JP6667071B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＨＦＯ１１２３を含む作動流体を用いる冷凍サイクル装置に関する。

一般に、冷凍サイクル装置は、圧縮機、必要に応じて四方弁、放熱器（または凝縮器）、キャピラリーチューブや膨張弁等の減圧器、蒸発器、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（フロン類はＲ○○またはＲ○○○と記すことが、米国ＡＳＨＲＡＥ３４規格により規定されている。以下、Ｒ○○またはＲ○○○と示す）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。

上記のような冷凍サイクル装置用冷媒としては、Ｒ４１０Ａが多く用いられているが、Ｒ４１０Ａ冷媒の地球温暖化係数（ＧＷＰ）は２０９０と大きく、地球温暖化防止の観点から問題がある。

そこで、地球温暖化防止の観点からは、ＧＷＰの小さな冷媒として、例えば、ＨＦＯ１１２３（１，１，２−トリフルオロエチレン）や、ＨＦＯ１１３２（１，２−ジフルオロエチレン）が提案されている（例えば特許文献１または特許文献２）。

国際公開第２０１２／１５７７６４号 国際公開第２０１２／１５７７６５号

しかしながら、ＨＦＯ１１２３（１，１，２−トリフルオロエチレン）や、ＨＦＯ１１３２（１，２−ジフルオロエチレン）は、Ｒ４１０Ａなどの従来の冷媒に比べて安定性が低く、ラジカルを生成した場合、不均化反応により別の化合物に変化する恐れがある。不均化反応は大きな熱放出を伴って圧力上昇するため、圧縮機や冷凍サイクル装置の信頼性を低下させる恐れがある。このため、ＨＦＯ１１２３やＨＦＯ１１３２を圧縮機や冷凍サイクル装置に用いる場合には、この不均化反応を抑制する必要がある。

このような不均化反応は、過度に高温高圧となった冷媒雰囲気下にて、高エネルギが付加されると、これが起点となって発生する。

例えば、一例を挙げると、所定の運転条件下ではない状態、すなわち、凝縮器側の送風ファン停止、冷凍サイクル回路の閉塞等によって、吐出圧力（冷凍サイクルの高圧側）が過度に上昇する。

このような状態下で圧縮機のロック異常が生じ、このロック異常下においても、圧縮機への電力供給を続けると、圧縮機の電動機へ電力が過剰に供給され、電動機が異常に発熱する。その結果、電動機の固定子を構成する固定子巻線の導線同士でレイヤーショートと呼ばれる現象を引き起こし、これが高エネルギ源となって不均化反応を誘起することになる。

そして、不均化反応が発生すると圧縮機内の圧力が異常に上昇し、圧縮機が破損する恐れがある。

本発明は、このような点に鑑みてなしたもので、不均化反応発生時の圧縮機破損を防止してＨＦＯ１１２３を含む作動流体を用いた冷凍サイクル装置の安全性を向上させることを目的としたものである。

本発明は、上記目的を達成するため、冷凍サイクル回路に、１，１，２−トリフルオロエチレンとジフルオロメタンとを含む作動流体を封入して構成した冷凍サイクル装置であって、前記冷凍サイクル回路の圧縮機から凝縮器或いは蒸発器となる熱交換器と間の配管は、前記作動流体が外部エネルギ源によって不均化反応を起こした時、不可逆な変化を起こして、圧縮機内の作動流体を外部に放出する構成としてある。

上記構成によれば、作動流体が外部エネルギ源によって不均化反応を起こすと、瞬時に配管そのものが破断する等の不可逆な変化を起こして内部の作動流体を外部に放出し圧力を下げるので、そのまま圧力上昇して圧縮機が破損等するのを防止でき、冷凍サイクル装置の信頼性を確保できる。

本発明は、上記構成により、ＨＦＯ１１２３を含む作動流体を用いた安全で信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の概略構成図 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を構成する内部高圧型圧縮機の概略構成図 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を構成する圧縮機として示す内部低圧型圧縮機の概略構成図 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を構成する内部高圧型圧縮機の集中巻の電動機の概略構成図 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を構成する内部高圧型圧縮機の分布巻の電動機の概略構成図 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を構成する内部高圧型圧縮機からの配管を示す拡大断面図 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を構成する内部高圧型圧縮機からの配管の他の例を示す拡大断面図 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置に使用する作動流体の不均化反応特性を示す圧力と時間の関係図 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置に使用する作動流体の不均化反応特性を示す圧力と温度の関係図

第１の発明は、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とを環状に接続して構成した冷凍サイクル回路を備え、前記冷凍サイクル回路に、１，１，２−トリフルオロエチレンとジフルオロメタンとを含む作動流体を封入して構成した冷凍サイクル装置であって、前記冷凍サイクル回路の圧縮機から凝縮器或いは蒸発器となる熱交換器と間の配管は、前記作動流体が外部エネルギ源によって不均化反応を起こした時、不可逆な変化を起こして、圧縮機内の作動流体を外部に放出する構成としてある。

上記構成によれば、作動流体が外部エネルギ源によって不均化反応を起こすと、瞬時に配管そのものが破断する等の不可逆な変化を起こして内部の作動流体を外部に放出し圧力を下げるので、そのまま圧力上昇して圧縮機が破損等するのを防止でき、冷凍サイクル装置の信頼性を確保できる。

第２の発明は、第１の発明において、前記配管はその一部が他の部分よりも強度が弱い脆弱部を有する構成としてある。

これにより、配管はその脆弱部が破断等の不可逆変化を起こして圧縮機内の作動流体を瞬間的に放出し圧縮機の異常な圧力上昇を防止でき、圧縮機破損等を防止して冷凍サイクル装置の信頼性を確保することができる。

第３の発明は、第２の発明において、前記脆弱部は温度上昇に伴いその一部が他の部分よりも強度が弱くなる構成としてある。

これにより、配管は不均化反応が起きない通常時にはその全域に渡って強度が確保されているので信頼感が向上するとともに、不均化反応を起こす温度に上昇するとその脆弱部の強度が弱くなって当該脆弱部が破断等の不可逆変化を起こし圧縮機内の作動流体を瞬間的に放出して圧縮機の異常な圧力上昇を防止し冷凍サイクル装置の信頼性を確保することができる。

第４の発明は、第１または第２の発明において、前記脆弱部は配管一部の管壁厚を他の部分の管壁厚よりも薄くして構成してある。

これにより、配管はその管壁厚を薄くした脆弱部が破断等の不可逆変化を起こして圧縮機内の作動流体を瞬間的に放出し圧縮機の異常な圧力上昇を防止でき、圧縮機破損等を防止して冷凍サイクル装置の信頼性を確保することができる。

第５の発明は、第１または第２の発明において、前記配管は作動流体の不均化反応時の圧力により生じる応力が集中して破断等の不可逆反応を起こす部位を設けた構成としてある。

これにより、不可逆反応が生じると配管はその応力集中部位が瞬時に破断等の不可逆な変形を起こして圧縮機内の作動流体を外部に放出することになり、特別な構成を施すことなく圧縮機の破損を防止して冷凍サイクル装置の信頼性を確保することができる。

第６の発明は、第１〜第５の発明において、前記配管はその内径を７ｍｍ以上とした構成としてある。

これにより、配管は破断時に圧縮機内の作動流体を瞬間的に放出して圧縮機の異常な圧力上昇を防止でき、圧縮機破損等を防止して冷凍サイクル装置の信頼性を確保することができる。

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に、本発明の第１の実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００を示す。本実施の形態の冷凍サイクル装置１００は、室内機ユニット１０１ａと室内機ユニット１０１ａとが
冷媒配管及び制御配線等により互いに接続された、所謂セパレート型の空気調和機である。

室内機ユニット１０１ａは、室内熱交換器１０３と、室内熱交換器１０３に送風するとともに、室内熱交換器１０３で熱交換した空気を室内に吹き出す貫流ファン（クロスフローファン）である室内送風ファン１０７ａを備えている。室外機ユニット１０１ｂは、圧縮機１０２、減圧手段である膨張弁１０４、室外熱交換器１０５、四方弁１０６、室外熱交換器１０５に送風するプロペラファンである室外送風ファン１０７ｂを備えている。

室内機ユニット１０１ａと室外機ユニット１０１ｂとを分離できるように、室内機ユニット１０１ａは、配管接続部１１２を備えている。室外機ユニット１０１ｂは、配管接続部１１２、配管接続部１１２と四方弁１０６との間に設けられた三方弁１０８、配管接続部１１２と膨張弁１０４との間に設けられた二方弁１０９を備えている。また、室内機ユニット１０１ａは、圧縮機１０２内に設けられた電動機を駆動する電動機駆動装置１１５を備えている。

そして、室内機ユニット１０１ａの一方の配管接続部１１２と室外機ユニット１０１ｂの二方弁１０９が設けられた側の配管接続部１１２とは、冷媒配管の１つである液管１１１ａで接続されている。また、室内機ユニット１０１ａの他方の配管接続部１１２と室外機ユニット１０１ｂの三方弁１０８が設けられた側の配管接続部１１２とは、冷媒配管の１つであるガス管１１１ｂで接続されている。

このように、本実施の形態の冷凍サイクル装置１００は、主に、圧縮機１０２、室内熱交換器１０３、膨張弁１０４、室外熱交換器１０５の順に冷媒配管で接続し、冷凍サイクル回路を構成している。冷凍サイクル回路は、圧縮機１０２と室内熱交換器１０３または室外熱交換器１０５との間に、圧縮機１０２から吐出された冷媒の流れ方向を室内熱交換器１０３または室外熱交換器１０５のいずれかに切替える四方弁１０６を備えている。

四方弁１０６を備えることで、本実施の形態の冷凍サイクル装置１００は、冷房運転と、暖房運転の切り替えが可能となる。つまり、冷房運転時には、圧縮機１０２の吐出側と室外熱交換器１０５とを連通させるとともに、室内熱交換器１０３と圧縮機１０２の吸入側とを連通されるように、四方弁１０６を切換える。これによって、室内熱交換器１０３を蒸発器として作用させ、周囲大気（室内空気）から熱を吸熱し、室外熱交換器１０５を凝縮器として作用させ、室内で吸熱した熱を周囲大気（室外空気）へ放熱する。一方、暖房運転時には、圧縮機１０２の吐出側と室内熱交換器１０３とを連通させるとともに、室外熱交換器１０５と圧縮機１０２の吸入側とを連通されるように、四方弁１０６を切換える。これによって、室外熱交換器１０５を蒸発器として作用させ、（室外空気）から吸熱し、室内熱交換器１０３を凝縮器として作用させ、室外で吸熱した熱を室内空気へ放熱する。

なお、四方弁１０６は、制御装置（図示せず）からの電気的信号によって、冷房と暖房と切り替える電磁弁式のものが用いられている。

また、冷凍サイクル回路は、四方弁１０６をバイパスし、圧縮機１０２の吸入側と吐出側とを連通するバイパス手段１１３と、バイパス手段１１３の冷媒の流れを開放、閉止する開閉弁１１３ａを備えている。

また、圧縮機１０２の吐出側には、電子制御式の開閉弁であるリリーフ弁１１４が設けられている。なお、リリーフ弁１１４は、圧縮機１０２の吐出部から膨張弁１０４までの間、または、圧縮機１０２の吐出部から三方弁１０８までの間に設けられていればよいが
、圧縮機１０２の圧力を急速に逃すためには、圧縮機１０２の吐出部から四方弁１０６までの間に設けられていることが望ましい。

冷凍サイクル回路は、圧縮機１０２の吐出側と膨張弁１０４の入口との間に設けられた高圧側圧力検出手段１１６を備えている。高圧側圧力検出手段１１６は、加圧されるダイヤフラムのひずみをひずみゲージなどで電気的に検出して測定する構成でもよい。さらに、機械的に圧力を検出する金属ベローズや金属ダイヤフラムで構成してもよい。

冷凍サイクル回路は、圧縮機１０２の吐出側と凝縮器の入口との間に設けられた吐出温度検出手段１１７を備えている。本実施の形態では、四方弁１０６の切り替えによって、室内熱交換器１０３または室外熱交換器１０５のいずれかが凝縮器となるため、吐出温度検出手段１１７は、圧縮機１０２の吐出側と四方弁１０６の入口との間に設けられている。吐出温度検出手段１１７は、サーミスタや熱電対などで構成され、温度を電気的に検出する。

高圧側圧力検出手段１１６や、吐出温度検出手段１１７の検出値は、制御装置へ電気的に送信される。

冷凍サイクル回路内には、作動流体（冷媒）が封入されている。作動流体について説明する。本実施の形態の冷凍サイクル装置１００に封入される作動流体は、（１）ＨＦＯ１１２３（１，１，２−トリフルオロエチレン）と、（２）Ｒ３２（ジフオロメタン）からなる２成分系の混合作動流体であり、特に、Ｒ３２が３０重量％以上６０重量％以下の混合作動流体である。

ＨＦＯ１１２３にＲ３２を３０重量％以上混合することで、ＨＦＯ１１２３の不均化反応を抑制できる。また、Ｒ３２の濃度が高いほど不均化反応をより抑制できる。これは、Ｒ３２のフッ素原子への分極が小さいことによる不均化反応を緩和する作用と、ＨＦＯ１１２３とＲ３２は物理特性が似ていることから凝縮・蒸発など相変化時の挙動が一体となることによる不均化の反応機会を減少させる作用とにより、ＨＦＯ１１２３の不均化反応を抑制することができる。

また、ＨＦＯ１１２３とＲ３２の混合冷媒は、Ｒ３２が３０重量％、ＨＦＯ１１２３が７０％で共沸点を持ち、温度すべりがなくなる為、単一冷媒と同様な取り扱いが可能である。つまり、Ｒ３２を６０重量％以上混合すると、温度すべりが大きくなり、単一冷媒と同様な取り扱いが困難となる可能性があるため、Ｒ３２を６０重量％以下で混合することが望ましい。特に、不均化を防止するとともに、共沸点に近づくため温度すべりをより小さくし、機器の設計が容易とするために、Ｒ３２を４０重量％以上５０重量％以下で混合することが望ましい。

表１、表２は、ＨＦＯ１１２３とＲ３２の混合作動流体のうち、Ｒ３２が３０重量％以上６０重量％以下となる混合割合での、冷凍サイクルの圧力、温度、圧縮機の押しのけ容積が同じ場合の冷凍能力およびサイクル効率（ＣＯＰ）を計算し、Ｒ４１０ＡとＨＦＯ１１２３と比較したものである。

まず、表１、表２の計算条件について説明する。近年、機器のサイクル効率を向上するため、熱交換器の高性能化が進み、実際の運転状態では、凝縮温度は低下し、蒸発温度は上昇する傾向にあり、吐出温度も低下する傾向にある。このため、実際の運転条件を考慮し、表１の冷房計算条件は、冷凍サイクル装置１００の冷房運転時（室内乾球温度 ２７℃、湿球温度 １９℃、室外乾球温度 ３５℃）に対応し、蒸発温度は１５℃、凝縮温度は４５℃、圧縮機の吸入冷媒の過熱度は５℃、凝縮器出口の過冷却度は８℃とした。

また、表２の暖房計算条件は、冷凍サイクル装置１００の暖房運転時（室内乾球温度２０℃、室外乾球温度 ７℃、湿球温度 ６℃）に対応した計算条件で、蒸発温度は２℃、凝縮温度は３８℃、圧縮機の吸入冷媒の過熱度は２℃、凝縮器出口の過冷却度は１２℃とした。

表１、表２より、Ｒ３２を３０重量％以上６０重量％以下で混合することにより、冷房および暖房運転時に、Ｒ４１０Ａと比較して、冷凍能力は約２０％増加し、サイクル効率（ＣＯＰ）は９４〜９７％となり、温暖化係数はＲ４１０Ａの１０〜２０％に低減できる。

以上説明したように、ＨＦＯ１１２３とＲ３２の２成分系において、不均化の防止、温度すべりの大きさ、冷房運転時・暖房運転時の能力、ＣＯＰを総合的に鑑みると（すなわち、後述する圧縮機を用いた空気調和機器に適した混合割合を特定すると）、３０重量％以上６０重量％以下のＲ３２を含む混合物が望ましく、さらに望ましくは、４０重量％以上５０重量％以下のＲ３２を含む混合物が望ましい。

次に、冷凍サイクル回路を構成する各構成要素について説明する。

室内熱交換器１０３、室外熱交換器１０５には、フィンアンドチューブ型熱交換器やパラレルフロー形（マイクロチューブ型）熱交換器などが用いられる。なお、なお、図１に示したようなセパレート型の空気調和機ではなく、例えば、室内熱交換器１０３の周囲媒体としてブライン（ブラインを居住スペースの冷暖房に使用）を用いる場合や、二元式冷凍サイクルの冷媒を用いる場合には、熱交換器の形態として、二重管熱交換器やプレート式熱交換器、シェルアンドチューブ熱交換器を用いてもよい（図示せず）。この場合、室内熱交換器１０３は、被冷却、加熱対象（セパレート型の空気調和機の場合、室内空気）を直接、冷却、加熱はしないので、必ずしも、室内に配置されなくともよい。膨張弁１０４には、例えば、パルスモータ駆動方式の電子膨張弁などが使用される。

圧縮機１０２の詳細について、図２を用いて説明する。圧縮機１０２はいわゆる密閉型のロータリ式圧縮機であり、電動機を備える部分が高圧の作動流体で満たされる内部高圧型圧縮機である。なお、圧縮機は図３に示す電動機を備える部分が低圧の作動流体で満たされる内部低圧型圧縮機であってもよく、内部構成は同じであるので、図２の内部高圧型圧縮機を用いて説明し、図３の内部低圧型圧縮機の構成は図２と同一部分に同一番号を付して説明は省略する。

圧縮機１０２はその外郭となる密閉容器１０２ｇの内部に、電動機１０２ｅ、圧縮機構１０２ｃが収納され、内部は高温高圧の吐出冷媒と、冷凍機油で満たされ、底部は冷凍機油を溜める貯油部１０２ｆとなっている。電動機（モータ）１０２ｅは、所謂ブラシレス・モータである。電動機１０２ｅは、圧縮機構１０２ｃに接続された回転子１０２１ｅと、回転子１０２１ｅの周囲に設けられた固定子１０２２ｅとを備えている。

固定子１０２２ｅには三相の固定子巻線が施され、固定子１０２２ｅ上下方向の端部でコイルエンド１０２３ｅを形成している。そして、三相の固定子巻線の端部はそれぞれリード線１０２ｉとなっている。つまり、固定子１０２２ｅは、三相の固定子巻線それぞれから延びる３本のリード線１０２ｉを備えている。３本のリード線１０２ｉの他端は、給電ターミナル１０２ｈに接続される。給電ターミナル１０２ｈは、３つの端子を備え、それぞれの端子は、電動機駆動装置１１５に接続されている。そして、上記三相の固定子巻線は絶縁体（図示せず）によって絶縁されている。

図２に示すように、３本のリード線１０２ｉのそれぞれは、電動機１０２ｅの水平断面において、コイルエンド１０２３ｅの離れた位置から延びている。より詳細には、３本のリード線１０２ｉのそれぞれは、固定子１０２２ｅ側（後述するコイルエンド１０２３ｅ側）の隣接するリード線１０２ｉ同士の間隔が、給電ターミナル１０２ｈ側の隣接するリード線同士の間隔より大きくなっている。また、３本のリード線１０２ｉは、電動機１０２ｅの水平断面において、回転子１０２１ｅの回転中心を中心として約１２０度ごとに配置されていてもよい。

図４は、電動機１０２ｅの横断面図である。電動機１０２ｅはいわゆる集中巻の電動機である。固定子１０２２ｅは、１つのティース３１と、ティース３１をつなぐ環状のヨーク３２からなり、固定子１０２２ｅの内周部に対向して、略円筒形の回転子コア３３とその外周部に配置された永久磁石３４からなる回転子１０２１ｅがクランクシャフト１０２ｍを中心として回転自在に保持されている。永久磁石３４は、外周をステンレス等の非磁性体の環３５を外周に挿入することにより固定されている。

なお、永久磁石の固定方法は、エポキシ樹脂等の接着剤を用いて固定しても構わない。

また、永久磁石の配置方法として、上記では、永久磁石３４を回転子コア３３の外周部に配置する構造として説明したが、永久磁石を回転子コアの内部に配置した構造（図示せず）としてもよい。

一方、固定子１０２２ｅは、圧縮機のシェルに焼きばめされることによって密閉容器１０２ｇ内部で固定されている。固定子１０２２ｅの固定方法は、これに限らず、例えば、溶接等の方法で固定しても構わない。

ティース３１には、三相の固定子巻線が施され、インバータ式の電動機駆動装置１１５のスイッチング素子により、回転子１０２１ｅに回転磁界が発生するように巻線に電流を流している。回転磁界は、インバータにより可変速で発生させることが可能であり、圧縮機１０２の運転開始直後等には高速で、安定運転時等には低速で運転される。

固定子１０２２ｅの外周部に切り欠き、または溝、穴３７を設けることにより、圧密閉容器１０２ｇと固定子１０２２ｅとの間または固定子１０２２ｅそのものに、固定子１０２２ｅの全長に貫通した部分があり、そこを冷凍機油が通ることにより、冷凍作用を行っている。

電動機１０２ｅを集中巻の電動機とすることで、巻線抵抗が低減でき、大幅に銅損が低減できると共に、モータ全長も小さくできる。

なお、電動機１０２ｅは、集中巻きの電動機であるとして説明したが、分布巻きの電動機であってもよい。図５は、分布巻きの電動機１０２ｅの横断面図である。固定子１０２２ｅは、複数のティース６１と、ティース６１をつなぐ環状のヨーク６２からなり、固定子１０２２ｅの内周部に対向して、略円筒形の回転子コア６３とその外周部に配置された永久磁石６４からなる回転子１０２１ｅがクランクシャフト１０２ｍを中心として回転自在に保持されている。永久磁石６４は、外周をステンレス等の非磁性体の環６６を外周に挿入することにより固定されている。固定子１０２２ｅは、圧縮機のシェルに焼きばめされることによって密閉容器１０２ｇ内部で固定されている。

固定子１０２２ｅの外周部に切り欠き６７、または溝、穴を設けることにより、そこを冷凍機油が通ることにより、冷凍作用を行っている。

回転子１０２１ｅは４極であり、固定子１０２２ｅのティース数はスロット数と等しく１２または２４である。各スロットには、三相巻線が施されている。

なお、回転子の極数および固定子のスロット数は、６極９スロット、６極１８スロット、４極６スロット、８極１２スロット、１０極１２スロットでも良い。

以上のようにして構成した圧縮機１０２において、蒸発器から流出した低圧冷媒は、四方弁１０６を介して、吸入管１０２ａから吸入され、圧縮機構１０２ｃで昇圧される。昇圧され、高温高圧となった吐出冷媒は、吐出マフラー１０２ｌから吐出され、電動機１０２ｅ周囲で構成される隙間（回転子１０２１ｅと固定子１０２２ｅ間、固定子１０２２ｅと密閉容器１０２ｇ間）を通って、吐出空間１０２ｄへと流動する。その後、吐出管１０２ｂから圧縮機１０２の外へと吐出され、四方弁１０６を介して、凝縮器へと向う。

圧縮機構１０２ｃは、電動機１０２ｅと、クランクシャフト１０２ｍを介して接続されている。電動機１０２ｅでは、外部電源から受け取った電力を電気的エネルギから機械的（回転）エネルギに変換している。圧縮機構１０２ｃでは、電動機１０２ｅからクランクシャフト１０２ｍを介して伝達される機械的エネルギを用いて、冷媒を昇圧する圧縮仕事を行っている。

ここで、既述した通り所定の運転条件下ではない状態、すなわち、凝縮器側の送風ファン停止、冷凍サイクル回路の閉塞等が生じると、作動流体の吐出圧力（冷凍サイクルの高圧側）が過度に上昇する。

この状態下において、圧縮機１０２への電力供給を続けていると、圧縮機１０２を構成する電動機１０２ｅへ電力が過剰に供給され、電動機１０２ｅが異常に発熱し、電動機１０２ｅの固定子巻線４０の絶縁が破損して、巻線の導線同士が直接接触し、レイヤーショートを引き起こす。その結果、作動流体は上記レイヤーショートを起点に不均化反応を発生し、圧縮機１０２内の圧力は図８に示すように０．２ｓｅｃ程度で４倍程度まで急激に上昇する。すなわち、本実施の形態で示すように、不均化反応が生じ難い作動流体、例え
ばＨＦＯ１１２３に対するＲ３２の混合比率が３０重量％以上６０重量％以下となるような作動流体を用いていても、冷媒が過度に高温高圧になって、そのような高温高圧下の冷媒雰囲気下にて、高エネルギ源が付加されると、不均化反応が発生し、圧縮機１０２内の圧力が急激に上昇する可能性がある。

そこでこの冷凍サイクル装置は、圧縮機１０２から凝縮器或いは蒸発器となる熱交換器と間の配管１１８が、前記作動流体が外部エネルギ源によって不均化反応を起こした時の圧力により不可逆な変化を起こして圧縮機内の作動流体を外部に放出する構成としてある。

これにより、この冷凍サイクル装置では前記作動流体が不均化反応を起こして圧力が上昇すると、不均化反応の圧力によって強い力が加わり、この強い力によって配管１１８自体が破断され、圧縮機１０２内の作動流体を外部に放出する。したがって、圧縮機１０２等がそのまま圧力上昇して破損等するのを防止でき、作動流体の不均化反応が生じても冷凍サイクル装置の信頼性を確保することができる。

ここで、圧力上昇によって内部の作動流体を放出するものとして圧力応動型の安全弁が知られているが、この安全弁では０．２ｓｅｃ程度で起こる圧力上昇に弁開成が追従できなくて圧縮機１０２等に損傷を与える恐れがある。

しかしながら、この発明のように配管１１８そのものが破断するようにしておけば瞬時に作動流体を放出でき、０．２ｓｅｃ程度の極めて短い時間で圧力が４倍程度まで上昇する不均化反応による圧力上昇であっても、これに対応して作動流体を外部に放出し、圧縮機１０２内の圧力を瞬時に低下させ、圧縮機１０２等の破損等を防止できる。

ここで、上記配管１１８を破断させる圧力、すなわち不均化反応が発生したときの圧力について考察する。

この不均化反応は、既述した通り、作動流体が、過度に高温高圧となった雰囲気下にて、高エネルギが付加されると、これが起点となって発生する。

したがって、まず高エネルギが付加されるときの圧力が一つの条件となる。この高エネルギは、圧縮機１０２の駆動源となる電動機１０２ｅの固定子巻線の絶縁体が溶融破壊された時に生じるレイヤーショートが最も発生確率の高い高エネルギ源となる。そして、この絶縁体が溶融する温度の時の不均化反応発生圧力が、配管１１８の破断圧力となる。

ここで、上記圧縮機の駆動源となる電動機の固定子巻線に使用されている絶縁体は、その溶融温度が低いものは通常１５０℃±１０％である。

一方、作動流体が不均化反応を起こす圧力と温度との関係は図９に示すようになっている。すなわち、図９はＨＦＯ１１２３とＲ３２の比率が６０対４０（ＨＦＯ１１２３／Ｒ３２＝６０／４０）の作動流体における不均化反応発生領域を示し、図中折れ線の上側が不均化反応する領域で、温度と圧力は反比例する関係となっている。

このような圧力と温度の相関関係下において、前記電動機１０２ｅの固定子巻線の絶縁体が溶融する前記１５０℃±１０％の時に不均化反応を起こす圧力は図９から見て９ＭＰａ、余裕を見て９ＭＰａ±１０％である。

したがって、配管１１８は９ＭＰａ±１０％以上の圧力になれば破壊する構成としておけばよい。

上記配管１１８は作動流体の不均化反応時に生じる急激な圧力で破壊される構造であればどのような構成であってもよいが、その一例を挙げると次のようなものが考えられる。

その一つは、図６に示すように圧縮機１０２の吐出管１０２ｂに接続した配管１１８の一部に他の部分よりも強度が弱い脆弱部１１９を設けた構成とすることである。

例えば、配管１１８を銅で構成し、その一部となる脆弱部１１９をアルミニュウムで構成するのである。あるいは吐出管１０２ｂも配管１１８の一部と見做すことができるから、この吐出管１０２ｂをアルミニュウムで構成し、配管１１８を銅で構成することである。

このような材料の組み合わせはこれに限られるものではなく、いずれか一方の強度が他方の強度よりも弱くなる材料の組み合わせであればよいものであり、幾例か挙げると銅合金とアルミニウム合金、鉄合金と鉛合金、ニッケル合金と樹脂、等々である。

これにより、配管１１８はその脆弱部１１９が破壊等の不可逆変化を起こして圧縮機１０２内の作動流体を瞬間的に放出し圧縮機１０２の異常な圧力上昇を防止でき、圧縮機破損等を防止して冷凍サイクル装置の信頼性を確保することができる。

また、他の構成例としては、図６に示す脆弱部１１９は温度上昇に伴いその一部が他の部分よりも強度が弱くなる構成とすることである。

例えば前記の場合と同様になることが多いが、脆弱部１１９を構成する材料をアルミニュウムで構成し、配管１１８を真鍮で構成する等である。この場合の材料選定もこれに限られるものではなく、脆弱部１１９の温度が上昇すると配管１１８の他の部分よりも弱くなる材料であればよいものである。

なお、この強度が弱くなる温度としては既述した電動機１０２ｅの絶縁体の溶融温度、例えば１５０℃±１０％程度の温度が好ましい。

このような構成とすることにより、不均化反応が起きない通常時には脆弱部１１９はその温度が低いので強度も十分であり、信頼感を損なうことなく冷凍サイクル運転が可能である。そして、不均化反応を起こす温度にまで上昇すると、脆弱部１１９の強度が弱くなって当該脆弱部１１９が破断等の不可逆変化を起こし、圧縮機１０２内の作動流体を瞬間的に放出して圧縮機１０２の異常な圧力上昇を防止し冷凍サイクル装置の信頼性を確保することができる。

さらに、他の構成例としては、図６に示す脆弱部１１９はその管壁厚を他の部分の管壁厚よりも薄くした構成とすることである。

例えば配管１１８の管壁厚は０．８ｍｍとし脆弱部１１９の管壁厚は０．５ｍｍ程度と薄くすることである。

これにより、脆弱部１１９は作動流体が不可逆変化を起こして急激な圧力上昇を起こすとその圧力によって瞬時に破断し、圧縮機内の作動流体を瞬間的に放出して圧縮機の異常な圧力上昇を防止し、圧縮機破損等を防止して冷凍サイクル装置の信頼性を確保する。

さらに、他の構成例としては、図７に示すように配管の一部を、該配管が貫通する孔あるいは溝などを具備する壁体１２１に固定し、作動流体の不均一化時の圧力上昇で生じる
圧縮機１０２の矢印Ａに示す変位によりその応力が集中する部位１２０もしくは１２０ａを設けることである。

すなわち、圧縮機１０２は実験によると不均一化による圧力上昇で１０ｍｍ程度も膨張変位する。そして、この圧縮機１０２の膨張変位に伴って配管１１８も変位する。したがって、配管１１８には１０ｍｍ程度変位すれば破断する部位１２０もしくは１２０ａを適所に設けておくことである。この応力集中部位１２０もしくは１２０ａの破断は、１０ｍｍ程度、好ましくは圧縮機の許容振幅が１ｍｍ以内であるから、それ以上、すなわち２ｍｍ以上、より好ましくは５ｍｍ以上変位すれば破断するように設定しておく。

これにより、作動流体の不均化反応が生じると、配管１１８はその応力集中部位１２０もしくは１２０ａが瞬時に破断等の不可逆な変形を起こして圧縮機１０２内の作動流体を外部に放出することになり、特別な構成を施すことなく圧縮機１０２の破損を防止して冷凍サイクル装置の信頼性を確保することができる。

なお、上記配管１１８は前記いずれの場合も作動流体を不均化時の圧力上昇時間０．２ｓｅｃよりも短い時間で外部に放出するため、その内径は７ｍｍ以上としておくのが好ましい。

このように配管１１８の内径を７ｍｍ以上としておくことによって、不均化反応により圧縮機１０２を破損させる程の圧力となる０．２ｓｅｃよりも前に作動流体を外部に放出することができ、圧縮機１０２の破損等を防止できる。

以上、本実施の形態では、ロータリ式圧縮機を例にして説明したが、これは他の形式、例えば、スクロール式、レシプロ式などの容積式圧縮機、もしくは、遠心式圧縮機等、いずれの圧縮機であってもよいものである。

上述したように本発明は、ＨＦＯ１１２３を含む作動流体を用いた冷凍サイクル装置の安全性を向上させることができ、住居及び業務用の各エアコン、カーエアコン、給湯器、冷凍冷蔵庫、ショーケース、除湿機等の用途に幅広く適用することができる。

１００ 冷凍サイクル装置
１０１ａ 室内機ユニット
１０１ｂ 室外機ユニット
１０２ 圧縮機
１０２ａ 吸入管
１０２ｂ 吐出管
１０２ｃ 圧縮機構
１０２ｅ 電動機
１０２ｆ 貯油部
１０２ｇ 密閉容器
１０２ｈ 給電ターミナル
１０２ｉ リード線
１０２１ｅ 回転子
１０２２ｅ 固定子
１０２３ｅ コイルエンド
１０３ 室内熱交換器
１０４ 膨張弁
１０５ 室外熱交換器
１０６ 四方弁
１０７ａ 室内送風ファン
１０７ｂ 室外送風ファン
１０８ 三方弁
１０９ 二方弁
１１１ａ 液管
１１１ｂ ガス管
１１２ 配管接続部
１１３ バイパス手段
１１３ａ 開閉弁
１１４ リリーフ弁
１１８ 配管
１１９ 脆弱部
１２０、１２０ａ 応力が集中する部位
１２１ 壁体

Claims (2)

1. 圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とを環状に接続して構成した冷凍サイクル回路を備え、前記冷凍サイクル回路に、１，１，２−トリフルオロエチレンとジフルオロメタンとを含む作動流体を封入して構成した冷凍サイクル装置であって、前記冷凍サイクル回路の圧縮機から凝縮器或いは蒸発器となる熱交換器と間の配管は、前記作動流体が外部エネルギ源によって不均化反応を起こした時、不可逆な変化を起こして、圧縮機内の作動流体を外部に放出する構成とし、前記配管はその一部が他の部分よりも強度が弱い脆弱部を有し、前記脆弱部は温度上昇に伴いその一部が他の部分よりも強度が弱くなり、前記温度は１５０℃±１０％である冷凍サイクル装置。
2. 配管はその内径を７ｍｍ以上とした請求項１項記載の冷凍サイクル装置。

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