JP3813317B2

JP3813317B2 - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP3813317B2
Application number: JP21779597A
Authority: JP
Inventors: 川裕幸荒; 橋秀明本; 合信夫川
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 1997-08-12
Filing date: 1997-08-12
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2017-08-12
Also published as: JPH1163735A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍サイクルの冷媒に高圧もしくは可燃性の冷媒を使用する空気調和機等の冷凍サイクル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気調和機等の冷凍サイクル装置で使用される冷媒には、従来からの単一冷媒の他に、二種類以上の冷媒を混合した混合冷媒がある。最近では、オゾン層破壊から地球の環境を保護するために、従来の低圧冷媒（例えば、Ｒ２２）の代替冷媒として、ＨＦＣ冷媒（塩素を含まない水素化弗化炭素冷媒）を複数種類混合した冷媒やプロパン（Ｃ3 Ｈ8 ）の利用が考えられている。
【０００３】
空気調和機で使用される代表的な混合冷媒（例えば、ジフルオロメタン：ＨＦＣ３２とペンタフルオロエタン：ＨＦＣ１２５を略５０重量％ずつ混合した冷媒Ｒ４１０Ａ）は、従来の低圧冷媒に較べると、密度が小さく、高圧かつ小比容積であることから、図３に示すように、同容積当たりの液量率が上昇し、液封（液冷媒が封じ込められた状態）に対しての余裕度が小さくなるという特性がある。このため、液封が生じると圧力が異常上昇して配管が破裂する可能性があるので、混合冷媒用の配管について設計する場合、従来の低圧冷媒用の配管と較べて設計圧力を大きく設定する必要がある。
【０００４】
冷媒配管の設計では、次の式から配管の必要肉厚ｔを計算している。
ｔ＝Ｐ′Ｄ／（２σa η＋０．８Ｐ′） …（１）
Ｄ：管外径
σa ：許容引張り応力
Ｐ’：Ｐ（設計圧力）×α（安全率）
η：溶接効率
【０００５】
従来、混合冷媒用の配管での設計圧力Ｐ（６５℃の飽和蒸気圧相当圧力）は、例えば、Ｒ４１０Ａの場合、４．２ＭＰａと低圧の単一冷媒に較べて大きくとって、（１）式により配管の必要肉厚ｔを計算していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、配管設計では、設計圧力Ｐに安全率αを乗じた圧力Ｐ’で計算するため、安全率αを大きくとるとかなり必要肉厚ｔが厚くなる。図６は、安全率αを１と５にした場合に、Ｒ２２、Ｒ４１０Ａとで配管の肉厚にどの程度の差が生じるかを示す図である。この図６から明らかなように、安全率αを５倍に設定すると、Ｒ４１０Ａ用の配管の場合、Ｒ２２用の配管に較べてかなり肉厚を厚くしなければならないことがわかる。管外径が大きくなるほど、肉厚は厚くなり、管外径Ｄが６０ｍｍの配管では、必要肉厚は３．０ｍｍにもなる。
【０００７】
このように配管の肉厚が厚くなると、次のような不都合が生じる。
ロー付き時に、温度上昇が鈍く、ロー付の作業性が悪化し、時間がかかる。このことは、長時間同一箇所を加熱するために、その部分の強度の低下を招く。
また、肉厚の増加により材料の銅の使用量が増すために、配管の製造コストが大幅に増加する。また、重量増となる。
一方、肉厚の増加を避けるために、安全率を低く見積もることは、すなわち安全性、信頼度の低下に直結するので、これはできない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、高圧の混合冷媒を使用する冷凍サイクルに用いる配管の強度上の安全性を最大限に確保しながら、配管コストの上昇を最小限に抑えることができるようにした冷凍サイクル装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器を冷媒配管で接続した冷凍サイクルを用いた冷凍サイクル装置において、
冷凍サイクル装置を運転中に低圧となる、蒸発器から圧縮機の吸込部を接続する配管あるいは冷凍サイクル部品の設計圧力を他の配管あるいは冷凍サイクル部品よりも低くするとともに、前記低圧となる配管の途中に配管より外径の大きい径拡大管を設けたことを特徴とするものである。
【００１２】
前記第１の発明によれば、密度の小さい冷媒の液封による破壊圧力を小さくできるとともに、通常運転時の圧力に対する安全性を十分確保することができる。
【００１３】
第２の発明は、冷凍サイクルに使用する冷媒に二種以上の単一冷媒を混合した混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置において、前記冷凍サイクル中で冷媒の流れる配管の管外径（Ｄ）と管肉厚（ｔ）について、高圧側配管の管外径（Ｄ1 ）と管肉厚（ｔ1 ）の比と、低圧側配管の管外径（Ｄ2 ）と管肉厚（ｔ2 ）の比との間に、
Ｄ1 ／ｔ1 ＜Ｄ2 ／ｔ2
の関係があることを特徴とするものである。
【００１４】
この関係があれば、安全率を決めてから、高圧側配管の肉厚ｔ1 を必ずしも低圧側配管の肉厚ｔ2 に較べて厚くすることなく、管外径（Ｄ）との相対的な関係で肉厚（ｔ）を設定できるので、安全強度を確保しながら、かつ肉厚増を回避できる。
【００１５】
また、第３の発明では、
１０＜Ｄ1 ／ｔ1 ＜Ｄ2 ／ｔ2 ＜１００であることを特徴とする。
【００１６】
また、第４の発明では、配管の管外径（Ｄ）は、１／２インチ以上であることを特徴とする。
第１乃至第４の発明の前記冷凍サイクルに使用される冷媒は、ジフルオロメタン（Ｒ３２）、トリフルオロエタン（Ｒ１４３ａ）、ジフルオロエタン（Ｒ１５２ａ）、プロパン（Ｒ２９０）のいずれかの成分とする単一もしくは混合冷媒である。
【００１７】
また、上記冷凍サイクルに使用される冷媒は、略５０重量％のジフルオロメタン（Ｒ３２）と略５０重量％のペンタフルオロエタン（Ｒ１２５）を含む混合冷媒であってもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による冷凍サイクル装置の一実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
図１は、空気調和機の冷凍サイクルを示す。
この冷凍サイクルは、圧縮機１、凝縮器２、減圧器としてのキャビラリチューブ３、蒸発器４がこの順序で配管によって接続されている。
【００１９】
かかる冷凍サイクルでは、圧縮機１で圧縮された冷媒ガスは、凝縮器２で放熱し、凝縮液化した後、キャビラリチューブ３で減圧され、蒸発器４で外部の熱を吸収して蒸発し、その後圧縮機１に戻るようになっている。冷媒の流れは、図中矢印で示されている。
【００２０】
使用される冷媒としては、二種以上の単一冷媒を混合した冷媒を使用している。具体的な冷媒としては、Ｒ４１０が用いられるがこれに限定されるものではなく、図４に示すように、従来（Ｒ２２）よりも液封に対する余裕度が小さくなる冷媒が対象であり、他には、ジフルオロメタン（Ｒ３２）やトルフルオロエタン（Ｒ１４３ａ）、ジフルオロエタン（Ｒ１５２ａ）、プロパン（Ｒ２９０，Ｃ3 Ｈ8 ）のいずれかを成分とする単一もしくは混合冷媒が考えられる。
【００２１】
圧縮機１の吐出側から凝縮器２、キャビラリチューブ３、蒸発器４を接続する高圧側配管（図中太い実線で示されている）の設計圧力Ｐ1 （６５℃の飽和蒸気圧相当圧力）は、４．２ＭＰａ（メガパスカル）に設定されている。他方、蒸発器４の下流から、圧縮機１の吸い込み側に至る常時低圧の低圧側配管（図中細い実線で示されている）の設計圧力Ｐ2 （６５℃の飽和蒸気圧相当圧力）は、２．２ＭＰａ（メガパスカル）と低く設定されている。
【００２２】
また、高圧側配管の管外径（Ｄ1 ）と管肉厚（ｔ1 ）の比と、低圧側配管の管外径（Ｄ2 ）と管肉厚（ｔ2 ）の比との間に、
Ｄ1 ／ｔ1 ＜Ｄ2 ／ｔ2 …（２）
の関係が成り立つように、それぞれ高圧側配管と、低圧側配管の管外径と、管肉厚が設定されている。
【００２３】
この管外径に対する肉厚比（Ｄ／ｔ）は、管外径の大小によらない無次元数である。前述した（１）式から、許容引張り応力σ、溶接効率η、設計圧力Ｐ、安全率αの値が定まれば、肉厚比（Ｄ／ｔ）は定まる。
【００２４】
図５は、設定圧力Ｐに対する安全率αの値を変えたときの管外径に対する肉厚比（Ｄ／ｔ）の値を示すグラフである。
たとえば、安全率αを５とした場合、高圧側配管の肉厚比（Ｄ1 ／ｔ1 ）は２０、低圧側配管の肉厚比（Ｄ2 ／ｔ2 ）は３８であり、この肉厚比になるように管外径Ｄ1 、Ｄ2 、肉厚ｔ1 、ｔ2 を設定すればよい。この場合、高圧側配管の肉厚ｔ2 を必ずしも低圧側配管の肉厚ｔ2 に較べて厚くする必要はないので、安全率５で安全強度を確保しながら、かつ肉厚増を回避できる。
【００２５】
【表１】

さらには、仮に液封が生じて配管が破裂する場合でも、表１から明らかなように、肉厚を小さめに設計することで、破壊圧力を小さくすることができる。なお、表１は、管外径Ｄ、肉厚と破壊圧力の関係を示しており、管外径Ｄが大きくなるほど、破壊圧力が小さくなり、肉厚が小さくなるほど、破壊圧力が小さくなることがわかる。
【００２６】
また、図５から見て取れるように、安全率αが２以上であれば、肉厚比（Ｄ／ｔ）は、
１０＜Ｄ1 ／ｔ1 ＜Ｄ2 ／ｔ2 ＜１００ …（３）
の範囲にあることがわかる。この範囲で、安全率をまず決めてから、外径、肉厚を設定すればよいので、設計計算が容易になる。
【００２７】
さらに、前述した図６を参照すると、管外径が２０ミリ以下であると、安全率αが１倍でも５倍でも肉厚にはたいした差はないことがわかる。逆にいえば、管外径が大きくなった場合に、（３）式にしたがって、肉厚を厚くしないように設計すればよい。冷凍サイクルで使用される配管のサイズはインチで規格されているので、管外径（Ｄ）は１／２インチ以上であることが実用上好ましい。
【００２８】
次に、図２は、ヒートポンプ型の空気調和機の冷凍サイクルを示す。本発明をヒートポンプ型の空気調和機に適用する場合、四方弁５の切換によって、室内熱交換器６、室外熱交換器８は、凝縮器となったり蒸発器となったりして、高圧冷媒と低圧冷媒の流れる流路が切り替わる。
【００２９】
そこで、ヒートポンプ型空気調和機の場合は、図中、太い実線で示す圧縮機１、四方弁５、室外熱交換器６、減圧弁７、室内熱交換器８を接続し、さらに、室内熱交換器８と四方弁５を接続する配管を高圧側配管として、四方弁５と圧縮機１の吸い込み側を接続する図中細い実線で示す配管を低圧配管として、高圧側配管の管外径（Ｄ1 ）と管肉厚（ｔ1 ）の比と、低圧側配管の管外径（Ｄ2 ）と管肉厚（ｔ2 ）の比との間に、（２）式および（３）式が成り立つようにすればよい。
【００３０】
また、上記常時低圧の低圧側配管の途中に外径が低圧側配管よりも大きく、低圧側配管の管外径（Ｄ2 ）と管肉厚（ｔ2 ）の比よりも小さくなり、その比が１０以上となる肉厚を有する径拡大管９を設けてもよい。この場合には、表１からわかるように、破壊圧力をより小さくでき安全性が高められる。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、冷凍サイクル装置を運転中に低圧となる配管あるいは冷凍サイクル部品の設計圧力を他の配管あるいは冷凍サイクル部品よりも低くするので、高圧の混合冷媒を使用する冷凍サイクルに用いる配管の強度上の安全性を最大限に確保しながら、肉厚の増加を回避し配管コストの上昇を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する空気調和機の冷凍サイクルを示す図。
【図２】本発明を適用するヒートポンプ型の空気調和機の冷凍サイクルを示す図。
【図３】冷凍サイクルの容積に対する液量率を示す図。
【図４】各種冷媒の温度に対する密度を示す図。
【図５】安全率に対する管外径に対する肉厚比（Ｄ／ｔ）の値を示す図。
【図６】従来の単一冷媒と、混合冷媒とについて、安全率１倍と５倍のそれぞれについて管外径に対する必要肉厚を示す図。
【符号の説明】
１圧縮機
２凝縮器
３キャビラリチューブ
４蒸発器
５四方弁
６室外熱交換器
７減圧弁
８室内熱交換器

Claims

圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器を冷媒配管で接続した冷凍サイクルを用いた冷凍サイクル装置において、
冷凍サイクル装置を運転中に低圧となる、蒸発器から圧縮機の吸込部を接続する配管あるいは冷凍サイクル部品の設計圧力を他の配管あるいは冷凍サイクル部品よりも低くするとともに、前記低圧となる配管の途中に配管より外径の大きい径拡大管を設けたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
冷凍サイクルに使用する冷媒に二種以上の単一冷媒を混合した混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置において、
前記冷凍サイクル中で冷媒の流れる配管の管外径（Ｄ）と管肉厚（ｔ）について、高圧側配管の管外径（Ｄ1 ）と管肉厚（ｔ1 ）の比と、低圧側配管の管外径（Ｄ2 ）と管肉厚（ｔ2 ）の比との間に、
Ｄ1 ／ｔ1 ＜Ｄ2 ／ｔ2
の関係があることを特徴とする冷凍サイクル装置。
１０＜Ｄ1 ／ｔ1 ＜Ｄ2 ／ｔ2 ＜１００であることを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
配管の管外径（Ｄ）は、１／２インチ以上であることを特徴とする請求項２または３に記載の冷凍サイクル装置。