JP7274971B2 - 熱搬送装置及びそれを用いた熱搬送方法 - Google Patents

熱搬送装置及びそれを用いた熱搬送方法 Download PDF

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Description

本発明は、熱搬送装置及びそれを用いた熱搬送方法に関する。
HFC-125、HFC-32等のハイドロフルオロカーボン「HFC」は、オゾン層を破壊する物質として知られるクロロフルオロカーボン「CFC」、ハイドロクロロフルオロカーボン「HCFC」等に替わる重要な代替物質として広く用いられている。このような代替物質として、HFC-32とHFC-125との混合物である「R-410A」や、HFC-125、HFC-134a及びHFC-143aの混合物である「R-404A」等が知られている。
上記代替物質は、例えば、熱媒体、冷媒、発泡剤、溶媒、洗浄剤、噴射剤、消火剤等、多岐にわたる用途に利用されており、消費量も多い。一方で、上記物質はいずれもCOの数千倍の地球温暖化係数(いわゆる「GWP」と称される)を有するため、これらの物質の拡散によって地球温暖化におよぼす影響が大きいことが懸念されている。
この地球温暖化対策として、使用後の物質回収が行われているが、すべてを回収できるわけではなく、漏洩による拡散も無視できない。冷媒や熱媒体の用途においては、COや炭化水素系物質による代替も検討されているが、CO冷媒は高温雰囲気下での冷凍効率が十分でなく、機器も大型化するため課題が多い。また、炭化水素系物質はその燃焼性の高さから安全性の面で問題が残る。
上記問題を解決する物質として、現在ではGWPの低いハイドロハロオレフィンが注目されている。ハイドロハロオレフィンは、水素、ハロゲン(フッ素、塩素等)を含む不飽和炭化水素の総称であり、例えば、以下の化学式で示される物質が含まれる。なお、化学式の後のカッコ内は、冷媒分野で汎用されている冷媒番号を示す(幾何異性体を含む)。CFCF=CF(HFO-1216yc)
CFCF=CHF (HFO-1225ye)
CFCF=CH(HFO-1234yf)
CFCH=CHF (HFO-1234ze)
CFCH=CH(HFO-1243zf)
CFCCl=CH(HCFO-1233xf)
CFClCCl=CH(HCFO-1232xf)
CFCH=CHCl (HCFO-1233zd)
CFCCl=CHCl (HCFO-1223xd)
CClFCCl=CHCl (HCFO-1222xd)
CFClCCl=CH(HCFO-1231xf)
CHClCCl=CCl(HCO-1230xa)
これらの中でも特にフルオロプロペンは、低GWPの冷媒、熱媒体の候補として有望な物質であるが、時間の経過などにより徐々に分解が生じることがあり、安定性が高い物質であるとはいえない。そのため、このような物質を種々の用途に使用するにあたっては、その使用状況又は使用環境によって性能が徐々に低下する等の問題がある。そして、このような性能の低下は、冷媒に空気(酸素)が混入した場合に特に問題となる。
一般に、モバイルエアコンのように工場で冷媒が充填される装置であれば、施工管理がなされているため空気(酸素)の混入の可能性はほとんどない。しかしながら、定置式空調機などの装置は、設置現場での冷媒充填施工が必要である。冷媒充填施工は、施工業者
の管理能力に委ねられており、これまでも冷凍能力低下などの不具合やトラブルの主原因として空気(酸素)の混入が考えられている。
また、従来の低圧冷媒HCFC-123を用いた圧縮機システム(ターボ冷凍機)の運転制御方法では、系内が負圧になるために冷凍システムの運転中に外部から空気が系内に混入するリスクがあったが、HCFCをハイドロハロオレフィンに換えた場合でも同様のリスクがあると考えられる。
更に、近年では、圧縮機において冷媒を圧縮する圧縮部を駆動するモーターの回転軸を支持する軸受として磁気軸受、セラミック軸受又は空気軸受を採用することにより、冷媒100重量部に対する冷凍機油の使用量を5重量部以下に制限したいわゆるオイルフリーの装置も開発されている。これによれば、冷凍機油の交換などに関連するコスト及びメンテナンスの負荷を軽減できるほか、冷凍機油に溶けた冷媒の大気への放出も回避できる。しかしながら、冷凍機油に起因する影響は低減できるが、冷媒に空気(酸素)が混入した場合にハイドロハロオレフィンが徐々に分解するおそれはある。
従来のHFC及びHCFC冷媒では、このような不具合が発生した場合は、冷媒の入れ替えのみで対応可能であったが、ハイドロハロオレフィンを含む冷媒の場合には冷媒の酸化分解により酸を生成する可能性があるため、装置の金属腐食が生じるおそれがあり、それに伴い機器の交換の必要も考えられる。
WO2008-27511号パンフレット
本発明は、ハイドロハロオレフィンを含有する冷媒が循環経路に封入された熱搬送装置であって、循環経路に混入した酸素の影響を抑制することができる熱搬送装置及びそれを用いた熱搬送方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、冷媒の循環経路における特定領域に酸素吸着器を備えた熱搬送装置によれば、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、下記の熱搬送装置及びそれを用いた熱搬送方法に関する。
1.1-クロロ-3,3,3-トリフルオロプロペン(HCFO-1233zd)を含有する冷媒が循環経路に封入された熱搬送装置であって、
前記熱搬送装置は、水を冷却するチラーで且つターボ冷凍機であり、
前記熱搬送装置は、前記循環経路の主回路において、前記主回路に存在する蒸発器と圧縮機との間で且つその循環経路外に対して負圧になる領域に酸素吸着器を備える、
ことを特徴とする熱搬送装置。
2.前記酸素吸着器は、金属酸化物系酸素吸着材及び有機系(糖系)酸素吸着材の少なくとも一種を含有する、上記項1に記載の熱搬送装置。
3.前記循環経路における酸素含有量が0.1体積%以下である、上記項1又は2に記載の熱搬送装置。
4.前記循環経路には前記冷媒に加えて冷凍機油が含有されており、前記冷媒100重量部に対する前記冷凍機油の含有量が5重量部以下である、上記項1~3のいずれかに記載の熱搬送装置。
5.前記主回路における前記酸素吸着器の前後にバルブを備える、上記項1~4のいずれかに記載の熱搬送装置。
6.前記主回路に存在する圧縮機の前記冷媒を圧縮する圧縮部を駆動するモーターの回転軸を支持する軸受が磁気軸受、セラミック軸受又は空気軸受である、上記項4又は5に記載の熱搬送装置。
7.上記項1に記載の熱搬送装置の前記循環経路に前記冷媒を循環させることを特徴とする熱搬送方法。
本発明の熱搬送装置及びそれを用いた熱搬送方法は、冷媒の循環経路における特定領域に酸素吸着器を備えた熱搬送装置を用いることにより、循環経路に混入した酸素を酸素吸着器で除去することができるため、冷媒に対する酸素の影響を抑制することができる。
本発明の熱搬送装置(特に図1は空気調和装置を示す)における冷媒の循環経路の一態様を示す図である。 本発明の熱搬送装置(特に図2はターボ冷凍機を示す)における冷媒の循環経路の一態様を示す図である。
本発明の熱搬送装置
本発明の熱搬送装置は、ハイドロハロオレフィンの中でも、特にハイドロフルオロオレフィン(以下「HFO」ともいう)、ハイドロクロロフルオロオレフィン(以下「HCFO」ともいう)及びハイドロクロロオレフィン(以下「HCO」ともいう)からなる群から選択される少なくとも一種を含有する冷媒が循環経路に封入された熱搬送装置であって、大別すると下記実施形態1及び実施形態2の二種類に分けることができる。
(実施形態1)ハイドロフルオロオレフィン(HFO)、ハイドロクロロフルオロオレフィン(HCFO)及びハイドロクロロオレフィン(HCO)からなる群から選択される少なくとも一種を含有する冷媒が循環経路に封入された熱搬送装置であって、
前記循環経路に存在する蒸発器と圧縮機との間に酸素吸着器を備える、
ことを特徴とする熱搬送装置。
(実施形態2)ハイドロフルオロオレフィン(HFO)、ハイドロクロロフルオロオレフィン(HCFO)及びハイドロクロロオレフィン(HCO)からなる群から選択される少なくとも一種を含有する冷媒が循環経路に封入された熱搬送装置であって、
前記装置は、前記循環経路中、圧力1.0MPa以下の領域に酸素吸着器を備える、
ことを特徴とする熱搬送装置。
以下、実施形態1及び2に分けて説明する。
≪実施形態1の熱搬送装置≫
実施形態1の熱搬送装置は、HFO、HCFO及びHCOからなる群から選択される少なくとも一種を含有する冷媒が循環経路に封入された熱搬送装置であって、
前記循環経路に存在する蒸発器と圧縮機との間に酸素吸着器を備える、
ことを特徴とする。
冷媒としては、HFO、HCFO及びHCOからなる群から選択される少なくとも一種を含有すればよく、HFOとしては、例えば、2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)、1,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234ze)、1,2,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234ye)、1,1,2,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yc)、1,2,3,3,3-ペンタフルオロプロペン(HFO-1225ye)、1,1,3,3,3-ペンタフルオロプロペン(HFO-1225zc)、3,3,3-トリフルオロプロペン(HFO-1243zf)、1,1,1,4,4,4-ヘキサフルオロ-2-ブテン(HFO-1336mzz)、1,1,1,2,4,4,5,5,5-ノナフルオロペンテン(HFO-1429myz)等が挙げられる。
HCFOとしては、例えば、2-クロロ-3,3,3-トリフルオロプロペン(HCFO-1233xf)、2,3-ジクロロ-3,3-ジフルオロプロペン(HCFO-1232xf)、1-クロロ-3,3,3-トリフルオロプロペン(HCFO-1233zd)、2-クロロ-3,3,3-トリフルオロプロペン(HCFO-1233xf)、2,3-ジクロロ-3,3-ジフルオロプロペン(HCFO-1232xf)、1,2-ジクロロ-3,3,3-トリフルオロプロペン(HCFO-1223xd)、1,2,3-トリクロロ-3,3-ジフロロプロペン(HCFO-1222xd)、2,3,3-トリクロロ-3-フルオロプロペン(HCFO-1231xf)等が挙げられる。
HCOとしては、例えば、1,3,3,3-テトラクロロプロペン(HCO-1230zd)、1,1,2,3-テトラクロロプロペン(HCO-1230xa)、1,1,3,3-テトラクロロプロペン(HCO-1230za)、2,3,3,3-テトラクロロプロペン(HCO-1230xf)等が挙げられる。
これらのHFO、HCFO及びHCOは、それぞれ単独で又は二種以上を混合して使用できる。また、HFO、HCFC及びHCO以外に他の冷媒を混合することも可能であり、その場合には、冷媒混合物中のHFO、HCFO及びHCOの総量が50重量%以上となるように設定することが好ましい。
他の冷媒としては、例えば、HFC-32、HFC-41、HFC-125、HFC-134、HFC-143、HFC-152、HFC-227、HFCー236、HFC245、HFC-338、HFC-347、HFC-356、HFC-365、HFC-449、HFC-43-10、HFE-125、HFE-134、HFE-143、HFE
-152、HFE-236、HFE-245、HFE-254、HFE-338、HFE-347、HFE-356、HFE-365、HFE-449等が挙げられる。また、異性体を有するものについては異性体も含まれる。更には、炭素数1~5の炭化水素(異性体を有するものについては異性体も含まれる)、CO等も挙げられる。これらの他の冷媒は1種又は2種以上を含んでもよい。
上記、HFO、HCFO及びHCOからなる群から選択される少なくとも一種と他の冷媒との混合物としては、R-444A、R-444B、R-445A、R-446A、R-447A、R-448A、R-449A、R-449B、-450A、-451a、R-451B、R-452A、R-454A、R-454B、R-455A、R-513A、R-513B等が挙げられる。
なお、本発明では、循環経路に封入された冷媒(又は冷媒混合物)は、HFO、HCF
O及びHCOからなる群から選択される少なくとも一種のみから構成されていてもよい。
本発明の熱搬送装置は、上記HFO、HCFO及びHCOの少なくとも一種を含有する冷媒(冷媒混合物の場合も以下「冷媒」と略記する)が装置内の冷媒の循環経路に封入されており、循環経路に配置されている各機器を通過することによって熱搬送を行う。
本発明の熱搬送装置は、その用途は限定的ではなく、例えば、空気調和装置(モバイルエアコン、家庭用エアコン、業務用エアコン)冷凍機、冷蔵庫、冷却機(チラー)、コンテナ用冷凍装置、給湯器等の熱搬送に関連する機器が広く挙げられる。以下では、本発明の熱搬送装置の具体例として、上記圧縮式熱搬送装置の一つである空気調和装置(図1参照)及びターボ冷凍機(図2参照)について例を挙げて説明する。
図1は、本発明の熱搬送装置(下記説明では空気調和装置)における冷媒の循環経路の一態様を示す図である。空気調和装置1は、主として、圧縮機2と、四方切替弁3と、室外熱交換器4と、膨張機構5と、室内熱交換器6とから構成される。図1において、実線の矢印は、冷房運転時における冷媒の循環方向を表し、点線の矢印は、暖房運転時における冷媒の循環方向を表す。冷媒の循環方向は、圧縮機2から吐出された冷媒を四方切替弁3の操作により、室外熱交換器4又は室内熱交換機6のいずれかの方向に選択することにより制御することができる。
冷房運転時における空気調和装置1の冷凍サイクルについて説明する。最初に、圧縮機2は、低圧のガス冷媒を圧縮して、高圧のガス冷媒を吐出する。圧縮機2から吐出された冷媒は、四方切替弁3を通過して、室外熱交換器4に供給される。室外熱交換器4は、高圧のガス冷媒を凝縮して、高圧の液冷媒を吐出する。室外熱交換器4から吐出された冷媒は、膨張機構5の膨張弁を通過して低圧の気液混合状態の冷媒となり、室内熱交換器6に供給される。室内熱交換器6は、低圧の気液混合状態の冷媒を蒸発させて、低圧のガス冷媒を吐出する。室内熱交換器6から吐出された低圧のガス冷媒は、圧縮機2に供給される。この冷凍サイクルにより、室内を冷房運転することができる。
冷房運転時は、室外熱交換器4は凝縮器として機能し、室内熱交換器6は蒸発器として機能する。即ち、室内熱交換器6で発生する冷媒の蒸発潜熱によって室内が冷却される。一方、暖房運転時は、四方切替弁3を切り換えることで、室外熱交換器4は蒸発器として機能し、室内熱交換器6は凝縮器として機能する。即ち、室外熱交換器4で発生する冷媒の凝縮潜熱によって、室内が加熱される。
図2は、本発明の熱搬送装置(下記説明ではターボ冷凍機)における冷媒の循環経路の一態様を示す図である。ターボ冷凍機1’は、主として、圧縮機2’と、凝縮器4’と、膨張機構5’と、蒸発器6’とから構成される。
図2において、実線の矢印は、冷媒の循環方向を表す。この冷凍サイクルでは、圧縮機2’は、低圧のガス冷媒を圧縮して、高圧のガス冷媒を吐出する。圧縮機2’から吐出された冷媒は、凝縮器4’に供給される。凝縮器4’は、高圧のガス冷媒を凝縮して、高圧の液冷媒を吐出する。凝縮器4’から吐出された冷媒は、膨張機構5’の膨張弁を通過して低圧の気液混合状態の冷媒となり、蒸発器6’に供給される。蒸発器6’は、低圧の気液混合状態の冷媒を蒸発させて、低圧のガス冷媒を吐出する。蒸発器6’から吐出された低圧のガス冷媒は、圧縮機2’に供給される。この冷凍サイクルでは、蒸発器6’の機能により得られる冷水から作られる冷風が、大規模空間の冷房に用いられる。
本発明の熱搬送装置は、冷媒の循環経路に存在する蒸発器と圧縮機との間に酸素吸着器を備える。図1では、冷房運転時は、室外熱交換器4は凝縮器として機能し、室内熱交換
器6は蒸発器として機能するため、蒸発器6と圧縮機2との間に酸素吸着器7が備えられる。一方、暖房運転時は、室外熱交換器4は蒸発器として機能し、室内熱交換器6は凝縮器として機能するため、蒸発器4と圧縮機2との間に酸素吸着器8が備えられる。冷房運転時及び暖房運転時のいずれにおいても蒸発器と圧縮機との間は低圧のガス冷媒が存在しているためガス冷媒が酸素吸着器を通過することによりガス冷媒から酸素が除去される。他方、図2では、蒸発器6’と圧縮機2’との間に酸素吸着器7’が備えられる。
なお、本発明の熱搬送装置は、酸素吸着器の前後にバルブ(図示せず)を設け、酸素吸着器を循環経路に対して着脱自在とすることで、酸素吸着器内の酸素を吸着した酸素吸着材の除去、交換等を容易に行うことができる。「バルブ」は、循環経路において酸素吸着器に対する冷媒の流出入を制御可能に設けられるものであればよく、手動、電動を問わない。また、例えば手動又は電動の弁も含むものである。
酸素吸着器は、その内部に酸素吸着材が充填されており、ガス冷媒とともに酸素が酸素吸着器を通過する際に酸素を選択的に吸着(吸収)してガス冷媒から除去される。かかる酸素吸着材としては、酸素を選択的に吸着できる材料であればよく、例えば、金属酸化物系酸素吸着材、有機系(糖系)酸素吸着材等が挙げられる。これらの酸素吸着材は、1種又は2種以上を混合して使用できるが、酸素の吸着速度が速い観点では金属酸化物系酸素吸着材が好ましい。酸素吸着材の形状はガス冷媒を透過できればよく、粉末、ペレット等の形状が挙げられる。また、酸素吸着材を付着又は含浸させたフィルム状やフィルター状の形態でも使用できる。本発明では、これらの酸素吸着材が充填された酸素吸着器を有することにより、循環経路における酸素含有量を好ましくは0.1体積%以下に維持でき、それによりHFO、HCFO及びHCOの少なくとも一種を含有する冷媒の酸素に起因する経時的な分解を抑制することができる。
上記金属酸化物系酸素吸着材は、酸化反応(発熱)により酸素を吸着する吸着材であり、本発明では、酸素を選択的に吸着する観点から、例えば、金属(Fe及び/又はCe)酸化物系酸素吸着材が好適に使用できる。この金属酸化物系酸素吸着材としては、従来公知のものを幅広く利用することができる。
上記有機系(糖系)酸素吸着材は、酸化反応(CO放出)により酸素をガス冷媒から除去する吸着材である。この有機系(糖系)酸素吸着材としては、従来公知のものを幅広く利用することができる。
本発明で用いる酸素吸着器は、上記酸素吸着材を充填する専用の部材であってもよく、公知の熱搬送装置において冷媒の循環経路に設置される乾燥器(いわゆるドライヤー)を兼用する形で酸素吸着器としてもよい。この場合には、乾燥器内に乾燥材とともに酸素吸着材を充填することにより、ガス冷媒に混入した水分及び酸素を同時に除去する部材として用いることができる。
本発明の熱搬送装置は、圧縮機において冷媒を圧縮する圧縮部を駆動するモーターの回転軸を支持する軸受として磁気軸受、セラミック軸受又は空気軸受を採用することにより、冷媒100重量部に対する冷凍機油の使用量を5重量部以下に制限したいわゆるオイルフリーの熱搬送装置であってもよい。上記の軸受を使用する場合には、軸受の潤滑性を向上させるために冷媒に加えて冷凍機油を併用する必要がなく、実質的に冷凍機油の含有量を0重量部にすることができるが、熱搬送装置を組み立てる際の油分(グリース等)の混入を考慮すると5重量部以下が好ましい。
≪実施形態2の熱搬送装置≫
実施形態2の熱搬送装置は、ハイドロフルオロオレフィン(HFO)、ハイドロクロロ
フルオロオレフィン(HCFO)及びハイドロクロロオレフィン(HCO)の少なくとも一種を含有する冷媒が循環経路に封入された熱搬送装置であって、
前記装置は、前記循環経路中、圧力1.0MPa以下の領域に酸素吸着器を備える、
ことを特徴とする。
実施形態2の熱搬送装置は、冷媒の循環経路において圧力1.0MPa以下の低圧領域に酸素吸着器を備える点以外は特に限定されず、その他は実施形態1の熱搬送装置と同じ構成とすることができる。冷媒の循環経路において、圧力1.0MPa以下の低圧領域は他の領域(圧力1.0MPa超過の領域)と比べて外気を吸い込むリスクが高まり、循環経路に酸素が入り込み易いおそれがある。そのため、かかる低圧領域に酸素吸着器を設けることにより酸素混入による影響を効率的に回避できる利点がある。なお、冷媒回路全体における最大圧力は限定されないが、通常3.0MPa程度である。
実施形態2の熱搬送装置は、冷媒の循環経路に酸素吸着器を備えており、その備える場所については圧力1.0MPa以下の低圧領域である限り限定されないが、冷媒及び酸素がガス状態で存在する場所であれば効率的に酸素を吸着することができるため、実施形態1の熱搬送装置の場合と同様に、蒸発器と圧縮機との間で且つ圧力1.0MPa以下の低圧領域に酸素吸着器を備える態様が好ましい。実施形態2においても、酸素吸着材が充填された酸素吸着器を有することにより、循環経路における酸素含有量を好ましくは0.1体積%以下に維持でき、それによりHFO、HCFO及びHCOの少なくとも一種を含有する冷媒の酸素に起因する経時的な分解を抑制することができる。
本発明の熱搬送方法
本発明の熱搬送装置における冷媒の循環経路に冷媒を循環させることにより、本発明の熱搬送方法を実施することができる。冷媒の循環については、具体的には、空気調和装置(図1参照)及びターボ冷凍機(図2参照)について例を挙げて前述した通りである。
1.熱搬送装置(図1では空気調和装置)
2.圧縮機
3.四方切替弁
4.室外熱交換器(冷房運転時の凝縮器、暖房運転時の蒸発器)
5.膨張機構
6.室内熱交換機(冷房運転時の蒸発器、暖房運転時の凝縮器)
7.酸素吸着器(冷房運転時)
8.酸素吸着器(暖房運転時)
1’.熱搬送装置(図2ではターボ冷凍機)
2’.圧縮機
4’.凝縮器
5’.膨張機構
6’.蒸発器
7’.酸素吸着器

Claims (7)

  1. 1-クロロ-3,3,3-トリフルオロプロペン(HCFO-1233zd)を含有する冷媒が循環経路に封入された熱搬送装置であって、
    前記熱搬送装置は、水を冷却するチラーで且つターボ冷凍機であり、
    前記熱搬送装置は、前記循環経路の主回路において、前記主回路に存在する蒸発器と圧縮機との間で且つその循環経路外に対して負圧になる領域に酸素吸着器を備える、
    ことを特徴とする熱搬送装置。
  2. 前記酸素吸着器は、金属酸化物系酸素吸着材及び有機系(糖系)酸素吸着材の少なくとも一種を含有する、請求項1に記載の熱搬送装置。
  3. 前記循環経路における酸素含有量が0.1体積%以下である、請求項1又は2に記載の熱搬送装置。
  4. 前記循環経路には前記冷媒に加えて冷凍機油が含有されており、前記冷媒100重量部に対する前記冷凍機油の含有量が5重量部以下である、請求項1~3のいずれかに記載の熱搬送装置。
  5. 前記主回路における前記酸素吸着器の前後にバルブを備える、請求項1~4のいずれかに記載の熱搬送装置。
  6. 前記主回路に存在する圧縮機の前記冷媒を圧縮する圧縮部を駆動するモーターの回転軸を支持する軸受が磁気軸受、セラミック軸受又は空気軸受である、請求項4又は5に記載の熱搬送装置。
  7. 請求項1に記載の熱搬送装置の前記循環経路に前記冷媒を循環させることを特徴とする熱搬送方法。
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