JPWO2020003494A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

本発明に係る冷凍サイクル装置（１００）においては、非共沸混合冷媒が使用される。冷凍サイクル装置（１００）は、圧縮機（１）と、第１熱交換器（６）と、第１膨張弁（４Ａ）と、第２熱交換器（３）とを備える。非共沸混合冷媒は、圧縮機（１）、第１熱交換器（６）、第１膨張弁（４Ａ）、および第２熱交換器（３）の第１循環方向に循環する。非共沸混合冷媒は、Ｒ３２と、ＣＦ３Ｉと、Ｒ１１２３とを含む。冷凍サイクル装置（１００）に封止された状態の非共沸混合冷媒におけるＲ３２の第１重量比率は、４３ｗｔ％以下である。冷凍サイクル装置（１００）に封止された状態の非共沸混合冷媒におけるＣＦ３Ｉの第２重量比率は、第１重量比率以下である。冷凍サイクル装置（１００）に封止された状態の非共沸混合冷媒におけるＲ１１２３の第３重量比率は、１４ｗｔ％以上である。

Description

本発明は、非共沸混合冷媒が使用される冷凍サイクル装置に関する。

従来、非共沸混合冷媒が使用される冷凍サイクル装置が知られている。たとえば、国際公開第２０１５／１４０８８４号（特許文献１）には、不均化反応（自己分解反応）が生じる特性を有する第１冷媒と、同一圧力下において第１冷媒よりも沸点の高い第２冷媒とを含む非共沸混合冷媒が使用される冷凍サイクル装置が開示されている。当該冷凍サイクル装置においては、圧縮機が起動した後の初期状態において、気液分離器内の液冷媒量に基づいて圧縮機から吐出される冷媒の温度、または圧力を通常運転に比べて抑制することにより、第１冷媒の不均化反応を防止することができるため、冷凍サイクル装置の性能を高めることができる。

国際公開第２０１５／１４０８８４号

単一成分の冷媒に地球温暖化係数（ＧＷＰ：Global Warming Potential）のより低い他の冷媒が混ぜられた非共沸混合冷媒が、地球温暖化防止の観点から冷凍サイクル装置に使用されることがある。非共沸混合冷媒においては、同じ圧力において飽和液の温度と飽和蒸気の温度との間に温度勾配が生じる場合がある。当該温度勾配が大きくなると、蒸発器として機能する熱交換器に流入する非共沸混合冷媒の温度が低下し、着霜が発生し易くなる。その結果、冷凍サイクル装置の性能が低下し得る。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、非共沸混合冷媒のＧＷＰを低減しながら、当該非共沸混合冷媒が使用される冷凍サイクル装置の性能低下を抑制することである。

本発明に係る冷凍サイクル装置においては、非共沸混合冷媒が使用される。冷凍サイクル装置は、圧縮機と、第１熱交換器と、第１膨張弁と、第２熱交換器とを備える。非共沸混合冷媒は、圧縮機、第１熱交換器、第１膨張弁、および第２熱交換器の第１循環方向に循環する。非共沸混合冷媒は、Ｒ３２と、ＣＦ３Ｉと、Ｒ１１２３とを含む。冷凍サイクル装置に封止された状態の非共沸混合冷媒におけるＲ３２の第１重量比率は、４３ｗｔ％以下である。冷凍サイクル装置に封止された状態の非共沸混合冷媒におけるＣＦ３Ｉの第２重量比率は、第１重量比率以下である。冷凍サイクル装置に封止された状態の非共沸混合冷媒におけるＲ１１２３の第３重量比率は、１４ｗｔ％以上である。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、冷凍サイクル装置に封止された状態の非共沸混合冷媒におけるＲ３２の第１重量比率が４３ｗｔ％以下であり、ＣＦ３Ｉの第２重量比率が第１重量比率以下であり、Ｒ１１２３の第３重量比率が１４ｗｔ％以上であることにより、非共沸混合冷媒のＧＷＰを低減しながら、当該非共沸混合冷媒が使用される冷凍サイクル装置の性能低下を抑制することができる。

実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成を示す機能ブロック図である。 一般的な非共沸混合冷媒のエンタルピ、圧力、および温度の関係を示すＰ−ｈ線図である。 ＣＦ３Ｉの重量比率に対するＲ３２の重量比率の割合と、温度勾配との関係を示す図である。 図１の制御装置によって行なわれる吐出温度を低下させる処理を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１の変形例１に係る冷凍サイクル装置の構成を示す機能ブロック図である。 実施の形態１の変形例２に係る冷凍サイクル装置の構成を示す機能ブロック図である。 非共沸混合冷媒におけるＲ３２の重量比率を４３ｗｔ％として、Ｒ１１２３の重量比率を１４ｗｔ％以上５７ｗｔ％より小さい範囲で変化させた場合のシミュレーション結果である。 非共沸混合冷媒におけるＲ３２の重量比率を３０ｗｔ％として、Ｒ１１２３の重量比率を４０ｗｔ％以上７０ｗｔ％より小さい範囲で変化させた場合のシミュレーション結果である。 実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の構成、および冷房運転における冷媒の流れを併せて示す機能ブロック図である。 冷房運転における非共沸混合冷媒の状態の変化を示すＰ−ｈ線図である。 実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の構成、および暖房運転における冷媒の流れを併せて示す機能ブロック図である。 暖房運転における非共沸混合冷媒の状態の変化を示すＰ−ｈ線図である。 図９および図１１の制御装置によって行なわれる第３膨張弁の制御を説明するためのフローチャートの一例である。 図９および図１１の制御装置によって行なわれる第３膨張弁の制御を説明するためのフローチャートの他の例である。 実施の形態２の変形例１に係る冷凍サイクル装置の構成を示す機能ブロック図である。 実施の形態２の変形例２に係る冷凍サイクル装置の構成を示す機能ブロック図である。 冷房運転における非共沸混合冷媒の状態の変化を示すＰ−ｈ線図である。 暖房運転における非共沸混合冷媒の状態の変化を示すＰ−ｈ線図である。 図１６の制御装置によって行なわれる第３膨張弁の制御を説明するためのフローチャートである。 実施の形態２の変形例３に係る冷凍サイクル装置の構成を示す機能ブロック図である。 実施の形態２の変形例４に係る冷凍サイクル装置の構成を示す機能ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則として繰り返さない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の構成を示す機能ブロック図である。冷凍サイクル装置１００としては、たとえばＰＡＣ（Package Air Conditioner）を挙げることができる。図１に示されるように、冷凍サイクル装置１００は、室外機１１０と、室内機１２０とを備える。室外機１１０は、圧縮機１と、四方弁２（流路切替弁）と、膨張弁４Ａ（第１膨張弁）と、膨張弁４Ｂ（第２膨張弁）と、レシーバ５（冷媒容器）と、熱交換器６（第１熱交換器）と、室外ファン１１と、制御装置１０と、温度センサ１３とを含む。室内機１２０は、熱交換器３（第２熱交換器）と、室内ファン１２とを含む。

冷凍サイクル装置１００には、Ｒ３２、ＣＦ３Ｉ、およびＲ１１２３が混合されることによってＧＷＰが低減された非共沸混合冷媒が使用される。冷凍サイクル装置１００に封止された状態の非共沸混合冷媒におけるＲ３２の重量比率は、４３ｗｔ％以下である。冷凍サイクル装置１００に封止された状態の非共沸混合冷媒におけるＣＦ３Ｉの重量比率は、Ｒ３２の重量比率以下である。冷凍サイクル装置１００に封止された状態の非共沸混合冷媒におけるＲ１１２３の重量比率は、１４ｗｔ％以上である。冷凍サイクル装置１００の出荷台数の増加に伴い、非共沸混合冷媒の使用量が増加した場合でも、冷媒に関する規制（たとえばモントリオール議定書、あるいはＦ−ｇａｓ規制）が満たされるように、Ｒ３２の重量比率を３０ｗｔ％以下として、ＧＷＰをより低減することが望ましい。

Ｒ３２、ＣＦ３Ｉ、およびＲ１１２３の沸点は、それぞれ−５２℃、−２２．５℃、および−５６℃である。Ｒ１１２３は、非共沸混合冷媒の動作圧力を上昇させる。Ｒ１１２３を非共沸混合冷媒に含ませることにより、所望の動作圧力を確保するために必要な圧縮機１の容積（ストロークボリューム）を小さくすることができるため、圧縮機１を小型化することができる。なお、ＧＷＰの低減が妨げられない範囲で、非共沸混合冷媒は、Ｒ３２、ＣＦ３Ｉ、およびＲ１１２３以外の冷媒（たとえば、Ｒ１２３４ｙｆ、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｅ）、Ｒ２９０、あるいはＣＯ２）を含んでもよい。

制御装置１０は、圧縮機１の駆動周波数を制御することにより、不図示の温度センサによって取得する室内機１２０内の温度が所望の温度（たとえばユーザによって設定された温度）となるように圧縮機１が単位時間あたりに吐出する冷媒量を制御する。制御装置１０は、非共沸混合冷媒の過熱度または過冷却度が所望の範囲の値となるように膨張弁４Ａ，４Ｂの開度を制御する。制御装置１０は、室外ファン１１および室内ファン１２の単位時間当たりの送風量を制御する。制御装置１０は、温度センサ１３から圧縮機１から吐出される非共沸混合冷媒の吐出温度Ｔｄ（第１温度）を取得する。制御装置１０は、四方弁２を制御して、非共沸混合冷媒の循環方向を切り替える。

制御装置１０は、四方弁２を制御して、冷房運転において圧縮機１の吐出口と熱交換器６とを連通させるとともに、熱交換器３と圧縮機１の吸入口とを連通させる。冷房運転において非共沸混合冷媒は、圧縮機１、四方弁２、熱交換器６、膨張弁４Ａ、レシーバ５、膨張弁４Ｂ、熱交換器３、四方弁２、およびレシーバ５の順に循環する。膨張弁４Ａからレシーバ５に流入した非共沸混合冷媒の一部は、液体の非共沸混合冷媒と気体の非共沸混合冷媒とに分離し、レシーバ５に貯留される。

制御装置１０は、四方弁２を制御して、暖房運転において圧縮機１の吐出口と熱交換器３とを連通させるとともに、熱交換器６と圧縮機１の吸入口とを連通させる。暖房運転において非共沸混合冷媒は、圧縮機１、四方弁２、熱交換器３、膨張弁４Ｂ、レシーバ５、膨張弁４Ａ、熱交換器６、四方弁２、およびレシーバ５の順に循環する。膨張弁４Ｂからレシーバ５に流入した非共沸混合冷媒の一部は、液体の非共沸混合冷媒と気体の非共沸混合冷媒とに分離し、レシーバ５に貯留される。

図２は、一般的な非共沸混合冷媒のエンタルピ、圧力、および温度の関係を示すＰ−ｈ線図である。図２において、曲線ＬＣ，ＧＣは、それぞれ飽和液線、および飽和蒸気線を表す。飽和液線および飽和蒸気線は、臨界点ＣＰにおいて接続されている。飽和液線ＬＣ上の点ＬＰ，ＧＰは、圧力Ｐ１における飽和液線上の点および飽和蒸気線上の点をそれぞれ表している。図２には、温度Ｔ１，Ｔ２（＜Ｔ１）の等温線が示されている。

図２に示されるように、点ＧＰとＬＰとの間には、Ｔ１−Ｔ２の温度勾配が生じている。非共沸混合冷媒は、同じ圧力下の気液二相状態（飽和液線ＬＣと飽和蒸気線ＧＣとの間の領域）において、エンタルピが減少するほど温度が低下する特性を有する場合がある。温度勾配が大きくなる程、暖房運転において蒸発器として機能する熱交換器６に流入する非共沸混合冷媒の温度が低下し、熱交換器６に着霜が発生し易くなる。その結果、冷凍サイクル装置１００の性能が低下し得る。

そこで、冷凍サイクル装置１００においては、冷凍サイクル装置１００に封止された状態の非共沸混合冷媒におけるＣＦ３Ｉの重量比率をＲ３２の重量比率以下とすることにより、温度勾配を抑制する。

図３は、ＣＦ３Ｉの重量比率に対するＲ３２の重量比率の割合と、温度勾配との関係を示す図である。図３に示されるように、ＣＦ３Ｉの重量比率をＲ３２の重量比率以下（ＣＦ３Ｉの重量比率に対するＲ３２の重量比率の割合が１．０以上）とすることにより、温度勾配を抑制することができる。

冷凍サイクル装置１００に使用される非共沸混合冷媒に含まれるＣＦ３Ｉは、高温（たとえば１００℃程度）の環境下においてフッ化、あるいはヨウ化することが知られている。ＣＦ３Ｉがフッ化、またはヨウ化すると、配管の金属腐食により冷凍サイクル装置１００内に不純物（スラッジ）が生じ、冷凍サイクル装置１００が故障する可能性が高まる。そこで、冷凍サイクル装置１００においては、ＣＦ３Ｉのフッ化およびヨウ化を防止するため、圧縮機１から吐出される非共沸混合冷媒の吐出温度Ｔｄが基準温度（たとえば１００℃）以上である場合に、吐出温度Ｔｄを低下させる制御を行なう。その結果、冷凍サイクル装置１００の安全性を向上させることができる。

図４は、図１の制御装置１０によって行なわれる吐出温度Ｔｄを低下させる処理を説明するためのフローチャートである。図４に示される処理は、冷凍サイクル装置１００の統合的な制御を行なう不図示のメインルーチンによって一定時間間隔毎に呼び出される。なお、以下ではステップを単にＳと記載する。

図４に示されるように、制御装置１０は、Ｓ１０１において、吐出温度Ｔｄが基準温度τ１よりも小さいか否かを判定する。吐出温度Ｔｄが基準温度τ１よりも小さい場合（Ｓ１０１においてＹＥＳ）、制御装置１０は、メインルーチンに処理を返す。吐出温度Ｔｄが基準温度τ１以上である場合（Ｓ１０１においてＮＯ）、制御装置１０は、処理をＳ１０２に進める。

制御装置１０は、Ｓ１０２において圧縮機１の駆動周波数を低下させて、処理をＳ１０３に進める。制御装置１０は、Ｓ１０３において凝縮器として機能している熱交換器への送風量を増加させて、処理をＳ１０４に進める。冷房運転において制御装置１０は、Ｓ１０３において、室外ファン１１の単位時間当たりの送風量を増加させる。暖房運転において制御装置１０は、Ｓ１０３において室内ファン１２の送風量を増加させる。制御装置１０は、Ｓ１０４において膨張弁４Ａ，４Ｂの開度を増加させて処理をメインルーチンに返す。

なお、Ｓ１０２〜Ｓ１０４のうち少なくとも１つが行なわれればよく、Ｓ１０２〜Ｓ１０４の全てが行なわれる必要はない。また、Ｓ１０２〜Ｓ１０４は、図４に示される順番で行なわれなくてもよい。

実施の形態１においては、非共沸混合冷媒を貯留する冷媒容器を備える冷凍サイクル装置について説明した。実施の形態１に係る冷凍サイクル装置は、たとえば図５に示される実施の形態１の変形例１に係る冷凍サイクル装置１００Ａのように、冷媒容器を備えていなくてもよい。冷凍サイクル装置１００Ａの構成は、図１の冷凍サイクル装置１００からレシーバ５が除かれているとともに、膨張弁４Ａ，４Ｂが膨張弁４（第１膨張弁）に置き換えられた構成である。冷凍サイクル装置１００Ａとしては、たとえばＲＡＣ（Ｒｏｏｍ Air Conditioner）を挙げることができる。

実施の形態１および変形例１においては、流路切替弁によって冷媒の循環方向が切り替えられる場合について説明した。実施の形態１に係る冷凍サイクル装置は、たとえば図６に示される実施の形態１の変形例２に係る冷凍サイクル装置１００Ｂのように、流路切替弁を備えていなくてもよい。冷凍サイクル装置１００Ｂとしては、たとえば冷蔵庫、あるいはショーケースを挙げることができる。

実施の形態１および変形例１においては、１台の室外機および１台の室内機を含む冷凍サイクル装置について説明した。実施の形態に係る冷凍サイクル装置は、複数の室外機を備えていてもよいし、複数の室内機を備えていてもよい。

以上、実施の形態１および変形例１，２に係る冷凍サイクル装置によれば、非共沸混合冷媒のＧＷＰを低減しながら、当該非共沸混合冷媒が使用される冷凍サイクル装置の性能低下を抑制することができる。また、実施の形態１および変形例１，２に係る冷凍サイクル装置によれば、冷凍サイクル装置１００の安全性を向上させることができる。

実施の形態２．
実施の形態１においては、Ｒ３２、ＣＦ３Ｉ、およびＲ１１２３を含む非共沸混合冷媒が使用される冷凍サイクル装置について説明した。Ｒ３２、ＣＦ３Ｉ、およびＲ１１２３の中で最も沸点が低いＲ１１２３は、気化し易いため、冷凍サイクル装置の運転が継続するにつれて、冷媒容器に含まれるＲ１１２３の重量比率が増加する。その結果、冷凍サイクル装置を循環する非共沸混合冷媒（循環冷媒）におけるＲ１１２３の重量比率が低下する。

図７および図８の各々は、（ａ）非共沸混合冷媒におけるＲ１１２３の重量比率と温度勾配との関係のシミュレーション結果、および（ｂ）当該重量比率と圧力損失比との関係のシミュレーション結果を併せて示す図である。図７は、非共沸混合冷媒におけるＲ３２の重量比率を４３ｗｔ％として、Ｒ１１２３の重量比率を１４ｗｔ％以上５７ｗｔ％より小さい範囲で変化させた場合のシミュレーション結果である。図８は、非共沸混合冷媒におけるＲ３２の重量比率を３０ｗｔ％として、Ｒ１１２３の重量比率を４０ｗｔ％以上７０ｗｔ％より小さい範囲で変化させた場合のシミュレーション結果である。なお、圧力損失比とは、Ｒ１１２３の重量比率が最小である場合の圧力損失に対するＲ１１２３の重量比率が或る値である場合の圧力損失の割合である。

図７（ａ）および図８（ａ）に示されるように、Ｒ１１２３の重量比率が増加するほど、温度勾配は小さくなる。また、図７（ｂ）および図８（ｂ）に示されるように、Ｒ１１２３の重量比率が増加するほど、圧力損失比が低下する。

そこで、実施の形態２においては、温度勾配がしきい値を超えた場合に、冷媒容器内のＲ１１２３を循環冷媒に返すことにより、温度勾配の増加および圧力損失比の増加を抑制する。その結果、循環冷媒におけるＲ１１２３の重量比率の低下による冷凍サイクル装置の性能低下を抑制することができる。

図９は、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置２００の構成、および冷房運転における冷媒の流れを併せて示す機能ブロック図である。冷凍サイクル装置２００の構成は、図１の冷凍サイクル装置１００の室外機１１０が室外機２１０に置き換えられた構成である。室外機２１０の構成は、図１の室外機１１０の構成に膨張弁４Ｃ（第３膨張弁）、三方弁８（流路切替部）、内部熱交換器７（第３熱交換器）、および温度センサ９Ａ〜９Ｃが加えられているとともに、図１の制御装置１０が制御装置２０に置き換えられた構成である。これら以外は同様であるため、説明を繰り返さない。

図９に示されるように、内部熱交換器７は、レシーバ５と膨張弁４Ｃとの間に接続されているととともに、四方弁２とレシーバ５との間に接続されている。三方弁８は、膨張弁４Ｃと、熱交換器３および膨張弁４Ｂを接続する流路ＦＰ１（第１流路）との間に接続されている。また、三方弁８は、膨張弁４Ｃと、膨張弁４Ａおよび熱交換器６を接続する流路ＦＰ２（第２流路）との間に接続されている。冷凍サイクル装置２００の冷房運転は、膨張弁４Ｃが閉止された状態で開始される。なお、内部熱交換器７の接続位置は、四方弁２と圧縮機１の吸入口との間を流れる非共沸混合冷媒が通過する接続位置であれば、どのような接続位置でもよく、たとえば、レシーバ５と膨張弁４Ｃとの間に接続されているととともに、レシーバ５と圧縮機１の吸入口との間に接続されてもよい。

制御装置２０は、圧縮機１の駆動周波数を制御することにより、室内機１２０内の温度が所望の温度となるように圧縮機１が単位時間あたりに吐出する冷媒量を制御する。制御装置２０は、非共沸混合冷媒の過熱度または過冷却度が所望の範囲の値となるように膨張弁４Ａ，４Ｂの開度を制御する。制御装置２０は、室外ファン１１および室内ファン１２の単位時間当たりの送風量を制御する。

制御装置２０は、温度センサ１３から圧縮機１から吐出される非共沸混合冷媒の吐出温度Ｔｄ（第１温度）を取得する。制御装置２０は、温度センサ９Ａからレシーバ５内の気体の非共沸混合冷媒の温度Ｔ９１（第２温度）を取得する。制御装置２０は、温度センサ９Ｂからレシーバ５内の液体の非共沸混合冷媒の温度Ｔ９２（第３温度）を取得する。制御装置２０は、温度センサ９Ｃから内部熱交換器７と膨張弁４Ｃとの間を流れる非共沸混合冷媒の温度Ｔ９３（第４温度）を取得する。

なお、図９には、温度センサ９Ａおよび９Ｂがレシーバ５の側面に設置されている場合が示されているが、温度センサ９Ａおよび９Ｂが設置される位置は、レシーバ５の側面に限定されない。レシーバ５内の気体の非共沸混合冷媒の温度を測定することができる位置であれば、温度センサ９Ａはどのような位置に設置されていてもよく、たとえばレシーバ５の天井部あるいは上面に設置されてもよい。また、レシーバ５内の液体の非共沸混合冷媒の温度を測定することができる位置であれば、温度センサ９Ｂはどのような位置に設置されてもよく、たとえばレシーバ５の底部あるいは底面に設置されてもよい。

冷房運転において、制御装置２０は、四方弁２を制御して、冷房運転において圧縮機１の吐出口と熱交換器６とを連通させるとともに、熱交換器３と内部熱交換器７とを連通させる。制御装置２０は、三方弁８を制御して、膨張弁４Ｃを流路ＦＰ１に連通させる。

冷房運転において非共沸混合冷媒は、圧縮機１、四方弁２、熱交換器６、膨張弁４Ａ、レシーバ５、膨張弁４Ｂ、熱交換器３、四方弁２、内部熱交換器７、およびレシーバ５の順に循環する。膨張弁４Ａからレシーバ５に流入した非共沸混合冷媒の一部は、液体の非共沸混合冷媒と気体の非共沸混合冷媒とに分離し、レシーバ５に貯留される。膨張弁４Ｃが開放されている場合、レシーバ５内の気体の非共沸混合冷媒が流路ＦＰ１に導かれる。

ノードＮ１は、圧縮機１と四方弁２との間を流れる非共沸混合冷媒が通過するノードである。ノードＮ２は、熱交換器６と膨張弁４Ａとの間を流れる非共沸混合冷媒が通過するノードである。三方弁８と流路ＦＰ２は、ノードＮ２において三方弁８に連通している。ノードＮ３は、膨張弁４Ａとレシーバ５との間を流れる非共沸混合冷媒が通過するノードである。

ノードＮ４は、レシーバ５と膨張弁４Ｂとの間を流れる非共沸混合冷媒が通過するノードである。ノードＮ５は、膨張弁４Ｂと熱交換器３との間を流れる非共沸混合冷媒が通過するノードである。流路ＦＰ１は、ノードＮ５において三方弁８に連通している。ノードＮ６は、四方弁２と内部熱交換器７との間を流れる非共沸混合冷媒が通過するノードである。ノードＮ７は、内部熱交換器７とレシーバ５との間を流れる非共沸混合冷媒が通過するノードである。ノードＮ８は、レシーバ５と圧縮機１との間を流れる冷媒が通過するノードである。

ノードＮ９は、レシーバ５と内部熱交換器７との間を流れる非共沸混合冷媒が通過するノードである。ノードＮ１０は、内部熱交換器７と膨張弁４Ｃとの間を流れる非共沸混合冷媒が通過するノードである。ノードＮ１１は、三方弁８と流路ＦＰ１との間を流れる非共沸混合冷媒が通過するノードである。ノードＮ１２は、三方弁８と流路ＦＰ２との間を流れる非共沸混合冷媒が通過するノードである。

図１０は、冷房運転における非共沸混合冷媒の状態の変化を示すＰ−ｈ線図である。図１０に示されている各状態は、図９のノードＮ１〜Ｎ１１における非共沸混合冷媒の各状態に対応する。状態Ｃ１は、膨張弁４ＢとノードＮ５との間を流れる非共沸混合冷媒の状態を表す。

図９および図１０を併せて参照しながら、ノードＮ８の状態からノードＮ１の状態への過程は、圧縮機１による断熱圧縮過程を表す。ノードＮ１の状態の非共沸混合冷媒の温度が温度センサ１３によって吐出温度Ｔｄとして測定される。ノードＮ１の状態からノードＮ２の状態への過程は、熱交換器６による凝縮過程を表す。ノードＮ２の状態からノードＮ３の状態への過程は、膨張弁４Ａによる減圧過程を表す。ノードＮ４の状態は、レシーバ５から流出する飽和液の状態であり、図１０において飽和液線上に示されている。ノードＮ４の状態の非共沸混合冷媒の温度が温度センサ９Ｂによって温度Ｔ９２として測定される。ノードＮ４の状態から状態Ｃ１への過程は、膨張弁４Ｂによる減圧過程を表す。

ノードＮ９の状態は、レシーバ５から流出する飽和蒸気の状態であり、図１０において飽和蒸気線上に示されている。ノードＮ９の状態の非共沸混合冷媒の温度が温度センサ９Ａによって温度Ｔ９１（＞Ｔ９２）として測定される。ノードＮ９の状態からノードＮ１０の状態への過程は、内部熱交換器７による冷却過程を表す。ノードＮ１０の状態の非共沸混合冷媒の温度が温度センサ９Ｃによって温度Ｔ９３（＜Ｔ９２）として測定される。ノードＮ１０の状態からノードＮ１１の状態への過程は、膨張弁４Ｃによる減圧過程を表す。ノードＮ１１の状態のエンタルピは、状態Ｃ１のエンタルピよりも小さい。そのため、状態Ｃ１の非共沸混合冷媒にノードＮ１１の状態の非共沸混合冷媒が合流するノードＮ５の状態のエンタルピは、ノードＮ１１のエンタルピよりも大きく、状態Ｃ１のエンタルピよりも小さい。

ノードＮ５の状態からノードＮ６の状態の過程は、熱交換器３による蒸発過程を表す。ノードＮ６の状態からノードＮ７の状態への過程において、内部熱交換器７を通過する非共沸混合冷媒は、ノードＮ９の状態の非共沸混合冷媒から熱を吸収する。そのため、ノードＮ７の状態のエンタルピは、ノードＮ６の状態のエンタルピよりも大きい。

冷凍サイクル装置１００においては、冷房運転において蒸発器として機能する熱交換器３に流入する非共沸混合冷媒のエンタルピ（ノードＮ５の状態のエンタルピ）が、膨張弁４Ｂから流出する非共沸混合冷媒のエンタルピ（状態Ｃ１のエンタルピ）よりも内部熱交換器７によって減少される。また、圧縮機１に吸入される非共沸混合冷媒のエンタルピ（ノードＮ８の状態のエンタルピ）が、内部熱交換器７によって、熱交換器３から流出する非共沸混合冷媒のエンタルピ（ノードＮ６の状態のエンタルピ）よりも増加される。そのため、熱交換器３に流入する非共沸混合冷媒のエンタルピと、圧縮機１に吸入される非共沸混合冷媒のエンタルピとの差が増加する。その結果、冷凍サイクル装置１００の冷房運転の効率を向上させることができる。

図１１は、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置２００の構成、および暖房運転における冷媒の流れを併せて示す機能ブロック図である。冷凍サイクル装置２００の暖房運転も、膨張弁４Ｃが閉止された状態で開始される。暖房運転において、制御装置２０は、圧縮機１の吐出口と熱交換器３とを連通させるとともに、熱交換器６と内部熱交換器７とを連通させる。制御装置２０は、三方弁８を制御して、膨張弁４Ｃを流路ＦＰ２に連通させる。

暖房運転において非共沸混合冷媒は、圧縮機１、四方弁２、熱交換器３、膨張弁４Ｂ、レシーバ５、膨張弁４Ａ、熱交換器６、四方弁２、内部熱交換器７、およびレシーバ５の順に循環する。膨張弁４Ｂからレシーバ５に流入した非共沸混合冷媒の一部は、液体の非共沸混合冷媒と気体の非共沸混合冷媒とに分離し、レシーバ５に貯留される。

図１２は、暖房運転における非共沸混合冷媒の状態の変化を示すＰ−ｈ線図である。図１２に示されている各状態は、図１１のノードＮ１〜Ｎ１０，Ｎ１２における非共沸混合冷媒の各状態に対応する。状態Ｃ２は、膨張弁４ＡとノードＮ２との間を流れる非共沸混合冷媒の状態を表す。

図１１および図１２を併せて参照しながら、ノードＮ８の状態からノードＮ１の状態への過程は、圧縮機１による断熱圧縮過程を表す。ノードＮ１の状態の非共沸混合冷媒の温度が温度センサ１３によって吐出温度Ｔｄとして測定される。ノードＮ１の状態からノードＮ５の状態への過程は、熱交換器３による凝縮過程を表す。ノードＮ５の状態からノードＮ４の状態への過程は、膨張弁４Ｂによる減圧過程を表す。ノードＮ３の状態は、レシーバ５から流出する飽和液の状態であり、図１２において飽和液線上に示されている。ノードＮ３の状態の非共沸混合冷媒の温度が温度センサ９Ｂによって温度Ｔ９２として測定される。ノードＮ３の状態から状態Ｃ２への過程は、膨張弁４Ａによる減圧過程を表す。

ノードＮ９の状態は、レシーバ５から流出する飽和蒸気の状態であり、図１２において飽和蒸気線上に示されている。ノードＮ９の状態の非共沸混合冷媒の温度が温度センサ９Ａによって温度Ｔ９１（＞Ｔ９２）として測定される。ノードＮ９の状態からノードＮ１０の状態への過程は、内部熱交換器７による冷却過程を表す。ノードＮ１０の状態の非共沸混合冷媒の温度が温度センサ９Ｃによって温度Ｔ９３（＜Ｔ９２）として測定される。ノードＮ１０の状態からノードＮ１２への過程は、膨張弁４Ｃによる減圧過程を表す。ノードＮ１２の状態のエンタルピは、状態Ｃ２のエンタルピよりも小さい。そのため、状態Ｃ２の非共沸混合冷媒にノードＮ１２の状態の非共沸混合冷媒が合流するノードＮ２の状態のエンタルピは、ノードＮ１２のエンタルピよりも大きく、状態Ｃ２のエンタルピよりも小さい。

ノードＮ２の状態からノードＮ６の状態の過程は、熱交換器６による蒸発過程を表す。ノードＮ６の状態からノードＮ７の状態への過程において、非共沸混合冷媒は、内部熱交換器７においてノードＮ９の状態の非共沸混合冷媒から熱を吸収する。そのため、ノードＮ７の状態のエンタルピは、ノードＮ６の状態のエンタルピよりも大きい。

冷凍サイクル装置１００においては、暖房運転において蒸発器として機能する熱交換器６に流入する非共沸混合冷媒のエンタルピ（ノードＮ２の状態のエンタルピ）が、膨張弁４Ａから流出する非共沸混合冷媒のエンタルピ（状態Ｃ２のエンタルピ）よりも内部熱交換器７によって減少される。また、圧縮機１に吸入される非共沸混合冷媒のエンタルピ（ノードＮ８の状態のエンタルピ）が、熱交換器６から流出する非共沸混合冷媒のエンタルピ（ノードＮ６の状態のエンタルピ）よりも内部熱交換器７によって増加される。そのため、熱交換器６に流入する非共沸混合冷媒のエンタルピと、圧縮機１に吸入される非共沸混合冷媒のエンタルピとの差が増加する。その結果、冷凍サイクル装置１００の暖房運転の効率を向上させることができる。

図１３は、図９および図１１の制御装置２０によって行なわれる膨張弁４Ｃの制御を説明するためのフローチャートの一例である。図１３に示される処理は、冷凍サイクル装置２００の統合的な制御を行なう不図示のメインルーチンによって一定時間間隔毎に呼び出される。図１３に示される処理は、冷房運転および暖房運転において行なわれる。

図１３に示されるように、制御装置２０は、Ｓ２０１において、膨張弁４Ｃが開放されているか否かを判定する。膨張弁４Ｃが閉止されている場合（Ｓ２０１においてＮＯ）、制御装置２０は、処理をＳ２０２に進める。制御装置２０は、Ｓ２０２において温度Ｔ９１とＴ９２との差（温度勾配）がしきい値δ１（第１しきい値）以上であるか否かを判定する。温度勾配がしきい値δ１より小さい場合（Ｓ２０２においてＮＯ）、制御装置２０は、処理をメインルーチンに返す。温度勾配がしきい値δ１以上である場合（Ｓ２０２においてＹＥＳ）、制御装置２０は、処理をＳ２０３に進める。制御装置２０は、Ｓ２０３において膨張弁４Ｃの開度を基準開度だけ開放し、処理をメインルーチンに返す。

膨張弁４Ｃが開放されている場合（Ｓ２０１においてＹＥＳ）、制御装置２０は、処理をＳ２０４に進める。制御装置２０は、Ｓ２０４において温度Ｔ９１とＴ９３との差がしきい値δ２以上か否かを判定する。温度Ｔ９１とＴ９３との差がしきい値δ２よりも小さい場合（Ｓ２０４においてＮＯ）、制御装置２０は、処理をＳ２０５に進める。制御装置２０は、Ｓ２０５において膨張弁４Ｃの開度を一定開度だけ減少させた後、処理をメインルーチンに返す。温度Ｔ９１とＴ９３との差がしきい値δ２以上である場合（Ｓ２０４においてＹＥＳ）、制御装置２０は、Ｓ２０６に処理を進める。制御装置２０は、Ｓ２０６において膨張弁４Ｃの開度を一定開度だけ増加させた後、処理をメインルーチンに返す。

図１４は、図９および図１１の制御装置２０によって行なわれる膨張弁４Ｃの制御を説明するためのフローチャートの他の例である。図１４に示されるフローチャートは、図１３に示されるフローチャートにＳ２０７，Ｓ２０８が追加されたフローチャートである。Ｓ２０１〜Ｓ２０６は同様であるため、説明を繰り返さない。

図１４に示されるように、制御装置２０は、Ｓ２０３、Ｓ２０５、またはＳ２０６の後に、Ｓ２０７において温度勾配がしきい値δ１以上であるか否かを判定する。温度勾配がしきい値δ１より小さい場合（Ｓ２０７においてＮＯ）、制御装置２０は、処理をＳ２０８に進める。制御装置２０は、Ｓ２０８において、膨張弁４Ｃを閉止した後、処理をメインルーチンに返す。温度勾配がしきい値δ１以上である場合（Ｓ２０７においてＹＥＳ）、制御装置２０は、処理をメインルーチンに返す。図１４に示される処理が行なわれる場合、冷房運転および暖房運転の開始時に膨張弁４Ｃが閉止されている必要はない。

実施の形態２においては、流路切替部として三方弁が用いられる場合について説明した。流路切替部は、三方弁に限定されず、冷媒容器からの気体の非共沸混合冷媒が向かう流路を切り替えられれば、どのような構成であってもよい。流路切替部は、たとえば、図１５に示される実施の形態２の変形例１に係る冷凍サイクル装置２００Ａのように、２つの開閉弁を含んでいてもよい。冷凍サイクル装置２００Ａの構成は、図９の冷凍サイクル装置２００の三方弁８および制御装置２０が、流路切替部８０および制御装置２０Ａにそれぞれ置き換えられた構成である。これら以外の構成は同様であるため、説明を繰り返さない。

図１５に示されるように、流路切替部８０は、開閉弁８Ａ，８Ｂを含む。開閉弁８Ａは、膨張弁４ＣとノードＮ５との間に接続されている。開閉弁８Ｂは、膨張弁４ＣとノードＮ２との間に接続されている。冷房運転において制御装置２０Ａは、開閉弁８Ａを開放するとともに開閉弁８Ｂを閉止する。暖房運転において制御装置２０Ａは、開閉弁８Ａを閉止するとともに開閉弁８Ｂを開放する。

実施の形態２においては、冷媒容器からの気体の非共沸混合冷媒と、蒸発器として機能する熱交換器からの非共沸混合冷媒との間で熱交換が行なわれる第３熱交換器を備える冷凍サイクル装置について説明した。実施の形態２に係る冷凍サイクル装置は、図１６に示される実施の形態２の変形例２に係る冷凍サイクル装置２００Ｂのように、第３熱交換器を備えていなくてもよい。冷凍サイクル装置２００Ｂの構成は、図９の冷凍サイクル装置２００から内部熱交換器７が除かれているとともに、制御装置２０が制御装置２０Ｂに置き換えられた構成である。これら以外は同様であるため、説明を繰り返さない。

図１７は、冷房運転における非共沸混合冷媒の状態の変化を示すＰ−ｈ線図である。図１７に示されている各状態は、図１６のノードＮ１〜Ｎ１１における非共沸混合冷媒の各状態に対応する。ノードＮ５の状態、ノードＮ６の状態、およびノードＮ１１の状態以外は、図１０と同様であるため、説明を繰り返さない。

図１６および図１７を併せて参照しながら、冷凍サイクル装置２００Ｂにおいては、ノードＮ６からＮ７へ流れる非共沸混合冷媒と、ノードＮ９からＮ１０へ流れる非共沸混合冷媒との間で熱交換が行なわれないため、ノードＮ６の状態は、ノードＮ７の状態とほとんど同じである。ノードＮ１０の状態からノードＮ１１の状態への過程は、膨張弁４Ｃによる減圧過程を表す。ノードＮ１１の状態のエンタルピは、状態Ｃ１のエンタルピよりも大きい。そのため、状態Ｃ１の非共沸混合冷媒にノードＮ１１の状態の非共沸混合冷媒が合流するノードＮ５の状態のエンタルピは、ノードＮ１１のエンタルピよりも小さく、状態Ｃ１のエンタルピよりも大きい。

図１８は、暖房運転における非共沸混合冷媒の状態の変化を示すＰ−ｈ線図である。図１８に示されている各状態は、図１６のノードＮ１〜Ｎ１０，Ｎ１２における非共沸混合冷媒の各状態に対応する。ノードＮ２の状態、ノードＮ６の状態、およびノードＮ１２の状態以外は、図１２と同様であるため、説明を繰り返さない。

図１６および図１８を併せて参照しながら、冷房運転の場合と同様に、ノードＮ６の状態は、ノードＮ７の状態とほとんど同じである。ノードＮ１０の状態からノードＮ１２の状態への過程は、膨張弁４Ｃによる減圧過程を表す。ノードＮ１２の状態のエンタルピは、状態Ｃ２のエンタルピよりも大きい。そのため、状態Ｃ２の非共沸混合冷媒にノードＮ１２の状態の非共沸混合冷媒が合流するノードＮ２の状態のエンタルピは、ノードＮ１２のエンタルピよりも小さく、状態Ｃ２のエンタルピよりも大きい。

図１９は、図１６の制御装置２０Ｂによって行なわれる膨張弁４Ｃの制御を説明するためのフローチャートである。図１９に示される処理は、冷凍サイクル装置２００Ｂの統合的な制御を行なう不図示のメインルーチンによって一定時間間隔毎に呼び出される。

図１９に示されるように、制御装置２０Ｂは、Ｓ２２１において温度勾配がしきい値δ１以上であるか否かを判定する。温度勾配がしきい値δ１より小さい場合（Ｓ２２１においてＮＯ）、制御装置２０は、処理をＳ２２２に進める。制御装置２０は、Ｓ２２２において膨張弁４Ｃを閉止して処理をメインルーチンに返す。温度勾配がしきい値δ１以上である場合（Ｓ２２１においてＹＥＳ）、制御装置２０Ｂは、処理をＳ２２３に進める。

制御装置２０Ｂは、Ｓ２２３において膨張弁４Ｃの開度が基準開度よりも小さいか否かを判定する。膨張弁４Ｃの開度が基準開度よりも小さい場合（Ｓ２２３においてＹＥＳ）、制御装置２０Ｂは、処理をＳ２２４に進める。制御装置２０Ｂは、Ｓ２２４において膨張弁４Ｃの開度を基準開度に設定して、処理をメインルーチンに返す。膨張弁４Ｃの開度が基準開度以上である場合（Ｓ２２３においてＮＯ）、制御装置２０Ｂは、処理をメインルーチンに返す。

実施の形態２においては、冷媒容器からの気体の非共沸混合冷媒が向かう流路を切り替える流路切替部を備える冷凍サイクル装置について説明した。実施の形態２に係る冷凍サイクル装置は、たとえば図２０に示される実施の形態２の変形例３に係る冷凍サイクル装置２００Ｃ、または図２１に示される実施の形態２の変形例４に係る冷凍サイクル装置２００Ｄのように、流路切替部を備えていなくてもよい。

図２０に示される冷凍サイクル装置２００Ｃの構成は、図９の冷凍サイクル装置２００の構成から、三方弁８、および三方弁８と流路ＦＰ２とを接続する流路が除かれているとともに、制御装置２０が制御装置２０Ｃに置き換えられた構成である。これら以外の構成は同様であるため、説明を繰り返さない。冷房運転において制御装置２０Ｃは、図１３または図１４に示される処理を行なう。制御装置２０Ｃは、膨張弁４Ｃが閉止された状態で暖房運転を行なう。暖房運転において制御装置２０Ｃは、図１３または図１４に示される処理を行なわない。

図２１に示される冷凍サイクル装置２００Ｄの構成は、図９の冷凍サイクル装置２００の構成から、三方弁８、および三方弁８と流路ＦＰ１とを接続する流路が除かれているとともに、制御装置２０が制御装置２０Ｄに置き換えられた構成である。これら以外の構成は同様であるため、説明を繰り返さない。暖房運転において制御装置２０Ｄは、図１３または図１４に示される処理を行なう。制御装置２０Ｄは、膨張弁４Ｃが閉止された状態で冷房運転を行なう。冷房運転において制御装置２０Ｄは、図１３または図１４に示される処理を行なわない。

以上、実施の形態２および変形例１〜４に係る冷凍サイクル装置によれば、非共沸混合冷媒のＧＷＰを低減しながら、当該非共沸混合冷媒が使用される冷凍サイクル装置の性能低下を抑制することができる。また、実施の形態２および変形例１〜４に係る冷凍サイクル装置によれば、循環冷媒におけるＲ１１２３の重量比率の低下による冷凍サイクル装置の性能低下を抑制することができる。

今回開示された各実施の形態および各変形例は、矛盾しない範囲で適宜組み合わせて実施することも予定されている。今回開示された実施の形態および変形例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 圧縮機、２ 四方弁、３，６ 熱交換器、４，４Ａ〜４Ｃ 膨張弁、５ レシーバ、７ 内部熱交換器、８ 三方弁、８Ａ，８Ｂ 開閉弁、９Ａ〜９Ｃ，１３ 温度センサ、１０，２０，２０Ａ〜２０Ｄ 制御装置、１１ 室外ファン、１２ 室内ファン、８０ 流路切替部、１００，１００Ａ，１００Ｂ，２００，２００Ａ〜２００Ｄ 冷凍サイクル装置、１１０，２１０ 室外機、１２０ 室内機、ＦＰ１，ＦＰ２ 流路。

Claims (11)

1. 非共沸混合冷媒が使用される冷凍サイクル装置であって、
   圧縮機と、
   第１熱交換器と、
   第１膨張弁と、
   第２熱交換器とを備え、
   前記非共沸混合冷媒は、前記圧縮機、前記第１熱交換器、前記第１膨張弁、および前記第２熱交換器の第１循環方向に循環し、
   前記非共沸混合冷媒は、Ｒ３２と、ＣＦ３Ｉと、Ｒ１１２３とを含み、
   前記冷凍サイクル装置に封止された状態の前記非共沸混合冷媒における前記Ｒ３２の第１重量比率は、４３ｗｔ％以下であり、
   前記冷凍サイクル装置に封止された状態の前記非共沸混合冷媒における前記ＣＦ３Ｉの第２重量比率は、前記第１重量比率以下であり、
   前記冷凍サイクル装置に封止された状態の前記非共沸混合冷媒における前記Ｒ１１２３の第３重量比率は、１４ｗｔ％以上である、冷凍サイクル装置。
2. 前記第１重量比率は、３０ｗｔ％以下である、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記圧縮機から吐出される前記非共沸混合冷媒の第１温度が基準温度よりも大きい場合の前記圧縮機の駆動周波数は、前記第１温度が前記基準温度よりも小さい場合の前記圧縮機の駆動周波数よりも低い、請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記第１熱交換器に送風する送風装置をさらに備え、
   前記圧縮機から吐出される前記非共沸混合冷媒の第１温度が基準温度よりも大きい場合の前記送風装置の単位時間当たりの送風量は、前記第１温度が前記基準温度よりも小さい場合の前記送風装置の単位時間当たりの送風量よりも大きい、請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記圧縮機から吐出される前記非共沸混合冷媒の第１温度が基準温度よりも大きい場合の前記第１膨張弁の開度は、前記第１温度が前記基準温度よりも小さい場合の前記第１膨張弁の開度よりも大きい、請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記第２熱交換器に第１流路を介して接続された第２膨張弁と、
   前記第１流路に連通する第３膨張弁と、
   前記第１膨張弁、前記第２膨張弁、および前記第３膨張弁に連通する冷媒容器とをさらに備える、
   前記第３膨張弁が開放されている場合、前記冷媒容器内の気体の前記非共沸混合冷媒が前記第１流路に導かれる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 制御装置をさらに備え、
   前記第１膨張弁から前記冷媒容器に流入した前記非共沸混合冷媒の少なくとも一部は、前記冷媒容器内で気化し、
   前記冷媒容器内の気体の前記非共沸混合冷媒の第２温度と、前記冷媒容器内の液体の前記非共沸混合冷媒の第３温度との第１の差が第１しきい値よりも大きい場合、前記制御装置は、前記第３膨張弁を開放する、請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記冷媒容器と前記第３膨張弁との間に接続されているとともに、前記第２熱交換器と前記冷媒容器との間に接続された第３熱交換器をさらに備え、
   前記冷媒容器から流出した気体の前記非共沸混合冷媒と前記圧縮機に吸入される前記非共沸混合冷媒とは前記第３熱交換器において熱交換を行なう、請求項７に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記制御装置は、前記第２温度と前記冷媒容器と前記第３膨張弁との間を流れる前記非共沸混合冷媒の第４温度との第２の差が第２しきい値より大きい場合、前記第３膨張弁の開度を増加させ、前記第２の差が前記第２しきい値よりも小さい場合、前記第３膨張弁の開度を減少させる、請求項８に記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記第１の差が前記第１しきい値よりも大きい場合、前記制御装置は、前記第３膨張弁を閉止する、請求項７〜９のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
11. 前記非共沸混合冷媒の循環方向を、前記第１循環方向と、前記第１循環方向とは逆向きの第２循環方向との間で切り替える流路切替弁と、
    前記第３膨張弁を前記第１流路または前記第１膨張弁および前記第１熱交換器を接続する第２流路に連通させる流路切替部とを備え、
    前記流路切替部は、前記第１循環方向においては前記第３膨張弁と前記第１流路とを連通させ、前記第２循環方向においては前記第３膨張弁と前記第２流路とを連通させる、請求項６〜１０のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。

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