JPH028636B2

JPH028636B2 -

Info

Publication number: JPH028636B2
Application number: JP57184423A
Authority: JP
Inventors: Rame Kuroodo; Roje Arekusandoru
Original assignee: ANSUCHI FURANSE DEYU PETOROORU
Current assignee: ANSUCHI FURANSE DEYU PETOROORU
Priority date: 1981-10-19
Filing date: 1982-10-19
Publication date: 1990-02-26
Also published as: JPS5887182A; FR2514875A1; FR2514875B1; US4468337A; US4428853A; US4498999A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、圧縮式熱ポンプの作業流体として用
いられる組成物と、この組成物を用いる同ポンプ
による家屋の暖房または空気調和方法に関する。熱ポンプの成績係数の向上を目的とする、熱ポ
ンプにおける非共沸流体混合物の使用は以前のフ
ランス特許及び特許出願の対象となつている（公
告第2337855号、第2474151号、第2474666号及び
第2497931号）。なかでも、特許出願公告第2474151号は、熱ポ
ンプの性能を向上せしめ、従つて該熱ポンプの運
転費を低下せしめ得る如き、２種の成分より成る
非共沸混合物を記載している。ところが、同２成
分混合物を以つてしても、圧縮機の熱出量を増加
せしめることはできない。本発明の目的は、特定の流体混合物によつて、
同じ熱ポンプが１種の単味の流体を以て作動する
場合に比して、熱出力を増加せしめ得ることを示
すことである。従つて、熱ポンプにおいて本発明
の提案する流体混合物を用いることによつて、資
本費用を低下せしめることが可能である。事実、
本発明による作業流体混合物は、与えられた熱ポ
ンプの構成部の改変、特に圧縮機の改変を伴わず
に、当該ポンプの熱容量を増大せしめることを可
能にする。熱ポンプの熱出力を増大せしめるためには、２
つの常套的な手段がある。第１の手段は容量の一
層大きい圧縮機を熱ポンプに備えることであり、
これは一層大きい体積流量を吸収することを可能
にするものではあるが、この解決法は追加投資を
招来するものである。熱ポンプの熱容量を増加せ
しめるもう一方の手段は常用の流体より低い沸騰
点を有する作業流体を用いることである。いずれ
にせよ、沸騰点の一層低い流体の臨界温度は一般
により低いので、このような切換えは成績係数の
低下及び、当該機械の用途の範囲の一層の制約を
もたらすものである。ここに提案する発明は熱ポンプの従来からの応
用、さらに具体的には、通常用いられる作業流体
を、モノクロロジフルオロメタン（R22、沸騰温
度：−40.8℃）またはジクロロフルオロメタン
（R12、沸騰温度：−29.8℃）とするものに関す
る。上記の２種の流体は、従来通りの用途において
は、R12またはR22とこれに近い沸騰点を有する
１種のハロゲン化合物よりなる共沸混合物を以て
代えることができる。この共沸混合物は普通は
R12あるいはR22のそれぞれよりわずかに低い沸
騰温度を有しており、単味の流体の如き挙動を示
す。かくて、ジクロロジフルオロメタンR12（沸
騰温度＝−29.8℃）73.8重量％とジフルオロエタ
ンR152a（沸騰温度＝24.75℃）26.2重量％より成
るR500の沸騰温度は−33.5℃である。クロロジ
フルオロメタンR22（沸騰温度＝−40.8℃）48.8重
量％と、クロロペンタフルオロエタンR115（沸騰
温度＝−38.7℃）51.2重量％より成るR502は−
45.6℃の沸騰温度を有する。クロロジフルオロメ
タンR22 75重量％とジクロジフルオロメタン
R12 25重量％を含むR501もまた挙げることがで
きるが、その沸騰温度（沸騰温度＝−41.40℃）
はR22のものに極めて近い。上記のハロゲンを含む流体は家屋の暖房または
空気調和、都市暖房、ある種の乾燥作業あるいは
濃縮作業の如き低温における工業的応用を目的と
する熱ポンプ設備に普通用いられている。モノク
ロロジフルオロメタン（R22）またはR502の利
用は、家屋の暖房を引受け、冷源としては自由地
下水、井戸水または河水、外部空気、さらにはま
た抽出空気を熱源としては熱源において55℃に達
することもある温度の場合暖房水または内部空気
を用いる熱ポンプにおいては極めて頻繁である。熱ポンプにおいて、R502をR22に代えても熱
容量はほとんど増加しない。その代りに、送出し
温度の明らかな低下が可能になる。R12または
R500の使用は相対的に高い温度水準、例えば、
50℃以上80℃以下の水準にとりわけ適合してい
る。本発明の原理は流体相互間において共沸混合物
を形成しない特定の流体混合物を選択することで
あるが、その混合物は過半を占める成分がモノク
ロロジフルオロメタン（R22）またはジクロロジ
フルオロメタン（R12）あるいはこれらの流体の
いずれかを含む共沸混合物より成つており、沸点
がそれより低いトリフルオロメタン（R23、沸騰
温度：−82.1℃）またはR23を含む共沸混合物で
ある、過半に達しない成分を以て構成されている
ことを特徴とするものである。さらに明確には、
この混合物は次の流体、すなわちR12、R500、
R22、R502またはR501のいずれかを95〜80モル
％、R23あるいはR23を40.1重量％及びクロロト
リフルオロメタン（R13）を59.9重量％含んでい
る共沸混合物R503を５〜20モル％を含むものと
する。与えられた熱ポンプのサイクルにおいて、同一
の運転条件の場合、他の条件がすべて等しけれ
ば、上記の型の混合物の蒸発圧は単味の状態で用
いられるはずの大量のほうの成分の蒸発圧より高
い。従つて、圧縮機への吸入蒸気のモル体積はさら
に小さくなり、このことによつて、与えられた行
程体積の圧縮機について、流体のモル流量、従つ
て熱ポンプの熱容量は増大する。且つまた、大量
のほうの成分（R22またはR12またはR500または
R501またはR502）及び沸騰温度がそれより低い
少量のほうの成分（R23またはR503）を含む混
成作業流体の使用は、一般に、圧縮比の低下に導
く。これはピストン式往復圧縮機の場合体積効率
を増加せしめ、従つて熱容量の増加にも同様に有
利である。この熱容量は少量なほうの成分のモル
濃度が高ければ高いほどそれだけ大きくなる。少
量なほうの成分（R23またはR503）のモル分率
は５〜20％の間に含まれなければならないものと
する。実際、この成分の割合が大き過ぎれば出力
係数の低下と温度の凝縮圧が惹起される。事実、
圧縮機の使用範囲は若干の運転上のパラメーター
（送出し温度及び最大圧力差）、とりわけ最大送出
し圧による制約を受けている。本発明による混合
物の凝縮圧は好ましくは30バール以下ということ
になる。本発明の提案する流体の混合物は、熱源の温度
が好ましくは20〜75℃の間、冷源の温度が好まし
くは−15〜＋40℃の間に含まれる場合に、特に使
用し得るものである。上記に特性を挙げた混合物を用い得る熱ポンプ
は任意の型式のものであればよい。圧縮機は、例
えば、潤滑ピストン式または乾式ピストン式圧縮
機、スクリユー式圧縮機または遠心圧縮機であれ
ばよい。熱交換器は、例えば、二重管式熱交換
器、管格子式熱交換器、平板熱交換器あるいは薄
板式熱交換器または空気を伴う熱伝達用の標準的
なフイン型熱交換器であればよい。向流式の熱交
換方式のほうが望ましい。この方式は出力の小さ
い熱ポンプにおける水／寒剤熱交換用に用いる同
軸熱交換器においてうまく実施される。これはフ
ランス特許第2474666号に記載する配置による空
気／寒剤熱交換器においても近似的に実施するこ
とができる。熱出力は家庭暖房に用いる熱ポンプ
の場合数キロワツト、共同暖房用の熱ポンプの場
合数メガワツトの間の変動を示す。好ましいと考えられる操作方式はフランス特許
第2497931号に記載するものである。この方式は下記の工程を含んでいる。すなわち
(a)蒸気相の混成作業流体を圧縮する、(b)工程(a)に
由来する圧縮混成作業流体を相対的に冷たい外部
流体と熱交換接触させ、前記混成流体の実質的に
完全な凝縮に到るまでこの接触を維持する、(c)工
程(b)に由来する、実質的に完全に凝縮した混成流
体を工程(f)で定義する冷却用流体と熱交換接触さ
せ、前記混成流体をさらに冷却する如くにする、
(d)工程(c)に由来する、冷却した混成流体を減圧す
る、(e)工程(d)に由来する、減圧した混成流体を熱
源となる外部流体と熱交換接触させ、接触条件は
前記減圧混成流体の一部気化を可能にするもので
ある、(f)工程(e)に由来する一部気化混成流体を実
質的に完全に液化して工程(c)へ送る混成流体と熱
交換接触させるが、前記の一部気化した混成流体
は前記工程(c)の冷却用流体となり、接触条件を工
程(e)において始まつた気化の継続を可能にするも
のとし、しかして(g)工程(f)に由来する、気化した
混成流体を工程(a)へ戻す。下記の実施例は本発明による特定の流体混合物
の使用を例示する。実施例１第１図に図式化した水／水の熱ポンプを考察す
る。この熱ポンプは蒸発器Ｅ１を備えており、そ
の中へ混合物は管路１を経て入いり、気化されて
管路２を通つてそこから出て行く。また、圧縮機
Ｖ１が備えてあり、その中で蒸気混合物が圧縮さ
れ、管路３を経てそこから出て行つて凝縮器Ｅ２
へ送られる。そこからは、混合物は凝縮されて、
管路４を通つて出て行き、次いで減圧弁Ｄ１内で
減圧されて蒸発器Ｅ１へ再循環せしめられる。蒸
発器及び凝縮器は二重管式熱交換器で出来てお
り、その中では相互に熱交換を行う流体が向流し
て循環する。冷源は自由地下水層より抽出した水である。こ
の水は管路５によつて12℃の温度で蒸発器Ｅ１内
へ進入し、５℃の温度で管路６を経て蒸発器Ｅ１
より出て行く。凝縮器Ｅ２が加熱する水は管路７により受入れ
られ、管路８より排出される。加熱システムの種類及び水の戻り温度に応じて
運転について２つの場合が考えられる。Ａ−放熱器による加熱凝縮器への水の戻り温
度：42℃（路線７）、水の加熱温度：50℃（路
線８）。Ｂ−加熱床による加熱凝縮器への水の戻り温
度：20.5℃、水の加熱温度：34℃。蒸発器内及び凝縮器内の水の流量は用いる作業
流体に対応する熱ポンプの容量による。下表はＡとＢの各々の場合における −単味のクロロジフルオロメタン（R22）を用い
る熱ポンプの運転、 −クロロジフルオロメタン（R22）85モル％とト
リフルオロメタン（R23）15モル％を含む非共
沸混合物を用いる熱ポンプの運転を比較した結果を示すものである。 COPは熱出力と、流体に伝達された圧縮出力
との比を示す。

【表】提案する混合物を以てすれば、熱源及び冷源に
おける温度条件が同一である場合のR22単味に比
べて、Ａの場合20％、Ｂの場合24％の熱容量の利
得が可能になるが、COPは各々の場合において
事実上そのままである。 R22／R23混合物を以て得た熱出力及びCOPも
また、共沸混合物R502を単独で用いて得られる
べきものより、明らかに大きい。例えば、Ａの場
合において、R502によつて14545Wの熱出力−す
なわち単味のR22に比してわずか２％の利得−及
び3.26というCOPを得ることができる。一般に言
つて、提案する混合物は単味の流体に対して20％
以上の熱出力の利得及び基準とする単味流体と同
一のCOPを目的として、組成を最適化すること
はできる。いずれにしても、このような性能は、
例えばR502をR22を以て、あるいはR500をR12
を以て代えることでは達成できない。フランス特許第2474151号はR22とクロロトリ
フルオロメタンR13（沸騰温度＝−81.4℃）より
成る混合物を挙げている。R22を85モル％、R13
を15モル％を含むこの混合物を用いて得た結果
を、上記R22／R23混合物（85％／15％）を用い
た場合に得た結果とを、表において比較した。

【表】従つて、運転圧力が事実上同一の場合、R22／
R23混合物を以てすればR22／R13混合物を以て
するよりも実質的に大きい発熱量を得ることがで
きる。水／水あるいは空気／水の熱ポンプでR22／
R23混合物を用いるものの到達する加熱温度は、
送出し圧が30バール以下、好ましくは28バール以
下であることを欲する場合は、55℃以下、好まし
くは52℃以下またはこれに等しいものとする。
R22／R23またはR502／R23混合物におけるR23
のモル分率は好ましくは12〜18％の間に含まれる
ものとする。凝縮器における水の温度の変動は、
本発明の提案する混合物の凝縮温度範囲に近くす
るために、好ましくは５〜15℃の間に含まれるも
のとする。単味流体の場合においては、凝縮温度
はもともと加熱温度より高いので、水の戻り温度
にほとんど影響されない。その代り、提案する非
共沸混合物については、向流水凝縮器の終末にお
ける温度及び対応の圧力は凝縮器への水の進入温
度に直接応ずる。従つて、上記の運転方式のＡの
場合、混合物の凝緒温度範囲は、水温の変動（42
〜50℃）と同じく、８℃である。熱ポンプによつて加熱される水が高温、例えば
60℃以上に達するのを要する場合は、回路の高圧
を低下せしめるために、ジクロロジフルオロメタ
ン（R12）または共沸混合物R500をクロロジフ
ルオロメタン（R22）に代えればよい。このよう
にして、ジクロロフルオロメタン（R12）とトリ
フルオロメタン（R23）を組合わせて含んでい
る、本発明による混合物によつて、与えられた運
転条件について、R12単味を以て得られるものよ
り大きい熱容量を得ることができる。従つて、
R12をモル分率で87.5％、R23をモル分率で12.5
％含んでいる混合物は、圧縮機よりの送出しに際
して到達する圧力が17バール以下であれば、Ａの
場合において26％の熱容量の増加を可能にする。 R12／R23型またはR500／R23型の混合物にお
けるR23としてのモル分率は好ましくは８〜18％
の間に含まれるものとする。水凝縮器の場合、加
熱温度は好ましくは75℃以下とする。フランス特許第2497931号に記載するフローチ
ヤートは与えられた非共沸流体混合物について熱
容量面において追加的な利点をもたらすものであ
る。これは実施例２において扱う。実施例２熱ポンプのフローチヤートは第２図に示す通り
である。減圧弁より管路９を経て出て来る混成作業流体
は、作業流体と向流して循環し、管路１１より蒸
発器Ｅ３にはいり、管路１２より出て行く冷源の
水の冷却によつて一部気化される。作業混合物は
蒸発器Ｅ３より管路１０を経て出て来て、パイプ
１８より熱交換器Ｅ４内へ進入し、パイプ１９に
よつて排出される過冷却凝縮物と向流して熱交換
を行つて、熱交換器Ｅ４内において全部気化さ
れ、場合によつては加熱される。気態の混成作業流体はパイプ１３より圧縮器Ｋ
１内へ吸入され、パイプ１４より高圧を以て送出
される。次いで、流体が管路１４によつて進入
し、管路１５によつて飽和液態としてそこから出
て行く凝縮器Ｅ５内において、これは過冷却され
て全く凝縮される。凝縮器Ｅ５内における凝縮の
過程において、混合物は有効熱出力を加熱水に与
え、これは入口パイプ１６と出口パイプ１７の間
において、作業流体と向流して循環する。凝縮器
Ｅ５内で一たび凝縮された混合物は管路１５を経
て受液器Ｂ１内に進入し、管路１８によつてここ
から出て行く。次いで、熱交換器Ｅ４内において
過冷却され、パイプ１９により減圧弁Ｖ１に達す
る。熱容量の面においては、作業流体が非共沸流体
混合物である場合は、このフローチヤートは改善
をもたらす。何故ならば、気化の終末が実際に行
われる熱交換器Ｅ４によつて、混合物がさらに高
い沸騰終末温度、従つてさらに高い吸入圧に達す
ることができる。この方法は吸入時のモル体積と
圧縮比の低下を一度に可能にするものである。表は実施例１におけるのと同じ混合物及び同
じ運転条件を以て得た結果を示すものである。実
施例１において単味クロロジフルオロメタン
（R22）を用いて得た結果を参考として記載して
ある。第２図のフローチヤートは、事実、単味の
流体を以て作動する熱ポンプの性能を変えるもの
ではない。実施例１において特定した混合物は次
のモル組成、すなわち、クロロジフルオロメタン
（R22）85％及びトリフルオロメタン（R23）15
％のものである。運転方式Ａ及びＢの場合は実施
例１において明確に述べた通りである。第１図に示すフローチヤートによれば、選択し
た混合物はR22を以て作動する設備の熱容量をＡ
の場合28％、Ｂの場合30％増加せしめる。なお、
この混合物の使用はクロロジフルオロメタンを以
て得るCOPをＡの場合2.8％、Ｂの場合5.2％向上
せしめる。第２図のフローチヤートは熱交換器Ｅ４によつ
て代表される追加投資を必要とするが、これは一
般に少額である。扱う実施例においては、この交換器は、0.25m²
の接触表面を有する、２本の同心の滑らかなパイ
プより成つていてもよい。

【表】実施例３ R22の代りに共沸混合物R502を用いれば、圧
縮機において一層低い送出し温度に達し、密閉式
圧縮機の場合にモーターの異常発熱を防ぐことが
できる。この利点は極めて低い外部温度において
運転する空気／水熱ポンプの場合には重要なもの
になる。 R502を用いる空気／水熱ポンプを以て操作を
行う。蒸発器内を通過する空気は流量6000m³／
ｈ、進入温度７℃及び相対温度86％を有してい
る。凝縮器に循環する水は45〜50℃に加熱され
る。14モル％のR503と86モル％のR502を含む非
共沸混合物を以てすれば、表の結果が得られ
る。

【表】提案する混合物はR502に対して13.4％の熱容
量の利得をもたらすが、一方COPと送出し温度
は事実上そのままである。一般的に言つて、混合物R502／R503または
R22／R503におけるR503のモル分率は好ましく
は８〜15％の間に含まれるものとする。R500／
R503またはR12／R503の混合物においては、こ
の分率は好ましくは５〜15％の間に含まれるもの
とする。実施例４水／水型の熱ポンプにおいてその他の混合物を
用いたところ、熱出力の増加を得た。すなわち (a) R22 87モル％とR503 13モル％ (b) R12 88モル％とR503 12モル％ (c) R500 90モル％とR23 10モル％ (d) R500 92モル％とR503 ８モル％ (e) R502 85モル％とR23 15モル％ (f) R501 85モル％とR23 15モル％ (g) R501 87モル％とR503 13モル％本発明はまた、特許請求の範囲に記載する２種
の主要成分の他に、熱ポンプにおいて、あるいは
家屋の空気調節用にこれらの混合物を用いる場合
も、その有効な挙動を実質的に害なうことのない
不純物を少量（５モル％以下、好ましくは１モル
％以下）含むものにも及ぶものであるが、その不
純物とは、例えば、特許請求の範囲に記載するも
の以外の炭化水素のハロゲン化誘導体で、特許請
求の範囲に記載するハロゲン化誘導体の製造の副
成物となるものであつてもよい。実施例５実施例１のＢの場合（加熱床による加熱）にお
けるのと同様の操作を行う。基本成分R22、R502及びR501の場合及び基本
成分と少ないほうの成分R23及びR503の種々の
COP及び熱出力（KW表示）の値を下記（表）
に示す。示してあるモル分率は少ないほうの成分
のものである。例えば、0.05は少ないほうの成分
0.05モル部と基本成分0.95モル部との混合物に相
当するものである。最適の結果は少ないほうの成分の含量が約５〜
20％の場合に得られるのがわかる。

【表】実施例６下記の条件下において操作を行う。凝縮器：水の進入： 20.5℃（路線７）水の退出： 34℃（路線８）蒸発器：水の進入： 12℃（路線５）水の退出：５℃（路線６）結果は表に示す通りである。

【表】【図面の簡単な説明】

図面は、本発明の実施例を示すもので、第１図
および第２図は、それぞれ熱ポンプのフローチヤ
ートである。

Claims

【特許請求の範囲】１ (a) 95〜80モル％のR12、R22、R500、
R501またはR502と (b) ５〜20モル％のR23またはR503の混合物よ
り成る、圧縮式熱ポンプ作業流体用組成物。２ 95〜80モル％のR22及び５〜20モル％のR23
を含む、特許請求の範囲第１項記載の、圧縮式熱
ポンプ作業流体用組成物。３ (a) 88〜82モル％のR22またはR502と (b) 12〜18モル％のR23 を含む、特許請求の範囲第１項記載の、圧縮式熱
ポンプ作業流体用組成物。４ (a) 92〜82モル％のR12またはR500と (b) ８〜18モル％のR23 を含む、特許請求の範囲第１項記載の、圧縮式熱
ポンプ作業流体用組成物。５１種類の作業流体を用いる圧縮式熱ポンプに
よる家屋の暖房または空気調和方法であつて、作
業流体が (a) 95〜80モル％のR12、R22、R500、R501ま
たはR502と (b) ５〜20モル％のR23またはR503の混合物よ
り成ることを特徴とする方法。６作業流体が−15〜＋40℃の熱源より熱を取込
み、20〜75℃において流体に熱を与える、特許請
求の範囲第５項記載の方法。７流体ａがR22であり、流体ｂがR23である、
特許請求の範囲第５項または第６項記載の方法。８作業流体が、 (a) 88〜82モル％のR22またはR502と (b) 12〜18モル％のR23 を含む混合物より成るものであり、熱ポンプが20
℃以上の進入温度、55℃以下の退出温度を有する
流体に熱を与え、−15℃以上の温度を有する熱源
より熱を取込む、特許請求の範囲第５項記載の方
法。９作業流体が、 (a) 92〜82モル％のR12またはR500と (b) ８〜18モル％のR23 を含む混合物より成るものであり、熱ポンプが40
℃以上の進入温度、75℃以下の退出温度を有する
流体に熱を与え、５℃以上の温度を有する熱源よ
り熱を取込む、特許請求の範囲第５項記載の方
法。１０熱ポンプが、(a)蒸気相混成作業流体を圧縮
し、(b)工程(a)に由来する、圧縮した混成作業流体
を冷却用外部流体と熱交換接触させ、前記混成流
体の実質的に完全な凝縮に到るまでこの接触を維
持し、(c)工程(b)に由来する、実質的に完全に凝縮
した混成流体を工程(f)で定義する冷却用流体と熱
交換接触させて、前記混成流体をさらに冷却する
ようにし、(d)工程(c)に由来する、冷却した混成流
体を減圧し、(e)工程(d)に由来する、減圧した混成
流体を熱源となる外部流体と熱交換接触させ、接
触条件を前記の減圧した混成流体の一部気化を可
能にするものとし、(f)工程(e)に由来する、一部気
化した混成流体を、実質的に完全に液化して工程
(c)へ送る混成流体と熱交換接触させ、前記の一部
気化した混成流体が前記工程(c)の冷却用流体とな
り、接触条件を工程(e)において始まつた気化の続
行を可能とするものにし、しかして(g)工程(f)に由
来する、気化した混成流体を工程(a)へ戻すような
条件下で作動することを特徴とする、特許請求の
範囲第５〜９項のうちのいずれか１項記載の方
法。