JPH02263055A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の１］的コ （産業上の利用分野） この発明は、災数種の冷媒を混合した非共沸混合冷媒を
封入した冷凍サイクル装置に係り、特に冷凍サイクル回
路内を循環する混合冷媒の組成を可変するための冷媒分
離系の改善に関する。

（従来の技術） 空気調和機では、ヒートポンプサイクルで得られる熱を
用いて、暖房に加えて、給湯なども行なえるようにした
ものが提案されている。

ところで、従来より、空気調和機に使用されている冷凍
サイクル装置には、単一成分の冷媒、例えばＲ−２２で
代表されるフロンガスが利用されている。ところが、性
能的に不十分で、特に暖房時に高効率運転し、給湯など
高温が必要な場合に高温運転のできるものが望まれてい
る。

そこで、近年、複数種の冷媒を混合冷媒を冷凍サイクル
回路に封入しておき、この冷凍サイクル内を循環する混
合冷媒の組成を運転１］的に応じて可変できるようにし
た冷凍サイクル装置が開発されつつある。

これには、混合冷媒の組成を可変するために、混合冷媒
中から、有る冷媒種を分離することが必要となる。

そこで、冷凍サイクル装置ｕでは冷媒分離系として、従
来、加熱源で混合冷媒を熱して出来た各種冷媒の蒸気を
冷やし、再び液体にして冷媒を分ける、蒸溜を用いた方
法が代表的なものとして検討されている。

（発明が解決しようとする課題） ところが、蒸溜を用いた方法によると、高い分離効率を
得るには、有る程度以上の塔高をもつ蒸溜塔が必要であ
る。このため、高分離効率を得るために、冷凍ザイクル
装置を大形にせざるを得ない難点がある。しかも、冷凍
サイクル回路がら加熱用配管を設置したり、ヒーターな
どを新たに設置したりして、加熱源を専用に設置しなけ
ればならない。加えて、そうした加熱源に供給するエネ
ルギーも必要で、構造的にも簡単ではなかった。

この発明はこのような事情に着「１してなされたもので
、その目的とするところは、装置の小形化。

効率に優れた特定冷媒の分離で、高効率（能力）運転あ
るいは高湿運転を行なうことかできる冷凍１−北口的を
達成するためにこの発明の冷凍サイクル装置は、混合冷
媒のうち特定種の冷媒に主に作用する吸着体を設け、こ
の吸着体に冷凍サイクル回路の高圧冷媒を導き特定種の
冷媒を吸着させる第１の流路を設け、さらに吸着体と前
記冷凍サイクル回路の低圧側とを連通して減圧により前
記吸着体から冷媒を脱着さぜ冷凍サイクル回路に戻す第
２の流路を設け、かつ第１の流路と第２の流路とを交互
に切換える切換弁を設ける。そして、吸着体に該吸着体
で吸着されなかった種の冷媒を貯蔵する貯蔵手段を設け
て、冷媒分離系を構成する。

（作　用） この発明の冷凍サイクル装置によると、交互に切換わる
切換弁にて、混合冷媒のうちの特定種の冷媒は、吸着体
に対する吸着、吸着体からの脱着工程を経て冷凍サイク
ル回路に戻っていく。そして、吸着体で吸着されたなか
った冷媒種が貯蔵手段に貯蔵されていく。これにより、
大形になる。

余分なエネルギーが必要となる問題をもたらす加熱源、
蒸溜塔を必要とせずに、高効率運転、高温運転の組成変
化に必要な冷媒の分離を行なうことができる。

（実施例） 以下、この発明を第１図および第２図に示す第１の実施
例にもとづいて説明する。第１図は例えば空気調和機に
用いられるヒートポンプ式の冷凍サイクル装置を示し、
１は冷凍サイクル回路である。冷凍サイクル回路１は、
例えば密閉形圧縮機２に、冷暖房切換用の四方弁３．室
内側熱交換器４（凝縮器に相当）、膨張弁５（減圧装置
に相当）、気液分離器６．膨張弁７（減圧装置に相当）
、冷却貯蔵用熱交換器８、室外側熱交換器９（蒸発器に
相当）を順次、冷媒配管１ｏを介して接続して構成され
る。また冷凍ザイクル回路１内には、混合冷媒、例えば
ｒＲ−２’２　（８４ｍｏ１％）」とｒＲ−１１４（１
６ｍｏ１％）」とを混合した冷媒が封入されている（　
ｒＲ−２２Ｊ濃度高）。

一方、１１．１２は冷媒分離系を構成する」二下部に出
入口１１．ａ、ｌｌｂ、１２ａ、１２ｂをもつ一対の吸
着塔（吸着体に相当）である。吸着塔１１，１２内には
、混合冷媒のうちの「Ｒ１］４」を優先的に吸着する吸
ｊ′；剤として、［Ｒ］１４」に対する平衡吸着特性が
大きい、主細孔径が１００人の活性アルミナ１３が充填
されている。なお、第２図にｒＲ−２２Ｊと対比した平
衡吸着特性が示されている。そして、吸着塔１１゜１２
の各上部の出入口１１ａ、１２ａが流通路１４を介して
並列に接続されている。また各下部の出入口１１ｂ、１
２ｂは流通路１５を介して並列に接続されている。そし
て、流通路１５は四方弁で構成された切換弁１６を介し
て、熱交換器８と室外側熱交換器９との間に接続した流
通路１７の途中に接続されている。また切換弁１６には
気液分離器６のガス側に接続された流通路１８が接続さ
れ、切換弁１６を切換えることにより、吸着塔１］ある
いは吸着塔１２の一方に冷凍サイクル回路１の高圧側の
冷媒を導いて、ｒＲ−１１４４を活性アルミナ１３に吸
着できるようにしている。と同時に、吸着塔１１あるい
は吸着塔］２の他方を減圧し、活性アルミナ１３に吸着
した［Ｒ−１，１４Ｊを脱着して、冷凍サイクル回路１
へ戻すようにしている。さらに述べれば、切換弁１６は
制御部１つ（マイクロコンピュータおよびその周辺回路
からなる）に接続されていて、制御部１９に接続した操
作部２０から組成可変の操作信号が入ると、一定時間毎
に昇圧側と減圧側とを交互に切替えるようになっている
。なお、２１゜２２は流通路１７．１８の途中に介装さ
れた開閉弁である。

また」−配流通路１４には、ｒＲ−２２Ｊ冷却用の熱交
換器２３および冷媒貯蔵タンク２４（貯蔵手段に相当）
か順次接続されている。そして、これにより吸着塔１１
，１．２の活性アルミナ１３で吸着されなかったｒＲ−
２２Ｊの冷媒を液化して、冷媒貯蔵タンク２４内に貯留
できるようにしている。なお、２５は流通路１４に介装
された出口側からの逆流を防ぐ逆止弁、２６は流通路１
４と熱交換器２３とをつなぐ流路部分に設けた開閉弁で
ある。また吸着塔１１ａ、１２ａと各逆止弁２５との間
には、パージ抵抗となる減圧弁２７が並列に接続されて
いて、活性アルミナ１３の平衡吸ｊ今量を高めるべく吸
着塔１１あるいは吸着塔１２内を＆？圧できる構造とも
なっている。

冷媒貯蔵タンク２４のガス出口部には、−に配流通路１
７が接続されている。そして、この流通路１７には開閉
弁２８が介装されていて、開閉弁２８の「開」動作によ
り液化貯蔵したｒＲ−２２Ｊを冷凍サイクル１に流出さ
せることかできる構造となっている。

なお、制御部１９には、密閉形圧縮機２．四方弁３．開
閉弁２１．開閉弁２２．開閉弁２６．開閉弁２８などの
機器も接続されていて、各機器を操作部２０から人力さ
れる設定情報にしたがって制御するようにしている。

しかして、こうした空気調和機において、操作部２０を
操作して「Ｒ−２２Ｊ濃度の高い高効率（能力）暖房運
転を行なうときは、操作部２０から入力された設定運転
にしたがって開閉弁２１゜２２が「閉」ならびに四方弁
３が暖房側に切替っていく。そして、それと共に密閉形
圧縮機２が運転を始めていく。これにより、密閉形圧縮
機２から吐出した冷媒が、室外側熱交換器９．冷却貯蔵
用熱交換器８．気液分離器６．室内側熱交換器４を順に
循環していく。つまり、暖房サイクルか構成され、ｒＲ
−２２Ｊ濃度が高い組成の冷媒により、高効率な暖房運
転が行なわれていく。

そして、こうした効率（能力）を重点においた運転から
、高温を重点においた運転に換えるべく、操作部２０を
操作すると、制御部１９の指令により閉じていた開閉弁
２１．２２が「開」になると共に、切換弁１６が一定時
間毎に交互に切替わり、冷凍ザイクル回路１内を循環す
る混合冷媒からｒＲ−２２Ｊを分離していく。

すなわち、分離」１程について説明すれば、開閉弁２１
．２２の「開」により、流通路１８からの高圧と流通路
１７からの低圧・がそれぞれ切換弁１６に加わる。そし
て、切換弁１６により、昇圧側に切換わる一方の吸着塔
１１では、高圧な混合冷媒が活性アルミナ１３中を通過
していく。これにより、混合冷媒のうちのｒＲ−１１，
４ｊが優先的に活性アルミナ１３に吸着されていく。ま
た減圧側に切換わるもう一方の吸着塔１２では、活性ア
ルミナ］３が減圧され、先の吸着工程で吸着したｒＲ−
１１，４Ｊを活性アルミナ１３から脱むさせて冷凍サイ
クル回路１に戻していく。こうした吸着工程および脱着
］１程が吸着塔１１．１２間で交互に行なわれ、ｒＲ−
２２Ｊが主成分の冷媒が混合冷媒から分離されていく。

なお、精製された冷媒の圧力を減圧弁２７介して吸着塔
１２内に導いて、塔内の分圧を高めているので、活性ア
ルミナ１３の脱着再生効率は高い（第２図に図示する如
く）。

実験によれば、ｒ　８４　ｍｏ１％がら９４ｍｏ１％」
に精製されたｒＲ−２２Ｊ主成分の冷媒が分離されてい
くものであった。

この冷媒が熱交換器２３で冷却されて液化され、冷媒貯
蔵タンク２４に貯留されていく。

こうした分離により、冷凍サイクル回路１内を循環する
混合冷媒の組成は、かなりｒＲ−１１４Ｊの濃度が高い
組成に変化していき、先の高効率暖房運転の状態から高
温暖房運転に切換っていく。

実験によれば、冷凍サイクル回路１を循環する混合冷媒
の組成は、３０分でｒＲ−２２Ｊが「５２ＩＩｌｏ１％
」、ｒＲ−１１４Ｊが「４８、ｍｏ１％」と変化した。

また密閉形圧縮機２の吐出温度は、高効率暖房運転時に
「５０℃」程度であったものが、組成の変化により同３
０分後には「８７°Ｃ」程度まで上昇していき、高温運
転ができた。

かくして、大形になる。余分なエネルギーが必要となる
等の問題をもたらす、加熱源、蒸溜塔を必要せずに、高
効率運転、高温運転を行なうことができる。むろん、高
効率運転に替えるときは開閉弁２８を「開」にして、貯
蔵された冷媒を冷凍サイクル回路１中へ流出させればよ
い。

また、第３図および第４図はこの発明の第２の実施例を
示す。第２の実施例は、この発明を、先の第１の実施例
とは反対にｒＲ−１１４Ｊ濃度が高い混合冷媒の組成か
ら、ｒＲ−２２Ｊ濃度が高い混合冷媒の組成に可変する
ようにした空気調和機に適用したものである。ここで、
第３図に示す空気調和機は、冷凍サイクル回路１にｒＲ
−２２（５３ｍｏ１％）」とｒＲ−１］、　４　（４７
ｍｏ１％）」とを混合した混合冷媒を封入した点、気液
分離器６の酸価と切換弁１６とを、膨張弁３０を介装し
た流通路３１で接続して、高圧側の混合冷媒を気体状態
で吸着塔１１あるいは吸着塔１２に導く構造。

吸着塔１１，１２の吸着剤に、混合冷媒のうちｒＲ−２
２Ｊを優先的に吸着する主細孔径が４〜５人のＡ型のゼ
オライト３２を使用した点、熱交換器２３をｒＲ−１１
４Ｊの冷却用とした点以外は、第１の実施例と同じ構成
なので、そうした点は同一な符号を附してその説明を省
略する。

すなわち、高温運転は先の第１の実施例の高効率運転時
と同様にして行なわれる。そして、高効率（能力）運転
に切換えるべく、操作部２０から高効率運転を設定すれ
ば、同様に高温運転において開閉弁２１．２２が１開」
、切換弁１６が高圧側と低圧側とに交互に切替わり、ｒ
Ｒ−１１４Ｊが主成分の冷媒が混合冷媒から分１１ｉ１
１されていく。

そして、続いて熱交換器２３で冷却液化され、冷媒貯蔵
タンク２４に貯留されていく。実験によれば、冷媒貯蔵
タンク２４にはｒ　５３　ｍｏ１％」からｒ９８ｆｌｌ
ｏ１％」に精製されたｒＲ−１，］、４Ｊが主成分の冷
媒が貯留されるものであった。なお、第４図はゼオライ
トのｒＲ−２２Ｊ、ｒＲ−１１４Ｊに対する平衡吸着特
性を示している。

こうした分離により、第１の実施例と同様、冷凍サイク
ル回路１内を循環する混合冷媒の組成は、高効率暖房運
転に適した、かなりｒＲ−１１４Ｊの濃度が高い組成に
変化していく。実験によれば、冷凍サイクル回路１を循
環する混合冷媒の組成は、３０分でｒＲ−２２Ｊがｒ　
８４　ｍｏ１％」、「Ｒ１１４」がｒ１６ｍｏ１％」と
変化した。また密閉形圧縮機２の吐出温度は、高温運転
時にｒＱＯ’ｃＪ程度であったものが、組成の変化によ
り同３０分後には「５０℃」程度まで下降していき、高
効率暖房運転ができた。

つまり、逆に運転状態を変化させても、第１の実施例と
同様の効果を得ることができる。

第５図はこの発明の第３の実施例を示す。第３の実施例
は、上記第２の実施例で述べたｒＲ−２２」　（低沸点
冷媒）をゼオライトに吸着させ、吸着せずに通過するｒ
Ｒ−１，１４Ｊ（高沸点冷媒）が］ミ構成の冷媒を分離
して貯留する構造の変形である。

すなわち、第、５図に示す空気調和機について述べれば
、吸着塔４］、、４２はいずれも最下部に精製ガス出口
４３を有し、最上部に戻し口を兼ねる供給ガス人口４４
を有して構成されている。これら吸着塔４１．４２が水
平方向に並設されている。

なお、吸着塔４１．４２には先の実施例と同様、主細孔
径が５人のゼオライト１３か充填されている。そして、
吸着塔４１．．４２の各供給ガス入口４４．４４には、
流通路１７および流通路３１が四方弁よりなる切換弁１
６を介して接続されている。これにより、吸着塔４１．
４２の上方から混合冷媒を供給したり、ゼオライト１３
に吸着されたｒＲ−２２Ｊを脱着して冷凍サイクル回路
］に戻すことができるようにしている。なお、流通路３
１には膨張弁３０に代わり、液相の冷媒を効率よくガス
化させて圧力を高めるための加熱手段、例えばタンク４
５および該タンク４５を加熱するヒータ４６で構成され
る加熱装置４７が設けられている。

また吸着塔４１．４２の下側（重力方向、下方向）に、
冷媒貯蔵タンク２４を設置している。そして、この冷媒
貯蔵タンク２４の上部と、吸５　ＪＡ４］、、４２に接
続している並列な流通路４８とが、流量調整弁５３（流
量調整抵抗）を介装した流路５４を介して接続されてい
る。これにより、精製ガス出口４３の（−Ｊ近において
濃度が上昇し液化していく高沸点冷媒を、重力による滴
下により冷媒貯蔵タンク２４へ導くことができるように
している。なお、４９は精製ガス出口側からの逆流を防
ぐ逆止弁、５０は逆止弁４９と精製ガス出１」４３との
間の流路部分に接続され上記吸着塔４１゜４２へ精製ガ
スを供給するパージ抵抗（ゼオライト１３の脱着再生効
率を高めるためのもの）５１はタンク内ガス成分を戻す
ための戻し流路、５２は冷媒貯蔵タンク２４を冷却する
ための冷却器である。

しかして、こうした空気調和機において、高効率運転に
切換えるべく、操作部２０から高効率運転を設定すれば
、制御部１９の制御により、切換弁１６が一定時間毎に
切換わり、吸着塔４１゜４２を昇圧側と減圧側とに交互
に切換えてい（。

これにより、吸着塔４］、、４２の一方となる昇圧側で
は、供給ガス人口４４に、重力方向」二側から、加熱装
置４７の加熱で気化された、ｒＲ−２２Ｊ濃度が低く　
ｒＲ−１１４Ｊ濃度が高い液相冷媒の高圧な気化ガスが
供給されていく。

］６ すると、ｒＲ−２２Ｊなる低沸点冷媒はゼオライト３２
に順次吸着されていく。また精製ガス出ロイ・ｊ近では
、ゼオライト３２を通過する精製ガスのｒＲ−１１４Ｊ
なる高沸点冷媒の濃度が上昇し、部分的に液化していく
。そして、この液化したｒＲ−１］４Ｊが精製ガス出口
４３から、重力により滴下し逆止弁４９、流路５４を通
って冷媒貯蔵タンク２４に流入していき、冷却器５２に
より液化貯蔵される。

一方、吸着塔４１．４２の他方となる減圧側では、上記
工程によってゼオライト３２に吸着されたｒＲ−２２Ｊ
主成分の冷媒が、圧力差により切換弁１６および流通路
１７を通って冷凍サイクル回路１の低圧側に戻っていく
。ずなわち、ゼオライト３２は初期状態にまで再生され
ていく。

こうし、た吸着工程および脱着工程が吸着塔４１゜４２
間で交互に行なわれ、第２の実施例と同様、ｒＲ−１１
４ｊ主成分の冷媒を混合冷媒から分離して、冷凍サイク
ル回路１中の混合冷媒を高効率（暖房）運転に適した組
成にしている。

実験によれば、冷媒貯蔵タンク２４にはｒ４７ｍｏ１％
」からｒ９５ｍｏ１％」に精製された「Ｒ−１１４」が
貯留された。また冷凍ザイクル回路１内を循環する混合
冷媒の組成は、３０分で「Ｒ−２２」の濃度がｒ　５３
　ｍｏ１％」からｒ　８０　ｍｏ１％」と高効率（暖房
）運転に適した組成に変化するものであった。

こうした構造によると、吸着塔４１．４２の精製ガス出
口４３．４３は下部に有り、さらに吸着塔４１．４２の
下方に冷媒貯蔵タンク２４が有り、液化した冷媒を重力
で冷媒貯蔵タンク２４を導くので、配管等の途中で滞る
ことなしに冷媒を回収できる利点がある。

但し、第３の実施例において、上記第２の実施例と同じ
部品には同一符号を附してその説明を省略している。

なお、上述した実施例では、分離用の吸着剤として活性
アルミナ、Ａ型ゼオライトを用いたが、これに限らず、
分子ふるい炭、活性炭素繊維、活性炭などの吸着剤を用
いてもよく、吸着剤には特に限定されるものではない。

なお、実験によれば４〜１０人の主細孔径を有する分子
ふるい炭、活性炭素繊維などがｒＲ−２２Ｊを優先的に
吸着するものとして良く、また５０〜２００人の主細孔
径を有する活性炭、活性アルミナなどが「Ｒ１１４」を
優先的に吸着するものとして良いものであった。

また上述した実施例では混合冷媒組成、目標吐出温度を
数字を挙げて説明したが、これも特に実施例に限定され
ない。むろん、貯蔵する手段についても、特に実施例に
限定されるものではない。

［発明の効果］ 以上説明したようにこの発明によれば、吸着体を用いて
特定の冷媒を分離することができる。

それ故、加熱源、蒸溜塔を必要とせずに、高効率（能力
）運転、高温運転を得ることができ、冷凍サイクル装置
の小形化ならびに効率の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はこの発明の第１の実施例を示し、
第１図はこの発明を適用した冷凍サイクル装置を共に示
す概略構成図、第２図はその吸着塔の活性アルミナの吸
着特性を示す線図、第３図はこの発明の第２の実施例の
冷凍サイクル装ｆ１ｔを示す概略構成図、第４図はその
吸着塔のＡ型ゼオライトの吸着特性を示す線図、第５図
はこの発明の第３の実施例の冷凍→ノ°イクル装置を示
す概略構成図である。 １・・・冷凍サイクル回路、２・・・密閉形圧縮機（圧
縮機）　４・・・室内側熱交換器（凝縮器）５．７・・
・膨張弁（減圧装置）　８・・・冷却貯蔵用熱交換器、
９・・・室外側熱交換器（蒸発器）１１．１２・・・吸
着塔（吸着体）、１６・・・切換弁、１７・・・流通路
（第２の流路）、１８・・・流通路（第１の流路）、２
４・・・冷媒貯蔵タンク（貯蔵手段）。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧縮機に凝縮器、減圧装置、気液分離器、蒸発器を順に
   接続し、かつ複数種の冷媒を混合した非共沸混合冷媒を
   封入してなる冷凍サイクル回路と、前記混合冷媒のうち
   特定種の冷媒に主に作用する吸着体と、この吸着体に前
   記冷凍サイクル回路の高圧側の混合冷媒を導き特定種の
   冷媒を吸着させる第１の流路と、前記吸着体と前記冷凍
   サイクル回路の低圧側とを連通し減圧により前記吸着体
   から冷媒を脱着させ冷凍サイクル回路に戻す第２の流路
   と、これら第１の流路と第２の流路とを交互に切換える
   切換弁と、前記吸着体に接続され該吸着体で吸着されな
   かった種の冷媒を貯蔵する貯蔵手段とを具備したことを
   特徴とする冷凍サイクル装置。