JP6177424B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、作動冷媒として非共沸混合冷媒を使用した冷凍サイクル装置に関するものである。

近年、地球温暖化の影響を抑えるため低ＧＷＰ冷媒が開発されている。従来使用されてきたＲ４１０Ａは性能がよい冷媒であるが、ＧＷＰ（地球温暖化係数）が２０００程度あるため、ＧＷＰがおよそ１／３であるＲ３２が使われつつある。Ｒ３２はＲ４１０Ａと比較的物性が近く性能がよい冷媒であるが、ＧＷＰが６００程度であり、さらなる低ＧＷＰ化のため、ＨＦＯ１２３４ｙｆなどのフルオロプロペン系（ＨＦＯ系）冷媒が開発されている。しかしながらこの冷媒は高沸点冷媒であり、性能が低い冷媒である。従来と同等の性能を維持しようとすれば、技術的課題が多く、コスト高となる可能性がある。
これに伴い、地球温暖化係数が小さく、沸点の低い冷媒（例えば、ＨＦＯ１１２３）を採用した冷凍サイクル装置が提案されている（特許文献１を参照）。

ＨＦＯ１１２３は、組成に塩素原子が入っていないためオゾン層への影響が少なく、かつ、二重結合を持ち大気寿命が短いため地球温暖化への影響が少なく、さらに、性能（能力）に優れる（低沸点冷媒）ことが知られている。また、ＡＳＨＲＡＥによる燃焼区分はランク２Ｌ相当（低微燃性）の範疇であり、安全性を有する。
そして、ＨＦＯ１１２３にＨＣ、ＨＦＣ、ＨＣＦＯ、ＣＦＯ、ＨＦＯ等の冷媒を混合しても混合冷媒として部分的にこのような長所を享受することができる。

国際公開第２０１２／１５７７６４号

このようにＨＦＯ１１２３（ＣＦ２＝ＣＨＦ）は、性能の優れた冷媒であるが、特定の条件下で不均化反応（自己分解反応）を起こすことが知られている。不均化反応とは、同一種類の分子が２個以上互いに反応して２種類以上の異なる種類の生成物を生じる化学反応のことである。
ＨＦＯ１１２３の不均化反応は、以下のような化学反応である。
ＣＦ２＝ＣＨＦ→（１／２）ＣＦ_４＋（３／２）Ｃ＋ＨＦ＋（反応熱）
このような反応は、局所的なエネルギーを冷媒に与えることにより発生する。また、高温、高圧の環境下であれば連鎖的に反応が発生する可能性があるという問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、このような不均化反応が発生する冷媒を冷凍サイクル装置に使用しても、冷媒が連鎖的に反応を起こす条件下となることを回避し、安全で性能の高い冷凍サイクル装置を提供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、第１冷媒と、同一圧力下において前記第１冷媒よりも沸点の高い特性の第２冷媒と、を少なくとも含む非共沸混合冷媒を標準組成冷媒として作動し、圧縮機と、第１熱交換器と、膨張弁と、第２熱交換器と、を順次接続したメイン回路と、メイン回路に接続された組成分離回路と、を備えた冷凍サイクル装置であって、第１冷媒は、不均化反応が生じる特性を有し、組成分離回路は、標準組成冷媒の成分を分離する分離貯留モードで運転された時に、メイン回路から標準組成冷媒に比べて第１冷媒の組成比が高い混合冷媒を分離し貯留する構成を有し、分離貯留モードは、少なくとも圧縮機の吐出温度または吐出圧力が高い時に作動するものである。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、単独冷媒とすると不均化反応が起こりやすい低沸点冷媒の第１冷媒を、高沸点冷媒である第２冷媒との非共沸混合冷媒とし、組成分離回路は、分離貯留モードにおいて、メイン回路から標準組成冷媒に比べて第１冷媒の組成比が高い混合冷媒を分離し貯留するため、冷凍サイクル装置内を循環する冷媒の組成比を高沸点成分（第２冷媒）に富んだものとし、不均化反応を抑制することができる。

実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の概略構成図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置内の非共沸混合冷媒が高圧、中間圧、低圧の各圧力における温度対組成線図である。 実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の概略構成図である。 実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下で説明する構成等は、一例であり、本発明に係る冷凍サイクル装置は、そのような構成等に限定されない。
また、細かい構造については、適宜図示を簡略化又は省略している。
また、重複又は類似する説明については、適宜簡略化又は省略している。

実施の形態１．
はじめに、冷凍サイクル装置の構成について説明する。
図１は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の概略構成図である。
実施の形態１係る冷凍サイクル装置は、図１に示すように、圧縮機１、第１凝縮器２、気液分離器３、第２凝縮器４、冷媒間熱交換器５、第１膨張弁６、蒸発器７、を順にメイン経路８である冷媒配管にて接続し、冷凍サイクルを形成している。気液分離器３の上部に設けられたガス側出口３ａは、第２凝縮器４に接続されている。

気液分離器３の下部に設けられた液側出口３ｂは、バイパス経路９を介して圧縮機１に接続されている。バイパス経路９は、圧縮室内部の中間圧力部分（中間圧力＝高圧と低圧の中間の圧力であり、以降中圧とする）に接続されている。また、バイパス経路９には、第２膨張弁１０及び冷媒間熱交換器５が配置されている。冷媒間熱交換器５の高圧（高温）側は、メイン経路８の第２凝縮器４と第１膨張弁６との間に接続されており、冷媒間熱交換器５の中圧（中温）側は、バイパス経路９の第２膨張弁１０と圧縮機１との間に接続されている。

実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の動作冷媒は、非共沸混合冷媒であり、第１冷媒と第２冷媒から構成されている。第１冷媒は、高温、高圧の条件下になる程、一定のエネルギーを与えると不均化反応を起こしやすい特性を備えている。第２冷媒は、第１冷媒と同一条件下で第１冷媒よりも不均化反応を起こしにくい（または同一条件下で不均化反応を全く起こさない）特性を備えた冷媒である。すなわち、第１冷媒は、第２冷媒が不均化反応を起こさない圧力及び温度と同一の特定条件下（高温、高圧条件下）において不均化反応が起こる可能性が高い特性を備えた冷媒である。また、第２冷媒は、第１冷媒よりも同一圧力下において沸点が高い（蒸発しにくい）特性を有している。
なお、第１冷媒が一定のエネルギーを与えられる場所は、主に圧縮機内部である。モータに至る電気経路が冷媒雰囲気中にあり、短絡や漏洩によりその電気エネルギーが冷媒に与えられる。また、圧縮機内部では圧縮部や摺動部や軸受けなどから絶えず摩擦熱が発生しており、エネルギーとして冷媒に与えられる。通常の運転中であっても該当するが、特に何らかの要因で圧縮機が損傷するとエネルギー供給の可能性が増大する。

第１冷媒としては、例えばＨＦＯ１１２３が採用可能であり、不均化反応を想定する必要がある。第２冷媒としては、例えばＲ３２、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅなどを採用することができる。冷媒の冷凍機油の中には添加剤が一般的に含まれているが、第１冷媒の反応抑制剤として、単環式モノテルペノイドが含まれている。また、単環式モノテルペノイドには、例えばリモネンが含まれる。
なお、第１冷媒がモル比率で７０％以下なら反応が抑制されやすいことが知られている。また、第２冷媒は１種に限らず、２種以上であってもよい。ただし、第２冷媒は第１冷媒よりも高沸点の冷媒である必要がある。

次に、冷媒の動作について説明する。圧縮機１から吐出された冷媒は、高温高圧のガス冷媒であり、第１凝縮器２で水や空気と熱交換して凝縮し、高圧の二相状態となる。気液分離器３に入り分離されたガス冷媒は、ガス側出口３ａから排出されて第２凝縮器４に入り、再び水や空気と熱交換して凝縮し、高圧の液冷媒となる。第２凝縮器４から出た液冷媒は冷媒間熱交換器５に入り、バイパス経路９を流れる中圧の二相冷媒と熱交換して更に冷却され過冷却液状態となり、第１膨張弁６で減圧され低圧の二相状態となる。蒸発器７で空気や水と熱交換して蒸発した冷媒は低圧のガス冷媒となり、再び圧縮機１に吸引される。また、気液分離器３で分離された液冷媒は、液側出口３ｂから排出されて第２膨張弁１０で減圧され、冷媒間熱交換器５で加熱されて蒸発し中圧のガス冷媒となって圧縮機１に吸引される。
なお、メイン経路８に流れる冷媒を、本発明に係るメイン冷媒、バイパス経路９に流れる冷媒をバイパス冷媒と称する。

次に、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置の作用について説明する。
このような冷凍サイクル装置の構成により、気液分離器３内では、流入した二相冷媒が、気相と液相に分離される。すると、第１冷媒の方が第２冷媒よりも沸点が低い（蒸発しやすい）ため、気相中の第１冷媒の組成比は高く、液相中の第１冷媒の組成比は低くなる。このため、第２凝縮器４、第１膨張弁６、蒸発器７から圧縮機１へ至るメイン経路８は、低沸点成分である第１冷媒の組成比が高くなる。低沸点冷媒は一般的に性能がよいので、本実施の形態１の冷凍サイクル装置の性能は高くなる。

また、気液分離器３より排出された液冷媒は、第１冷媒の組成比が低い状態でバイパス経路９を通過して圧縮機１に吸引される。圧縮機１の内部では、メイン経路８とバイパス経路９とが合流し、バイパス経路９の第１冷媒の組成比が低い冷媒がメイン経路８の冷媒に混合するため、メイン経路８での第１冷媒の組成比よりも、合流部以降の第１冷媒の組成比は小さくなる。

この冷媒の冷凍サイクル装置内の各状態について図２を用いて説明する。
図２は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置内の非共沸混合冷媒が高圧、中間圧、低圧の各圧力における温度対組成線図である。
非共沸混合冷媒の場合、図２に示すように温度対組成線図はレンズ形となり、上側が飽和ガス線、下側が飽和液線である。線図上で冷凍サイクル装置の各部の圧力及び温度が示されている。

圧縮機１の出口の高圧状態のガス冷媒ａは第１凝縮器２で部分的に凝縮された状態ｂとなり、気液分離器３でガス冷媒ｃと液冷媒ｄとに分離される。ガス冷媒ｃは第１冷媒（低沸点成分）に富み、第２凝縮器４により状態ｅまで凝縮液化され、さらに冷媒間熱交換器５により状態ｆまで過冷却される。そして、第１膨張弁６により低圧の二相状態ｇまで減圧される。

一方、気液分離器３で分離された第２冷媒（高沸点成分）に富む液冷媒ｄは、第２膨張弁１０により中圧まで減圧された状態ｈとなる。中圧の冷媒ｈは、冷媒間熱交換器５において第１冷媒（低沸点成分）に富む冷媒ｅと熱交換し、蒸発して昇温された状態ｉとなった後、バイパス経路９を通り圧縮機１１内にインジェクションされる。

他方、第１膨張弁６を出た二相状態ｇの冷媒は、蒸発器７で蒸発し、過熱ガス状態ｍとなるとともに、圧縮機１に吸入され中圧のガス状態ｊまで圧縮される。圧縮機１内部の状態は図示していないが、状態ｊのガス冷媒は、バイパス経路９から導かれる冷媒ｉと混合され、状態ｋのガス冷媒となり、さらに圧縮されて圧縮機１の出口冷媒ａとなる。

図２が示すように、メイン経路８の冷媒の状態線（ｃ→ｅ→ｆ→ｇ→ｍ→ｊ）は、低沸点成分（第１冷媒）の組成比が高く、性能の高い冷凍サイクルを形成している。一方でバイパス経路９の冷媒の状態線（ｄ→ｈ→ｉ）は、低沸点成分（第１冷媒）の組成比が低く、この冷媒を圧縮機１内でメイン経路８の冷媒に合流させることで圧縮機１内の第１冷媒の組成比を低下（ｊ→ｋ）させることが可能になる。

次に、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置の効果について説明する。
第１冷媒は、高温、高圧環境下で一定のエネルギーが与えられると不均化反応を連続的に起こす可能性があるが、圧縮機１内は、冷媒が高温、高圧となり、摺動部、受電部、モータ等で局所的なエネルギーも発生しやすいため冷凍サイクル装置内で最も安全性が要求される。
実施の形態１に係る冷凍サイクル装置では、単独冷媒とすると不均化反応が起こりやすい低沸点冷媒の第１冷媒を、高沸点冷媒である第２冷媒との非共沸混合冷媒とすることで、特に冷媒の不均化反応が起こりやすい圧縮機内部で第１冷媒の組成比を低減することが可能となり、第１冷媒の分圧を低下させることで不均化反応を抑制するとともに、性能の高い冷凍サイクル装置を得ることができる。
また、バイパス経路９の冷媒は、圧縮機１内の中間圧力部分に戻されるので、圧縮機１の入力を低減することができる。
この効果は、単純に第１冷媒に他の冷媒を混合して第１冷媒の分圧を（充填組成比に応じて）低下させ、反応を抑制する効果よりも大きい。

そして、第１冷媒は、低沸点冷媒のため、物性上吐出ガス温度が高くなる可能性があるが、圧縮機１内での第１冷媒の組成比が低くなっているため、吐出ガス温度を抑えることができる。よって、圧縮機１の信頼性を向上させるとともに、反応を抑制することができる。
なお、バイパス経路９の接続部分は、圧縮機１の吸入配管であってもよい。この構成では、圧縮機１が低圧シェル、高圧シェルのいずれの場合も、ガラス端子やモータまわりを第１冷媒の組成比が低い環境下とすることが可能で、反応の防止に有効である。

また、圧縮機１の内部もしくは吐出冷媒が高温、高圧な程（反応が起こりやすい）第２膨張弁１０の開度を増加させることで、圧縮機１内の第１冷媒の組成比を低くして不均化反応を抑制することも可能である。
さらに、第１凝縮器２及び第２凝縮器４において、冷媒と熱交換する水や空気の温度が高い場合、両凝縮器内の冷媒温度（凝縮圧力の飽和温度）が高くなる。このとき、第１冷媒（例えばＨＦＯ１１２３）の臨界温度は低いため、第２凝縮器４の出口でサブクールがつきにくいが、冷媒間熱交換器５でサブクールを付与することができるので、低臨界温度冷媒であるデメリットを改善することができる。

また、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の運転中は、第１凝縮器２と気液分離器３内に第１冷媒の組成比が低い液冷媒が存在する。この状態から冷凍サイクル装置が停止した後に再起動する際には、気液分離器３からバイパス経路９を通り、圧縮機１へ第１冷媒の組成比が低い冷媒が確実に供給される。起動時に損傷し、局所的なエネルギーが発生しやすい圧縮機１に第１冷媒の組成比が低い冷媒を供給することで不均化反応が起きることを抑制することができる。
同様に、圧縮機１の起動時の第２膨張弁１０の開度を、通常運転時の開度に比べて大きく設定（例えば最大開度）することで、起動時の第１冷媒の不均化反応をさらに抑制することができる。

また、冷凍サイクル装置を停止する前に、第２膨張弁１０の開度を、通常運転時の開度に比べて小さく設定することで、気液分離器３に第１冷媒の組成比が低い液冷媒を多く貯留することができる。よって、次の再起動時に第１冷媒の組成比が低い冷媒を確実に圧縮機１に供給することが可能になる。

なお、実施の形態１に係る第１冷媒のように反応が起こりやすい冷媒は、異物とも反応して反応生成物（スラッジ）を生じやすい。よって、本冷凍サイクル装置の各熱交換器で熱搬送媒体である水やブラインと熱交換し、搬送媒体を負荷側の熱交換器に搬送する空調システムとしてもよい（チラーや二次ループシステム）。このような空調システムでは、現地で冷凍サイクル装置自体の配管工事等を実施することがないので、冷媒に対する異物管理、水分管理、空気管理といった管理上の手間を大幅に抑止することができる。したがって、第１冷媒の反応を抑制することが可能になる。
また、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置では、第１冷媒と第２冷媒の２種類を混合しているが、３種類以上を混合してもよい。その場合第１冷媒は、低沸点成分に属することが必要である。このような組成とすることで、メイン経路の冷媒は第１冷媒の組成比が高く、バイパス経路の冷媒は第１冷媒の組成比が低くなるため反応抑制の効果を同様に得ることができる。

実施の形態２．
はじめに、冷凍サイクル装置の構成について説明する。
実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の作動冷媒は、実施の形態１と同一であるため構成上の相違点を説明する。
図３は、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の概略構成図である。
実施の形態２係る冷凍サイクル装置は、図３に示すように、圧縮機１１、オイルセパレータ１２、四方弁１３、室外熱交換器１４、室外膨張弁１５、室内膨張弁１６、室内熱交換器１７、四方弁１３、アキュームレータ１８を順に接続して、冷凍サイクルを形成している。室内膨張弁１６及び室内熱交換器１７は複数が並列に接続され、オイルセパレータ１２のガス側出口１２ａは、四方弁１３に接続されている。また、オイルセパレータ１２の油戻し口１２ｂは、バイパス経路１９を介して圧縮機１に接続されている。バイパス経路１９には、絞り２０が配置されている。

冷凍サイクル装置の動作冷媒は、実施の形態１と同様の第１冷媒と第２冷媒とからなる非共沸混合冷媒である。
次に、冷媒の動作について説明する。
はじめに、冷房運転時を説明する。図３に示す四方弁１３が実線で接続された状態で運転され、圧縮機１１から吐出する冷媒は、高温高圧のガス冷媒となって圧縮機１１内部の冷凍機油の一部とともにオイルセパレータ１２へ入る。オイルセパレータ１２内に入った冷媒は、ガス冷媒と冷凍機油とに分離され、ガス冷媒は四方弁１３を通り、室外熱交換器１４（凝縮器）で水や空気と熱交換して凝縮し、高圧の液冷媒となる。液冷媒は、室外膨張弁１５や室内膨張弁１６の少なくとも一方で減圧され低圧の二相状態となる。そして、各室内熱交換器１７（蒸発器）で空気や水と熱交換して蒸発し低圧のガス冷媒となり、四方弁１３及びアキュームレータ１８を通過して、再び圧縮機１に吸引される。オイルセパレータ１２で分離された冷凍機油は、油戻し口１２ｂからバイパス経路１９、絞り２０を通過し圧縮機１１に吸入される。

次に、暖房運転時を説明する。図３に示す四方弁１３が破線で接続された状態で運転され、圧縮機１１から吐出する冷媒は、高温高圧のガス冷媒であり、圧縮機１１の内部の冷凍機油の一部とともに、オイルセパレータ１２へ入る。オイルセパレータ１２内に入った冷媒は、ガス冷媒と冷凍機油とに分離され、ガス冷媒は四方弁１３を通り、室内熱交換器１７（凝縮器）で水や空気と熱交換して凝縮し、高圧の液冷媒となる。液冷媒は、室内膨張弁１６や室外膨張弁１５の少なくとも一方で減圧され低圧の二相状態となる。そして、室外熱交換器１４（蒸発器）で空気や水と熱交換して蒸発し低圧のガス冷媒となり、四方弁１３及びアキュームレータ１８を通過して、再び圧縮機１に吸引される。オイルセパレータ１２で分離された冷凍機油は、油戻し口１２ｂからバイパス経路１９、絞り２０を通過し圧縮機１１に吸入される。

次に、各膨張弁の動作について説明する。室内膨張弁１６は各室内機に適切に（各室内機の負荷に見合った）冷媒流量を調整する。室内空気の吸込み温度と設定温度との差、あるいは、冷房運転時であれば蒸発器出口冷媒の過熱度（＝蒸発器出口冷媒温度−蒸発温度）、暖房運転時であれば凝縮器出口冷媒の過冷却度（＝凝縮温度−凝縮器出口冷媒温度）などの熱交換器性能を発揮する指標を元に、室内膨張弁１６の開度を調整する。
室外膨張弁１５は、運転条件ごとに予め定めた開度、あるいは室内膨張弁１６と室外膨張弁１５との間の中間圧力が所定の中圧（飽和温度）となるように開度を調整する（開度制御の詳細は後述する）。

次に、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置の作用について説明する。
オイルセパレータ１２では、流入したガス冷媒と冷凍機油が分離される。ここで、第１冷媒の方が第２冷媒よりも沸点が低い（蒸発しやすい）ため、冷凍機油中に溶解する冷媒の第１冷媒の組成比は低くなっている。このため、四方弁１３、室外熱交換器１４、室内熱交換器１７を通過するメイン経路２１では、低沸点成分である第１冷媒の組成比が高い状態となる。低沸点冷媒は一般的に性能がよいので、本実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の性能は高くなる。

また、冷凍機油は、圧縮機１１、オイルセパレータ１２、バイパス経路１９、圧縮機１１の間を循環しており、圧縮機１１内部に存在する割合が大きくなっている。
オイルセパレータ１２の油戻し口１２ｂより排出された冷凍機油と冷凍機油中に溶解した冷媒は、第１冷媒の組成比が低い状態でバイパス経路１９を通過して圧縮機１へ吸入される。圧縮機１１の吸入側配管では、メイン経路２１とバイパス経路１９とが合流し、バイパス経路１９の第１冷媒の組成比が低い冷媒がメイン経路２１の冷媒に合流するため、メイン経路２１での第１冷媒の組成比よりも、合流部以降の第１冷媒の組成比は小さくなる。

次に、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置の効果について説明する。
第１冷媒は、高温、高圧環境下で一定のエネルギーが与えられると不均化反応を連続的に起こする可能性があるが、圧縮機１１内は、冷媒が高温、高圧となり、摺動部、受電部、モータ等で局所的なエネルギーも発生しやすいため冷凍サイクル装置内で最も安全性が要求される。
実施の形態２に係る冷凍サイクル装置では、上記の構成により圧縮機１１の内部での第１冷媒の組成比を低減することが可能となり、第１冷媒の分圧が低下し、反応の連鎖を抑制することができる。また、バイパス経路１９は圧縮機１１の吸入配管に合流しているため、圧縮機１１が低圧シェル、高圧シェルのいずれの場合も、ガラス端子やモータまわりを第１冷媒の組成比が低い環境下とすることが可能で、反応の防止に有効である。

さらに、絞り２０が膨張弁のように開度が調整可能な場合には、圧縮機１１内部、もしくは吐出冷媒温度が高温、高圧である（反応が起こりやすい）場合に絞り２０の開度を増加させることで、圧縮機１１内の第１冷媒の組成比を低くして不均化反応を抑制することができる。不均化反応の起こる可能性が高い条件の場合のみ圧縮機１１内の第１冷媒の組成比を低減することで、オイルセパレータ１２からの不要な冷凍機油のバイパスを低減し、冷凍サイクル装置の性能を改善することができる。

また、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の運転中は、オイルセパレータ１２や圧縮機１１内の冷凍機油内に第１冷媒の組成比が低い液冷媒が溶解して存在する。この状態から冷凍サイクル装置が停止した後に再起動する際には、オイルセパレータ１２からバイパス経路１９を通り、圧縮機１１へ第１冷媒の組成比が低い冷媒が確実に供給される。起動時に損傷し、局所的なエネルギーが発生しやすい圧縮機１１に第１冷媒の組成比が低い冷媒を供給することで反応が起きることを抑制することができる。
同様に、圧縮機１１の起動時の絞り２０の開度を、通常運転時の開度に比べて大きく設定（例えば最大開度）することで、起動時の第１冷媒の不均化反応をさらに抑制することができる。

次に、冷暖房運転時の各必要冷媒量を増加させるための室外膨張弁１５の開度制御について説明する。
冷房運転時は、凝縮器である室外熱交換器１４、及び、室外膨張弁１５と室内膨張弁１６との間の接続配管に液冷媒及び低乾き度の冷媒（高密度冷媒）が存在し、必要冷媒量がほぼ定まる。暖房運転時は、凝縮器である室内熱交換器１７、及び、室外膨張弁１５と室内膨張弁１６との間の接続配管に液冷媒及び低乾き度の冷媒（高密度冷媒）が存在し、必要冷媒量がほぼ定まる。通常なら冷房運転時と暖房運転時とで必要冷媒量が異なり、その差分が余剰冷媒として、冷凍サイクル装置内に滞留する。

特に、蒸発器の出口から圧縮機１１に至る経路（アキュームレータ内等）で余剰冷媒が滞留すると、液冷媒中には第１冷媒の組成比が低いので、循環する冷媒の第１冷媒の組成比が高くなる。よって、余剰冷媒が小さくなるように、室外膨張弁１５の目標値を設定することで、余剰冷媒を低減し、メイン経路２１に循環する第１冷媒の組成比を低くすることが可能となり、冷媒の反応を抑制することができる。

例えば、暖房運転時に室外膨張弁１５の開度を小さくすると、室外膨張弁１５と室内膨張弁１６との間の配管内における中間圧力が増加し（密度増）、必要冷媒量を増加させることができる。逆に開度を大きくすると、室外膨張弁１５と室内膨張弁１６との間の配管内における中間圧力が低下し（密度減）、必要冷媒量が低下する。
冷房運転時に室外膨張弁１５の開度を大きくすると、室外膨張弁１５と室内膨張弁１６との間の配管内における中間圧力が増加し（密度増）、必要冷媒量を増加させることができる。逆に開度を小さくすると、室外膨張弁１５と室内膨張弁１６との間の配管内における中間圧力が低下し（密度減）、必要冷媒量が低下する。
なお、室外膨張弁１５の開度を変化させても、室内膨張弁１６の開度は、前述したように独立して調整されるので、各室内機には負荷に見合った適切な冷媒流量が供給される。

よって、冷房運転時と暖房運転時の室外膨張弁１５の制御目標値を適切に設定することで、冷凍サイクル装置内の中間圧力配管内の必要冷媒量が増加し余剰冷媒を低減することが可能となる。
ここで、室外熱交換器の全内容積が室内熱交換器の全内容積よりも大きい場合について説明する。この場合、冷房運転時の凝縮器である室外熱交換器での冷媒量は、暖房運転時の凝縮器である室内熱交換器の冷媒量より大きい。余剰冷媒を発生させない（＝冷房と暖房での必要冷媒量を同程度とさせる）ためには、室外膨張弁と室内膨張弁との間の配管の密度（圧力）を、冷房運転時は小さく、暖房運転時は大きくする必要がある。つまり、室外膨張弁の開度を、冷房運転時は小さく、暖房運転時は大きくして、冷房と暖房での必要冷媒量を同程度とさせる。制御目標としては、室外膨張弁開度としてもよい。さらには、室外膨張弁と室内膨張弁の間の位置に圧力センサーを設けて圧力を検知させたり、温度センサーを設けその飽和圧力を図示していない制御装置で演算させ、冷房と暖房の必要冷媒量が同程度となるように、圧力目標値を定めて室外膨張弁開度を操作してもよい。
仮に室外膨張弁１５だけで余剰冷媒量を調整できない場合は、凝縮器出口の過冷却度を増減させることで凝縮器内の冷媒量が調整できるため、調整代が拡大し、確実に余剰冷媒を低減することができる。
このように膨張弁を調整することで冷凍サイクル装置を循環する必要冷媒量を増加させ、蒸発器出口から圧縮機１１（圧縮機内部を含む）の間で余剰冷媒を低減させることで、圧縮機１１内での第１冷媒の組成比が増加することを抑えて反応を抑制する。

実施の形態３．
はじめに、冷凍サイクル装置の構成について説明する。
実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の作動冷媒は、実施の形態１と同一であるため構成上の相違点を説明する。
図４は、実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の概略構成図である。
実施の形態３係る冷凍サイクル装置は、図４に示すように、圧縮機３０、四方弁３１、利用側熱交換器３２、過冷却器３３、第１減圧装置である膨張弁３４、熱源側熱交換器３５、を順次冷媒配管で接続して構成され、冷凍サイクルユニット１００内に収納されている。

また、組成分離回路は、組成分離手段である冷媒精留器４０、冷媒を貯留するための冷媒貯留器４１、第１冷却器４２、第２冷却器４３、第２減圧装置である毛細管４４、第３減圧装置である毛細管４５、開閉弁である第１電磁弁４６、第２電磁弁４７及び第３電磁弁４８で構成され、第１冷却器４２と冷媒貯留器４１は冷媒精留器４０の上部に環状に接続されている。なお、これらは組成分離ユニット２００内に収納されている。

これら冷凍サイクルユニット１００及び組成分離ユニット２００は、第１配管５０、第２配管５１及び第３配管５２の３本の配管で接続され、冷媒回路内を循環する冷媒の組成比を変更可能となるように構成されている。
冷凍サイクル装置内には、第１冷媒として低沸点成分（例えばＨＦＯ１１２３）と第２冷媒として高沸点成分（例えばＨＦＯ１２３４ｙｆ等）とからなる２成分で組成された非共沸混合冷媒が特定の組成比である標準組成で充填されている。

冷媒精留器４０には、その内部に気液の接触面積を増大させるための充填材が封入されている。また、圧縮機３０の吐出側の配管で、圧縮機３０と四方弁３１とを接続する配管と、冷媒精留器４０の下部とは、第１電磁弁４６と毛細管４４とを介して第１配管５０にて接続されている。
また、利用側熱交換器３２の出口側と、第１冷却器４２と冷媒貯留器４１とを接続する配管とは、第２電磁弁４７を介して第２配管５１にて接続されている。
さらに、圧縮機３０の吸入側の配管と、冷媒精留器４０の下部とは、第３電磁弁４８と毛細管４５とを介して第３配管５２により接続されている。

このような、冷凍サイクルユニット１００と組成分離ユニット２００は、それぞれに収容される冷凍サイクル装置と組成分離回路とを第１配管５０、第２配管５１及び第３配管５２によって接続しているので、既存の冷凍サイクルユニット１００へ組成分離ユニット２００を接続する際、既存の冷凍サイクルユニット１００を大幅に変更することなく、接続点数も少ないので、後付の接続が容易である。

また、組成分離回路において、冷媒精留器４０は、第２減圧装置である毛細管４４と第３減圧装置である毛細管４５とを介して冷凍サイクル装置の高圧側と低圧側とに接続されているため、冷媒精留器４０は中間圧力で動作する。このため、高圧で動作する場合に比べて、液組成とガス組成との差が大きくなり（非共沸性が大きくなり）、分離効率（液、ガスの濃度差に比例する）を高くすることができる。

次に、上述のように構成された本実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の動作をヒートポンプ給湯機を例として説明する。
ヒートポンプ給湯機は、利用側熱交換器３２を水熱交換器とし、熱源側熱交換器３５を空気熱交換器として駆動される。この場合、熱源側熱交換器３５は蒸発器として動作し、利用側熱交換器３２は凝縮器として動作する。利用側熱交換器３２に流入する被加熱媒体である冷水は冷媒の凝縮潜熱によって加熱されて温水となり、貯湯タンクなどに供給される。また、熱源側熱交換器３５に流入する被冷却媒体である空気は冷媒の蒸発潜熱によって冷却された後、外気などへ放出される。

ヒートポンプ給湯機では、夜間に冷凍サイクル装置を稼動し、水道水を給水した貯湯タンク（図示省略）からポンプ（図示省略）により利用側熱交換器３２の水熱交換器に水を流し加熱することで貯湯タンク内の水を沸き上げる。

利用者は、沸き上がった貯湯タンクからの温水と給水（水道水）とを混合し、適切温度で使用する。そして、利用量が増えるにつれ、貯湯タンクの湯量は減少するが、渇水状態にならない限り、昼間の補給（給水）は行わない。渇水状態になった場合には、循環冷媒を標準組成とし貯湯タンクに５５℃程度の温水を貯めるか、もしくは第２冷媒（高沸点成分）を増加させた組成比として７０℃の温水を少量貯湯する等を適宜選択して追い炊き運転をする。

次に、本実施の形態３の冷凍サイクル装置において、冷媒の組成比を変更（本発明の分離貯留モードに相当する）、もしくは、冷媒の組成比を標準組成に戻す（本発明の放流モードに相当する）動作について説明する。

本実施の形態に係る給湯機では、冷凍サイクル装置内を循環する冷媒組成を変更することが可能である。例えば、第２冷媒（高沸点成分）の組成比を増やして高圧圧力上昇を抑制し、高温給湯をすることが可能である。また、第１冷媒（低沸点成分）の組成比を冷凍サイクル装置に戻して標準組成とし、低温加熱能力を向上させることも可能である。

例えば、給湯運転の起動時は早く水温を上げるため、冷凍サイクル装置の循環冷媒を標準組成とし、低温加熱能力を向上させる。そして、ある程度貯湯タンク内の温度が上昇したら（例えば５５℃）、循環冷媒の第２冷媒（高沸点成分）の組成比を増加させ、高温（例えば、７０℃）となるまで加熱する。その後は、貯湯タンク内の給湯温度の維持を行うが、放熱ロスによる高温（例えば、７０℃）からの温度低下分を補うため、第２冷媒（高沸点成分）を増加させた組成比で運転することができる。

はじめに、冷凍サイクル装置内を循環する冷媒の組成比を変更する場合（分離貯留モード）の動作について説明する。
分離貯留モードは、給湯運転時において、冷凍サイクル装置内を循環する冷媒組成の高沸点成分（第２冷媒）を増加させる動作を行う。

四方弁３１を実線のように接続し、圧縮機３０の吐出部と利用側熱交換器３２の入口部が接続されるとともに、熱源側熱交換器３５の出口部と圧縮機３０の吸入部がそれぞれ接続される。第１配管５０の第１電磁弁４６と第３配管５２の第３電磁弁４８とを開とし、第２配管５１の第２電磁弁４７を閉とする。
この時、圧縮機３０を出た高圧のガス冷媒の一部は、第１電磁弁４６を通って、冷媒精留器４０の下部の入口側に設けられた第２減圧装置である毛細管４４で中間圧力まで減圧された後、冷媒精留器４０の下部へ流入し、ガス冷媒の一部が冷媒精留器４０内を上昇する。

また、冷媒精留器４０の上部では、上昇した冷媒蒸気が第１冷却器４２に流入し、冷媒精留器４０の下部に接続された第３減圧装置である毛細管４５を流出した低圧気液二相冷媒によって冷却され、凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は冷媒貯留器４１に流入し、貯留される。冷媒貯留器４１内では流入した液冷媒が徐々に蓄積され、冷媒貯留器４１が満液状態となると、オーバーフローした液冷媒が冷媒精留器４０の還流液として冷媒精留器４０の上部より流入する。

この状態において、冷媒精留器４０内では、上昇する蒸気冷媒と、下降する液冷媒とが気液接触を行い、熱および物質の移動が行われ、いわゆる精留作用により、冷媒精留器４０内を上昇する蒸気冷媒は徐々に低沸点成分（第１冷媒）が増加し、冷媒貯留器４１内に貯留された液冷媒は徐々に低沸点成分（第１冷媒）に富んだ状態となる。

そして、精留の終わった高沸点成分（第２冷媒）に富んだ冷媒は、冷媒精留器４０の下部から流出する。この中間圧力の気液二相冷媒は、第２冷却器４３に入り液化され、第３減圧装置である毛細管４５を経て減圧されたのち、低圧の気液二相冷媒となり、第２冷却器４３に戻り、この第２冷却器４３で冷媒精留器４０の下部から流出した気液二相冷媒を完全に液化（過冷却状態）とさせるとともに、自身は低圧二相（または蒸気）冷媒となる。さらに、この低圧二相（または蒸気）冷媒は、第１冷却器４２に入り、冷媒精留器４０から出た第１冷媒（低沸点成分）の冷媒蒸気を冷却して液化させ、第３配管５２を通って圧縮機３０の入口部に流入する。これにより、冷凍サイクル装置内を循環する冷媒組成の低沸点成分（第１冷媒）が減少し、高沸点成分（第２冷媒）が増加する。

次に、冷凍サイクル装置内を循環する冷媒の組成比を標準組成に戻す場合（放流モード）の動作について説明する。
放流モードは、四方弁３１を実線のように接続し、圧縮機３０の吐出部と利用側熱交換器３２の入口部が接続されるとともに、熱源側熱交換器３５の出口部と圧縮機３０の吸入部がそれぞれ接続される。第１配管５０の第１電磁弁４６を閉とし、第２配管５１に設けた第２電磁弁４７及び第３配管５２に設けた第３電磁弁４８を開とする。

圧縮機３０から吐出された高圧のガス冷媒は、四方弁３１を経て凝縮器として動作する利用側熱交換器３２で凝縮して液化し高圧の液冷媒となり、一部は過冷却器３３で過冷却された後、膨張弁３４で減圧され、低圧の気液二相冷媒となって蒸発器として動作する熱源側熱交換器３５に流入する。この冷媒は、熱源側熱交換器３５で蒸発気化し、四方弁３１を経て再び圧縮機３０へ吸引される。

また、利用側熱交換器３２で凝縮した高圧の液冷媒のうち、他の一部は、第２配管５１の第２電磁弁４７を通過後、冷媒貯留器４１を通って冷媒精留器４０及び第２冷却器４３を通過し、第３減圧装置である毛細管４５で低圧の気液二相冷媒となり、第３配管５２を通って圧縮機３０に吸引される。すなわち、第１電磁弁４６を閉とし、第２電磁弁４７及び第３電磁弁４８を開とし、利用側熱交換器３２を出た高圧液冷媒により、冷媒貯留器４１の下部から冷媒貯留器４１内の低沸点成分（第１冷媒）に富む液冷媒を冷凍サイクル装置内の高沸点成分（第２冷媒）に富む冷媒で押し出し、低沸点成分（第１冷媒）に富む冷媒を冷凍サイクル装置内へ戻すことで、冷媒の組成比を標準組成に戻すことができる

次に、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置の効果について説明する。
以上の構成により、分離貯留モードにおいて、冷凍サイクル装置に充填した標準組成の冷媒より低沸点成分（第１冷媒）に富んだ液冷媒が冷媒貯留器４１内に貯留され、冷凍サイクル装置内を循環する冷媒の組成比を高沸点成分（第２冷媒）に富んだものとすることができる。
冷媒組成を所定の高沸点成分（第２冷媒）が高い組成比とすることにより、高温給湯時の高圧側の圧力上昇を抑制でき、高温給湯が可能となる。また、高圧側の圧力上昇となれば非共沸混合冷媒が不均化反応を起こす可能性が高くなるが、低沸点冷媒（第１冷媒）の組成比が低下しているため、不均化反応の可能性が抑制される。

これに対して、組成分離ユニット２００側の冷媒の組成比は、低沸点冷媒（第１冷媒）の組成が増加する。しかし、組成分離ユニット２００には、圧縮機３０のような、摺動部や受電部がないため、第１冷媒が不均化反応を起こしにくい条件下に置かれており、安全性が担保される。
そして、冷凍サイクル装置内の冷媒の組成比が所定の高沸点成分（第２冷媒）が高い状態となった後は、第１電磁弁４６および第３電磁弁４８を閉とし、冷媒の組成比を固定して運転を行う。

一方、給湯機の使用開始時等、低温の水を温める場合は、大きな加熱能力が要求される。この場合には、放流モードにより冷凍サイクル装置内の冷媒の組成比を高沸点成分（第２冷媒）に富む状態から標準組成（充填組成）に戻して運転を行う。

上記の給湯機では、給湯温度の変更に対応するために、冷媒の組成比を組成分離ユニット２００により調整したが、実施の形態１と同様に、圧縮機３０の内部もしくは吐出冷媒の圧力や温度を測定し、測定値が高温、高圧な場合（反応が起こりやすい）に組成分離ユニット２００を分離貯留モードで作動させることができる。作動冷媒の不均化反応が起こりやすい条件のときに、第１冷媒を冷媒貯留器４１内に貯留するとともに、圧縮機３０の吸引側に第２冷媒の組成比が高い冷媒を供給することで圧縮機３０内の第１冷媒の組成比を低く抑え、不均化反応を抑制することができる。

また、冷凍サイクル装置の圧縮機３０を停止する前の所定時間、第１電磁弁４６と第３電磁弁４８とを開として組成分離ユニット２００を分離貯留モードで運転することで、冷媒貯留器４１に第１冷媒の組成比が高い液冷媒を貯留し、再起動時に損傷し、局所的なエネルギーが発生しやすい圧縮機３０に第１冷媒の組成比が低い混合冷媒を供給して、不均化反応を確実に防止することができる。そして、起動から一定時間が経過して冷凍サイクル装置の運転が安定してから放流モードを実行し、冷凍サイクル装置の冷媒の組成比を標準組成に戻すことで加熱能力を確保することが可能になる。

第３配管５２の接続部分は、圧縮機３０の吸入配管としたため、圧縮機３０が低圧シェル、高圧シェルのいずれの場合も、ガラス端子やモータまわりを第１冷媒の組成比が低い環境下とすることが可能で、反応の防止に有効である。一方で第３配管５２の接続部分を圧縮機３０の圧縮行程の途中にインジェクションすることで特に圧縮過程の高圧部分の第１冷媒の組成比を下げることも可能である。

実施の形態３に係る冷凍サイクル装置では、上記の構成により冷凍サイクルユニット１００側の冷凍サイクル装置内で第１冷媒組成を低減することが可能となり、第１冷媒の分圧が低下し、第１冷媒の不均化反応の連鎖を抑制することができる。
なお、実施の形態３では給湯機を例にして説明をしたが、空調装置やチラーなどに当該冷凍サイクル装置を採用することができる。
また、実施の形態３に係る冷凍サイクル装置では、第１冷媒と第２冷媒の２種類を混合しているが、３種類以上を混合してもよい。その場合第１冷媒は、低沸点成分に属することが必要である。このような組成とすることで、メイン経路の冷媒は第１冷媒の組成比が高く、バイパス経路の冷媒は第１冷媒の組成比が低くなるため反応抑制の効果を同様に得ることができる。

以上、実施の形態１〜３について説明したが、本発明は各実施の形態の説明に限定されず、各実施の形態の全て又は一部を組み合わせることも可能である。
例えば、実施の形態１や２に係る冷凍サイクル装置に実施の形態３に係る組成分離ユニット２００を採用し、冷凍サイクル装置内の第１冷媒の組成比を調整することが可能である。また。実施の形態３に係る冷凍サイクルユニット１００の冷凍サイクル装置として実施の形態１や２に係る冷凍サイクル装置を採用し、空調システム等を構成してもよい。

１ 圧縮機、２ 第１凝縮器、３ 気液分離器、３ａ ガス側出口、３ｂ 液側出口、４ 第２凝縮器（本発明の第３熱交換器に相当）、５ 冷媒間熱交換器、６ 第１膨張弁、７ 蒸発器、８ メイン経路、９ バイパス経路、１０ 第２膨張弁、１１ 圧縮機、１２ オイルセパレータ、１２ａ ガス側出口、１２ｂ 油戻し口、１３ 四方弁、１４ 室外熱交換器、１５ 室外膨張弁（本発明の第３膨張弁に相当）、１６ 室内膨張弁、１７ 室内熱交換器、１８ アキュームレータ、１９ バイパス経路、２０ 絞り、２１ メイン経路、３０ 圧縮機、３１ 四方弁、３２ 利用側熱交換器、３３ 過冷却器、３４ 膨張弁、３５ 熱源側熱交換器、４０ 冷媒精留器、４１ 冷媒貯留器、４２ 第１冷却器、４３ 第２冷却器、４４ 毛細管、４５ 毛細管、４６ 第１電磁弁、４７ 第２電磁弁、４８ 第３電磁弁、５０ 第１配管、５１ 第２配管、５２ 第３配管、１００ 冷凍サイクルユニット、２００ 組成分離ユニット。

Claims (7)

1. 第１冷媒と、同一圧力下において前記第１冷媒よりも沸点の高い特性の第２冷媒と、を少なくとも含む非共沸混合冷媒を標準組成冷媒として作動し、
   圧縮機と、第１熱交換器と、膨張弁と、第２熱交換器と、を順次接続したメイン回路と、
   前記メイン回路に接続された組成分離回路と、を備えた冷凍サイクル装置であって、
   前記第１冷媒は、不均化反応が生じる特性を有し、
   前記組成分離回路は、前記標準組成冷媒の成分を分離する分離貯留モードで運転された時に、前記メイン回路から前記標準組成冷媒に比べて前記第１冷媒の組成比が高い混合冷媒を分離し貯留する構成を有し、
   前記分離貯留モードは、少なくとも前記圧縮機の吐出温度または吐出圧力が高い時に作動することを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 第１冷媒と、同一圧力下において前記第１冷媒よりも沸点の高い特性の第２冷媒と、を少なくとも含む非共沸混合冷媒を標準組成冷媒として作動し、
   圧縮機と、第１熱交換器と、膨張弁と、第２熱交換器と、を順次接続したメイン回路と、
   前記メイン回路に接続された組成分離回路と、を備えた冷凍サイクル装置であって、
   前記第１冷媒は、不均化反応が生じる特性を有し、
   前記組成分離回路は、前記標準組成冷媒の成分を分離する分離貯留モードで運転された時に、前記メイン回路から前記標準組成冷媒に比べて前記第１冷媒の組成比が高い混合冷媒を分離し貯留する構成を有し、
   前記分離貯留モードは、少なくとも前記圧縮機が停止する前の所定時間作動することを特徴とする冷凍サイクル装置。
3. 前記組成分離回路は、前記メイン回路の成分を前記標準組成冷媒に戻す放流モードで運転された時に、前記分離貯留モードで前記メイン回路から分離し貯留した前記第１冷媒の組成比が高い混合冷媒を前記メイン回路に流入させる構成を有する請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記組成分離回路は、前記分離貯留モードで運転された時に前記標準組成冷媒に比べて前記第１冷媒の組成比が高い混合冷媒を分離する冷媒精留器と、前記冷媒精留器で分離した前記混合冷媒を貯留する冷媒貯留器と、を備えた請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記放流モードにおいて、前記冷媒貯留器内に貯留した前記第１冷媒の組成比が高い混合冷媒を前記メイン回路に流入させる接続位置を前記圧縮機の吸入配管とした請求項３または請求項３に従属する請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記放流モードにおいて、前記冷媒貯留器内に貯留した前記第１冷媒の組成比が高い混合冷媒を前記メイン回路に流入させる接続位置を前記圧縮機の圧縮過程の途中とした請求項３または請求項３に従属する請求項４または５に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記第１冷媒は、ＨＦＯ１１２３であり、前記第２冷媒は、少なくともＲ３２、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅのうちの１つ以上を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。

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