JPH11248298A

JPH11248298A - 冷凍サイクル

Info

Publication number: JPH11248298A
Application number: JP6415698A
Authority: JP
Inventors: Narihiro Sato; 成広佐藤; Hironao Numamoto; 浩直沼本; Yukio Watanabe; 幸男渡邊; Kanji Haneda; 完爾羽根田; Akira Fujitaka; 章藤高; Yoshinori Kobayashi; 義典小林; Yuichi Kusumaru; 雄一薬丸
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 1999-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】系内に発生する非凝縮性気体を除去し、長期
間に渡ってより一層安定的に動作可能な、炭化水素系冷
媒を用いた冷凍サイクルを提供すること。【解決手段】ハロゲン原子を含まない炭素数２から４
の炭化水素を冷媒とした冷凍サイクル中に非凝縮性気体
捕捉機構または非凝縮性気体分離機構を配してなること
を特徴とする冷凍サイクル。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として空気調和
機、除湿装置、冷蔵装置などに用いる冷凍サイクルに関
する。

【０００２】

【従来の技術】空調機、冷蔵庫、ショーケース等の冷媒
を圧縮して用いる冷凍空調装置においては、従来フッ素
原子を含有する炭化水素が冷媒として用いられてきた。
特にフッ素原子以外に塩素原子を含有する炭化水素類は
不燃性かつ性能がよい冷媒として長年用いられてきた
が、このＣＦＣ（クロロフルオロカーボン）やＨＣＦＣ
（ハイドロクロロフルオロカーボン）類は塩素原子を有
しているがゆえに大気に放出され、成層圏に達してしま
った場合にオゾン層を破壊してしまうことが明らかにな
ったため、近年その使用が世界的に禁止または制限され
ている。これらに代わって塩素原子を含まないＨＦＣ
（ハイドロフルオロカーボン）が使用されつつあるが、
オゾン層を破壊する性質は有しないものの大気中での寿
命が長いために温室効果が大きく、近年問題になってい
る地球温暖化を防止する上では必ずしも満足な冷媒とは
いえない。上記ハロゲン原子を含有する炭化水素類の代
わりに、強燃性ではあるがオゾン破壊係数がゼロであり
かつ地球温暖化係数もハロゲン原子を含有する炭化水素
類に比べれば格段に小さいハロゲン原子を含まない炭化
水素を冷媒として用いる冷凍空調装置は、冷蔵庫として
一部実用化され、さらに大型の機器開発の可能性が検討
されつつある。ところで、従来のハロゲン原子を含有す
る炭化水素類を用いた冷凍サイクルでは冷凍機油として
鉱油、ポリアルキレングリコール油、ポリオールエステ
ル油、ポリビニルエーテル油などが用いられる。これら
の冷凍機油は圧縮機内の摺動部の高温により分解され、
メタン、エタン等の非凝縮性気体が発生することが知ら
れている（特開平７−２９４０６５号公報など）。この
非凝縮性気体を除去するために、特開平７−２９４０６
５号公報などにおいて、冷凍サイクル内に水分、メタ
ン、空気等の非凝縮性気体を除去する吸着剤を満たした
フィルターを配することが開示されている。また、冷媒
から非凝縮性気体を除去する方法としては、特開平８−
３０３９０９号公報などにおいて、冷媒を液化させた際
に液体から気体を除去する運転をおこなうことが開示さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】炭化水素系冷媒を用い
た冷凍サイクルでは、炭化水素系冷媒の熱分解などによ
るラジカル発生の結果、主に水素が発生するという問題
点がある。水素は非凝縮性気体として冷凍サイクルの入
力を増大させ、最後には不冷に至るという課題がある。
本発明は、長期間に渡ってより一層安定的に動作可能
な、ハロゲン原子を含まない炭素数２から４の炭化水素
系冷媒を含む冷媒圧縮式冷凍サイクルを提供することを
目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の冷凍サイクル
は、請求項１に記載の通り、前記課題を解決するべく、
ハロゲン原子を含まない炭素数２から４の炭化水素を冷
媒とした冷凍サイクル中に非凝縮性気体捕捉機構を配し
てなることを特徴とする冷凍サイクルである。また、請
求項２記載の冷凍サイクルは、前記請求項１記載の冷凍
サイクルにおいて、前記非凝縮性気体捕捉機構が水素吸
蔵合金を含むことを特徴とする冷凍サイクルである。ま
た、請求項３記載の冷凍サイクルは、前記請求項２記載
の冷凍サイクルにおいて、前記水素吸蔵合金の水素放出
温度が吐出温度より高いことを特徴とする冷凍サイクル
である。また、請求項４記載の冷凍サイクルは、前記請
求項３記載の冷凍サイクルにおいて、前記水素吸蔵合金
の水素放出温度が150℃以上であることを特徴とする冷
凍サイクルである。また、請求項５記載の冷凍サイクル
は、前記請求項２乃至４の何れかに記載の冷凍サイクル
において、前記水素吸蔵合金がマグネシウム系合金であ
ることを特徴とする冷凍サイクルである。また、請求項
６記載の冷凍サイクルは、前記請求項１記載の冷凍サイ
クルにおいて、前記非凝縮性気体捕捉機構が細孔径0.5n
m以上のゼオライトを含むことを特徴とする冷凍サイク
ルである。また、請求項７記載の冷凍サイクルは、前記
請求項１乃至６の何れかに記載の冷凍サイクルにおい
て、前記非凝縮性気体捕捉機構を冷凍サイクルの分岐管
中に設置することを特徴とする冷凍サイクルである。ま
た、請求項８記載の冷凍サイクルは、ハロゲン原子を含
まない炭素数２から４の炭化水素を冷媒とした冷凍サイ
クル中に、炭化水素は通過せず水素，CO,CO₂を通過させ
る非凝縮性気体分離機構を配してなることを特徴とする
冷凍サイクルである。また、請求項９記載の冷凍サイク
ルは、前記請求項８記載の冷凍サイクルにおいて、前記
非凝縮性気体分離機構としてポリイミド膜を用いること
を特徴とする冷凍サイクルである。また、請求項１０記
載の冷凍サイクルは、前記請求項８または９記載の冷凍
サイクルにおいて、前記非凝縮性気体分離機構を凝縮器
出口から蒸発器入口までの間に設置することを特徴とす
る冷凍サイクルである。また、請求項１１記載の冷凍サ
イクルは、前記請求項１乃至１０の何れかに記載の冷凍
サイクルにおいて、前記冷凍機油としてカーボネート系
冷凍機油を用いることを特徴とする冷凍サイクルであ
る。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を用いて説明する。以下に説明する実施の形態は、
ハロゲン原子を含まない炭素数２から４の炭化水素を冷
媒として含む冷媒圧縮式冷凍サイクルにおいて、冷凍サ
イクル中に次に挙げる（ａ）非凝縮性気体捕捉機構、
（ｂ）非凝縮性気体分離機構のどちらかの特殊機構を追
加した構成である。前記冷媒としては、ハロゲン原子を
含まない炭素数２から４の炭化水素を用いることを必須
とするもので、たとえば、エタン、プロパン、ブタンな
どを用いることができる。

【０００６】まず上述した（ａ）タイプについて、図を
用いて説明する。図１は、冷凍サイクルの全体構成図で
ある。冷凍サイクルは、図１に示すように、冷凍圧縮機
１、凝縮器２、キャピラリ等の膨張機構３、蒸発器４、
さらにこれらを連結する配管５で構成される。また、四
方弁６を有し、この切換によって作動媒体の流路を転換
し、凝縮器２と蒸発器４の機能を交換させることができ
るものである。

【０００７】（ａ）タイプの冷凍サイクルでは、冷凍サ
イクル中に非凝縮性気体捕捉機構７を配置する。非凝縮
性気体捕捉機構７は図１に示すように冷凍サイクルの分
岐管５ａ中に設置することで、冷凍サイクルの圧力損失
を最小にすることができる。この非凝縮性気体捕捉機構
７は、主に水素が捕捉できる機構で冷凍サイクルに悪影
響を与えるものでなければどのようなものでも構わない
が、水素吸蔵合金を用いるのが、水素を捕捉する性能が
高く好ましい。また、非凝縮性気体であるCOやCO₂を除
去するためには水分により吸着性能が劣化しないような
細孔径0.5nm以上のゼオライトを用いるのが最適であ
る。このように、水素吸蔵合金やゼオライトを用いるこ
とで冷凍サイクルに悪影響を及ぼす非凝縮性気体を除去
することが可能になり、冷凍サイクルの信頼性が向上す
る。

【０００８】水素吸蔵合金としては水素放出温度の高い
ものが冷凍サイクル運転中に水素が放出されることなく
最適である。すなわち冷凍サイクル内で最も冷媒温度の
高い、圧縮機吐出温度よりも高い水素放出温度を持って
いることが好ましい。より具体的には水素放出温度が15
0℃以上の水素吸蔵合金をもちいるのが最適である。こ
のような条件を満たすものとしてマグネシウム、マグネ
シウムニッケル合金、マグネシウムカルシウム合金、マ
グネシウム銅合金などのマグネシウム系水素吸蔵合金が
ある。これらは自重の5重量％程度の水素を吸蔵するこ
とができる。非凝縮性気体除去機構として、水素吸蔵合
金を20g程度用いることで1g程度の水素を吸蔵すること
ができる。これは水素0.5molに相当し、常温常圧で11リ
ットルの気体水素を吸蔵できる。このようにして冷媒分
解により生じた水素を取り除くことで、冷凍サイクルの
信頼性を向上させることができる。

【０００９】次に上述した（ｂ）タイプの場合について
説明する。（ｂ）タイプについては、図２に示すように
冷凍サイクル中に炭素数２〜４の炭化水素は通過せず水
素，CO,CO₂を通過させる非凝縮性気体分離機構８を配置
することによって実現できる。この冷媒と非凝縮性気体
を分ける非凝縮性気体分離機構８は、分離膜を用いるの
が簡便で好ましい。分離膜としてPTFEやポリイミドなど
を用いることで水素やCO,CO₂などの非凝縮性気体を冷凍
サイクル内から大気中へ放出できる。その結果冷凍サイ
クル中の非凝縮性気体濃度が減少し、冷凍サイクルの信
頼性を向上させることができる。

【００１０】この非凝縮性気体分離機構８は図３に示す
ような分岐管５ａを冷凍サイクル中に組み込むのが圧力
損失を最小にできるので好ましい。図３において分離膜
９は分岐管５ａの末端に分離膜押え１０で支持してい
る。この分離膜９は100μｍ程度の厚膜で構わない。停
止時においても内外の非凝縮性気体の濃度差によって非
凝縮性気体は冷凍サイクル外へ放出される。

【００１１】前記非凝縮性気体分離機構８は凝縮器２出
口から蒸発器４入口までの間に設置することで高圧冷媒
にさらされることがなく非凝縮気体を除去できるので最
適である。膜による分離においては内外の目的気体の分
圧差で移動が起こるため、膜を透過しない冷媒による圧
力は分離膜の劣化を促すだけなので冷凍サイクルの低圧
部分に設置することによって非凝縮性気体の除去機構の
信頼性が向上する。

【００１２】なお、前記（ａ）タイプ、（ｂ）タイプと
して例示した本実施の形態では、冷凍機油として鉱油、
アルキルベンゼン油などの冷媒との相溶油や、ポリカー
ボネート油などの相分離油を用いることができるが、ポ
リカーボネート油を用いるのが冷媒量を最小にすること
ができ、非凝縮性気体の発生を最小化できるので好まし
い。なお、ポリカーボネート油を用いた場合は、COやCO
₂が発生するが、それらはゼオライトなどの非凝縮性気
体除去機構で除去もしくはポリイミドなどの非凝縮性気
体分離膜で冷凍サイクル外に放出することができる。

【００１３】

【実施例】以下、具体的な実施例を挙げて説明する。以
上のようにして作成した（ａ）タイプ、（ｂ）タイプの
各冷凍サイクルについて、非凝縮性気体の発生量とエア
コンの消費電力量の変化を検討した。ここで、非凝縮性
気体捕捉機構としてはマグネシウム−カルシウム系水素
吸蔵合金と細孔径1.0nmのゼオライトを用い、非凝縮性
気体分離機構としてはポリイミド分離膜をそれぞれ用い
た。また、冷凍機油として（化1）の分子構造を有する
ポリカーボネート２００ｇを用い、冷媒Ｒ２９０（プロ
パン）３５０ｇとともに封入してスクロールコンプレッ
サを用いた冷凍サイクルを作成した。

【００１４】

【化１】

【００１５】なお、ここで比較例として、非凝縮性気体
捕捉機構や非凝縮性気体分離機構のような、非凝縮性気
体除去機構をもたない冷凍サイクルも同時に作成し比較
検討をおこなった。非凝縮性気体の分析は、運転停止後
に気相をサンプリングしガスクロマトグラフ(TCD検出器
使用) により分析した。3000時間運転後、非凝縮性気体
（水素、一酸化炭素、二酸化炭素）の合計の濃度は、本
発明の特徴とする非凝縮性気体捕捉機構または非凝縮性
気体分離機構のような非凝縮性気体除去機構を有するも
のでは500volppm以下であり、消費電力量に増加傾向は
見られなかった。一方、これらの非凝縮性気体除去機構
を持たない冷凍サイクルでは非凝縮性気体の合計が3000
時間運転後には16000ppmに達し、消費電力量も運転開始
直後から増加し3000時間運転後には7%増加した。このよ
うに本発明の実施例では非凝縮性気体の系内への滞留が
少なく、消費電力量の増大も見られなかった。

【００１６】

【発明の効果】以上のように、本発明によればハロゲン
原子を含まない炭素数２から４の炭化水素を冷媒とした
冷凍サイクルにおいて、冷凍サイクル中に非凝縮性気体
捕捉機構を配することによって、冷凍サイクル内の非凝
縮性気体を除去することができるので冷凍サイクルの信
頼性の向上を図ることができる。また、非凝縮性気体捕
捉機構は水素吸蔵合金を含むことによって炭素数２から
４の炭化水素の分解によって生じる水素を効率よく吸蔵
除去できるので冷凍サイクルの信頼性の向上を図ること
ができる。また、非凝縮性気体捕捉機構が細孔径0.5nm
以上のゼオライトを含むことにより水分による性能低下
を起こさずに非凝縮性気体であるCOやCO₂を除去するこ
とができるので冷凍サイクルの信頼性の向上を図ること
ができる。また、非凝縮性気体捕捉機構を冷凍サイクル
の分岐管中に設置することによって冷凍サイクルの圧力
損失を最小限に押さえながら非凝縮性気体の除去ができ
るので冷凍サイクルの信頼性向上を図ることができる。
また、冷凍サイクル中に、炭化水素は通過せず水素やC
O,CO₂を通過させる非凝縮性気体分離機構を設けること
によって冷凍サイクル内から非凝縮性気体を除去するこ
とができるので冷凍サイクルの信頼性向上を図ることが
できる。また、非凝縮性気体分離機構を凝縮器出口から
蒸発器入口までの間に設置することにより非凝縮性気体
分離機構の信頼性が向上し、冷凍サイクルの信頼性向上
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明冷凍サイクルの一実施の形態である、
非凝縮性気体除去機構を備えた冷凍サイクルの全体構成
図である。

【図２】本発明冷凍サイクルの他の実施の形態であ
る、非凝縮性気体分離機構を備えた冷凍サイクルの全体
構成図である。

【図３】図２の非凝縮性気体分離機構を冷凍サイクル
の分岐管に設けた状態を示す断面図である。

【符号の説明】

１冷凍圧縮機２凝縮器３膨張機構４蒸発器５配管５ａ分岐管６四方弁７非凝縮性気体捕捉機構８非凝縮性気体分離機構９非凝縮性気体分離膜１０非凝縮性気体分離膜押え

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者羽根田完爾大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者藤高章大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者小林義典大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者薬丸雄一大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ハロゲン原子を含まない炭素数２から４
の炭化水素を冷媒とした冷凍サイクル中に非凝縮性気体
捕捉機構を配してなることを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項２】前記非凝縮性気体捕捉機構が水素吸蔵合
金を含むことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイク
ル。
【請求項３】前記水素吸蔵合金の水素放出温度が吐出
温度より高いことを特徴とする請求項２記載の冷凍サイ
クル。
【請求項４】前記水素吸蔵合金の水素放出温度が150
℃以上であることを特徴とする請求項３記載の冷凍サイ
クル。
【請求項５】前記水素吸蔵合金がマグネシウム系合金
であることを特徴とする請求項２乃至４の何れかに記載
の冷凍サイクル。
【請求項６】前記非凝縮性気体捕捉機構が細孔径0.5n
m以上のゼオライトを含むことを特徴とする請求項１記
載の冷凍サイクル。
【請求項７】前記非凝縮性気体捕捉機構を冷凍サイク
ルの分岐管中に設置することを特徴とする請求項１乃至
６の何れかに記載の冷凍サイクル。
【請求項８】ハロゲン原子を含まない炭素数２から４
の炭化水素を冷媒とした冷凍サイクル中に、炭化水素は
通過せず水素，CO,CO₂を通過させる非凝縮性気体分離機
構を配してなることを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項９】前記非凝縮性気体分離機構としてポリイ
ミド膜を用いることを特徴とする請求項８記載の冷凍サ
イクル。
【請求項１０】前記非凝縮性気体分離機構を凝縮器出
口から蒸発器入口までの間に設置することを特徴とする
請求項８または９記載の冷凍サイクル。
【請求項１１】前記冷凍機油としてカーボネート系冷
凍機油を用いることを特徴とする請求項１乃至１０の何
れかに記載の冷凍サイクル。