JP2012251767A

JP2012251767A - 混合冷媒とそれを用いた冷凍サイクル装置

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Publication number: JP2012251767A
Application number: JP2012167949A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Shimizu; 俊哉清水; Tetsuji Nanatane; 哲二七種
Original assignee: Nihon Kentetsu Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Nihon Kentetsu Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2012-12-20

Abstract

【課題】地球温暖化を抑制するため、ＧＷＰを低く抑えつつＲ４１０Ａ、Ｒ４０４Ａを使用した空調、冷凍冷蔵設備同等の耐圧強度を有した機器に使用可能なテトラフルオロプロパンとＨＦＣ冷媒からなる混合冷媒で汎用性の優れた特性を持った代替冷媒、およびこの混合冷媒で課題となる吐出温度の低下による吐出ガスを用いたデフロスト（除霜）の熱源確保をできる冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】ＨＦＯ−１２３４ｙｆとＲ３２とからなり、Ｒ３２の占める質量割合が２０質量％以上含む混合冷媒とし、この混合冷媒を用いたことを特徴とする冷凍サイクル装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、テトラフルオロプロパン（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ）とジフルオロメタン（Ｒ３２）からなる混合冷媒と、それを用いた冷凍サイクル装置に関するものである。

一般に冷凍サイクル装置は圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器、必要に応じて四方弁や気液分離器等を配管接続して冷凍サイクルを構成し、その内部に冷媒を循環させることにより、冷却または加熱作用を行っている。これらの冷凍サイクル装置における冷媒としては、フロン類（以下便宜上米国ＡＳＨＲＡＥ３４規格に基づきＲを付した記号の次に２桁Ｒ○○または３桁Ｒ○○○の数字をもって記す）と呼ばれるメタンまたはエタンから誘導されたハロゲン化炭化水素が知られている。

冷凍サイクル装置用の冷媒としては分子式がＣＨ_２Ｆ_２で沸点が−５３．２℃のジフルオロメタン（以下このジフルオロメタンをＲ３２と言う）と分子式がＣＨＦ_２ＣＦ_３で沸点が−４８．５℃のペンタフルオロエタン（以下このペンタフルオロエタンをＲ１２５と言う）との混合冷媒（以下この混合冷媒をＲ４１０Ａと言う）や分子式がＣＨ_３ＣＦ_３で沸点が−４７．８℃の１，１，１−トリフルオロエタン（以下この１，１，１−トリフルオロエタンをＲ１４３ａと言う）と分子式がＣＨ_２ＦＣＦ_３で沸点が−２６．２℃の１，１，１，２−テトラフルオロエタン（以下この１，１，１，２−テトラフルオロエタンをＲ１３４ａと言う）と上記のＲ１２５との混合冷媒（以下この混合冷媒をＲ４０４Ａと言う）などが用いられている。

このＲ４１０ＡやＲ４０４Ａは分子構造中に塩素を含まず水素を含むフッ化炭化水素類（以下この冷媒をＨＦＣ冷媒と言う）の混合冷媒であり、分子構造中に塩素を含むフッ化炭化水素類（以下この冷媒をＨＣＦＣ冷媒と言う）、例えばＲ２２などが成層圏のオゾン層破壊する能力があるため既にモントリオール議定書によって使用量と生産量が規制されているＨＣＦＣ冷媒の代替冷媒として使用されている。

地球環境問題の課題のひとつである地球温暖化に対する影響を示す地球温暖化係数（以下この地球温暖化係数をＧＷＰと言う）があるが、ＨＦＣ冷媒はＧＷＰが従来のＨＣＦＣ冷媒のＲ２２と同程度以上に高いという課題が残る。

ＧＷＰの低い冷媒として、自然冷媒である二酸化炭素（分子式Ｃ０_２）やアンモニア（分子式ＮＨ₃）があるが、二酸化炭素は圧力、吐出温度が高く冷凍サイクル部品の耐圧強化や圧縮機油の信頼性確保、また空調や冷凍冷蔵設備の既存配管流用不可などの課題がある。

ＨＦＣ冷媒の中でも、ＧＷＰがＨＣＦＣ冷媒のＲ２２の半分以下のＲ３２、Ｒ１５２ａもあるが、Ｒ３２単一冷媒はＲ４１０ＡやＲ４０４Ａよりも圧力、吐出温度が高いうえに弱燃性である。Ｒ１５２ａ単一冷媒は圧力が低く空調や冷凍冷蔵設備では冷凍能力を確保できないことや弱燃性という課題があるため、これらを混合冷媒として用いた冷凍サイクル装置が考案されている。（例えば特開２００５−１５６３４号公報）
特開２００５−１５６３４号公報

本発明が解決しようとする課題は、地球温暖化を抑制するため、ＧＷＰを低く抑えるため、テトラフルオロプロパン（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、分子式はＣＦ_３ＣＦ＝ＣＨ_２、以下このテトラフルオロプロパンをＨＦＯ−１２３４ｙｆと言う）とＨＦＣ冷媒との混合冷媒の使用環境を選定し、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０４Ａなど、他の混合冷媒で使用されている空調、冷凍冷蔵設備同等の耐圧強度を有する機器での代替を可能とすることである。

上記の課題を解決するため本発明は、ＨＦＯ−１２３４ｙｆとＨＦＣ冷媒であるＲ３２との混合冷媒といい、Ｒ３２の占める質量割合が２０質量％以上とするとともに、その冷媒をもちいた冷凍サイクル装置は、混合冷媒の課題となる吐出温度の低下による吐出ガスを用い、デフロスト（除霜）の熱源確保ができるものとしている。

本発明の混合冷媒はＨＦＣ冷媒の中でもＧＷＰの低いＲ３２を含み、さらにＧＷＰが小さく自然冷媒の係数に近いＨＦＯ−１２３４ｙｆとの混合冷媒であるため、ＧＷＰはＲ４１０ＡやＲ４０４Ａに比べて大幅に低減できるので、成層圏のオゾン層を破壊することなく、地球温暖化に対する影響も低減する。

また、本発明の混合冷媒は、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０４Ａと同等以下の圧力をもつため、Ｒ４１０ＡやＲ４０４Ａの代替冷媒となるものであり、Ｒ４１０ＡやＲ４０４Ａの既存設備の配管流用が可能となる。

以下に本発明の実施形態を図を用いて説明する。
図１は、Ｒ４１０ＡとＨＦＯ−１２３４ｙｆとＲ３２及びＨＦＯ−１２３４ｙｆとＲ３２との混合冷媒の温度６５℃における気液平衡特性を示すものであり、図１からＨＦＯ−１２３４ｙｆとＲ３２とは非共沸混合冷媒を構成することがわかる。

Ｒ４１０Ａを空調などに使用する場合の一般的な設計圧力（６５℃の飽和圧力）である４．２ＭＰａと比較するとＲ３２の濃度が約９０質量％以下で同等の飽和圧力となり、Ｒ４０４Ａを冷蔵冷凍設備などに使用する場合の一般的な設計圧力（６５℃の飽和圧力）である３．２ＭＰａと比較するとＲ３２の濃度が約５０質量％以下で同等の飽和圧力となることがわかる。

図２からＲ４０４Ａを冷蔵設備などに使用する場合の一般的な設計蒸発温度である−１０℃での低圧では単一冷媒、混合冷媒の比率に関わらず大気圧（１０１ｋＰａ）以上のため問題ないが、Ｒ４０４Ａを冷凍設備などに使用する場合の一般的な設計蒸発温度である−４０℃での低圧はＨＦＯ−１２３４ｙｆ単一冷媒で大気圧（１０１ｋＰａ）以下となり、ＨＦＯ−１２３４ｙｆとＲ３２との混合冷媒ではＲ３２の濃度が約４０質量％以上で同等の大気圧（１０１ｋＰａ）となることがわかる。Ｒ４１０Ａを空調などに使用する場合の一般的な設計蒸発温度は冷房、暖房ともＲ４０４Ａを冷凍設備などに使用する場合の−４０℃よりも高いため、この条件で大気圧（１０１ｋＰａ）以上であれば問題ない。大気圧以下では外気が冷凍サイクル内に混入し、冷媒と反応して分解したり非凝縮ガスとなり、装置としての働きを阻害し効率を低下させる原因となる。

図２から本発明の混合冷媒は成層圏のオゾン層破壊がないばかりではなく、ＨＦＣ冷媒の中でもＧＷＰが６５０と低いＲ３２を含み、さらにＧＷＰが４と小さく自然冷媒の係数に近いＨＦＯ−１２３４ｙｆから構成されるため、これらを混合した冷媒も地球温暖化に対する影響はＲ４１０ＡやＲ４０４Ａなどの空調や冷蔵冷凍設備に使用している冷媒に比べて低減できる。低ＧＷＰという点ではＲ３２の占める質量割合が小さいほど優位であり、Ｒ４１０Ａの約１／４、Ｒ４０４Ａの約１／８であるＧＷＰを４００以下とした場合、Ｒ３２の濃度が約６０質量％以下で同等のＧＷＰとなることがわかる。

冷凍サイクルは連続運転していくと熱交換によって蒸発器に着霜が生じ、熱交換の効率が低下していくため一定周期または不定期で蒸発器の着霜を取り除くためにデフロスト（除霜）を行う。一般的な方式として外気を利用するオフサイクル方式、シーズヒータなど熱源を用いたヒータ方式、圧縮機から出た吐出ガスを利用したホットガス方式などがある。ホットガス方式は圧縮機から出た吐出ガスを利用するがＨＦＯ−１２３４ｙｆ単一冷媒
では必要な吐出ガス温度が得られない。また、吐出ガス温度は高すぎると冷凍機油などの劣化にもつながるため、吐出ガス温度が一般に高いと言われるＲ４１０Ａの温度以下に抑える必要がある。

図２から吐出ガス温度の下限値は一般的に温度の低いと言われるＲ４０４Ａ同等の６０℃とし、上限値は一般的に温度の高いと言われるＲ４１０Ａ同等の１３７℃とすると、ＨＦＯ−１２３４ｙｆとＲ３２との混合冷媒ではＲ３２の濃度が約２０質量％から約５５質量％の範囲となることがわかる。

図３は本発明の実施形態である冷凍サイクル装置の概略構成を示したものであり、サーモバンク方式のホットガスデフロストの一例である。同図において１１は圧縮機、１２は凝縮器、１３は減圧器、１４は蒸発器、１５は気液分離器、１６から２１は開閉弁、２２と２３は減圧弁であり、これらを配管接続することにより閉回路を形成し、図中矢印の方向に冷媒が循環する冷凍サイクルを構成し、冷媒としてＨＦＯ−１２３４ｙｆとＲ３２とからなる混合冷媒が封入されている。２４はサーモバンク（蓄熱そう）である。実線は通常の冷却運転であり、開閉弁１６、１７、１８は開き、開閉弁１９、２０、２１は閉じている。逆にデフロスト時は開閉弁１６、１７、１８は閉じ、開閉弁１９、２０、２１は開き、破線を冷媒が流れる。

気液分離器１５では混合冷媒の気相冷媒と液相冷媒を分離し、気相冷媒は圧縮機１１の吸入部に流入するように配管を圧縮機１１吸入部に接続し、液相冷媒はサーモバンク２４を経由して圧縮機１１の吸入部に流用するように配管を圧縮機１１吸入部に接続する。液相冷媒の戻り量は開閉弁２５で調整できる構成となっている。

ここで気液分離器１５に液相冷媒が戻るように運転した場合、ＨＦＯ−１２３４ｙｆとＲ３２の冷媒は非共沸性であるため、気液分離器１５で分離された気相冷媒は本来の混合質量割合に対して低沸点成分のＲ３２の濃度の高い冷媒となり、液相冷媒では高沸点成分のＨＦＯ−１２３４ｙｆの濃度の高い冷媒となる。開閉弁２５を設けることで本来の混合質量割合と異なる循環冷媒に調整しやすくなる。

前記のとおり、圧縮機から出た吐出ガスを利用したホットガス方式において、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ単一冷媒では必要な吐出ガス温度が得られないためＲ３２との混合冷媒とするが、Ｒ３２はＨＦＣ冷媒の中ではＧＷＰが低いものの自然冷媒やＨＦＯ−１２３４ｙｆなどと比べると大幅に高いためＧＷＰを低くするにはＲ３２の濃度を抑える必要がある。吐出ガス温度が高すぎると冷凍機油などの劣化や大型の凝縮器が必要となる。そこで通常運転時は吐出温度を抑え、デフロスト（除霜）時のみ一時的に吐出温度を上げるためにデフロスト前に減圧器１３を制御し気液分離器１５に冷媒を溜めてからデフロストを開始する。

開閉弁２５で気液分離器１５の液相冷媒の戻り量を調整することで循環冷媒の混合質量割合を変化させ、吐出温度を調整することができる。吐出温度を上げたい場合には、気液分離器１５に冷媒を溜めることで気液分離器１５内の液相冷媒は高沸点成分のＨＦＯ−１２３４ｙｆの濃度の高い冷媒となり、循環冷媒は本来の混合質量割合よりも低沸点成分のＲ３２の濃度が高くなる。逆に吐出温度が高くなりすぎて下げたい場合は気液分離器１５に溜めた高沸点成分のＨＦＯ−１２３４ｙｆの濃度の高い冷媒を開閉弁２５を開けて戻してやれば循環冷媒は本来の混合質量割合に近づいていく。

本発明の実施の形態ではＨＦＯ−１２３４ｙｆとＲ３２とからなる混合冷媒において、デフロスト（除霜）時の吐出温度を一時的に上げることができ、Ｒ３２の本来の混合質量割合を小さくできるため、ＧＷＰも低くできる。

以上の説明から明らかなように、本発明は、冷媒をＨＦＯ−１２３４ｙｆとＲ３２からなり、２０質量％以上のＲ３２を含む混合冷媒とすることにより、成層圏のオゾン層に及ぼす影響がなく、地球温暖化に対する影響を低減し、Ｒ４１０Ａを用いた空調用の部品を流用することができる。

また、Ｒ４０４Ａを用いた冷蔵冷凍設備用の部品を流用するためには２０質量％以上で５０質量％以下のＲ３２を含む混合冷媒とすることで可能となる。

さらに、ホットガスデフロストに必要な吐出温度を通常運転時は温度を抑え、デフロスト（除霜）時のみ一時的に温度を上げることができ、Ｒ３２の混合質量割合を小さくできるものである。

本発明で使用される冷媒ＨＦＯ−１２３４ｙｆとＲ３２及びＨＦＯ−１２３４ｙｆとＲ３２との混合冷媒の気液平衡特性図である。一般的な冷媒の特性を示す一覧表である。本発明で実施される冷凍サイクル装置の概略構図である。

１１圧縮機、１２凝縮器、１３減圧器、１４蒸発器、１５気液分離器、
１６開閉弁、１７〜２２開閉弁、２３減圧弁、２４サーモバンク（蓄熱そう）、２５開閉弁

Claims

テトラフルオロプロパン（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ）とジフルオロメタン（Ｒ３２）を混合した冷媒であって、Ｒ３２の混合冷媒全体に占める質量割合が２０質量％から５５質量％の範囲としたことを特徴とする混合冷媒。
テトラフルオロプロパン（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ）とジフルオロメタン（Ｒ３２）を混合した冷媒であって、Ｒ３２の混合冷媒全体に占める質量割合が４０質量％から５５質量％の範囲としたことを特徴とする混合冷媒。
冷凍設備に使用する場合の設計蒸発温度である−４０℃での低圧が、大気圧（１０１ｋＰａ）以上となることを特徴とする請求項１又は２に記載の混合冷媒。
少なくとも圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器を備える冷凍サイクル装置に、請求項１〜３のいずれかに記載の混合冷媒を用いたことを特徴とする冷凍サイクル装置。