JPWO2017145713A1 - 熱交換ユニット - Google Patents

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Abstract

本発明にかかる熱交換ユニット(1)は、冷凍サイクルを循環する1,1,2−トリフルオロエチレンを含む作動媒体を圧縮する圧縮機(11)と、冷凍サイクルに設けられた熱交換器(12)と、圧縮機(11)内で発生した熱を作動媒体を用いずに放熱する放熱手段と、を備える。本発明において放熱手段は、例えば送風機、ヒートシンク、ドレン水供給ユニット等を用いて構成することができる。

Description

本発明は熱交換ユニットに関し、特に冷凍サイクル装置に用いられる熱交換ユニットに関する。
空調機や冷凍・冷蔵機器などの冷凍サイクル装置において、作動媒体(以下、冷媒ともいう)としてハイドロフルオロカーボン(HFC)系冷媒が広く用いられている。しかし、HFCは、地球温暖化係数(GWP)が高く、地球温暖化の原因となる可能性が指摘されている。このため、オゾン層への影響が少なく、かつ地球温暖化係数の小さい冷凍サイクル用作動媒体の開発が急務となっている。オゾン層への影響が少なく、かつ地球温暖化への影響が少ない冷凍サイクル用作動媒体として、大気中のOHラジカルによって分解されやすい炭素−炭素二重結合を有するハイドロフルオロオレフィン(HFO)を含むものが検討されている。特許文献1には、1,1,2−トリフルオロエチレン(HFO−1123)を含む作動媒体を用いた冷凍サイクル装置が記載されている。
日本国特開2015−145452号公報
HFO−1123は、高温高圧の状態でエネルギーが投入されると、不均化反応(自己分解反応)と呼ばれる発熱を伴う化学反応が連鎖的に起こる場合がある。不均化反応とは、同一種類の分子が2個以上互いに反応して2種以上の異なる種類の生成物を生じる化学反応のことである。このため、作動媒体にHFO−1123を含む作動媒体を用いた冷凍サイクル装置では、このような不均化反応の発生を抑制する必要がある。
上記課題に鑑み本発明の目的は、HFO−1123の不均化反応の発生を抑制することが可能な熱交換ユニットを提供することである。
本発明の第1の態様にかかる熱交換ユニットは、冷凍サイクルを循環する1,1,2−トリフルオロエチレンを含む作動媒体を圧縮する圧縮機と、前記冷凍サイクルに設けられた熱交換器と、前記圧縮機内で発生した熱を前記作動媒体を用いずに放熱する放熱手段と、を備える。
本発明の第2の態様にかかる熱交換ユニットは、上述の熱交換ユニットにおいて、前記熱交換器の表面を流れる気流を増加させて前記熱交換器における熱交換を促進させる送風機と、前記送風機が配置されている空間と前記圧縮機が配置されている空間とを仕切る仕切り板と、を更に備える。前記仕切り板には前記仕切り板の前記圧縮機と対応する位置に通気口が形成されており、前記放熱手段は前記送風機で構成されており、前記送風機から送られる気流を用いて前記圧縮機の熱を放熱する。
本発明の第3の態様にかかる熱交換ユニットは、上述の熱交換ユニットにおいて、前記送風機から送られる気流の一部の向きを前記圧縮機側へと変える風向板を備える。
本発明の第4の態様にかかる熱交換ユニットでは、上述の熱交換ユニットにおいて、前記送風機は、前記送風機の風向きを前記圧縮機側へと切り替える風向切替部を備える。
本発明の第5の態様にかかる熱交換ユニットは、上述の熱交換ユニットにおいて、前記圧縮機から排出される作動媒体の温度を検出する検出部と、前記作動媒体の温度が所定の温度よりも高いか否かを判定する判定部と、前記判定部の判定結果に応じて前記風向切替部を制御する第1の制御部と、を備える。前記第1の制御部は、前記作動媒体の温度が前記所定の温度よりも高い場合、前記送風機の風向きが前記圧縮機側となるように前記風向切替部を制御する。
本発明の第6の態様にかかる熱交換ユニットでは、上述の熱交換ユニットにおいて、前記圧縮機に、前記放熱手段として、前記圧縮機内で発生した熱を放熱するためのヒートシンクが設けられている。
本発明の第7の態様にかかる熱交換ユニットは、上述の熱交換ユニットにおいて、前記放熱手段として、前記冷凍サイクルで発生したドレン水を前記圧縮機の表面に供給して前記圧縮機を冷却するドレン水供給ユニットを更に備える。
本発明の第8の態様にかかる熱交換ユニットでは、上述の熱交換ユニットにおいて、前記ドレン水供給ユニットは、前記冷凍サイクルで発生したドレン水を貯蔵するドレン水貯蔵部と、前記圧縮機から排出される作動媒体の温度を検出する検出部と、前記作動媒体の温度が所定の温度よりも高いか否かを判定する判定部と、前記ドレン水貯蔵部から前記圧縮機の表面への前記ドレン水の供給を切り替える電磁弁と、前記判定部の判定結果に応じて前記電磁弁を制御する第2の制御部と、を備える。前記第2の制御部は、前記作動媒体の温度が前記所定の温度よりも高い場合、前記電磁弁を開状態にして前記ドレン水貯蔵部から前記圧縮機の表面に前記ドレン水を供給する。
本発明により、HFO−1123の不均化反応の発生を抑制することが可能な熱交換ユニットを提供することができる。
図1は、冷凍サイクル装置を説明するための図である。 図2は、冷凍サイクル装置を説明するための図である。 図3Aは、実施の形態1にかかる熱交換ユニットの一例を示す上面図である。 図3Bは、実施の形態1にかかる熱交換ユニットの一例を示す正面図である。 図3Cは、実施の形態1にかかる熱交換ユニットの一例を示す側面図である。 図4は、実施の形態1にかかる熱交換ユニットの他の例を示す側面図である。 図5は、実施の形態2にかかる熱交換ユニットの一例を示す上面図である。 図6は、実施の形態3にかかる熱交換ユニットの一例を示す正面図である。 図7Aは、実施の形態3にかかる熱交換ユニットの動作を説明するための上面図である。 図7Bは、実施の形態3にかかる熱交換ユニットの動作を説明するための上面図である。 図8は、実施の形態4にかかる熱交換ユニットの一例を示す上面図である。 図9は、実施の形態5にかかる熱交換ユニットの一例を示す側面図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
まず、本発明の冷凍サイクル装置に使用される作動媒体(冷媒)について説明する。
<作動媒体>
(HFO−1123)
本発明で用いる作動媒体は1,1,2−トリフルオロエチレン(HFO−1123)を含む。HFO−1123の作動媒体としての特性を、特に、R410A(HFC−32とHFC−125との質量比1:1の擬似共沸混合冷媒)との相対比較において表1に示す。サイクル性能は、後述する方法で求められる成績係数と冷凍能力とで示される。HFO−1123の成績係数と冷凍能力とは、R410Aを基準(1.000)とした相対値(以下、相対成績係数および相対冷凍能力という)で示す。地球温暖化係数(GWP)は、気候変動に関する政府間パネル(IPCC)第4次評価報告書(2007年)に示される、または該方法に準じて測定された100年の値である。本明細書において、GWPは特に断りのない限りこの値をいう。作動媒体が混合物からなる場合、後述するとおり温度勾配は、作動媒体を評価する上で重要なファクターとなり、値は小さい方が好ましい。
Figure 2017145713
[任意成分]
本発明で用いる作動媒体はHFO−1123を含むことが好ましく、本発明の効果を損なわない範囲でHFO−1123以外に、通常作動媒体として用いられる化合物を任意に含有してもよい。このような任意の化合物(任意成分)としては、例えば、HFC、HFO−1123以外のHFO(炭素−炭素二重結合を有するHFC)、これら以外のHFO−1123とともに気化、液化する他の成分等が挙げられる。任意成分としては、HFC、HFO−1123以外のHFO(炭素−炭素二重結合を有するHFC)が好ましい。
任意成分としては、例えばHFO−1123と組み合わせて熱サイクルに用いた際に、上記相対成績係数、相対冷凍能力をより高める作用を有しながら、GWPや温度勾配を許容の範囲にとどめられる化合物が好ましい。作動媒体がHFO−1123との組合せにおいてこのような化合物を含むと、GWPを低く維持しながら、より良好なサイクル性能が得られるとともに、温度勾配による影響も少ない。
(温度勾配)
作動媒体が例えばHFO−1123と任意成分とを含有する場合、HFO−1123と任意成分とが共沸組成である場合を除いて相当の温度勾配を有する。作動媒体の温度勾配は、任意成分の種類およびHFO−1123と任意成分との混合割合により異なる。
作動媒体として混合物を用いる場合、通常、共沸またはR410Aのような擬似共沸の混合物が好ましく用いられる。非共沸組成物は、圧力容器から冷凍空調機器へ充てんされる際に組成変化を生じる問題点を有している。さらに、冷凍空調機器からの冷媒漏えいが生じた場合、冷凍空調機器内の冷媒組成が変化する可能性が極めて大きく、初期状態への冷媒組成の復元が困難である。一方、共沸または擬似共沸の混合物であれば上記問題が回避できる。
混合物の作動媒体における使用可能性をはかる指標として、一般に「温度勾配」が用いられる。温度勾配は、熱交換器、例えば、蒸発器における蒸発の、または凝縮器における凝縮の、開始温度と終了温度とが異なる性質、と定義される。共沸混合物においては、温度勾配は0であり、擬似共沸混合物では、例えばR410Aの温度勾配が0.2であるように、温度勾配は極めて0に近い。
温度勾配が大きいと、例えば、蒸発器における入口温度が低下することで着霜の可能性が大きくなり問題である。さらに、熱サイクルシステムにおいては、熱交換効率の向上をはかるために熱交換器を流れる作動媒体と水や空気等の熱源流体とを対向流にすることが一般的であり、安定運転状態においては該熱源流体の温度差が小さいことから、温度勾配の大きい非共沸混合媒体の場合、エネルギー効率のよい熱サイクルシステムを得ることが困難である。このため、混合物を作動媒体として使用する場合は適切な温度勾配を有する作動媒体が望まれる。
(HFC)
任意成分のHFCとしては、上記観点から選択されることが好ましい。ここで、HFCは、HFO−1123に比べてGWPが高いことが知られている。したがって、HFO−1123と組合せるHFCとしては、上記作動媒体としてのサイクル性能を向上させ、かつ温度勾配を適切な範囲にとどめることに加えて、特にGWPを許容の範囲にとどめる観点から、適宜選択されることが好ましい。
オゾン層への影響が少なく、かつ地球温暖化への影響が小さいHFCとして具体的には炭素数1〜5のHFCが好ましい。HFCは、直鎖状であっても、分岐状であってもよく、環状であってもよい。
HFCとしては、HFC−32、ジフルオロエタン、トリフルオロエタン、テトラフルオロエタン、HFC−125、ペンタフルオロプロパン、ヘキサフルオロプロパン、ヘプタフルオロプロパン、ペンタフルオロブタン、ヘプタフルオロシクロペンタン等が挙げられる。
なかでも、HFCとしては、オゾン層への影響が少なく、かつ冷凍サイクル特性が優れる点から、HFC−32、1,1−ジフルオロエタン(HFC−152a)、1,1,1−トリフルオロエタン(HFC−143a)、1,1,2,2−テトラフルオロエタン(HFC−134)、1,1,1,2−テトラフルオロエタン(HFC−134a)、およびHFC−125が好ましく、HFC−32、HFC−152a、HFC−134a、およびHFC−125がより好ましい。
HFCは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
作動媒体(100質量%)中のHFCの含有量は、作動媒体の要求特性に応じ任意に選択可能である。例えば、HFO−1123とHFC−32とからなる作動媒体の場合、HFC−32の含有量が1〜99質量%の範囲で成績係数および冷凍能力が向上する。HFO−1123とHFC−134aとからなる作動媒体の場合、HFC−134aの含有量が1〜99質量%の範囲で成績係数が向上する。
また、上記好ましいHFCのGWPは、HFC−32については675であり、HFC−134aについては1430であり、HFC−125については3500である。得られる作動媒体のGWPを低く抑える観点から、任意成分のHFCとしては、HFC−32が最も好ましい。
また、HFO−1123とHFC−32とは、質量比で99:1〜1:99の組成範囲で共沸に近い擬似共沸混合物を形成可能であり、両者の混合物はほぼ組成範囲を選ばずに温度勾配が0に近い。この点においてもHFO−1123と組合せるHFCとしてはHFC−32が有利である。
本発明に用いる作動媒体において、HFO−1123とともにHFC−32を用いる場合、作動媒体の100質量%に対するHFC−32の含有量は、具体的には、20質量%以上が好ましく、20〜80質量%がより好ましく、40〜60質量%がさらに好ましい。
本発明に用いる作動媒体において、例えば、HFO―1123を含む場合は、HFO−1123以外のHFOとしては、高い臨界温度を有し、耐久性、成績係数が優れる点から、HFO−1234yf(GWP=4)、HFO−1234ze(E)、HFO−1234ze(Z)((E)体、(Z)体共にGWP=6)が好ましく、HFO−1234yf、HFO−1234ze(E)がより好ましい。HFO−1123以外のHFOは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。作動媒体(100質量%)中のHFO−1123以外のHFOの含有量は、作動媒体の要求特性に応じ任意に選択可能である。例えば、HFO−1123とHFO−1234yfまたはHFO−1234zeとからなる作動媒体の場合、HFO−1234yfまたはHFO−1234zeの含有量が1〜99質量%の範囲で成績係数が向上する。
本発明に用いる作動媒体が、HFO−1123およびHFO−1234yfを含む場合の、好ましい組成範囲を組成範囲(S)として以下に示す。
なお、組成範囲(S)を示す各式において、各化合物の略称は、HFO−1123とHFO−1234yfとその他の成分(HFC−32等)との合計量に対する当該化合物の割合(質量%)を示す。
<組成範囲(S)>
HFO−1123+HFO−1234yf≧70質量%
95質量%≧HFO−1123/(HFO−1123+HFO−1234yf)≧35質量%
組成範囲(S)の作動媒体は、GWPが極めて低く、温度勾配が小さい。また、成績係数、冷凍能力および臨界温度の観点からも従来のR410Aに代替し得る冷凍サイクル性能を発現できる。
組成範囲(S)の作動媒体において、HFO−1123とHFO−1234yfとの合計量に対するHFO−1123の割合は、40〜95質量%がより好ましく、50〜90質量%がさらに好ましく、50〜85質量%が特に好ましく、60〜85質量%がもっとも好ましい。
また、作動媒体100質量%中のHFO−1123とHFO−1234yfとの合計の含有量は、80〜100質量%がより好ましく、90〜100質量%がさらに好ましく、95〜100質量%が特に好ましい。
また、本発明に用いる作動媒体は、HFO−1123とHFC−32とHFO−1234yfとを含むことが好ましく、HFO−1123、HFO−1234yfおよびHFC−32を含有する場合の好ましい組成範囲(P)を以下に示す。
なお、組成範囲(P)を示す各式において、各化合物の略称は、HFO−1123とHFO−1234yfとHFC−32との合計量に対する当該化合物の割合(質量%)を示す。組成範囲(R)、組成範囲(L)、組成範囲(M)においても同様である。また、以下に記載の組成範囲では、具体的に記載したHFO−1123とHFO−1234yfとHFC−32との合計量が、熱サイクル用作動媒体全量に対して90質量%を超え100質量%以下であることが好ましい。
<組成範囲(P)>
70質量%≦HFO−1123+HFO−1234yf
30質量%≦HFO−1123≦80質量%
0質量%<HFO−1234yf≦40質量%
0質量%<HFC−32≦30質量%
HFO−1123/HFO−1234yf≦95/5質量%
上記組成を有する作動媒体は、HFO−1123、HFO−1234yfおよびHFC−32がそれぞれ有する特性がバランスよく発揮され、かつそれぞれが有する欠点が抑制された作動媒体である。すなわち、この作動媒体は、GWPが極めて低く抑えられ、熱サイクルに用いた際に、温度勾配が小さく、一定の能力と効率とを有することで良好なサイクル性能が得られる作動媒体である。ここで、HFO−1123とHFO−1234yfとHFC−32との合計量に対する、HFO−1123とHFO−1234yfとの合計量は70質量%以上であることが好ましい。
また、本発明に用いる作動媒体のより好ましい組成としては、HFO−1123とHFO−1234yfとHFC−32との合計量に対して、HFO−1123を30〜70質量%、HFO−1234yfを4〜40質量%、およびHFC−32を0〜30質量%の割合で含有し、かつ、作動媒体全量に対するHFO−1123の含有量が70モル%以下である組成が挙げられる。前記範囲の作動媒体は、上記の効果が高まるのに加え、HFO−1123の自己分解反応が抑制され、耐久性の高い作動媒体である。相対成績係数の観点からは、HFC−32の含有量は5質量%以上が好ましく、8質量%以上がより好ましい。
また、本発明に用いる作動媒体がHFO−1123、HFO−1234yfおよびHFC−32を含む場合の、別の好ましい組成を示すが、作動媒体全量に対するHFO−1123の含有量が70モル%以下であれば、HFO−1123の自己分解反応が抑制され、耐久性の高い作動媒体が得られる。
さらに好ましい組成範囲(R)を、以下に示す。
<組成範囲(R)>
10質量%≦HFO−1123<70質量%
0質量%<HFO−1234yf≦50質量%
30質量%<HFC−32≦75質量%
上記組成を有する作動媒体は、HFO−1123、HFO−1234yfおよびHFC−32がそれぞれ有する特性がバランスよく発揮され、かつそれぞれが有する欠点が抑制された作動媒体である。すなわち、GWPが低く抑えられ、耐久性が確保されたうえで、熱サイクルに用いた際に、温度勾配が小さく、高い能力と効率を有することで良好なサイクル性能が得られる作動媒体である。
上記組成範囲(R)を有する本発明の作動媒体において、好ましい範囲を、以下に示す。
20質量%≦HFO−1123<70質量%
0質量%<HFO−1234yf≦40質量%
30質量%<HFC−32≦75質量%
上記組成を有する作動媒体は、HFO−1123、HFO−1234yfおよびHFC−32がそれぞれ有する特性が特にバランスよく発揮され、かつそれぞれが有する欠点が抑制された作動媒体である。すなわち、GWPが低く抑えられ、耐久性が確保されたうえで、熱サイクルに用いた際に、温度勾配がより小さく、より高い能力と効率を有することで良好なサイクル性能が得られる作動媒体である。
上記組成範囲(R)を有する本発明の作動媒体において、より好ましい組成範囲(L)を、以下に示す。組成範囲(M)がさらに好ましい。
<組成範囲(L)>
10質量%≦HFO−1123<70質量%
0質量%<HFO−1234yf≦50質量%
30質量%<HFC−32≦44質量%
<組成範囲(M)>
20質量%≦HFO−1123<70質量%
5質量%≦HFO−1234yf≦40質量%
30質量%<HFC−32≦44質量%
上記組成範囲(M)を有する作動媒体は、HFO−1123、HFO−1234yfおよびHFC−32がそれぞれ有する特性が特にバランスよく発揮され、かつそれぞれが有する欠点が抑制された作動媒体である。すなわち、この作動媒体は、GWPの上限が300以下に低く抑えられ、耐久性が確保されたうえで、熱サイクルに用いた際に、温度勾配が5.8未満と小さく、相対成績係数および相対冷凍能力が1に近く良好なサイクル性能が得られる作動媒体である。
この範囲にあると温度勾配の上限が下がり、相対成績係数×相対冷凍能力の下限が上がる。相対成績係数が大きい点から8質量%≦HFO−1234yfがより好ましい。また、相対冷凍能力が大きい点からHFO−1234yf≦35質量%がより好ましい。
また、本発明に用いる別の作動媒体は、HFO−1123とHFC−134aとHFC−125とHFO−1234yfとを含むことが好ましく、この組成により作動媒体の燃焼性が抑えられる。
さらに好ましくは、HFO−1123とHFC−134aとHFC−125とHFO−1234yfとを含み、作動媒体全量に対するHFO−1123とHFC−134aとHFC−125とHFO−1234yfとの合計量の割合が90質量%を超え100質量%以下であり、HFO−1123とHFC−134aとHFC−125とHFO−1234yfとの合計量に対する、HFO−1123の割合が3質量%以上35質量%以下、HFC−134aの割合が10質量%以上53質量%以下、HFC−125の割合が4質量%以上50質量%以下、HFO−1234yfの割合が5質量%以上50質量%以下であることが好ましい。このような作動媒体とすることにより、作動媒体が不燃性であり、かつ安全性に優れ、オゾン層および地球温暖化への影響をより少なくし、熱サイクルシステムに用いた際により優れたサイクル性能を有する作動媒体とすることができる。
最も好ましくは、HFO−1123とHFC−134aとHFC−125とHFO−1234yfとを含み、作動媒体全量に対するHFO−1123とHFC−134aとHFC−125とHFO−1234yfとの合計量の割合が90質量%を超え100質量%以下であり、HFO−1123とHFC−134aとHFC−125とHFO−1234yfとの合計量に対する、HFO−1123の割合が6質量%以上25質量%以下、HFC−134aの割合が20質量%以上35質量%以下、HFC−125の割合が8質量%以上30質量%以下、HFO−1234yfの割合が20質量%以上50質量%以下であることがより一層好ましい。このような作動媒体とすることにより、作動媒体が不燃性であり、かつ安全性により一層優れ、オゾン層および地球温暖化への影響をより一層少なくし、熱サイクルシステムに用いた際により一層優れたサイクル性能を有する作動媒体とすることができる。
(その他の任意成分)
本発明の熱サイクルシステム用組成物に用いる作動媒体は、上記任意成分以外に、二酸化炭素、炭化水素、クロロフルオロオレフィン(CFO)、ヒドロクロロフルオロオレフィン(HCFO)等を含有してもよい。その他の任意成分としてはオゾン層への影響が少なく、かつ地球温暖化への影響が小さい成分が好ましい。
炭化水素としては、プロパン、プロピレン、シクロプロパン、ブタン、イソブタン、ペンタン、イソペンタン等が挙げられる。
炭化水素は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
上記作動媒体が炭化水素を含有する場合、その含有量は作動媒体の100質量%に対して10質量%未満であり、1〜5質量%が好ましく、3〜5質量%がさらに好ましい。炭化水素が下限値以上であれば、作動媒体への鉱物系冷凍機油の溶解性がより良好になる。
CFOとしては、クロロフルオロプロペン、クロロフルオロエチレン等が挙げられる。作動媒体のサイクル性能を大きく低下させることなく作動媒体の燃焼性を抑えやすい点から、CFOとしては、1,1−ジクロロ−2,3,3,3−テトラフルオロプロペン(CFO−1214ya)、1,3−ジクロロ−1,2,3,3−テトラフルオロプロペン(CFO−1214yb)、1,2−ジクロロ−1,2−ジフルオロエチレン(CFO−1112)が好ましい。
CFOは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
作動媒体がCFOを含有する場合、その含有量は作動媒体の100質量%に対して10質量%未満であり、1〜8質量%が好ましく、2〜5質量%がさらに好ましい。CFOの含有量が下限値以上であれば、作動媒体の燃焼性を抑制しやすい。CFOの含有量が上限値以下であれば、良好なサイクル性能が得られやすい。
HCFOとしては、ヒドロクロロフルオロプロペン、ヒドロクロロフルオロエチレン等が挙げられる。作動媒体のサイクル性能を大きく低下させることなく作動媒体の燃焼性を抑えやすい点から、HCFOとしては、1−クロロ−2,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224yd)、1−クロロ−1,2−ジフルオロエチレン(HCFO−1122)が好ましい。
HCFOは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
上記作動媒体がHCFOを含む場合、作動媒体100質量%中のHCFOの含有量は、10質量%未満であり、1〜8質量%が好ましく、2〜5質量%がさらに好ましい。HCFOの含有量が下限値以上であれば、作動媒体の燃焼性を抑制しやすい。HCFOの含有量が上限値以下であれば、良好なサイクル性能が得られやすい。
本発明に用いる作動媒体が上記のようなその他の任意成分を含有する場合、作動媒体におけるその他の任意成分の合計含有量は、作動媒体100質量%に対して10質量%未満であり、8質量%以下が好ましく、5質量%以下がさらに好ましい。
<冷凍サイクル装置>
次に、本発明にかかる熱交換ユニットを含む冷凍サイクル装置について説明する。図1は、本発明にかかる熱交換ユニットを含む冷凍サイクル装置を説明するための図である。
図1に示すように、冷凍サイクル装置100は、圧縮機11、熱交換器12、膨張弁13、熱交換器14、アキュムレータ15、切替弁16、及び送風機17、21を備える。図1では、熱交換ユニット1に、圧縮機11、熱交換器12、膨張弁13、アキュムレータ15、切替弁16、及び送風機21が含まれている例を示しているが、本発明にかかる熱交換ユニット1は、少なくとも圧縮機11および熱交換器12を備えていればよい。
冷凍サイクル装置100は、例えば空調機や冷凍・冷蔵機器などである。例えば、冷凍サイクル装置100を空調機に用いた場合は、熱交換ユニット1は室外機に対応し、熱交換器14は室内機が備える熱交換器に対応する。
図1に示す冷凍サイクル装置100では、熱交換器12が熱を放熱し、熱交換器14が熱を吸熱している状態を示している。例えば、冷凍サイクル装置100が空調機である場合、図1は冷房運転または除霜運転を行っている状態を示している。
図1に示す冷凍サイクル装置100では、HFO−1123を含む作動媒体を、圧縮機11、熱交換器12、膨張弁13、熱交換器14、アキュムレータ15の順に循環させて冷凍サイクルを形成している。具体的には、圧縮機11から吐出された高温高圧の作動媒体(蒸気)は、切替弁16を経由して熱交換器12に供給される。熱交換器12に供給された作動媒体は、熱交換器12の周囲の空気に対して放熱を行い、凝縮する。このとき、熱交換器12の近傍に送風機21を設けることで、熱交換器12の表面を流れる気流(つまり、風量)を増加させることができ熱交換器12における熱交換(放熱)を促進させることができる。凝縮して液状となった作動媒体は、熱交換器12から膨張弁13に供給され、膨張弁13で減圧される。
膨張弁13で減圧された作動媒体は熱交換器14に供給され、熱交換器14において膨張して低温低圧となり、熱交換器14の表面温度を下げる。表面温度の下がった熱交換器14は周囲の空気から吸熱し、これにより熱交換器14の周囲の空気が冷やされる。このとき、熱交換器14の近傍に送風機17を設けることで、熱交換器14の表面を流れる気流を増加させることができ熱交換器14における熱交換(吸熱)を促進させることができる。熱交換器14における吸熱後、低温の気体状の作動媒体は、切替弁16およびアキュームレータ15を経て圧縮機11に戻る。アキュームレータ15に入る作動媒体の一部は液化しており、液化している一部の作動媒体がアキュームレータ15に貯蔵される。
一方、図2に示す冷凍サイクル装置200は、熱交換器12が熱を吸熱し、熱交換器14が熱を放熱している状態を示している。例えば、冷凍サイクル装置200が空調機である場合、図2は暖房運転を行っている状態を示している。
図2に示す冷凍サイクル装置200では、HFO−1123を含む作動媒体を、圧縮機11、熱交換器14、膨張弁13、熱交換器12、アキュムレータ15の順に循環させて冷凍サイクルを形成している。図2に示す冷凍サイクル装置200では、図1に示した冷凍サイクル装置100と比べて、作動媒体の循環方向が逆方向となっている。作動媒体の循環方向は、切替弁16を切り替えることで切り替えることができる。
図2に示すように、圧縮機11から吐出された高温高圧の作動媒体(蒸気)は、切替弁16を経由して熱交換器14に供給される。熱交換器14に供給された作動媒体は、熱交換器14の周囲の空気に対して放熱を行い、凝縮する。このとき、熱交換器14の近傍に送風機17を設けることで、熱交換器14の表面を流れる気流を増加させることができ熱交換器14における熱交換(放熱)を促進させることができる。凝縮して液状となった作動媒体は、熱交換器14から膨張弁13に供給され、膨張弁13で減圧される。
膨張弁13で減圧された作動媒体は熱交換器12に供給され、熱交換器12において膨張して低温低圧となり、熱交換器12の表面温度を下げる。表面温度の下がった熱交換器12は周囲の空気から吸熱する。このとき、熱交換器12の近傍に送風機21を設けることで、熱交換器12の表面を流れる気流を増加させることができ熱交換器12における熱交換(吸熱)を促進させることができる。熱交換器12における吸熱後、低温の気体状の作動媒体は、切替弁16およびアキュームレータ15を経て圧縮機11に戻る。アキュームレータ15に入る作動媒体の一部は液化しており、液化している一部の作動媒体がアキュームレータ15に貯蔵される。
<本発明の概要>
次に、本発明の概要について説明する。
本発明にかかる熱交換ユニットは、冷凍サイクルを循環する1,1,2−トリフルオロエチレンを含む作動媒体を圧縮する圧縮機と、冷凍サイクルに設けられた熱交換器と、圧縮機内で発生した熱を作動媒体を用いずに放熱する放熱手段と、を備える。本発明にかかる熱交換ユニットは圧縮機内で発生した熱を放熱する放熱手段を備えるので、圧縮機の冷却を促進させることができる。よって、HFO−1123の不均化反応の発生を抑制することができる。
以下で説明する実施の形態1〜3では、送風機21(図3A参照)を用いて放熱手段を構成している。つまり、送風機21から送られる気流を用いて圧縮機の熱を放熱している。
また、以下で説明する実施の形態4では、ヒートシンク51(図8参照)を用いて放熱手段を構成している。つまり、圧縮機11にヒートシンク51を設けることで、圧縮機内で発生した熱を放熱している。
また、以下で説明する実施の形態5では、ドレン水供給ユニット(図9に示すドレン水貯蔵部62等を参照)を用いて放熱手段を構成している。つまり、冷凍サイクルで発生したドレン水をドレン水供給ユニットを用いて圧縮機の表面に供給することで圧縮機の熱を放熱している。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
<実施の形態1>
まず、本発明の実施の形態1について説明する。図3A〜図3Cはそれぞれ、本実施の形態にかかる熱交換ユニットの一例を示す上面図、正面図、及び側面図である。図3A〜図3Cに示すように、熱交換ユニット1は、鋼板等で形成された筐体10の内部に、圧縮機11、熱交換器12、アキュムレータ15、及び送風機21が収容されている。なお、図3A〜図3Cに示す熱交換ユニット1は一例であり、熱交換ユニット1には図1、図2に示した膨張弁13や切替弁16が含まれていてもよい。また、図3A〜図3Cでは、熱交換ユニット1の内部の状態を示すために、筐体10の一部を取り除いた状態を示している。
図3Aに示すように、熱交換器12は、平面視した際の形状がL字状であり、筐体10の背面10_1及び側面10_2に沿うように配置されている。図3Bに示すように、送風機21は、固定部材22を用いて筐体10の上面10_5及び下面10_6に固定されている。図3Aに示すように、送風機21は、モータ23を用いて駆動される。筐体10の背面10_1および正面10_3には通気口が形成されており、送風機21が回転することで図3Aの矢印(破線)に示す方向に風が流れる。これにより、熱交換器12の表面を流れる気流を増加させることができ、熱交換器12における熱交換を促進させることができる。
また、図3Aに示すように、熱交換器12および送風機21は、筐体10の背面10_1、側面10_2、正面10_3、及び仕切り板25で囲まれた空間31に配置されている。また、圧縮機11およびアキュムレータ15は、筐体10の背面10_1、側面10_4、正面10_3、及び仕切り板25で囲まれた空間32に配置されている。なお、本明細書では、圧縮機11の出口側の配管18およびアキュムレータ15の入り口側の配管の図示を省略しているが、これらの配管は図1、図2に示した切替弁16と接続されている。
本実施の形態にかかる熱交換ユニット1では、図3Cに示すように、仕切り板25の圧縮機11と対応する位置に通気口27を形成している。換言すると、通気口27は、熱交換ユニット1を側面視した際に、圧縮機11と仕切り板25とが重畳する位置に形成されている。なお、図3A、図3Bでは、通気口27が形成されている位置を破線で示している。また、図3Cでは、通気口27の位置を明示するために、圧縮機11およびアキュムレータ15を破線で示している。このように、仕切り板25に通気口27を形成することで、圧縮機11の周囲を流れる気流を増加させることができ、圧縮機11の冷却を促進させることができる。具体的には、送風機21が配置されている空間31(図3A参照)から圧縮機11が配置されている空間32に風を流すことができ、圧縮機11の冷却を促進させることができる。
なお、図3Cでは、仕切り板25に複数の通気口27を形成した例を示したが、本実施の形態にかかる熱交換ユニット1では通気口の形状はこの形状に限定されることはない。例えば、図4に示すように、仕切り板25に圧縮機11と対応する大きさの通気口28を形成してもよい。この場合も、通気口28は、仕切り板25の圧縮機11と対応する位置、つまり、熱交換ユニット1を側面視した際に、圧縮機11と仕切り板25とが重畳する位置に形成する。
上記で説明したように、HFO−1123は、高温高圧の状態でエネルギーが投入されると、不均化反応(自己分解反応)と呼ばれる発熱を伴う化学反応が連鎖的に起こる場合があった。このため、作動媒体にHFO−1123を含む作動媒体を用いた冷凍サイクル装置では、このような不均化反応の発生を抑制する必要があった。特にこのような不均化反応は、作動媒体が高温高圧となる圧縮機11において発生しやすい。
そこで本実施の形態にかかる熱交換ユニット1では、図3Cに示すように、仕切り板25の圧縮機11と対応する位置に通気口27を形成している。このように、仕切り板25に通気口27を形成することで、圧縮機11の周囲を流れる気流を増加させることができ、圧縮機11の冷却を促進させることができる。よって、HFO−1123の不均化反応の発生を抑制することができる。
<実施の形態2>
次に、本発明の実施の形態2について説明する。
図5は、実施の形態2にかかる熱交換ユニット2の一例を示す上面図である。なお、図5において、実施の形態1と同一の構成要素には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
図5に示すように、本実施の形態にかかる熱交換ユニット2は、送風機21から送られる気流の一部の向きを圧縮機11側へと変える風向板35を備える。風向板35は、例えば鋼材や樹脂材料を用いて形成することができる。風向板35は、圧縮機11と対応する高さとしてもよく、この場合は筐体10の下面10_6(図3B参照)に固定する。また、風向板35は、筐体10の上下面に伸びるように形成してもよく、この場合、風向板35は筐体10の上面10_5および下面10_6(図3参照)に固定することができる。
また、風向板35は、筐体10の上下方向に伸びる軸を中心軸として回動可能に構成してもよい。これにより、風向板35で反射される気流の方向を調整することができ、より確実に風向きを圧縮機11側にすることができる。
本実施の形態にかかる熱交換ユニット2では風向板35を設けているので、圧縮機11の周囲を流れる気流を増加させることができる。よって、実施の形態1にかかる熱交換ユニット1よりも圧縮機11の冷却を促進することができ、HFO−1123の不均化反応の発生をより効果的に抑制することができる。
<実施の形態3>
次に、本発明の実施の形態3について説明する。
図6は、実施の形態3にかかる熱交換ユニット3の一例を示す正面図である。図7A、図7Bはそれぞれ、実施の形態3にかかる熱交換ユニット3の動作を説明するための上面図である。図6、図7A、Bに示すように、本実施の形態にかかる熱交換ユニット3では、送風機21の風向きを圧縮機11側へと切り替える風向切替部41を備えている点が実施の形態1にかかる熱交換ユニット1と異なる。これ以外の構成は、実施の形態1で説明した熱交換ユニット1の構成と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
図6、図7A、Bに示すように、本実施の形態にかかる熱交換ユニット3は、風向切替部41、検出部42、判定部43、及び制御部44を備える。風向切替部41は、送風機21の風向きを圧縮機11側へと切り替え可能に構成されている。具体的には、図7A、図7Bに示すように、風向切替部41は、熱交換ユニット3の上下方向に伸びる回動軸48を中心に送風機21の方向を切り替える。ここで、図7Aは、送風機21の風向きが通常の状態を示し、図7Bは送風機21の方向が圧縮機11側を向いている状態を示している。
検出部42は、圧縮機11から排出される作動媒体の温度、具体的には圧縮機11の出口側の配管18内の温度を検出する。判定部43は、検出部42で検出された作動媒体の温度が所定の温度よりも高いか否かを判定する。制御部44は、判定部43の判定結果に応じて風向切替部41を制御する。具体的には、制御部44は、作動媒体の温度が所定の温度よりも高い場合、図7Bに示すように、送風機21の風向きが圧縮機11側となるように風向切替部41を制御する。
ここで、判定部43における判定の基準となる所定の温度は、作動媒体であるHFO−1123が不均化反応を起こす温度よりも低い温度に設定する。つまり、作動媒体は高温になると不均化反応を起こしやすくなるので、作動媒体が不均化反応を起こす前に、送風機21の風向きを圧縮機11側として圧縮機11の冷却を促進させる。これにより、圧縮機11において不均化反応が起きることを抑制することができる。例えば、所定の温度として低めの温度を設定することで、不均化反応をより確実に抑制することができる。
<実施の形態4>
次に、本発明の実施の形態4について説明する。
図8は、実施の形態4にかかる熱交換ユニット4の一例を示す上面図である。なお、図8において、実施の形態1と同一の構成要素には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
図8に示すように、本実施の形態にかかる熱交換ユニット4では、圧縮機11に、圧縮機11内で発生した熱を放熱するためのヒートシンク51を設けている。図8では、ヒートシンク51を圧縮機11の周囲の一部に設けた場合を示しているが、ヒートシンク51は圧縮機11の周囲全体に設けてもよい。図8に示す例では、圧縮機11の周囲のうち、仕切り板25の通気口27が形成されている側にヒートシンク51を形成している場合を示している。このように、ヒートシンク51を仕切り板25の通気口27が形成されてる側に形成することで、効果的に圧縮機11を冷却することができる。ヒートシンク51を構成する材料には、金属材料などの熱伝導率の高い材料を用いることができる。
本実施の形態にかかる熱交換ユニット4ではヒートシンク51を設けているので、圧縮機11の冷却を促進することができ、HFO−1123の不均化反応の発生をより効果的に抑制することができる。
なお、本実施の形態は、実施の形態2と組み合わせてもよい。つまり、図8に示す熱交換ユニット4に、図5に示した風向板35を設けてもよい。このような構成により、圧縮機11をより効果的に冷却することができる。また、本実施の形態は、実施の形態3と組み合わせてもよい。つまり、図8に示す熱交換ユニット4に、図6、図7A、Bに示した風向切替部41、検出部42、判定部43、及び制御部44を設けてもよい。このような構成により、圧縮機11をより効果的に冷却することができる。
また、本実施の形態にかかる発明は他の実施の形態と組み合わせることなく、単独で用いてもよい。すなわち、図8において、仕切り板25に通気口27を設けない構成としてもよい。この場合は、仕切り板25に通気口を設けることなく、圧縮機11の熱をヒートシンク51を介して放熱することができる。
<実施の形態5>
次に、本発明の実施の形態5について説明する。
図9は、実施の形態5にかかる熱交換ユニット5の一例を示す側面図である。本実施の形態にかかる熱交換ユニット5では、冷凍サイクルで発生するドレン水を用いて圧縮機11を冷却している点が実施の形態1にかかる熱交換ユニット1と異なる。これ以外の構成は、実施の形態1で説明した熱交換ユニット1の構成と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
図9に示すように、本実施の形態にかかる熱交換ユニット5は、配管61、ドレン水貯蔵部62、配管63、及び電磁弁64を備える。これらはドレン水供給ユニットを構成している。
ドレン水貯蔵部62は、冷凍サイクルで発生するドレン水を貯蔵する。例えば、ドレン水は、図1に示した冷凍サイクル装置100の熱交換器14で発生する。冷凍サイクルで発生したドレン水は、配管61を介してドレン水貯蔵部62に供給される。ドレン水貯蔵部62に貯蔵されているドレン水は、配管63を介して圧縮機11の表面に供給される。ドレン水貯蔵部62から圧縮機11の表面へのドレン水の供給は、電磁弁64を用いて切り替えることができる。このようにドレン水を圧縮機11の表面に供給することで、圧縮機11を冷却することができる。
図9に示すように、本実施の形態にかかる熱交換ユニット5は、ドレン水供給ユニットとして、検出部66、判定部67、及び制御部68を更に備える。検出部66は、圧縮機11から排出される作動媒体の温度、具体的には圧縮機11の出口側の配管18内の温度を検出する。判定部67は、検出部66で検出された作動媒体の温度が所定の温度よりも高いか否かを判定する。制御部68は、判定部67の判定結果に応じて電磁弁64を制御する。具体的には、制御部68は、作動媒体の温度が所定の温度よりも高い場合、電磁弁64を開状態にしてドレン水貯蔵部62から圧縮機11の表面にドレン水を供給して圧縮機11を冷却する。
ここで、判定部67における判定の基準となる所定の温度は、作動媒体であるHFO−1123が不均化反応を起こす温度よりも低い温度に設定する。つまり、作動媒体は高温になると不均化反応を起こしやすくなるので、作動媒体が不均化反応を起こす前に、電磁弁64を開状態にして圧縮機11の表面にドレン水を供給して圧縮機11を冷却する。これにより、圧縮機11において不均化反応が起きることを抑制することができる。例えば、所定の温度として低めの温度を設定することで、不均化反応をより確実に抑制することができる。
また、圧縮機11の表面にドレン水を供給する配管63の形状は、圧縮機11の表面にドレン水が均一に供給される形状とすることが好ましい。例えば、配管63の先端にシャワーヘッドを取り付けることで、圧縮機11の表面にドレン水を均一に供給することができる。また、圧縮機11の表面のうち、仕切り板25の通気口27が形成されてる側(図3A参照)にドレン水が優先的に供給されるようにしてもよい。このように、圧縮機11に風が当たる箇所にドレン水を優先的に供給することで、ドレン水の蒸発が促進され、圧縮機11の冷却を促進させることができる。
なお、本実施の形態は、実施の形態2と組み合わせてもよい。つまり、図9に示す熱交換ユニット5に、図5に示した風向板35を設けてもよい。このような構成により、圧縮機11をより効果的に冷却することができる。また、本実施の形態は、実施の形態3と組み合わせてもよい。つまり、図9に示す熱交換ユニット5に、図6、図7A、Bに示した風向切替部41、検出部42、判定部43、及び制御部44を設けてもよい。このような構成により、圧縮機11をより効果的に冷却することができる。なお、この場合は、検出部42、66、判定部43、67、及び制御部44、68を共用することができる。また、本実施の形態は、実施の形態4と組み合わせてもよい。つまり、図9に示す圧縮機11に、図8に示したヒートシンク51を設けてもよい。このような構成により、圧縮機11をより効果的に冷却することができる。
また、本実施の形態にかかる発明は他の実施の形態と組み合わせることなく、単独で用いてもよい。すなわち、図9において、仕切り板25に通気口を設けない構成としてもよい。この場合は、仕切り板25に通気口を設けることなく、圧縮機11の熱をドレン水を用いて放熱することができる。
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。本出願は2016年2月22日出願の日本特許出願(特願2016−030562)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
1、2、3、4、5 熱交換ユニット
10 筐体
11 圧縮機
12 熱交換器
13 膨張弁
14 熱交換器
15 アキュムレータ
16 切替弁
17、21 送風機
22 固定部材
23 モータ
25 仕切り板
27、28 通気口
35 風向板
41 風向切替部
42、66 検出部
43、67 判定部
44、68 制御部
51 ヒートシンク
62 ドレン水貯蔵部
64 電磁弁

Claims (9)

  1. 冷凍サイクルを循環する1,1,2−トリフルオロエチレンを含む作動媒体を圧縮する圧縮機と、
    前記冷凍サイクルに設けられた熱交換器と、
    前記圧縮機内で発生した熱を前記作動媒体を用いずに放熱する放熱手段と、を備える、熱交換ユニット。
  2. 前記熱交換器の表面を流れる気流を増加させて前記熱交換器における熱交換を促進させる送風機と、
    前記送風機が配置されている空間と前記圧縮機が配置されている空間とを仕切る仕切り板と、を更に備え、
    前記仕切り板には前記仕切り板の前記圧縮機と対応する位置に通気口が形成されており、
    前記放熱手段は前記送風機で構成されており、前記送風機から送られる気流を用いて前記圧縮機の熱を放熱する、
    請求項1に記載の熱交換ユニット。
  3. 前記熱交換ユニットは、前記送風機から送られる気流の一部の向きを前記圧縮機側へと変える風向板を備える、請求項2に記載の熱交換ユニット。
  4. 前記風向板は、前記圧縮機側へ向けて回動可能に構成されている、請求項3に記載の熱交換ユニット。
  5. 前記送風機は、前記送風機の風向きを前記圧縮機側へと切り替える風向切替部を備える、請求項2に記載の熱交換ユニット。
  6. 前記圧縮機から排出される前記作動媒体の温度を検出する検出部と、
    前記作動媒体の温度が所定の温度よりも高いか否かを判定する判定部と、
    前記判定部の判定結果に応じて前記風向切替部を制御する第1の制御部と、を備え、
    前記第1の制御部は、前記作動媒体の温度が前記所定の温度よりも高い場合、前記送風機の風向きが前記圧縮機側となるように前記風向切替部を制御する、請求項5に記載の熱交換ユニット。
  7. 前記圧縮機には、前記放熱手段として、前記圧縮機内で発生した熱を放熱するためのヒートシンクが設けられている、請求項1〜6のうちいずれか一項に記載の熱交換ユニット。
  8. 前記熱交換ユニットは、前記放熱手段として、前記冷凍サイクルで発生したドレン水を前記圧縮機の表面に供給して前記圧縮機を冷却するドレン水供給ユニットを更に備える、請求項1〜7のうちいずれか一項に記載の熱交換ユニット。
  9. 前記ドレン水供給ユニットは、
    前記冷凍サイクルで発生したドレン水を貯蔵するドレン水貯蔵部と、
    前記圧縮機から排出される前記作動媒体の温度を検出する検出部と、
    前記作動媒体の温度が所定の温度よりも高いか否かを判定する判定部と、
    前記ドレン水貯蔵部から前記圧縮機の表面への前記ドレン水の供給を切り替える電磁弁と、
    前記判定部の判定結果に応じて前記電磁弁を制御する第2の制御部と、を備え、
    前記第2の制御部は、前記作動媒体の温度が前記所定の温度よりも高い場合、前記電磁弁を開状態にして前記ドレン水貯蔵部から前記圧縮機の表面に前記ドレン水を供給する、請求項8に記載の熱交換ユニット。
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