JP7278399B2

JP7278399B2 - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP7278399B2
Application number: JP2021551031A
Authority: JP
Inventors: 智隆石川; 洋貴佐藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-10-10
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2023-05-19
Anticipated expiration: 2039-10-10
Also published as: JPWO2021070314A1; WO2021070314A1

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、特開２０１８－１８５１１６号公報（特許文献１）には、非共沸混合冷媒が循環する空気調和機が開示されている。当該冷凍サイクル装置において、凝縮器として機能する室外熱交換器から流出する非共沸混合冷媒は、レシーバに流入する。当該レシーバから液冷媒が流出するため、室外熱交換器の出口付近が飽和液状態で維持され易くなる。その結果、非共沸混合冷媒の組成の変化を適切に検出することができる。

特開２０１８－１８５１１６号公報

特許文献１に開示されている空気調和装置において、室外熱交換器は非共沸混合冷媒が通過する複数の流路を有する。複数の流路の或る流路から気液二相状態の非共沸混合冷媒が流出する場合、気液二相状態の非共沸混合冷媒と他の流路から流出する液体の非共沸混合冷媒とが混合されて、レシーバにおいて気液二相状態が解消される必要がある。しかし、レシーバにおいて気液二相状態が解消される程度にまで当該液体の過冷却度を増加させると、複数の流路をそれぞれ流れる非共沸混合冷媒の間の過冷却度の偏りが拡大し、室外熱交換器の熱交換効率が低下し得る。その結果、空気調和装置の性能が低下し得る。

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低下を抑制することである。

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、冷媒容器と、膨張弁と、第２熱交換器と、送風装置とを備える。第１熱交換器は、第１ポート、第２ポート、第３ポート、および第４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とともに、第４ポートから第３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ポート、第２ポート、冷媒容器、膨張弁、および第２熱交換器の順に循環するとともに、圧縮機、第３ポート、第４ポート、冷媒容器、膨張弁、および第２熱交換器の順に循環する。第１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１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低下を抑制することができる。

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の凝縮器の外観斜視図である。図２の凝縮器をＸ軸方向から平面視した図である。図１の気流の具体的な流れを示す図である。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、凝縮器の流路における位置とＲ４０７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直線を併せて示す図である。凝縮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、凝縮器の流路における位置とＲ４６３Ａ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直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、レシーバ１１（冷媒容器）と、膨張弁３と、蒸発器４（第２熱交換器）と、ファン５（送風装置）と、ファン６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、レシーバ１１、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には、レシーバ１１に液体の冷媒（液冷媒）が貯留される程度の冷媒量が封入される。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。

凝縮器２は、ポートＰ１（第１ポート）、ポートＰ２（第２ポート）、ポートＰ３（第３ポート）、およびポートＰ４（第４ポート）を有する。凝縮器２には、ポートＰ１とＰ２とを接続する流路ＦＰ１（第１流路）が蛇行するように形成されているとともに、ポートＰ３とＰ４とを接続する流路ＦＰ２（第２流路）が蛇行するように形成されている。流路ＦＰ１の容積（冷媒が通過可能な領域の大きさ）は、流路ＦＰ２の容積よりも大きい。

ファン５は、ポートＰ２からＰ１の順に通過するとともに、ポートＰ４からＰ３の順に通過する気流Ｗｄ１を形成する。凝縮器２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，ＦＰ２の各々と２回以上交差する。流路ＦＰ１，ＦＰ２の各々が直線状である場合、気流Ｗｄ１は、流路ＦＰ１，ＦＰ２のそれぞれに沿うようにポートＰ２からＰ１に向かって形成されるとともに、ポートＰ４からＰ３に向かって形成される。ファン６は、蒸発器４を通過する気流を形成する。

レシーバ１１には、ポートＰ２からの冷媒およびポートＰ４からの冷媒が流入する。レシーバ１１から、液冷媒が膨張弁３へ流出する。

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の凝縮器２の外観斜視図である。図２に示されるように、凝縮器２は、複数のフィン２１と、冷媒が通過する複数の伝熱管２２とを含む。複数のフィン２１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２２は、複数のフィン２１の法線方向に複数のフィン２１を貫通している。図１の流路ＦＰ１，ＦＰ２は、複数の伝熱管２２から形成される。流路ＦＰ１の長さと流路ＦＰ２の長さとが異なる場合、または流路ＦＰ１を形成する伝熱管２２の直径と流路ＦＰ２を形成する伝熱管２２の直径とが異なる場合、凝縮器２における冷媒分布は、流路ＦＰ１とＦＰ２のうち、容積が大きい流路ＦＰ１に偏る。なお、図３において説明するヘッダ２０は、複数の伝熱管２２の配置を見易くするため、図２において図示していない。

図３は、図２の凝縮器２をＸ軸方向から平面視した図である。図３に示されるように、ヘッダ２０は、重力方向Ｇｄ（Ｚ軸のマイナス方向）に沿って延在している。圧縮機１からの冷媒は、重力方向Ｇｄとは逆方向にヘッダ２０を通過する。ヘッダ２０には、重力方向Ｇｄに沿って配置された複数のポートが接続されている。複数のポートは、図１のポートＰ１～Ｐ４を含む。ポートＰ３の位置は、ポートＰ１の位置より高い。ヘッダ２０は、縦置き型のヘッダである。ヘッダ２０を通過する冷媒は重力方向に重力を受ける。そのため、ポートＰ１に単位時間当たりに流入する冷媒量よりも、ポートＰ３に単位時間当たりに流入する冷媒量の方が多くなり易い。その結果、凝縮器２における冷媒分布は、流路ＦＰ２よりもＦＰ１の方に偏り易い。

図４は、図１の気流Ｗｄ１の具体的な流れを示す図である。図４に示されるように、気流Ｗｄ１は、凝縮器２をＸ軸方向に通過した後、凝縮器２の位置よりも高い位置に配置されたファン５に向かって進行方向を変える。ファン５は、トップフロー型のファンである。凝縮器２を通過する気流Ｗｄ１においては風速分布に偏りが生じ、凝縮器２における位置が高くなるほど風速が大きくなる。その結果、凝縮器２に形成された流路の位置が低いほど当該流路における熱交換効率は小さくなる。流路ＦＰ１の位置は流路ＦＰ２の位置よりも低いため、流路ＦＰ１の熱交換効率は、流路ＦＰ２の熱交換効率よりも小さい。冷凍サイクル装置１００においては凝縮器２における冷媒分布が流路ＦＰ２よりもＦＰ１に偏り易いため、流路ＦＰ１における冷却が不十分となり、流路ＦＰ１から気液二相状態の冷媒が流出し易い。

図５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５に示されるように、Ｒ４０７Ｃの温度および空気の温度は流路ＦＰ１における位置がポートＰ１からＰ２に近づくにつれて線形に減少する。ポートＰ２におけるＲ４０７Ｃの状態が気液二相状態であると、凝縮器２の熱交換効率が低下して冷凍サイクル装置１００の性能が低下する。

そこで、凝縮器２から流出する冷媒の状態が気液二相状態となることを抑制するため、凝縮器２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６は、凝縮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６において当該圧力は、２．３０５ＭＰａ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６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７は、冷凍サイクル装置１００を循環する冷媒として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７に示されるように、流路ＦＰ１におけるポートＰ１およびＰ２は、それぞれ凝縮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Ｐ２からＰ１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は凝縮過程におけるＲ４６３Ａの乾き度と温度との関係を示すため、図６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。

曲線Ｒ１のポートＰ１付近の傾きは、曲線Ａ１のポートＰ１付近の傾きよりも小さく、緩やかである。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、空気とＲ４６３Ａとの温度差が大きくなる。また、Ｒ４６３Ａの温度は、流路ＦＰ１においてポートＰ１からＰ２に近づく過程で、ポートＰ２付近で急減に減少する。そのため、ポートＰ２付近でＲ４６３Ａを空気によって十分に冷却することができる。その結果、凝縮器２から流出するＲ４６３Ａの状態が気液二相状態となることが抑制されるため、凝縮器２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凝縮器２から流出する非共沸混合冷媒の状態が気液二相状態となること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。

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低下を抑制することができる。

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、１１レシーバ、２０ヘッダ、２１フィン、２２伝熱管、１００冷凍サイクル装置、ＦＰ１，ＦＰ２流路、Ｐ１～Ｐ４ポート。

Claims

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ポート、第２ポート、第３ポート、および第４ポートを有する第１熱交換器と、
冷媒容器と、
膨張弁と、
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とともに、前記第４ポートから前記第３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ポート、前記第２ポート、前記冷媒容器、前記膨張弁、および前記第２熱交換器の順に循環するとともに、前記圧縮機、前記第３ポート、前記第４ポート、前記冷媒容器、前記膨張弁、および前記第２熱交換器の順に循環し、
前記第１熱交換器における前記非共沸混合冷媒の凝縮過程の圧力は、前記凝縮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。
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。
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。
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。
前記第１ポートの位置は、前記第３ポートの位置よりも低い、請求項１～４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
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１～５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
前記第１熱交換器において、前記第１ポートおよび前記第２ポートを接続する第１流路の直径と前記第３ポートおよび前記第４ポートを接続する第２流路の直径とは異なるか、または、前記第１流路の長さと前記第２流路の長さとは異なる、請求項１～６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
前記送風装置の位置は、前記第１熱交換器の位置よりも高く、
前記気流は、前記第１熱交換器を通過した後、前記送風装置に向かって進行方向を変える、請求項１～７のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
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ポート、第２ポート、第３ポート、および第４ポートを有する第１熱交換器と、
冷媒容器と、
膨張弁と、
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とともに、前記第４ポートから前記第３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ポート、前記第２ポート、前記冷媒容器、前記膨張弁、および前記第２熱交換器の順に循環するとともに、前記圧縮機、前記第３ポート、前記第４ポート、前記冷媒容器、前記膨張弁、および前記第２熱交換器の順に循環し、
前記第１熱交換器における前記非共沸混合冷媒の圧力において、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は、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、
前記第２ポートおよび前記第４ポートからの前記非共沸混合冷媒は、熱交換器を介さずに前記冷媒容器に流入する、冷凍サイクル装置。