JP5012757B2 - 冷却サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は塩素を含まず、炭素と炭素間に２重結合を有するハイドロフルオロオレフィンをベース成分の冷媒として用いる冷却サイクル装置に関するもので、特にフッ酸を主成分とする物質と反応する粒状反応吸着剤をコーティングした金属配管を有する熱交換器を用いた冷却サイクルに関するものである。

従来の空調機、カーエアコン、給湯器等には、圧縮機と凝縮や蒸発に使用される熱交換器と減圧器を接続してなる冷却サイクル装置が使われている。この冷却サイクル装置内に封入される冷媒としては、塩素原子を含有するクロロフルオロカーボンやハイドロクロロフルオロカーボンが用いられてきた。しかし、クロロフルオロカーボンやハイドロクロロフルオロカーボンは、オゾン層を破壊する性質を有していたり、大気中での寿命が長いために温室効果が大きいので地球温暖化に影響を与えたりと、必ずしも環境に適した冷媒とはいえなかった。

そこでクロロフルオロカーボンやハイドロクロロフルオロカーボンの代わりに、オゾン破壊係数がゼロであり、かつ、地球温暖化係数もクロロフルオロカーボンやハイドロクロロフルオロカーボンに比べれば格段に小さい、二酸化炭素（以下、ＣＯ_２冷媒という）やイソブタンなどを冷媒として用いる冷却サイクル装置が実用化されてきた。

しかし空調機、カーエアコン、給湯器等では性能の問題や冷媒漏洩時の問題から、オゾン破壊係数がゼロであるが、地球温暖化係数はあまり小さくないハイドロフルオロカーボンが使用されてきた。例えば、特許文献１には、塩素を含まないハイドロフルオロカーボンを冷媒とした冷却サイクル装置が開示されている。

図３は特許文献１に記載された従来の冷却サイクル装置を示すものである。図３に示すように、冷却用圧縮機１、熱交換器２ａ、キャピラリーチューブあるいは膨張弁等の冷媒流量制御部３とこれらを連結する配管４を有する室外ユニット５と、冷凍空調がなされる空間部に設置される熱交換器２ｂを有する室内ユニット６とを、接続管７、サービスバルブ８ａ、８ｂおよびフレアナット９ａ、９ｂで連結することにより、従来の冷却サイクル装置は構成されている。この例では四方弁１０を有するので、熱交換器２ａ、２ｂの凝縮または蒸発という機能を交換することができる。また必要に応じてアキュムレータ１１を装備していてもよい。

以上のように構成された冷却サイクル装置で、ハイドロフルオロカーボンの冷媒の流れとしては、冷房運転をする場合には、冷却用圧縮機１によって圧縮された冷媒が熱交換器２ａにおいて放熱して凝縮し、液化状態となり冷媒流量制御部３を通過することにより低温の気液混合冷媒となり、室内ユニット６内の熱交換器２ｂにおいて吸熱気化し乾燥飽和蒸気として蒸発し、再度冷却用圧縮機に吸い込まれるといったサイクルをとる。その時に熱交換器２ｂは周辺から熱を奪う。すなわち冷房運転が行われる。また四方弁１０が作動して流路が切り替わると、冷媒は熱交換器２ｂで凝縮して熱交換器２ａで蒸発する。すなわち暖房運転が行われる。

また特許文献２には、はんだまたはろう材をコーティングした金属の紛粒体とバインダーにより、金属管内面に金属の紛粒体を接合する技術が開示されている。この技術の目的は金属紛粒体を金属管の内面に接合することによって、伝熱面積を大きくし、核沸騰を起こしやすくし、毛細管現象や乱流現象が生じやすくして、伝熱効率に優れた熱交換器を提
供することである。
特許第３４９７３０７号公報 特開昭６０−２５５９８１号公報

しかしながら、上記従来の構成では２重結合を有するハイドロフルオロオレフィンのように化学的安定性が充分でない冷媒を使用すると、２重結合を有するハイドロフルオロオレフィンは水や酸素の影響で開裂、分解しフッ酸を主成分とする物質を生成し、冷却サイクル装置の使用材料や冷凍機油を劣化させ冷却サイクル装置の性能を阻害し、最悪の場合には故障に至るという課題を有していた。

本発明は、上記課題を解決するもので、安価な方法で性能を阻害することなく、信頼性の高い長寿命の冷却サイクル装置を提供することを目的とする。

上記従来の課題を達成するために本発明の冷却サイクル装置は、冷凍機油を封入した冷却用圧縮機と第一の熱交換器とキャピラリーチューブあるいは膨張弁等の冷媒流量制御部と冷凍空調がなされる空間部に設置される第二の熱交換器とアキュムレータを配管で連結したサイクルに、炭素と炭素間に２重結合を有するハイドロフルオロオレフィンをベース成分とする冷媒を封入した冷却サイクル装置であって、フッ酸を主成分とする物質と反応する粒状反応吸着剤をコーティングした金属配管を有する熱交換器を備えた構成としてある。

これによって、水や酸素の影響で２重結合を有するハイドロフルオロオレフィンが開裂、分解して生じたフッ酸を主成分とする物質を、コーティングを行った粒状反応吸着剤を有する熱交換器によって速やかに捕捉することができる。

本発明の冷却サイクル装置は、２重結合を有するハイドロフルオロオレフィンが水や酸素の影響で開裂、分解して生じたフッ酸を主成分とする物質を速やかに捕捉することができ、冷却サイクルの冷却性能を阻害せず、効率の低下も生じない長寿命の冷却サイクルを提供することができる。

請求項１に記載の冷却サイクル装置の発明は、冷凍機油を封入した冷却用圧縮機と第一の熱交換器とキャピラリーチューブあるいは膨張弁等の冷媒流量制御部と冷凍空調がなされる空間部に設置される第二の熱交換器とアキュムレータを配管で連結したサイクルに、炭素と炭素間に２重結合を有するハイドロフルオロオレフィンをベース成分とする冷媒を封入した冷却サイクル装置であって、フッ酸を主成分とする物質と反応する粒状反応吸着剤をコーティングした金属配管を有する熱交換器を備えた構成としてあり、２重結合を有するハイドロフルオロオレフィンが水や酸素の影響で開裂、分解して生じたフッ酸を主成分とする物質を速やかに反応吸着し、配管や圧縮機などの金属の腐食を防止すると共に冷凍機油がフッ酸を主成分とする物質により加速度的に劣化、分解していくことを防止することができる。

請求項２に記載の冷却サイクル装置の発明は、冷却サイクル中に四方弁を有し、第一の熱交換器と第二の熱交換器の凝縮機能と蒸発機能とを交換することができる構成としてある。

請求項３に記載の冷却サイクル装置の発明は、ハイドロフルオロオレフィンはテトラフルオロプロペンをベース成分とし、ジフルオロメタンとペンタフルオロエタンを、少なくとも地球温暖化係数が５以上、７５０以下となるように、それぞれ２成分混合もしくは３成分混合した冷媒としてあり、回収されない冷媒が大気に放出されても地球温暖化に対しその影響を極少に保つことができる。

請求項４記載の冷却サイクル装置の発明は、熱交換器に備えられた金属配管の内側表面に、その金属配管の材料より融点の低いはんだ、またはろう剤をコーティングし、そのコーティングにあらかじめ粒状反応吸着剤である合成ゼオライト系反応剤や炭酸カルシウムを混合した構成としてある。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、これらの実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における冷却サイクル装置のサイクル図、図２は熱交換器の斜視図、図３は同熱交換器の部分拡大断面図である。

図１に示すように、本発明の冷却サイクルは、冷却用圧縮機２１と熱交換器２２ａとキャピラリーチューブあるいは膨張弁等の冷媒流量制御部２３とこれらを連結する配管２４を有する室外ユニット２５と、冷凍空調がなされる空間部に設置される熱交換器２２ｂを有する室内ユニット２６とを、接続管２７、サービスバルブ２８ａ、２８ｂおよびフレアナット２９ａ、２９ｂで連結することにより構成されている。

ここで、上記熱交換器２２ａ、２２ｂは、フッ酸を主成分とする物質と反応する粒状反応吸着剤をコーティングした金属配管を有する熱交換器である。本実施の形態の場合、四方弁３０を有するので、熱交を換器２２ａ、２２ｂの凝縮または蒸発という機能を交換することができる。また必要に応じてアキュムレータ３１を装備していてもよい。

またこの冷却サイクル装置に封入されるハイドロフルオロオレフィンは、テトラフルオロプロペンをベース成分にジフルオロメタンとペンタフルオロエタンを、地球温暖化係数が５以上、７５０以下となるように、望ましくは３００以下となるようにそれぞれ２成分混合もしくは３成分混合した冷媒である。具体的には表１に示すように２成分混合の場合にはジフルオロメタンの場合は３００以下で４４ｗｔ％、ペンタフルオロエタンの場合は７５０以下で２１ｗｔ％、３００以下で８．５ｗｔ％と混合することになる。

さらに、冷却用圧縮機２１に封入される冷凍機油は、特開２００８−１１５２６６号公報に示されたような、基油としてポリオキシアルキレングリコール類、ポリビニルエーテル類、ポリ（オキシ）アルキレングリコール又はそのモノエーテルとポリビニルエーテルとの共重合体、ポリオールエステル類及びポリカーボネート類の中から選ばれる少なくとも１種の含酸素化合物を主成分として、それらに極圧剤、油性剤、酸化防止剤、酸捕捉剤および泡消剤などの各種の添加剤を必要に応じて選択して加えた、前記冷媒と相溶性を持つ油が望ましい。しかし、家庭用の空調機など小型の冷却サイクル装置では冷媒の配管内流速が早ければ、アルキルベンゼン類やαオレフィン類など前記冷媒と相溶性がない冷凍機油でも実用上、使用することができる。

次に、冷却サイクル装置に設置された熱交換器２２ａ、２２ｂについて説明するが、基本構成は同じであるので、熱交換器２２ａを例にとって説明する。

図２に熱交換器２２ａの斜視図を示す。熱交換器２２ａは、金属配管３２と金属フィン３３を組み合わせて形成される。このような形式の熱交換器を一般には、フィンアンドチューブ式熱交換器と称し、アルミフィンとアルミ配管もしくはアルミフィンと銅配管のように熱伝導率の高い金属の組み合わせで成り立っている。また金属配管は、一本の連続した配管から成り、金属フィンにかち込まれた構造となっている。冷媒は熱交換器入り口部３４から入り、熱交換器出口部３５から出て行く。

図３は熱交換器２２ａの配管がＵ字型に折り曲げられたリターンベンド部３３の部分拡大断面図である。アルミフィン３３は、金属配管３２とかち込みによって密着し、熱を伝える。金属配管３２の内部には、はんだまたはろう材からなるコーティング材３８と、そのコーティング層に合成ゼオライト系粒状反応吸着剤や炭酸カルシウムから成る粒状反応吸着剤３７が混合されている。

以上のように構成された冷却サイクル装置で、冷媒の流れは、冷房運転をする場合には、冷却用圧縮機２１によって圧縮された冷媒が熱交換器２２ａにおいて放熱し、液化状態となり冷媒流量制御部２３を通過することにより低温の気液冷媒となり、室内ユニット２５内の熱交換器２２ｂにおいて吸熱して気化冷媒となり、再度冷却用圧縮機に吸い込まれるといった冷房運転を行う。また四方弁３０が作動して流路が切り替わると、冷媒は熱交を換器２２ｂで凝縮して熱交を換器２２ａで蒸発する。すなわち暖房運転が行われる。

この冷却運転や暖房運転においてフッ酸を主成分とする物質や水分を含んだ冷媒が熱交換器の金属配管３２を通過すると、冷媒中のフッ酸を主成分とする物質や水分は熱交換器の金属配管３２に配設されたコーティングにある粒状反応吸着剤３７に捕捉される。なお、粒状反応吸着剤３７は無機物質から成っているため、従来発明の金属粒子をコーティングした熱交換器より熱伝導率が少し低下するが、実際の粒状反応吸着剤３７は小さいため、熱伝導をほとんど阻害しない。一方、金属粒子と比べ本発明の粒状反応吸着剤３７はポーラスなため核沸騰が促進され、熱交換器としての総体的性能はほぼ同等となる。

ここで、コーティング層の吸着剤３７に使用する材料は、無機物質物が望ましく、工業的にはゼオライト、シリカ、炭酸カルシウム等を主成分とするものが利用でき、ゼオライト系の多孔体をベースにしたものが最も望ましい。

また粒状反応吸着剤３７はその形状についても、球状や多数の突起を持つ球状が望ましいが、工業的に利用できるものとして板状や繊維状等のものでも金属配管にコーティングよって固定でき流失しなければ、使用することを妨げるものではない。

なお、上記実施の形態では吸着剤３７を設けた熱交換器を凝縮機能あるいは蒸発機能を発揮する熱交換器２２ａ、２２ｂとした場合で説明したが、これはいずれか一方の熱交換器であってもよいし、このような熱交換器以外の熱交換器、例えば冷媒同士の熱交換や水と冷媒の熱交換を行う熱交換器であってもよいものである。

また、本発明は冷暖房用のエアコンを主体とした冷却サイクル装置として説明してきたが、開放式でない冷却サイクル装置であればその効果は同じであり、冷凍冷蔵庫、冷凍庫、除湿機、ヒートポンプ式乾燥洗濯機、ヒートポンプ式給湯器、飲料用自動販売機等の全てに適用できる技術であることは言うまでもない。

本発明にかかる冷却サイクル装置は、２重結合を有するハイドロフルオロオレフィンが水や酸素の影響で開裂、分解して生じたフッ酸を主成分とする物質を反応吸着することができるので、空調機、カーエアコン、給湯器、冷凍冷蔵庫、冷凍庫、除湿機、ヒートポンプ式乾燥洗濯機、ヒートポンプ式給湯器、飲料用自動販売機等の用途に適用できる。

本発明の実施の形態１における冷却サイクル装置のサイクル図 同実施の形態１における熱交換器の斜視図 同実施の形態１における熱交換器の部分拡大断面図 従来の冷却サイクル装置のサイクル図

符号の説明

２１ 冷凍圧縮機
２２ａ、２２ｂ 熱交換器
２３ 冷媒流量制御部
３０ 四方弁
３２ 熱交換器の金属配管
３７ 粒状反応吸着剤

Claims (4)

1. 冷凍機油を封入した冷却用圧縮機と第一の熱交換器とキャピラリーチューブあるいは膨張弁等の冷媒流量制御部と冷凍空調がなされる空間部に設置される第二の熱交換器とアキュムレータを配管で連結したサイクルに、炭素と炭素間に２重結合を有するハイドロフルオロオレフィンをベース成分とする冷媒を封入した冷却サイクル装置であって、フッ酸を主成分とする物質と反応する粒状反応吸着剤を内側表面にコーティングした金属配管を有する熱交換器を備えた冷却サイクル装置。
2. 冷却サイクル中に四方弁を有し、第一の熱交換器と第二の熱交換器の凝縮機能と蒸発機能とを交換することができる構成を持つ請求項１記載の冷却サイクル装置。
3. ハイドロフルオロオレフィンはテトラフルオロプロペンをベース成分とし、ジフルオロメタンとペンタフルオロエタンを、少なくとも地球温暖化係数が５以上、７５０以下となるように、それぞれ２成分混合もしくは３成分混合した冷媒である請求項１または２記載の冷却サイクル装置。
4. 熱交換器に備えられた金属配管の内側表面に、その金属配管の材料より融点の低いはんだ、またはろう剤をコーティングし、そのコーティングにあらかじめ粒状反応吸着剤である合成ゼオライト系反応剤や炭酸カルシウムを混合した請求項１〜３のいずれか１項記載の冷却サイクル装置。