離しようとするものである。
冷凍サイクル装置２００は、冷媒として２、３、３、３−テトラフルオロプロピレン（２５℃における液密度は１０９４ｋｇ／ｍ^∧３）が使用され、該冷媒よりも液密度が低く、且つ、該冷媒との溶解性に乏しいアルキルベンゼン油（２５℃における液密度は９００〜９９０ｋｇ／ｍ^∧３）が、冷凍機油として封入されている。したがって、気液分離器５０において、液冷媒が沈み、液冷媒の上に冷凍機油が常に浮かんでいる。

気液分離器５０に設けられた油分離機構は以下のように構成されている。すなわち、密閉容器５０ａの天面に近い側面（天面でもよい）にエジェクタ４（正確にはエジェクタ出口４ｄ）に連通する二相冷媒パイプ４５が設置され、天面に圧縮機１に連通するガスパイプ５１が設置され、底面に蒸発器７に連通する液パイプ５７が設置されている。
また、油戻しパイプ６が底面を貫通して密閉容器５０ａ内に挿入され、その先端である油吸い込み口６ａが底面から所定の高さに位置している。
また、油戻しパイプ６の先端に近い側面には支点腕５０ｂが設置され、支点腕５０ｂの支点５０ｃには、これを中心にして揺動自在（シソー状の運動に同じ）な揺動棒５０ｄが設置されている。そして、揺動棒５０ｄの一方の端部にはフロート８が、他方の端部には栓９が、それぞれ設置されている。

このとき、フロート８は、液冷媒に対して浮くような浮力に設定され、且つ、栓９よりも質量を大きくしている。また、栓９は、油戻しパイプ６の油吸い込み口６ａを塞ぐことができるものである。
すなわち、液冷媒の量が少ないとき、フロート８は低い位置にあるから、栓９は持ち上げられる。一方、液冷媒の量が増すと、フロート８は上昇するから、栓９は下降し、やがて、栓９は油吸い込み口６ａを閉塞する。そして、液冷媒の量がさらに増したとしても、栓９は油吸い込み口６ａを閉塞したままで、フロート８がさらに上昇することはない。

したがって、液冷媒が気液分離器５０のなかに貯留されて、液冷媒の液面位置が油戻しパイプ６の上端である油吸い込み口６ａに達するまでは、フロート８が下降しているから、栓９は上昇して油吸い込み口６ａを開放している。そのため、液冷媒の上層に位置するガス冷媒および冷凍機油は、油戻しパイプ６に吸い込まれ、圧縮機１に戻される。このとき、冷凍機油は液冷媒の液面の上に浮かんでいるから、液パイプ５７に流入することがなく、蒸発器７に流入することがない。
一方、液冷媒の貯留量が増えて、液冷媒の液面が油戻しパイプ６の上端である油吸い込み口６ａにまで達すると、フロート８が上昇して栓９は下降するから、油吸い込み口６ａは閉じられる。したがって、油戻しパイプ６に冷凍機油や液冷媒等が流入することが無く、液冷媒が圧縮機１に吸入されることが無いため、液圧縮による圧縮機１の故障を防ぐ効果もある。

なお、以上は、１本の油戻しパイプ６が密閉容器５０ａに挿入されているが、本発明はこれに限定するものではなく、油戻しパイプ６の先端近くを複数のパイプに分岐して、それぞれのパイプに前記油分岐機構を設置してもよい。
このとき、複数のパイプの挿入深さを相違させておけば、複数の異なる高さに油吸い込み口６ａが形成されることになる。そうすると、貯留される液冷媒の液面高さが低い場合には、低い位置にある油吸い込み口６ａから圧縮機１に冷凍機油が戻り、一方、貯留される液冷媒の液面高さが高い場合には、低い位置にある油吸い込み口６ａが閉塞され、高い位置にある油吸い込み口６ａから圧縮機１に冷凍機油が戻ることになる。

よって、貯留される液冷媒の量が変動する場合であっても、蒸発器７への冷凍機油の流出を常に防止した上で、圧縮機１には冷凍機油を常に（または頻繁に）戻すことが可能になる。
なお、前記形態は、１本の油戻しパイプ６が密閉容器５０ａに挿入された状態で、密閉容器５０ａ内で複数のパイプに分岐されてもよいし、密閉容器５０ａの外で複数のパイプに分岐され、複数のパイプが密閉容器５０ａに挿入されるようにしてもよい。また、それぞれのパイプの形状（内径、断面形状等）や材質は限定するものではない。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷凍サイクル内に空気や水等が混入するリスクを低減し、蒸発器への冷凍機油の循環率を低く抑えることができるから、炭素２重結合を有する冷媒を使用する各種冷凍サイクル装置として広く利用することができる。

本発明の実施形態１に係る冷凍サイクル装置の構成を示す冷媒回路図。 図１に示す冷凍サイクル装置のエジェクタの特性を示す圧力分布図。 図１に示す回路構成図の各位置における冷媒状態を示すＰ−Ｈ線図。 本発明の実施形態２に係る冷凍サイクル装置の気液分離器を模式的に示す側面視の断面図。

符号の説明

１：圧縮機、２：凝縮器、３：ドライヤ、４：エジェクタ、４ａ：エジェクタノズル部、４ｂ：エジェクタデフューザ部、４ｃ：エジェクタ混合部、４ｄ：エジェクタ出口、４ｅ：エジェクタ吸引部、５：気液分離器、６：油戻しパイプ、６ａ：油吸い込み口、７：蒸発器、８：フロート、９：栓、４５：二相冷媒パイプ、５０：気液分離器（実施の形態２）、５０ａ：密閉容器、５０ｂ：支点腕、５０ｃ：支点、５０ｄ：揺動棒、５１：ガスパイプ、５７：液パイプ、１００：冷凍サイクル装置（実施の形態１）、２００：冷凍サイクル装置（実施の形態２）。

Claims (5)

1. 後記気液分離器において分離された気相部分の冷媒を圧縮する圧縮機と、
   該圧縮機において圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
   該凝縮器において凝縮した冷媒を膨張させると共に、後記蒸発器において蒸発した冷媒を吸引するエジェクタと、
   該エジェクタにおいて膨張された冷媒を気相部分と液相部分とに分離する気液分離器と、
   該気液分離器において分離された液相部分を蒸発させる蒸発器と、を有し、
   炭素２重結合を有する冷媒、または炭素２重結合を有する冷媒を含む混合冷媒が使用されてなることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 後記気液分離器において分離された気相部分の冷媒を圧縮する圧縮機と、
   該圧縮機において圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
   該凝縮器において凝縮した冷媒を膨張させると共に、後記蒸発器において蒸発した冷媒を吸引するエジェクタと、
   該エジェクタにおいて膨張された冷媒を気相部分と液相部分とに分離する気液分離器と、
   該気液分離器において分離された液相部分を蒸発させる蒸発器と、を有し、
   炭素２重結合を有する可燃性冷媒、または炭素２重結合を有する可燃性冷媒を含む混合冷媒が使用され、
   該使用された冷媒との相互溶解性に乏しい冷凍機油が用いられてなることを特徴とする冷凍サイクル装置。
3. 後記気液分離器において分離された気相部分の冷媒を圧縮する圧縮機と、
   該圧縮機において圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
   該凝縮器において凝縮した冷媒を膨張させると共に、後記蒸発器において蒸発した冷媒を吸引するエジェクタと、
   該エジェクタにおいて膨張された冷媒を気相部分と液相部分とに分離する気液分離器と、
   該気液分離器において分離された液相部分を蒸発させる蒸発器と、を有し、
   ２、３、３、３−テトラフルオロプロペン冷媒が使用され、且つ、アルキルベンゼン系冷凍機油が用いられてなることを特徴とする冷凍サイクル装置。
4. 前記気液分離器に油分離機構が設けられ、該油分離機構によって分離された冷凍機油が前記圧縮機に供給されることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記凝縮器の下流に、該凝縮器において凝縮した冷媒に含まれる水分の一部または全部を除去する水分除去手段が設置され、
   前記エジェクタが、前記凝縮器において凝縮した冷媒を膨張させると共に、前記蒸発器において蒸発した冷媒を吸引するのに替えて、前記水分除去手段を通過した冷媒を膨張させると共に、前記蒸発器において蒸発した冷媒を吸引することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の冷凍サイクル装置。

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