JPH10160291A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】冷凍サイクル中でＲ２２代替冷媒のクラスレー
トが生成するが、その生成条件、消滅条件が不明確であ
り、そのためクラストレートの除去が困難である。 【解決手段】ホスト溶液として水を含み、ゲスト分子と
して４５〜１００重量％のＲ３２と５５〜０重量％のＲ
１２５からなる冷媒を含み、圧縮機、凝縮器、絞り装
置、蒸発器、アキュームレータ等からなる蒸気圧縮冷凍
サイクルを有し、蒸発器入口から圧縮機吸入にいたる温
度および圧力が、前記組成冷媒のクラスレートの臨界分
解点である特定温度および圧力以下であると同時に、前
記組成冷媒の飽和液圧力線とクラスレート生成限界線で
挟まれた範囲に制御され、ドライヤを冷凍サイクル中に
付設した冷凍サイクル装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｒ２２代替冷媒の
クラスレート生成媒体を除去する冷凍サイクル装置を提
供するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発
器、アキュームレータ等からなる冷凍サイクル装置にお
ける作動媒体は、オゾン層に対する有害な影響があると
される従来のＣＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒から、オゾン層
に対する脅威がない代替冷媒とされるＨＦＣ冷媒への移
行が提案されている。

【０００３】特に空調機用の作動媒体は、ＨＣＦＣ冷媒
のＲ２２からの移行として、ＨＦＣ冷媒のＲ３２（ジフ
ルオロメタン、CH₂F₂、沸点−５１．６６℃）とＲ１２
５（ペンタフルオロエタン、CF₃-CHF₂、沸点−４８．１
４℃）からなる混合冷媒が注目されており、５０±２重
量％のＲ３２と５０±２重量％のＲ１２５からなる混合
冷媒は、Ｒ４１０Ａという一つの冷媒の如く扱われてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ここでＲ４１０Ａを含
む冷凍サイクル装置を運転したとき、冷凍サイクル装置
中の少量の水と反応して、クラスレート（包接化合物ま
たはハイドレードともいう）を生成し、蒸発器出口から
圧縮機吸入ラインが氷結するという問題点が起こった。
特にアキュームレータに設けた小孔のオイル戻し穴が氷
結すると、オイルが圧縮機に循環せず、信頼性に大きな
影響を及ぼすものとなる。

【０００５】クラスレートとは、「原子または分子が結
合してできた三次元構造の内部に適当な大きさの空孔が
あって、その中に他の原子または分子が入り込んで特定
の結晶構造を形成する物質」とされている。ホスト溶液
は、三次元構造の骨格を作る物質であり、一般的には水
が用いられる。ゲスト分子は、骨格の内部を満たし、ク
ラスレートの氷構造を安定化させ、氷生成温度（０℃）
よりもはるかに高い温度での生成を可能とする。クラス
レートの構造は、通常、ゲスト分子の大きさに依存する
が、その生成条件（温度と圧力）や消滅条件（臨界分解
点）は個別のゲスト分子によって異なる。

【０００６】これについて、ＷＯ特許９３／０４１３９
号明細書は、Ｒ３２やＲ１２５がクラスレートを生成す
ることを開示しているが、Ｒ３２とＲ１２５の各単一冷
媒や混合冷媒から作られるクラスレートの生成条件を明
らかにしていない。

【０００７】我々の知る所では、水とＲ３２から作られ
るクラスレートについては、FelixFranks："Water - A
Comprehensive Treatise", Plenum Press (1973)の第１
２３頁の表１において、臨界分解温度が１７．６℃であ
ることのみが開示され、臨界分解圧力や生成条件（温度
と圧力）は開示されていない。一方水とＲ１２５から作
られるクラスレートについては、開示された例は見当た
らない。ましてＲ３２／Ｒ１２５混合冷媒の生成条件や
消滅条件を開示した例も見当たらない。

【０００８】本発明は、ホスト溶液として水を含み、ゲ
スト分子として４５〜１００重量％のＲ３２と５５〜０
重量％のＲ１２５からなる冷媒を含むクラスレートの生
成条件（温度と圧力）と消滅条件（臨界分解点）を明ら
かにし、運転中の不具合点を解消した冷凍サイクル装置
を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明になる冷凍サイクル装置は、ホスト溶液とし
て水を含み、ゲスト分子として４５〜１００重量％のＲ
３２と５５〜０重量％のＲ１２５からなる冷媒を含み、
圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器、アキュームレータ
等からなる蒸気圧縮冷凍サイクルであり、蒸発器入口か
ら圧縮機吸入にいたる温度および圧力が、前記組成冷媒
のクラスレートの臨界分解点である特定温度および圧力
以下であると同時に、前記組成冷媒の飽和液圧力線とク
ラスレート生成限界線で挟まれた範囲に制御され、該ク
ラスレート生成媒体を消滅させるために、ホスト溶液で
ある水を吸着除去するためのドライヤを冷凍サイクル中
に付設することを特徴とするものである。

【００１０】ここで示されたＲ３２とＲ１２５の沸点は
いずれも０℃以下であり、水とＲ３２／Ｒ１２５混合冷
媒で生成されるクラスレート（０℃以上）の蒸気圧は、
大気圧より高くなる。Ｒ４１０Ａは、５０±２重量％の
Ｒ３２と５０±２重量％のＲ１２５からなる混合冷媒で
あるが、各成分の組成割合が５％変動した４５〜５５重
量％のＲ３２と５５〜４５重量％のＲ１２５からなる混
合冷媒の場合でも、その臨界分解点はほとんど変動せ
ず、４５〜１００重量％のＲ３２と５５〜０重量％のＲ
１２５からなる冷媒、すなわちＲ３２単一冷媒を含む場
合でも、その臨界分解点はほとんど変動しないことが明
かとなったものである。

【００１１】従って蒸発圧力が、Ｒ３２／Ｒ１２５混合
冷媒の臨界分解圧力以下に制御され、圧縮機吸入温度
が、Ｒ３２／Ｒ１２５混合冷媒の臨界分解温度以下であ
ると同時に、Ｒ３２／Ｒ１２５混合冷媒の飽和液圧力線
とクラスレート生成限界線で挟まれた温度範囲に制御さ
れているとき、ドライヤがホスト溶液である水を吸着除
去するため、過熱ガスとなりやすい蒸発器出口から圧縮
機吸入ラインにおいて、クラスレートの生成を防止する
ことができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明における実施の形態
を、図面を参照して説明する。

【００１３】（実施の形態１）冷却された恒温槽内に設
置し、上部に若干の空間を残して水を封入した小さなベ
ッセル内を真空引きした後に、Ｒ３２／Ｒ１２５混合冷
媒を混合し、クラスレートの生成を確認した。Ｒ３２／
Ｒ１２５混合冷媒は、５０／５０重量％（Ｒ４１０Ａと
呼ばれる）のボンベを準備し、液側からベッセル内に導
入した。Ｒ３２／Ｒ１２５混合冷媒は、疑似共沸混合冷
媒であり、一定温度における飽和液圧力は飽和ガス圧力
よりも若干高くなる。５０／５０重量％のＲ３２／Ｒ１
２５混合冷媒（Ｒ４１０Ａ）の沸点は、Ｒ３２単一冷媒
の沸点に近く、その飽和液圧力線も、Ｒ３２単一冷媒の
飽和液圧力線に近い。恒温槽の温度をモニターしながら
上昇させると、水と５０／５０重量％のＲ３２／Ｒ１２
５混合冷媒（Ｒ４１０Ａ）のクラスレートは、温度１
９．７６℃、圧力１．４３０ＭＰａ（臨界分解点）にて
消滅した。この温度・圧力は、５０／５０重量％のＲ３
２／Ｒ１２５混合冷媒（Ｒ４１０Ａ）の飽和液圧力線上
にほぼ乗る。

【００１４】図１の○印は、測定されたクラスレート生
成のほぼ限界の測定点であり、測定点の中で圧力の最も
低い５０／５０重量％のＲ３２／Ｒ１２５混合冷媒（Ｒ
４１０Ａ）のクラスレートの測定点は、温度５．１６
℃、圧力０．２５５ＭＰａであった。図１の縦軸はｌｏ
ｇスケール表示された圧力、横軸は温度であり、このと
きクラスレート生成範囲は２本のほぼ直線で挟まれた斜
線の範囲である。上側の線は、５０／５０重量％のＲ３
２／Ｒ１２５混合冷媒（Ｒ４１０Ａ）の飽和液圧力線と
ほぼ一致し、下側の線は、一定圧力で最も高温となる測
定点を結んだ水と５０／５０重量％のＲ３２／Ｒ１２５
混合冷媒（Ｒ４１０Ａ）のクラスレート生成限界線であ
る。斜線の範囲は、一定圧力においては、５０／５０重
量％のＲ３２／Ｒ１２５混合冷媒（Ｒ４１０Ａ）の飽和
液温度よりも過熱された温度に相当する。例えば、５０
／５０重量％のＲ３２／Ｒ１２５混合冷媒（Ｒ４１０
Ａ）の飽和液温度が０℃（このときの飽和液圧力は０．
８０６ＭＰａ）のとき、過熱度が約１５ｄｅｇの範囲ま
でクラスレートが生成しうることになる。上限温度であ
る２本の線の交点の臨界分解温度は１９．７６℃であ
り、０℃よりもはるかに高い温度に相当する。

【００１５】（実施の形態２）実施の形態１において、
水とＲ３２／Ｒ１２５混合冷媒のクラスレート生成条件
が明かとなったため、次に水とＲ３２単一冷媒のクラス
レート生成をテストした。冷却された恒温槽内に設置
し、上部に若干の空間を残して水を封入した小さなベッ
セル内を真空引きした後に、Ｒ３２を混合し、クラスレ
ートの生成を確認した。恒温槽の温度をモニターしなが
ら上昇させると、水とＲ３２のクラスレートは、温度２
０．２１℃、圧力１．４５５ＭＰａ（臨界分解点）にて
消滅した。

【００１６】実施の形態１でテストされた５０／５０重
量％のＲ３２／Ｒ１２５混合冷媒（Ｒ４１０Ａ）の臨界
分解点は、実施の形態２でテストされたＲ３２単一冷媒
の臨界分解点に近い位置にある。またＲ３２単一冷媒の
クラスレート生成限界線も、５０／５０重量％のＲ３２
／Ｒ１２５混合冷媒（Ｒ４１０Ａ）のクラスレート生成
限界線とほとんど同一であった。

【００１７】従ってＲ４１０Ａは、５０±２重量％のＲ
３２と５０±２重量％のＲ１２５からなる混合冷媒であ
るが、各成分の組成割合が５％変動した４５〜５５重量
％のＲ３２と５５〜４５重量％のＲ１２５からなる混合
冷媒の場合でも、その臨界分解点はほとんど変動しない
ことがわかる。さらに４５〜１００重量％のＲ３２と５
５〜０重量％のＲ１２５からなる冷媒、すなわちＲ３２
単一冷媒を含む場合でも、その臨界分解点はほとんど変
動しないことが明かとなったものである。

【００１８】（実施の形態３）図２は、４５〜５５重量
％のＲ３２と５５〜４５重量％のＲ１２５からなる混合
冷媒を冷媒とする空調用の冷凍サイクル装置を示してい
る。この冷凍サイクル装置は、圧縮機１、凝縮器２、絞
り装置３、蒸発器４、アキュームレータ５等からなる蒸
気圧縮冷凍サイクルで構成されおり、冷暖房兼用とする
場合には四方弁（図示せず）を挿入してもよい。冷凍サ
イクル装置は、望まれない少量の水を含む場合がある。

【００１９】空調運転開始時において、Ｒ３２／Ｒ１２
５混合冷媒は圧縮機１により吸引され圧縮された後、凝
縮器２に導かれて凝縮液化する。絞り装置３は蒸発器４
の圧力を特定圧力以下まで下げ、液冷媒を蒸発させる。
熱は蒸発器４から除かれ、クラスレートが生成される臨
界分解温度以下まで低下する。Ｒ３２／Ｒ１２５混合冷
媒は、冷媒と一緒に循環する少量の水から生成されるク
ラスレートのゲスト分子として機能し、０℃以上の蒸発
器４入口から圧縮機１吸入においてクラスレートを生成
する。特に過熱ガスとなりやすい蒸発器４出口から圧縮
機１吸入ラインにおいて、最もクラスレートを生成しや
すい。望まれないクラスレートが生成されるとき、絞り
装置３出口や蒸発器４や圧縮機１吸入ラインは氷結す
る。特にアキュームレータ５に設けた小孔のオイル戻し
穴６が氷結すると、オイルが圧縮機１に循環せず、信頼
性に大きな影響を及ぼすものとなる。

【００２０】本実施例では、凝縮器３と絞り装置４の間
に配置された合成ゼオライト８等を充填したドライヤ７
が、冷凍サイクル装置に混入した少量の水を除くために
使われる。少量の水はドライヤ７によって吸着除去さ
れ、クラスレートが生成されるには不十分な量となるた
め、氷結が避けられることとなる。

【００２１】従って、５０／５０重量％のＲ３２／Ｒ１
２５混合冷媒（Ｒ４１０Ａ）を冷媒とする場合には、例
えば蒸発圧力０．８０６ＭＰａ（このときの飽和液温度
は０℃）のときは、圧縮機吸入過熱度が約１５ｄｅｇ以
下に制御されているとき、過熱ガスとなりやすい蒸発器
４出口から圧縮機１吸入ラインにおいて、クラスレート
の生成を防止することができる。

【００２２】

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように、
本発明は、ホスト溶液として水を含み、ゲスト分子とし
て、オゾン層に対する有害な影響があるとされるＣＦＣ
冷媒やＨＣＦＣ冷媒を用いず、オゾン層に対する脅威が
ない４５〜１００重量％のＲ３２と５５〜０重量％のＲ
１２５からなる冷媒を含み、圧縮機、凝縮器、絞り装
置、蒸発器、アキュームレータ等からなる蒸気圧縮冷凍
サイクルであり、蒸発器入口から圧縮機吸入にいたる温
度および圧力が、前記組成冷媒のクラスレートの臨界分
解点である特定温度および圧力以下であると同時に、前
記組成冷媒の飽和液圧力線とクラスレート生成限界線で
挟まれた範囲に制御され、ドライヤを冷凍サイクル中に
付設した冷凍サイクル装置であり、ホスト溶液である水
を吸着除去するため、クラスレートの生成を防止し消滅
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の望ましい実施態様の実施例である水と
Ｒ３２／Ｒ１２５混合冷媒（Ｒ４１０Ａ）のクラスレー
ト生成条件を示す。

【図２】本発明の望ましい実施態様の１つの実施例であ
る冷凍サイクル装置を示す。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ 凝縮器 ３ 絞り装置 ４ 蒸発器 ５ アキュームレータ ６ オイル戻し穴 ７ ドライヤ ８ 合成ゼオライト

フロントページの続き (72)発明者 秋谷 鷹二 茨城県つくば市東１丁目３番１号 工業技 術院 物質工学工業技術研究所内 (72)発明者 大輪 優 茨城県つくば市東１丁目３番１号 工業技 術院 物質工学工業技術研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ホスト溶液として水を含み、ゲスト分子と
   して４５〜１００重量％のＲ３２と５５〜０重量％のＲ
   １２５からなる冷媒を含み、少なくとも圧縮機、凝縮
   器、絞り装置、蒸発器、アキュームレータを含む蒸気圧
   縮冷凍サイクルを有し、前記蒸発器入口から前記圧縮機
   吸入にいたる温度および圧力の範囲が、前記冷媒のクラ
   スレートの臨界分解点である特定温度および圧力以下で
   あると同時に、前記冷媒の飽和液圧力線とクラスレート
   生成限界線で挟まれた範囲に制御され、ドライヤが前記
   冷凍サイクル中に付設されていることを特徴とする冷凍
   サイクル装置。
2. 【請求項２】ホスト溶液として水を含み、ゲスト分子と
   して４５〜５５重量％のＲ３２と５５〜４５重量％のＲ
   １２５からなる混合冷媒を含み、少なくとも圧縮機、凝
   縮器、絞り装置、蒸発器、アキュームレータを含む蒸気
   圧縮冷凍サイクルを有し、前記蒸発器入口から前記圧縮
   機吸入にいたる温度および圧力の範囲が、５０／５０重
   量％のＲ３２／Ｒ１２５混合冷媒のクラスレートの臨界
   分解点である温度１９．７６℃、圧力１．４３０ＭＰａ
   以下であると同時に、５０／５０重量％のＲ３２／Ｒ１
   ２５混合冷媒の飽和液圧力線と、縦軸をｌｏｇスケール
   表示された圧力、横軸を温度として、温度５．１６℃、
   圧力０．２５５ＭＰａと、臨界分解点である温度１９．
   ７６℃、圧力１．４３０ＭＰａを直線近似したクラスレ
   ート生成限界線とで挟まれた範囲に制御され、ドライヤ
   が前記冷凍サイクル中に付設されていることを特徴とす
   る冷凍サイクル装置。