JPS63243662A - 冷凍装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、混合冷媒を用いた冷凍装置に関するものであ
る。

従来の技術 混合冷媒を用いた冷凍装置は、そのサイクル内部を循環
する冷媒の組成比率を可変とすることにより、能力制御
や性能改善を行なうことができる。

従来、特に非共沸混合冷媒を用いた冷凍装置のサイクル
内部を循環する冷媒組成を可変とする方式として、沸点
の違いを利用した精留分離方式が用いられている（例え
ば特開昭６１−１０１７５７号公報）。

以下第７図、第８図を参照しながら、精留分離方式を用
いた冷凍装置の一例について説明する。

第７図は従来例を示す冷凍サイクル図、第８図は非共沸
混合冷媒の組成比率を変えるための精留塔の断面図であ
る。

第７図において、１は圧縮機、２は凝縮器、３は主絞り
装置、４は蒸発器で環状に接続されて主回路を構成して
いる。一方、凝縮器２の出口と精留塔６の入口とは配管
１０により接続され、加熱器５が配管１０と熱交換的に
接続されている。また精留塔６の下部出口と主回路の蒸
発器４の入口とは副絞り装置７を介して配管１１．１２
により接続されている。また、精留塔６の上部には冷却
器８と貯留器９とが設けられ、貯留器９は配管１３．１
４により精留塔６と環状に接続されている。また、冷却
器８と配管１３とが熱交換的に接続されている。ここで
加熱器５および冷却器の熱源は圧縮機１の吐出ガスおよ
び吸入ガスを用いている。冷媒は弊点差を有する２種類
の冷媒からなる非共沸混合冷媒を用いる。

第８図において、６０１は精留塔６の本体、６０２は充
填材、６０３．６０４は充填材保持具である。

以上のように構成された令凍装置乙について、以下その
動作について説明する。

まず始めに精留分離をしない時について説明する。

、凝縮器２から出た高圧液冷媒の一部が配管１０により
分岐される。この時、副絞り装置７の弁開度を大きくす
ると配管１０に分岐する分岐冷媒流量が増大し、加熱器
５の加熱量不足となるため蒸気が発生せず、精留塔６の
下部入口より液冷媒が流入する。その結果、精留作用が
進行せず、液冷媒は精留塔６の内部を上昇し、配管１３
を通って貯留器９に入り、配管１４により再び精留塔６
に戻る。そして副絞り装置７により減圧されて主回路側
冷媒と合流する。

このように、貯留器９の内部の低沸点成分の組成比率が
上昇しないため、主回路の組成比率は冷媒充填比率に等
しくなる。

次に精留分離を行なう場合について説明する。

上記の状態から副絞り装置７の弁開度を小さくしていく
と分岐冷媒流量が減少し、凝縮器２から出て分岐されだ
液冷媒は、加熱器５で加熱されて一部気化し精留塔６の
下部入口より流入する。このガス成分は精留塔６の中の
充填材６０２のすきま全上昇し、上部出口よシ配管１３
を通って冷却器８へ入り、冷却液化されて貯留器９に入
る。貯留器９と精留塔６の戻シ配管１４とはあらかじめ
落差Ａを設けてあり、その落差Ａによシ貯留器９から液
冷媒の一部が配管１４を通って再び精留器６に戻され充
填材６０２のすきまを下降し、途中上昇してくる蒸気と
互いに気液接触を行ない、熱交換、物質移動により精留
作用をなし、貯留器９には低沸点成分の多い冷媒が貯え
られ、精留塔６の下部からは低沸点成分の少ない冷媒が
配管１１、副絞り装置７、配管１２を通って主回路に流
入する。

したがって、主回路の低沸点成分比率は低下し、高沸点
成分比率は上昇する。

以上のように、副絞り装置７の弁開度を制御することに
より蒸気発生量を調整して精留分離を行ない、貯留器９
内部に貯えられる冷媒組成比率を変化させることによシ
、主回路冷媒の組成比率を可変とすることができる。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら上記のような構成では、以下のような問題
点があった。

まず第１に、精留塔を傾けて設置すると、冷媒蒸気と液
冷媒が塔壁面を上昇、下降するため、気液接触しにくく
なり熱交換、物質移動が減少し、精留分離性能も低下す
る。したがって精留塔を垂直に設置する必要がある。

第２に、精留塔の上部戻り口と貯留器との高さ関係にお
いて、貯留器に貯えられた液が位置エネルギーによシ精
留塔に戻るように、第８図に示すある一定落差Ａが必要
である。

第３に、精留分離するためには加熱等全行ない、精留塔
下部より冷媒蒸気を流入する必要がある。

第４に、精留分離性能を向上させるには塔の内部に充填
材を入れ、高さを増し、理論段数を大きくとる必要があ
る。

精留分離は沸点の違いを利用したものであるため、共沸
混合冷媒等の沸点の近いものについては使用できない。

以上、取付設置上の制約が多く、装置が大型、かつ複雑
化する等の問題点があった。

本発明は上記問題点に鑑み、分離回路の構成部品の取付
設置上の制約の解消、分離回路の小型化と簡素化を目的
とする。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために本発明は、複数種類の冷媒
を封入した冷凍サイクルに、特定の種類の冷媒の通過を
容易とする機能膜を有する冷媒分離装置を接続したもの
である。

作　　　用 本発明は上記構成により、非共混合冷媒に限らず共沸混
合冷媒についても冷媒分離でき、分離回路の構成部品の
取付設置上の制約の解消、分離回路の小型化と簡素化を
図ることができる。

実施例 最初に、冷媒分離に機能膜を用いることが可能であるこ
とを明らかにした実験結果について説明する。

第１図に、機能膜を用いた冷媒分離器（以下分離器とい
う）の一実施例を示す。

同図において、分離器本体１０２を網状の保持具１０４
で高圧側空間ａ１低圧側空間すに仕切り、保持具１０４
の高圧側に機能膜１０３を設置する。

また、分離器本体１０２には、高圧冷媒入口配管１０５
、出口配管１０６、透過冷媒出口配管１０７が設けられ
ている。

以上のような構成の分離器において、機能膜にジメチル
シリコーンのベンゼン溶液を水上に展開し、超薄膜とし
た後、ポリプロピレンの多孔質フィルム（セラニーズ社
：ジュラガード）に転写製膜した薄膜を高分子複合膜と
して用いＲ−２２とＲ−１３８１の混合冷媒を分離する
場合について説明する。

圧縮機等により加圧された混合冷媒は入口配管１０５よ
り分離器本体１０２内の高圧側空間ａに送られる。ここ
で高圧側空間ａと低圧側空間すの圧力差によって一部の
冷媒は低圧側空間すに透過し、透過冷媒出口配管１０７
より排出される。このとき、Ｒ−２２はＲ−１３８１よ
り透過しやすく、透過冷媒出口配管１０７より排出され
る冷媒は、入口配管１０５の冷媒組成に比べてＲ−２２
の比率が上昇する。一方、機能膜１０３を透過せずに高
圧冷媒出口配管１０６より排出される冷媒組成は、Ｒ−
２２の比率が低下する。

ここで実験結果の一例を表１に示す。

表 Ｐ１ 上記表１においては分離器１０１の入口配管より冷媒蒸
気を流入した場合について示したが、冷媒液あるいは蒸
気と液の混合を流入しても分離できる。

このように、機能膜を用いて冷媒分離を行なうことが可
能であることが明らかとなった。

なお、先の実験においては、ジメチルシリコーンのベン
ゼン溶液を水上に展開し、超薄膜とした後、ポリプロピ
レンの多孔質フィルム（セラニーズ社：ジュラガード）
に転写製膜した高分子複合膜を用いたが、ジメチルシリ
コーン以外の非孔質高分子膜材として他に天然ゴム、ポ
リエチレン。

ポリ酢酸ビニル等全用いてもよい。

さらに多孔質高分子膜、生体膜などを用い、透過能の比
を利用して冷媒分離を行なっても、本発明の要旨を脱す
るものではない。

以下前記機能膜を用いた冷凍サイクルの実施例について
第２図ないし第６図を参考に説明する。

第２図に、冷媒としてＲ−２２とＲ−１３８１の非共１
弗混合冷媒金用い、機能Ｍを透過しにくいＲ−１３８１
を貯留することによυ主回路の冷媒組成比率を可変とす
る場合の実施例を示す。

同図において、１１は圧縮機、１２は凝縮器、１３は主
絞り装置、１４は蒸発器で順次環状に接続されて主回路
を構成している。一方、前記構成の分離器１０１の入口
配管１０５は主絞り装置１３の手前の高圧側へ接続され
、出口配管１０６は副絞シ装置１７を介して主絞シ装置
１３の後の低圧側へ接続され、透過冷媒出口配管１０７
は電磁弁１６を介して圧縮機の吸入側に接続されている
。ここで分離器１０１は高圧側空間ａｆ大きくとり、冷
媒を貯留する機能もかねている。

以上のように構成された冷凍サイクルについて、以下そ
の動作を示す。

まず始めに冷媒分離をしない場合について説明する。

圧縮機１１により圧縮された冷媒蒸気は凝縮器１２によ
り冷却液化され、主絞り装置１３で減圧された後蒸発器
１４で蒸発して圧縮機１１へ戻る。

ここで電磁弁１６を閉じ、副絞り装置１７（ｉｌ−開く
と、主絞り装置１３の手Ａｉｌから分岐された液冷媒は
分離器１０１に流入し、機能膜１０３を透過せずにその
ま寸出口配管１０６より副絞り装置１７を介して低圧側
に戻される。したがって、サイクル内を循環する冷媒は
どの部分においても充填比率に等しくなる。

次に冷媒分離を行なう場合について説明する。

上記の状態から電磁弁１６を開き、副絞り装置１７を全
閉すると、分岐された液冷媒は分離器１０１に流入し、
機能膜１０３を透過しゃすいＲ−２２は電磁弁１６を介
して主回路の低圧側に戻される。一方、機能膜１０３を
透過しにくいＲ−１３８１は分離器１０１の高圧側空間
ａに貯留される。したがって主回路のフロン−１３８１
比率は低下し、Ｒ−２２比率が上昇する。

本実施例において、分離器１０１は高圧側空間ａに冷媒
貯留機能を兼ねそなえているが、第３図に示すように貯
留器１８を独立して設けてもよい。

第４図に、機能膜を透過しゃすいＲ−２２を貯留するこ
とにより主回路の冷媒組成比率を可変とする場合の実施
例を示す。

同図において、１１は圧縮機、１２は凝縮器、１０１は
分離器、１３は主絞り装置、１４は蒸発器で順次環状に
接続されて主回路を構成している。

一方、分離器１０１の透過冷媒出口配管１０７は貯留器
１８、副絞り装置１７を介して主絞シ装置１３の下流側
で、かつ主回路の低圧側に接続されている。また、透過
冷媒出口配管１０７は冷却器１９と熱交換的に接続され
ている。

以上のように構成された冷凍サイクルについて、以下そ
の動作を説明する。

まず始めに冷媒分離しない場合について説明する。

凝縮器１２によｐ冷却液化した冷媒は分離器１０１に流
入し、出口配管１０６を通り主絞り装置１３により減圧
されて蒸発器１４に流入する。

ここで副絞り装置１７を全開にすると、分離器１０１０
機能膜１０３を透過しゃすいＲ−２２は機能膜１０３に
より減圧され気化し、冷却器１９により再び冷却液化さ
れ貯留器１８に入るが、あまり貯留されずにほとんどが
副絞り装置１７によりさらに減圧され主回路の低圧側に
戻される。

したがって、主回路の冷媒組成比率は充填比率に等しく
なる。

次に冷媒分離を行なう場合について説明する。

前記の状態から副絞り装置１７の弁開度を小さくすると
、貯留器１８にＲ−２２が主に貯留される。したがって
、主回路のＲ−２２比率は低下し、Ｒ−１３８１比率が
上昇する。

次に、３種類の冷媒（＋＋Ｊ＋ｋ）ｅ用いた冷凍サイク
ルの実施例について、第５図、第６図全参考に説明する
。

第５図に、２個の分離器を用い、機能膜を透過しにくい
冷媒成分を貯留することによシ、主回路の冷媒組成比率
を可変とする場合の実施例を示す。

同図において、第２図と同一機能を有するものは同一の
番号を付して説明全省略する。冷媒１成分を透過しやす
く、他の成分を透過しにくい機能膜１０３を備えた第１
の分離器１０１の入口配管）１０５ｉｄ：主絞り装置゛
３の手前の高圧側へ接続され、出口配管１０６は冷媒ｊ
成分を透過しやすく他の成分を透過しにくい機能膜１０
３′を備えた第２の分離器１０１′の入口配管１０５′
　に接続され、出口配管１０６′　は副絞シ装置１７を
介して蒸発器１４の入口へ接続されている。また、第１
の分離器１０１、第２の分離器１０１′　の透過冷媒出
口配管１０７，１０７’　　は、それぞれ電磁弁１６、
電磁弁２０を介して圧縮機１１の吸入へ接続されている
。

以上のように構成された冷凍サイクルについて、以下そ
の動作について説明する。

まず始めに冷媒分離をしない場合について説明する。

ここで電磁弁１８　、２０を閉じ、電磁弁２１を開き、
副絞り装置１７を開いておく。

凝縮器１２を出て分岐された液冷媒は第１の分離器１０
１、電磁弁２１、第２の分離器１０１′を通過し、副絞
り装置１７によシ減圧され蒸発器１４の入口へ戻る。し
たがって、分離器１０１の冷媒貯留部となる高圧側空間
ａおよび分離器１０１′　の冷媒貯留部となる高圧側空
間ａ’　Ｋは特定の冷媒のみが貯えられるのではなく、
サイクル内を循環する冷媒は充填比率に等し７くなる。

次に、第１の分離器１０１を利用し、冷媒分離を行なう
場合について説明する。

上記の状態から電磁弁２１、副絞り装置１７を閉じ、電
磁弁１６を開くと（電磁弁２０は閉じたまま）、凝縮器
１２を出て分岐された液冷媒は分離器１０１に流入し、
機能膜１０３を透過しやすい冷媒１成分は電磁弁１６を
介して主回路低圧側に戻される。一方、機能膜１０３を
透過しにくい冷媒ｊ＋に成分は分離器１０１の高圧側空
間ａに貯留される。したがって主回路の冷媒Ｊ、に成分
比率は低下し、冷媒１成分比率が上昇する。

さらに第２の分離器１０１′　を利用し、冷媒分離を行
なう場合について説明する。

前記の冷媒分離をしない状態から電磁弁２０゜副絞シ装
置１７を閉じる（電磁弁１６は閉、電磁弁２１は開のま
ま）と、第１の分離器１０１を通過した冷媒は第２の分
離器１０１′　に流入する。

機能膜１０３′　を透過しやすい冷媒ｊ成分は電磁弁２
０を介して主回路低圧側に戻される。一方、機能膜１０
３′　を透過しにくい冷媒１．に成分は第２の分離器１
０１′　の高圧側空間ａ′　に貯留される。したがって
主回路の冷媒＋、に成分比率は低下し、冷媒」成分比率
が上昇する。

さらに第１．第２の分離器１０１，１０１’　　を利用
し、冷媒分離を行なう場合について説明する。

上記の冷媒分離をしない状態から副絞り装置１７を閉じ
、電磁弁１６　、２０を開く（電磁弁２１は開のまま）
と、凝縮器１２を出て分岐された液冷媒は分離器１０１
に流入し、機能膜１０３を透過しやすい冷媒１成分は電
磁弁１６を介して主回路の低圧側に戻される。一方、機
能膜１０３を透過しにくい冷媒Ｊ＋に成分は電磁弁２１
を通り分離器１０１′に入９、機能膜１０３′　を透過
しやすい冷媒ｊ成分は電磁弁２０を介して主回路低圧側
に戻される。さらに、機能膜１０３”ｉ透過しにくい冷
媒に成分は分離器１０１′　の高圧側空間ａ′に貯留さ
れる。したがって主回路の冷媒Ｉ、ｊ成分比率は上昇し
、冷媒に成分比率は低下する。

第６図に、２個の分離器を用い、機能膜を透過しやすい
冷媒成分を貯留することにより主回路の冷媒組成比率を
可変とする場合の実施例を示す。

同図において、第４図と同一機能を有するものは同一の
番号を付して説明全省略する。

すなわち第４図の主回路に第２の分離器１０１′を加え
第６図の主回路を構成している。この２個の分離器１０
１，１０１’　　は第５図のものと同一である。一方、
第１の分離器１ｏ１、第２の分離器１０１′の透過冷媒
出口配管１０７，１０７’はそれぞれ貯留器１８．２３
、第２の絞り装置１７′、第３の絞シ装置２２を介して
蒸発器１４０入口に接続されている。また、透過冷媒出
口配管１０７，１０７’　はそれぞれ冷却器１９　、２
４と熱交換的に接続されている。

以上のように構成された冷凍サイクルについて、以下そ
の動作について説明する。

まず始めに冷媒分離をしない場合について説明する。

凝縮器１２を出た１夜冷媒は分離器１０１゜１０１’ｉ
介して主絞り装置１３により減圧され、蒸発器１４に流
入する。ここで第２の絞り装置１７′、第３の絞り装置
２２の弁開度を大きくしておくと、第１の分離器１０１
０機能膜１０３を透過しやすい冷媒１成分は機能膜１０
３により減圧され気化し、冷却器１９により再び冷却液
化され貯留器１８に入るが、はとんど貯留されずに第２
の絞り装置１７′　により減圧され、主回路の蒸発器１
４の入口で合流する。

一方、第２の′分離器１０１′　の機能膜１０３′を透
過しやすい冷媒ｊ成分も同様にして貯留器２３に入るが
、はとんど貯留されずに第３の絞り装置２２により減圧
され主回路と合流する。したがって、主回路の冷媒組成
比率は充填比率に等しくなる。

次に、第１の分離器１０１を利用し、冷媒分離を行なう
場合について説明する。

上記の状態から第２の絞り装置１７′　の弁開度を小さ
くすると、分離器１０１の機能膜を透過しやすい冷媒１
成分が貯留器１８に貯留される。

したがって主回路の冷媒Ｉ成分比率は低下し、冷媒Ｊ＋
に成分比率が上昇する。

さらに、第２の分離器１０１′　を利用し冷媒分離を行
なう場合について説明する。

上記の分離をしない状態から第３の絞り装置２２の弁開
度を小さくする（第２の絞り装置１７′の弁開度は大き
い壕ま）と、第１の分離器１０１を利用したときと同様
にして貯留器２３に冷媒ｊ成分が貯えられる。

したがって主回路の冷媒ｊ成分比率は低下し、冷媒１．
に成分比率が上昇する。

さらに、第１．第２の分離器１０１．ＩＣ）１’を利用
し、冷媒分離を行なう場合について説明する。

上記の冷媒分離をしない状態から第２．第３の絞り装置
１７′、　２２の弁開度を小さくすると、貯留器１日に
は冷媒を成分が、貯留器２３には冷媒ｊ成分がそれぞれ
貯留される。

したがって主回路の冷媒１．ｊ成分比率は低下し、冷媒
に成分比率が上昇する。

以上実施例のような構成の分離回路により、加熱器等を
必要とせずに高効率、高能力等の目的に応じて主回路の
冷媒組成を可変できる。また分離回路の構成部品の取付
上の制約もない。したがって分離回路の小型化および簡
素化を図ることができる。

なお、第２図〜第６図に示した実施例は、すべて分離器
入口から高圧液冷媒を流入し、機能膜により減圧し、冷
媒蒸気を透過させた例であるが、分離器入口から高圧冷
媒蒸気又は高圧気液混合冷媒を流入しても同様の効果が
得られる。

また、上述の各実施例を組み合わせることにより、多種
多様の冷凍サイクルが実現できる。

発明の効果 以上のように本発明は、加熱器等を必要とせずに主回路
の複数種類の冷媒組成を可変でき、しかも、分離回路の
構成部品の取付設置上の制約もない。したがって分離回
路の小型化および簡素化を図ることができるという効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における分離器の詳細断面図
、第２図、第３図、第４図はそれぞれ同分離器を１個使
用した場合の異なる実施例を示す冷凍サイクル図、第５
図、第６図はそれぞれ同分離器を２個使用した場合の異
なる実施例を示す冷凍サイクル図、第７図は従来例にお
ける冷凍サイクル図、第８図は同精留塔の詳細断面図で
ある。 １１・・・・・・圧縮機、１２・・・・・・凝縮器、１
３・・・・・・主絞り装置、１４・・・・・・蒸発器、
１０１・・・・・・分離器、１０３・・・・・・機能膜
。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名ＩＩ
−圧Ｊｇ機 １２゛−凝廂　器 １３−・・　　主　去交　　リ　　ｆモ　１！。 １４−　　再発３ 第４図　　　　　　１’１−ｔｌ妓り袋１ｒｏｔ−−分
鎚器 １０３・−機　能履 １１−　　圧趨機 １２−１疑ｌＩｉ　器 １３−　　主　ま２　　リ　　１し　！Ｉ４−　　革発
器 ｌブー才２の麓す絞１ ２２−才３の農す袈夏 ｒＯｌ−オｌの分鎗呑 ｌ０ｒ−才２０分堕器 第６図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　圧縮機，凝縮器，絞り装置，蒸発器を環状に接続した
   主回路に複数種類の冷媒を封入した冷凍サイクルにおい
   て、前記主回路に、前記複数種類の冷媒の内の特定の冷
   媒の透過を容易とする機能膜を有する冷媒分離装置を接
   続した冷凍装置。