JP6293557B2

JP6293557B2 - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP6293557B2
Application number: JP2014075743A
Authority: JP
Inventors: 敦史馬場; 山口　広一; 山口　　広一
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2018-03-14
Anticipated expiration: 2034-04-01
Also published as: JP2015197254A

Description

本発明の実施形態は、冷凍サイクル装置に関する。

空気調和装置等の冷凍サイクル装置では、地球温暖化防止の観点から、現在主に使用されているＲ４１０Ａ等のＨＦＣ系冷媒に比べて、地球温暖化係数（ＧＷＰ：ｇｌｏｂａｌｗａｒｍｉｎｇｐｏｔｅｎｔｉａｌ）の低い冷媒への転換が検討されている。

ここで、地球温暖化防止を図るにあたっては、ＧＷＰの低い冷媒を使用した上で、所望の冷凍能力や機器効率（ＣＯＰ（成績係数）やＡＰＦ（通年エネルギー消費効率）等）を確保する必要がある。すなわち、ＧＷＰの低い冷媒を使用したことに伴い、冷凍サイクル装置の冷凍能力や機器効率が大幅に低下すると、従来と同等の性能を維持するためには、電力量を増加させる等の必要がある。この場合には、電力使用時の二酸化炭素の排出量が増加し、地球温暖化防止の効果的な対策にはならない可能性があった。

特開２００１−１９４０１６号公報

本発明が解決しようとする課題は、所望の冷凍能力や機器効率を確保した上で、地球温暖化防止を図ることができる冷凍サイクル装置を提供することである。

実施形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機、室外熱交換器、減圧弁、及び室内熱交換器を持つ。圧縮機、室外熱交換器、減圧弁、及び室内熱交換器は、ＧＷＰが６００以下の作動流体が充填された冷媒回路に順次接続されている。作動流体は、ＨＦＯ−１２３４ｙｆの単一冷媒、ＨＦＯ−１２３４ｚｅの単一冷媒、ＨＦＯ−１２３４ｙｆとＲ３２を含む混合冷媒及びＨＦＯ−１２３４ｚｅとＲ３２を含む混合冷媒のいずれかからなる。作動流体のＧＷＰをＧＷＰ１とする。室外熱交換器の水平方向の長さと高さ方向の長さとの積を前面面積とする。そして、前面面積１ｍ^２当たりの作動流体の充填量Ｍａ（ｋｇ／ｍ^２）は、次式（１）により算出されるピーク充填量Ｍ（ｋｇ／ｍ^２）の０．４８倍以上１．８倍以下に設定されている。

実施形態における冷凍サイクル装置の概略構成図。実施形態における冷凍サイクル装置の冷凍サイクルを示すモリエル線図。実施形態における室外熱交換器の正面図。ＧＷＰに対する室外熱交換器の前面面積１ｍ^２当たりの充填量を示すグラフ。

以下、実施形態の冷凍サイクル装置を、図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１は、圧縮機２、四方弁３、室外熱交換器４、減圧弁５、及び室内熱交換器６が冷媒回路７によって順次接続されて構成されている。なお、これら各構成品のうち、圧縮機２、四方弁３、室外熱交換器４、及び減圧弁５は室外機１１内に収容され、室内熱交換器６は室内機１２内に収容されている。また、図１に示す例において、実線矢印は冷房時、破線矢印は暖房時の冷媒の流通方向を示している。

このような冷凍サイクル装置１では、四方弁３により冷媒の流れを変えることにより、冷房運転や暖房運転等を行う。例えば、冷房運転では、圧縮機２、四方弁３、室外熱交換器４、減圧弁５、室内熱交換器６が順に接続される。このとき、室外熱交換器４を凝縮器として機能させ、室内熱交換器６を蒸発器として機能させ、室内を冷房する。
一方、暖房運転では、圧縮機２、四方弁３、室内熱交換器６、減圧弁５、及び室外熱交換器４が順に接続される。このとき、室内熱交換器６を凝縮器として機能させ、室外熱交換器４を蒸発器として機能させ、室内を暖房する。

上述した冷凍サイクルを図２に示すモリエル線図（ｐ−ｈ線図）で説明する。
図２に示す点Ａから点Ｂの区間は、圧縮機２にて冷媒が圧縮される工程であって、圧縮機２の内部に取り込まれる低圧の気体冷媒を圧縮して高温・高圧の気体冷媒とする。点Ｂから点Ｃの区間は、熱交換器４，６のうち凝縮器内の冷媒と、凝縮器を通過する空気と、が熱交換する工程であって、圧縮機２から送り込まれる高温・高圧の気体冷媒から熱を放熱させ、高温・高圧の気体冷媒を高圧の液体冷媒にする。点Ｃから点Ｄの区間は、減圧弁５にて冷媒が減圧する工程であって、熱交換器４，６のうち凝縮器から送り込まれる高圧の液体冷媒の圧力を下げ、高圧の液体冷媒を低温・低圧の気液二相状態の冷媒にする。点Ｄから点Ａの区間は、熱交換器４，６のうち蒸発器内の冷媒と、蒸発器を通過する空気と、が熱交換する工程であって、減圧弁５から送り込まれる低温・低圧の気液二相状態の冷媒に吸熱させ、低温・低圧の気液二相状態の冷媒を低圧の気体冷媒にする。

図３にフィンアンドチューブ型熱交換器からなる室外熱交換器４を示す。室外熱交換器４は、互いに間隔をあけて積層された複数枚のフィン２１と、これらフィン２１を積層方向の両側から挟持する一対の端板２２と、これらフィン２１及び端板２２を積層方向に貫通するとともに、冷媒が流通する熱交換チューブ２３（冷媒回路７）と、を有している。なお、室外熱交換器４はフィンアンドチューブ型熱交換器に限らず、例えば、内部流路を分割した扁平管とヘッダを有するパラレルフロー型熱交換器等でも良い。

図示の例において、各フィン２１は、例えばアルミニウム等、熱伝導率が優れた材料により構成されている。室外熱交換器４では、各フィン２１間の隙間を空気が通過するようになっている。
端板２２は、フィン２１よりも剛性の高い材料により構成されている。なお、端板２２は、フィン２１の積層方向の両側に位置して、フィン２１を挟持する構成であれば、例えばフィン２１と同様の材質であっても構わない。

熱交換チューブ２３は、例えば銅等、熱伝導率に優れた材料により構成されている。熱交換チューブ２３は、フィン２１及び端板２２を積層方向に貫通するとともに、端板２２の外側において折り返されている。これにより、熱交換チューブ２３は、フィン２１及び端板２２の厚さ方向に複数段に亘って蛇行しながら、フィン２１及び端板２２の高さ方向（延在方向）に延在している。

本実施形態の冷凍サイクル装置１において、冷媒回路７内には作動流体としてＧＷＰが６００以下であり、単一冷媒または混合冷媒からなる冷媒が充填されている。なお、ＧＷＰとは、ＣＯ_２を基準にして、ほかの温室効果ガスがどれだけ温暖化する能力があるかを表した数字である。すなわち、単位質量(例えば、１ｋｇ)の温室効果ガスが大気中に放出されたときに、一定時間内(例えば、１００年)に地球に与える放射エネルギーの積算値(すなわち温暖化への影響)を、ＣＯ_２に対する比率として見積もったものである。

上述した冷媒として、本実施形態では、ＨＦＯ−１２３４ｙｆの単一冷媒、またはＨＦＯ−１２３４ｙｆとＲ３２との混合冷媒や、ＨＦＯ−１２３４ｚｅの単一冷媒、またはＨＦＯ−１２３４ｚｅとＲ３２との混合冷媒等が好適に用いられる。なお、ＨＦＯ−１２３４ｙｆのＧＷＰは「４」であり、ＨＦＯ−１２３４ｚｅのＧＷＰは「６」であり、Ｒ３２のＧＷＰは「６７５」である。

ＨＦＯ−１２３４ｙｆとＲ３２との混合冷媒において、混合割合（濃度）とＧＷＰとの関係は、表１に示す通りである。

また、ＨＦＯ−１２３４ｚｅとＲ３２との混合冷媒において、混合割合（濃度）とＧＷＰとの関係は、表２に示す通りである。

ここで、本願発明者は、まず本実施形態の冷凍サイクル装置１において、所望の冷凍能力が得られ、高い機器効率を確保できる最適な充填量（以下、ピーク充填量Ｍ（ｋｇ／ｍ^２）という）を求めた。具体的に、ピーク充填量Ｍは、現在一般的に使用されているＧＷＰが６００よりも大きいＲ４１０Ａ（ＧＷＰが２０９０）冷媒を用いた冷凍サイクル装置（比較例）と冷凍能力を同一とし、かつ図２に示すｐ−ｈ線図において過冷却度ｈ１及び過熱度ｈ２を比較例の冷凍サイクル装置と同等に設定した場合に、高い機器効率を確保できる充填量である。

また、上述した過冷却度ｈ１及び過熱度ｈ２の設定値は、表３に示す通りである。

このような条件のもと、ＧＷＰの異なる複数種類の冷媒において、室外熱交換器４の前面面積Ｓの１ｍ^２当たりのピーク充填量Ｍを求めた結果、図４のグラフに示す実線が得られた。なお、前面面積Ｓとは、図２に示す室外熱交換器４において、水平方向の長さである一対の端板２２間の距離をＬ、高さ方向の長さであるフィン２１（端板２２）の高さをＨとした場合の積（Ｓ＝Ｌ×Ｈ）である（空気の通過面積）。この場合、室外熱交換器４におけるフィン２１の積層枚数に応じて距離Ｌが調整されるとともに、熱交換チューブ２３の段数に応じて高さＨが調整されることで、前面面積Ｓを調整することができる。

また、図４のグラフに示すピーク充填量Ｍは、使用する冷媒のＧＷＰをＧＷＰ_１とすると、次式（１）で表される。なお、次式（１）中の「２０９０」は比較例として用いたＲ４１０ＡのＧＷＰである。

このように、ＧＷＰと、前面面積Ｓの１ｍ^２当たりのピーク充填量Ｍと、は、相関関係にあることが分かる。すなわち、ＧＷＰが大きいほど、ピーク充填量Ｍが小さくなることがわかる。

次に、本願発明者は、上述したピーク充填量Ｍに対して所望の冷凍能力や機器効率を最低限確保できる範囲の充填量Ｍａ（ｋｇ／ｍ^２）を設定した。具体的に、充填量Ｍａは、ピーク充填量Ｍに対して０．４８倍以上１．８倍以下の範囲（図４中の鎖線範囲）に設定することが好ましく、０．９倍以上１．２倍以下の範囲（図４中の破線範囲）に設定することがより好ましい。

ピーク充填量Ｍに対して充填量Ｍａを増加または減少させると、冷凍能力や機器効率についても減少傾向にある。
具体的には、充填量Ｍａをピーク充填量Ｍの０．９倍以上（Ｍａ≧０．９Ｍ）とすることで、冷凍能力についてはピーク充填量Ｍの場合と同等の能力を確保し、機器効率（ＣＯＰ）でもピーク充填量Ｍの場合に対して９７％以上の効率を確保できた。なお、ＣＯＰはＡＰＦと相関関係にあるため、ＣＯＰの増加または減少に伴ってＡＰＦも増加または減少するようになっている。
また、充填量Ｍａをピーク充填量Ｍの０．４８倍以上０．９倍未満（０．９Ｍ＞Ｍａ≧０．４８Ｍ）とすると、冷凍能力については所望の能力を確保することができるものの、機器効率については若干減少した（９７％未満）。

一方、充填量Ｍａがピーク充填量Ｍの０．４８倍未満（Ｍａ＜０．４８Ｍ）の場合には、冷媒潜熱の大幅な減少に伴い、冷凍能力を確保できなくなる場合があった。また、充填量Ｍａがピーク充填量Ｍの０．４８倍未満（Ｍａ＜０．４８Ｍ）の場合には、圧縮機２への吸込み過熱度が大きくなり、圧縮機２の信頼性を損なうおそれがあった。
このような結果から、本実施形態における充填量Ｍａの下限は、冷凍能力や圧縮機２の信頼性を確保するためには、ピーク充填量Ｍに対して０．４８倍以上に設定し、機器効率を確保するためには、ピーク充填量Ｍに対して０．９倍以上に設定することが好ましい。

また、充填量Ｍａをピーク充填量Ｍの１．２倍以下（Ｍａ≦１．２Ｍ）とすると、冷凍能力についてはピーク充填量Ｍの場合と同等の能力を確保し、機器効率でもピーク充填量Ｍの場合に対して９７％以上の効率を確保できた。
さらに、充填量Ｍａをピーク充填量Ｍの１．２倍より大きく１．８倍以下（１．２Ｍ＜Ｍａ≦１．８Ｍ）とすると、冷凍能力については所望の能力を確保することができるものの、機器効率については若干減少した。

一方、充填量Ｍａがピーク充填量Ｍの１．８倍よりも大きい場合には、凝縮器として機能する熱交換器４，６での有効な伝熱面積の減少（凝縮伝熱性能の低下）がする。その結果、吐出圧力が高くなり、機器（圧縮機２等）の信頼性を損なう場合があった。
このような結果から、本実施形態における充填量Ｍａの上限は、機器効率を確保するためには、ピーク充填量Ｍに対して１．２倍以下に設定し、機器の信頼性を確保するためには、１．８倍以下に設定することが好ましい。

このように、本実施形態では、前面面積Ｓの１ｍ^２当たりの充填量Ｍａを、上述した式（１）により算出されるピーク充填量Ｍの０．４８倍以上１．８倍以下に設定する構成とした。
この構成によれば、所望の冷凍能力や機器の信頼性を確保した上で、低ＧＷＰ化を図ることができるので、地球温暖化に与える影響を小さくし、環境負荷を低減できる。

さらに、本実施形態では、充填量Ｍａをピーク充填量Ｍの０．９倍以上１．２倍以下の範囲に設定することで、低ＧＷＰ化を図った上で、所望の機器効率も確保できる。

なお、上述した実施形態では、ＨＦＯ−１２３４ｙｆやＨＦＯ−１２３４ｚｅ、Ｒ３２を冷媒として用いる場合について説明したが、これに限られない。すなわち、ＧＷＰが６００以下の冷媒であれば、単一冷媒または混合冷媒等、冷媒の種類は適宜変更が可能である。

さらに、上述した実施形態では、前面面積Ｓの１ｍ^２当たりのピーク充填量Ｍに対して充填量Ｍａの範囲を表す場合について説明したが、他の条件に基づいて充填量を設定しても構わない。例えば、冷凍サイクル装置１の冷凍能力１ｋｗ当たりの冷媒の充填量Ｍｂ（ｇ／ｋＷ）を、次式（２）の範囲に設定してもよい。

また、冷凍サイクル装置１の室外熱交換器４の内容積１Ｌ当たりの冷媒の充填量Ｍｃ（ｇ／Ｌ）を、次式（３）の範囲に設定してもよい。

上述した式（２）、（３）の範囲に設定した場合であっても、ＧＷＰの低い冷媒を使用した上で、所望の冷凍能力を確保するとともに、機器の信頼性を確保できる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、室外熱交換器の前面面積１ｍ^２当たりの冷媒の充填量Ｍａ（ｋｇ／ｍ^２）が、上述した式（１）により算出されるピーク充填量Ｍの０．４８倍以上１．８倍以下に設定されていることにより、所望の冷凍能力や機器の信頼性を確保した上で、低ＧＷＰ化を図ることができるので、地球温暖化に与える影響を小さくし、環境負荷を低減できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…冷凍サイクル装置、２…圧縮機、４…室外熱交換器、５…減圧弁、６…室外熱交換器

Claims

圧縮機、室外熱交換器、減圧弁、及び室内熱交換器が順次接続された冷媒回路内にＧＷＰが６００以下の作動流体が充填された冷凍サイクル装置において、
前記作動流体は、ＨＦＯ−１２３４ｙｆの単一冷媒、ＨＦＯ−１２３４ｚｅの単一冷媒、ＨＦＯ−１２３４ｙｆとＲ３２を含む混合冷媒及びＨＦＯ−１２３４ｚｅとＲ３２を含む混合冷媒のいずれかからなり、
前記作動流体のＧＷＰをＧＷＰ１とし、前記室外熱交換器の水平方向の長さと高さ方向の長さとの積を前面面積としたとき、
前記前面面積１ｍ^２当たりの前記作動流体の充填量Ｍａ（ｋｇ／ｍ^２）は、次式（１）により算出されるピーク充填量Ｍ（ｋｇ／ｍ^２）の０．４８倍以上１．８倍以下に設定されている冷凍サイクル装置。
前記充填量Ｍａ（ｋｇ／ｍ^２）は、前記ピーク充填量Ｍ（ｋｇ／ｍ^２）の０．９倍以上１．２倍以下に設定されている請求項１記載の冷凍サイクル装置。