JP7258163B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、非共沸混合冷媒が循環する冷凍サイクル装置に関する。

従来、非共沸混合冷媒が循環する冷凍サイクル装置が知られている。たとえば、国際公開第２０１９／０２１３６４号（特許文献１）には、非共沸混合冷媒が循環する冷凍装置が開示されている。当該冷凍装置によれば、非共沸混合冷媒の温度勾配に合わせて蒸発過程における管路内圧力を非共沸混合冷媒が流れる方向に沿って低下させることにより、蒸発器内の非共沸混合冷媒の温度をほぼ均一にして、蒸発器の着霜の偏りを抑制することができる。その結果、冷凍装置の成績係数および冷凍能力の低下を抑制することができる。

国際公開第２０１９／０２１３６４号

特許文献１に開示されている冷凍装置においては、蒸発器における冷媒と空気との間の熱交換の態様を対向流とすることにより、蒸発器における熱交換効率の向上を図っている。しかし、当該冷凍装置においては、蒸発器内の非共沸混合冷媒の温度がほぼ均一になるため、蒸発器における熱交換効率の向上が抑制され得る。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、冷凍サイクル装置の性能を向上させることである。

本発明に係る冷凍サイクル装置においては、非共沸混合冷媒が循環する。冷凍サイクル装置は、圧縮機と、第１熱交換器と、膨張弁と、第２熱交換器と、送風装置とを備える。第２熱交換器は、第１ポートおよび第２ポートを有する。送風装置は、第２ポートから第１ポートの順に通過する気流を形成する。非共沸混合冷媒は、圧縮機、第１熱交換器、膨張弁、第１ポート、および第２ポートの順に循環する。第２熱交換器における非共沸混合冷媒の圧力において、非共沸混合冷媒の乾き度と非共沸混合冷媒の温度との関係である非共沸混合冷媒の温度勾配は、乾き度を表す横軸と温度を表す縦軸とを有する座標平面において、上に凸の単調増加曲線として表現される。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、第２熱交換器における非共沸混合冷媒の圧力において、当該冷凍サイクル装置を循環する非共沸混合冷媒の温度勾配が、乾き度を表す横軸と温度を表す縦軸とを有する座標平面において上に凸の単調増加曲線として表現されることにより、冷凍サイクル装置の性能を向上させることができる。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置の構成を示す機能ブロック図である。 図１の蒸発器の外観斜視図である。 冷凍サイクル装置を循環する冷媒として単一冷媒であるＲ３２または疑似共沸混合冷媒であるＲ４１０Ａが用いられた場合の、蒸発器を通過する流路における位置と冷媒の温度との関係を表す直線、および当該位置と空気の温度との関係を表す曲線を併せて示す図である。 冷凍サイクル装置を循環する冷媒として共沸混合冷媒であるＲ４０７Ｃが用いられた場合の、蒸発器を通過する流路における位置と冷媒の温度との関係を表す直線、および当該位置と空気の温度との関係を表す曲線を併せて示す図である。 蒸発過程での圧力におけるＲ４６３Ａの温度勾配を示すグラフである。 冷凍サイクル装置を循環する冷媒としてＲ４６３Ａが用いられた場合の、蒸発器を通過する流路における位置と冷媒の温度との関係を表す曲線、および当該位置と空気の温度との関係を表す曲線を併せて示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則として繰り返さない。

図１は、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の構成を示す機能ブロック図である。図１に示されるように、冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１と、凝縮器２（第１熱交換器）と、膨張弁３と、蒸発器４（第２熱交換器）と、ファン５と、ファン６（送風装置）と、制御装置１０とを備える。冷凍サイクル装置１００において冷媒は、圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３、および蒸発器４の順に循環する。冷凍サイクル装置１００としては、たとえば、冷凍機、空気調和機、またはショーケースを挙げることができる。

蒸発器４は、ポートＰ１（第１ポート）およびポートＰ２（第２ポート）を有する。蒸発器４には、ポートＰ１とＰ２とを接続する流路ＦＰ１（特定流路）が蛇行するように形成されている。膨張弁３からの冷媒は、ポートＰ１から蒸発器４に流入し、流路ＦＰ１を通過して、ポートＰ２から流出する。なお、蒸発器４は、流路ＦＰ１以外に他の流路を含んでもよい。

ファン５は、凝縮器２を通過する気流を形成する。ファン６は、ポートＰ２からＰ１の順に通過する気流Ｗｄ１を形成する。蒸発器４を通過する冷媒と気流Ｗｄ１とは対向流を形成する。気流Ｗｄ１は、流路ＦＰ１と２回以上交差する。流路ＦＰ１が直線状である場合、気流Ｗｄ１は、流路ＦＰ１に沿うようにポートＰ２からＰ１に向かって形成される。

制御装置１０は、圧縮機１の駆動周波数を制御して、圧縮機１が単位時間当たりに吐出する冷媒量を制御する。制御装置１０は、たとえば、蒸発温度が－４０℃～０℃の範囲となるように駆動周波数を制御する。制御装置１０は、ポートＰ２から流出する冷媒の過熱度が所望の範囲（たとえば５Ｋ～１０Ｋ）となるように、膨張弁３の開度を制御する。制御装置１０は、ファン５，６各々の単位時間当たりの送風量を制御する。

制御装置１０は、処理回路を含む。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいし、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）であってもよい。処理回路が専用のハードウェアである場合、処理回路は、たとえば、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化されたプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)、あるいはこれらを組み合わせたものが該当する。処理回路がＣＰＵの場合、制御装置１０の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアあるいはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリに格納される。処理回路は、メモリに記憶されたプログラムを読み出して実行する。メモリには、不揮発性または揮発性の半導体メモリ（たとえばＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、あるいはＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory））、および磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、あるいはＤＶＤ（Digital Versatile Disc）が含まれる。なお、ＣＰＵは、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、あるいはＤＳＰ（Digital Signal Processor）とも呼ばれる。

図２は、図１の蒸発器４の外観斜視図である。図２に示されるように、蒸発器４は、複数のフィン４１と、冷媒が通過する複数の伝熱管４２とを含む。複数のフィン４１は、一定間隔毎に並置されている。２つのフィンの間に気流Ｗｄ１が通過する通風路が形成される。複数の伝熱管４２は、複数のフィン４１の法線方向に複数のフィン４１を貫通している。蒸発器４を通過する流路が複数である場合、複数の流路の各々の圧力損失を一定とするため、複数の伝熱管４２の直径はほぼ一定であるとともに、複数の流路の長さはほぼ一定であることが好ましい。

図３は、冷凍サイクル装置１００を循環する冷媒として単一冷媒であるＲ３２または疑似共沸混合冷媒であるＲ４１０Ａが用いられた場合の、流路ＦＰ１における位置と冷媒の温度との関係を表す曲線Ｒ１１、および当該位置と空気の温度との関係を表す曲線Ａ１１を併せて示す図である。図３に示されるように、冷媒の温度は流路ＦＰ１における位置によらずほぼ一定であるため、曲線Ｒ１１は流路ＦＰ１における位置を表す横軸にほぼ平行である。曲線Ａ１１は、流路ＦＰ１の位置がポートＰ１からＰ２に近づくほど温度が単調に減少する下に凸の単調増加曲線として表現される。

図４は、冷凍サイクル装置１００を循環する冷媒として共沸混合冷媒であるＲ４０７Ｃが用いられた場合の、流路ＦＰ１における位置とＲ４０７の温度との関係を表す曲線Ｒ１２、および当該位置と空気の温度との関係を表す曲線Ａ１２を併せて示す図である。図４に示されるように、流路ＦＰ１における位置がポートＰ１からＰ２に近づくにつれてＲ４０７Ｃの温度は線形に増加する。曲線Ａ１２は、流路ＦＰ１における位置がポートＰ１からＰ２に近づくほど温度が単調に増加する下に凸の単調増加曲線として表現される。

図３および図４を参照して、蒸発器４を通過する空気の温度は、ポートＰ２付近において急激に低下する。温度の低下に伴って空気の飽和水蒸気量が減少するため、ポートＰ２付近において当該空気中の水分の大部分が水滴として液化し得る。この場合、ポートＰ１付近を通過するまでに空気中の水分量の大部分が液化するため、ポートＰ１付近における水滴量よりもポートＰ２付近の水滴量が多くなる。そのため、蒸発温度が水の凝固点（０℃）以下となり水滴が凝固すると、ポートＰ２付近の着霜量がポートＰ１付近の着霜量よりも多くなる。すなわち、蒸発器４における着霜がポートＰ２付近に偏る。ポートＰ２付近の通風路が霜で塞がれると、気流Ｗｄ１が蒸発器４を通過し難くなる。その結果、蒸発器４の熱交換効率が低下する。

そこで、蒸発器４における着霜の偏りを抑制するため、蒸発器４における冷媒の圧力において、温度勾配（冷媒の乾き度と冷媒の温度との関係）が、当該乾き度を表す横軸と当該温度を表す縦軸とを有する座標平面において、上に凸の単調増加曲線として表現される冷媒が、冷凍サイクル装置１００において用いられる。当該冷媒としては、たとえば非共沸混合冷媒であるＲ４６３Ａを挙げることができる。

Ｒ４６３Ａは、Ｒ３２と、Ｒ１２５と、Ｒ１３４ａと、Ｒ１２３４ｙｆと、二酸化炭素（ＣＯ２）とを含む。Ｒ４６３Ａに含まれる冷媒の種類数は、５である。Ｒ３２の組成比（質量割合）は、３６ｗｔ％である。Ｒ１２５の組成比は、３０ｗｔ％である。Ｒ１３４ａの組成比は、１４ｗｔ％である。Ｒ１２３４ｙｆの組成比は、１４ｗｔ％である。二酸化炭素の組成比は、６ｗｔ％である。Ｒ４６３Ａに含まれる冷媒のうち、最も沸点が低い冷媒は、二酸化炭素である。Ｒ４６３Ａにおける二酸化炭素の組成比は、１００ｗｔ％（１）をＲ４６３Ａに含まれる冷媒の種類数で割った値である２０ｗｔ％（０．２）よりも小さい。

図５は、蒸発過程での圧力におけるＲ４６３Ａの温度勾配を示すグラフである。図５において当該圧力は、０．１８４ＭＰａである。Ｒ４６３Ａの温度勾配は、Ｒ４６３Ａの乾き度を表す横軸とＲ４６３Ａの温度を表す縦軸とを有する座標平面に描かれている。図５に示されるように、Ｒ４６３Ａの温度勾配は、当該座標平面において上に凸の単調増加曲線として表現されている。Ｒ４６３Ａの温度勾配の傾きは、乾き度が比較的低い範囲で急峻であり、乾き度が比較的高い範囲で緩やかである。

図６は、冷凍サイクル装置１００を循環する冷媒として非共沸混合冷媒のＲ４６３Ａが用いられた場合の、流路ＦＰ１における位置とＲ４６３Ａの温度との関係を表す曲線Ｒ１、および当該位置と空気の温度との関係を表す曲線Ａ１を併せて示す図である。図６に示されるように、流路ＦＰ１におけるポートＰ１およびＰ２は、それぞれ蒸発過程の始点と終点であるから、流路ＦＰ１における位置がポートＰ１からＰ２に近づくにつれて、流路ＦＰ１を流れるＲ４６３Ａの乾き度は増加する。曲線Ｒ１は蒸発過程におけるＲ４６３Ａの乾き度と温度との関係を示すため、図５に示される曲線と同様に上に凸の単調増加曲線として表現される。なお、蒸発過程においてＲ４６３Ａが蒸発器４を通過することによって生じる圧力損失は、ポートＰ２におけるＲ４６３Ａの温度がポートＰ１におけるＲ４６３Ａの温度よりも高くなる程度に小さい。蒸発過程においてＲ４６３Ａと熱交換する空気に関する曲線Ａ１も、曲線Ｒ１に対応して、流路ＦＰ１における位置がポートＰ１からＰ２に近づくほど温度が単調に増加する上に凸の単調増加曲線として表現される。

曲線Ａ１のポートＰ２付近における傾きは、図３の曲線Ａ１１のポートＰ２付近の傾きおよび図４の曲線Ａ１２のポートＰ２付近の傾きよりも小さく、緩やかである。ポートＰ２付近での急激な温度低下が抑制されるため、ポートＰ２付近の水滴量が、図３および図４の場合よりも減少する。一方、図６においてポートＰ１付近を通過する空気には、図３および図４においてポートＰ１付近を通過する空気よりも多量の水分が残存しているため、ポートＰ１付近の水滴量は図３および図４の場合よりも増加する。蒸発器４における着霜の偏りが抑制されため、霜による通風路の閉塞が抑制される。その結果、蒸発器４における空気と冷媒との熱交換の態様を対向流とすることによる蒸発器４の熱交換効率の向上を維持しながら、蒸発器４の熱交換効率の低下を抑制することができる。

ポートＰ２における空気と非共沸混合冷媒との温度差の絶対値が小さいほど蒸発器４における着霜の偏りを抑制することができる。当該温度差の絶対値は、基準値（たとえば１０Ｋ）以下とすることが好ましい。当該基準値は、実機実験あるいはシミュレーションによって適宜算出することができる。

ポートＰ１からＰ２に亘って空気の温度変化を非共沸混合冷媒の温度変化に追従させて、できるだけ空気と非共沸混合冷媒との温度差を均一化するため、ポートＰ２における空気とポートＰ１における空気との温度差の絶対値を、ポートＰ２における非共沸混合冷媒とポートＰ１における非共沸混合冷媒との温度差の絶対値以上とすることが望ましい。

温度勾配が上に凸の単調増加曲線として表現される非共沸混合冷媒は、Ｒ４６３Ａに限定されない。当該非共沸混合冷媒に共通する特徴として、互いに沸点が異なる少なくとも３種類の冷媒を含むこと、および当該非共沸混合冷媒に含まれる冷媒のうち最も沸点が低い冷媒の質量を当該非共沸混合冷媒の質量で割った値が１を当該非共沸混合冷媒に含まれる冷媒の種類数で割った値よりも小さいことを挙げることができる。

当該非共沸混合冷媒は、二酸化炭素を含んでいることが望ましい。二酸化炭素の沸点（－７８．５℃）は、非共沸混合冷媒に含まれる他の冷媒の沸点よりも極端に低い場合が多い。温度勾配が上に凸の単調増加曲線として表現される非共沸混合冷媒が二酸化炭素を含むことにより、乾き度が比較的低い範囲において当該温度勾配の傾きが急峻となり、乾き度が比較的高い範囲において当該温度勾配の傾きが緩やかになるという特性が顕著になる。

なお、疑似共沸混合冷媒であるＲ４１０Ａに含まれるＲ３２（５０ｗｔ％）の沸点（－５１．７℃）およびＲ１２５（５０ｗｔ％）の沸点（－４８．１℃）の温度差の絶対値が３．６Ｋである。すなわち、Ｒ３２の沸点とＲ１２５の沸点とは等しいと扱われる。そこで、本明細書においては、「沸点が異なる」とは、２つの冷媒のそれぞれの沸点の温度差の絶対値が３．６Ｋより大きい場合を意味する。

以上、実施の形態に係る冷凍サイクル装置によれば、冷凍サイクル装置の性能を向上させることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 圧縮機、２ 凝縮器、３ 膨張弁、４ 蒸発器、５，６ ファン、１０ 制御装置、４１ フィン、４２ 伝熱管、１００ 冷凍サイクル装置、ＦＰ１ 流路、Ｐ１，Ｐ２ ポート。

Claims (9)

1. 非共沸混合冷媒が循環する冷凍サイクル装置であって、
   圧縮機と、
   第１熱交換器と、
   膨張弁と、
   第１ポートおよび第２ポートを有する第２熱交換器と、
   前記第２ポートから前記第１ポートの順に通過する気流を形成する送風装置とを備え、
   前記非共沸混合冷媒は、前記圧縮機、前記第１熱交換器、前記膨張弁、前記第１ポート、および前記第２ポートの順に循環し、
   前記第２熱交換器における前記非共沸混合冷媒の蒸発過程の圧力は、前記蒸発過程において前記非共沸混合冷媒の乾き度と前記非共沸混合冷媒の温度との関係である前記非共沸混合冷媒の温度勾配が前記乾き度を表す横軸と前記温度を表す縦軸とを有する座標平面において上に凸の単調増加曲線として表現されるような特定値に設定されている、冷凍サイクル装置。
2. 前記非共沸混合冷媒は、互いに沸点が異なる少なくとも３種類の冷媒を含み、
   前記少なくとも３種類の冷媒のうち最も沸点が低い冷媒の質量を前記非共沸混合冷媒の質量で割った値は、１を前記少なくとも３種類の冷媒の種類数で割った値よりも小さい、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記最も沸点が低い冷媒は、二酸化炭素である、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記非共沸混合冷媒は、Ｒ４６３Ａである、請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記気流は、前記第２熱交換器において前記第１ポートおよび前記第２ポートを接続する特定流路と２回以上交差する、請求項１～４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記第２熱交換器は、前記特定流路を有する複数の流路を含み、
   前記複数の流路のそれぞれの直径は、一定であり、
   前記複数の流路のそれぞれの長さは、一定である、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記第２ポートにおける前記気流の温度と前記第２ポートにおける前記非共沸混合冷媒の温度との差の絶対値は、基準値以下である、請求項１～６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記第２ポートにおける前記気流の温度と前記第１ポートにおける前記気流の温度との差は、前記第２ポートにおける前記非共沸混合冷媒の温度と前記第１ポートにおける前記非共沸混合冷媒の温度との差以上である、請求項１～７のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記乾き度が０．５より小さい場合の前記温度勾配の曲率半径は、前記乾き度が０．５より大きい場合の前記温度勾配の曲率半径よりも小さい、請求項１～８のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。

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