KR100519150B1 - 냉동 사이클장치 - Google Patents

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KR100519150B1
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후나쿠라마사미
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마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 작동매체로서 이산화탄소를 이용한 냉동 사이클장치에서, 냉동 사이클 중에 수분이 도입되어 유발되는 신뢰성에 관한 과제를 개선한 냉동 사이클장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이산화탄소 또는 이산화탄소를 포함하는 혼합냉매와 수분이 반응하여 생긴 탄산을 냉동 사이클의 작동매체의 유로에 탄산포착제를 설치하는 것에 의해, 탄산을 효율적으로 제거함으로써, 이산화탄소 냉매의 열화나, 냉동기유의 분해, 금속제 구성부품의 부식 등을 방지할 수 있는 신뢰성이 높은 냉동 사이클장치를 구성한다.

Description

냉동 사이클장치{REFRIGERATION CYCLE APPARATUS}
본 발명은 에어 컨디셔너, 카(car)에어콘, 전기(냉동)냉장고, 쇼케이스, 냉장 또는 냉동창고, 히트펌프식 급탕기 등에 이용되는 이산화탄소를 냉매로 한 냉동 사이클장치에 관한 것이다.
압축기, 냉각기, 신축장치(expansion device), 증발기 등을 주요 구성요소로 하는 냉동 사이클장치에서는 종래 불소원자를 함유하는 탄화수소가 냉매로서 이용되어 왔다.
특히, 불소원자와 함께 염소원자를 함유하는 탄화수소류는 불연성이고 성능이 좋은 냉매로서 오랫동안 이용되어 왔지만, 그러한 냉매의 하나인 CFC(클로로플루오로카본)나 HCFC(하이드로클로로플루오로카본)류는 염소원자를 갖고 있기 때문에, 대기로 방출되어 성층권에 도달한 경우에, 오존층을 파괴하는 것이 명백해졌다. 그 때문에, 최근 CFC나 HCFC류의 사용이 세계적으로 금지 또는 제한되어 있다.
이들을 대신하여, 염소원자를 포함하지 않는 HFC(하이드로플루오로카본)가 사용되고 있으나, 그 HFC는 오존층을 파괴하는 성질은 갖진 않지만, 대기중에서의 이온 또는 원자로 분해하기까지의 수명이 길기 때문에 지구온난화 계수가 높다. 그 때문에, 이들 HFC가 대기로 방출된 경우에는 온실효과가 크고, 최근 문제가 되고 있는 지구온난화를 방지하는 데에는 반드시 만족할 만한 냉매라고 할 수는 없다.
상기 할로겐원자를 함유하는 탄화수소류 대신에, 오존파괴 계수가 제로이고, 또한 지구온난화 계수도 매우 작은 냉매의 하나로서 이산화탄소를 사용하는 것이 제안되고 있다. 이산화탄소를 냉매로서 이용한 기기의 개발은 업무용인 대형 냉동기 등으로 실용화가 진행되고 있지만, 가정용이나 차량용 등의 비교적 소형 기기에 관해서는 이용검토가 시작되고 있는 단계이다. 이산화탄소를 냉매로서 이용한 경우에는, 냉매 자체의 지구온난화 계수가 매우 작기 때문에, 냉매를 작동매체로서 이용한 시스템 전체의 효율향상에 의한 에너지 절약화가 개발되고 있다. 또한, 이산화탄소를 새롭게 냉매로서 이용하였을 때에 우려되는 재료면, 기기면에서의 신뢰성의 검토가 진행되고 있다.
이들의 검토 중에서, 이산화탄소를 냉매로서 이용한 경우는, HFC 냉매에 대하여 고압에서 동작시켜, 초임계상태의 유체로 하여 냉동 사이클을 구성하게 된다. 초임계유체의 이산화탄소는 액체나 기체의 성질과 달리, 재료로의 침투성이 높으며, 물질수송의 용매효과가 높은 등의 특징이 있기 때문에, 냉동 사이클장치를 구성하는 각 요소에 이용하는 재료에 대하여, 재료의 선택에 주의를 기울여야 한다.
신뢰성에 관해서는, 냉매 자체의 기기의 재료와의 적합성, 압축기의 윤활용으로서 이용되는 냉동기유의 윤활성 등에 대한 영향 등을 명백히 해야 한다. 특히, 압축기, 냉각기, 신축장치, 증발기 등을 주요 구성요소로 하는 냉동 사이클장치 내에 도입되는 수분은 냉동기유의 가수분해에 의한 분해를 야기하거나, 압축기 내의 모터재료나 냉동 사이클장치의 각 구성수단에 이용되는 재료로서의 금속재료의 부식이나 유기재료의 전기절연성을 일으킬 우려가 있기 때문에, 새로운 냉매로 냉동 사이클을 구성하는 경우에는 신뢰성에 악영향을 미치는 요인으로서 충분한 검토가 필요하다.
예를 들어, 작동매체로서 HFC 냉매를 이용하는 경우에는, 냉매 자체가 극성을 갖고 있고, 또한 냉매와의 상용성(相溶性)을 갖는 비교적 극성이 큰 냉동기유가 적합하기 때문에, 수분이 냉동 사이클장치 내로 도입되기 쉬운 상태이다.
이 대책으로서, 냉동 사이클에 건조를 위한 드라이어를 장비하는 등의 대책이 일본특허 제 2962676호 공보 등에 개시되어 있다. 이에 대하여, 작동매체로서 이산화탄소를 이용하는 경우에는, 냉매로서는 극성이 작기 때문에 수분의 도입은 HFC 냉매에 비해 적다고 생각된다.
그러나, 작동매체의 냉매로서 이산화탄소를 이용하는 경우에, 냉동 사이클장치 내에 도입된 냉매에 포함되는 수분의 영향에 대해서는 충분히 검토되지 않은 단계이다.
또한, 압축기의 윤활용으로서 냉동기유를 봉입하는 경우에는, 작동매체로서 이산화탄소에 대하여 냉동기유에 의한 수분의 도입이 많이 생기기 때문에, 그에 대한 냉동 사이클장치로서의 신뢰성에 대하여 충분한 검토가 필요해지고 있다.
대책의 하나로서, HFC 냉매와 마찬가지로 분자체(molecular sieve)나 실리카겔 등의 건조제를 드라이어로서 냉동 사이클장치에 장비하는 것도 제안되고 있다.
그러나, 작동매체로서 이산화탄소를 이용한 냉동 사이클장치의 신뢰성에 대하여, 상술한 검토를 진행시켜 가는 중에서 이하의 과제가 명백해지고 있다.
즉, 냉매인 이산화탄소와 냉동 시스템 내에 도입된 수분이 반응하여 탄산을 생성하기 때문에, 그 탄산이 냉동 사이클장치 내를 순환하여 냉동 시스템을 구성하고 있는 재료를 침입하기 쉬워져서, 장치의 신뢰성에 악영향을 미치기 쉬운 것이 명백해지고 있다.
예를 들어, 압축기 내의 모터재료나 냉동 사이클장치의 각 구성수단에 이용되는 유기재료의 분해나, 냉동기유의 산분해나, 금속재료의 부식을 일으키거나, 냉동 시스템 내에서 작동매체의 pH가 저하되어 산성분위기가 됨으로써 산화나 부식이 촉진되기 쉬워진다. ·
이로 인하여, 압축기의 윤활성이 저하되거나, 반응생성물이 냉동 사이클장치 내에 유출되어 폐색현상을 일으킬 우려가 있다. 특히, 작동매체로서 유극성유를 주된 조성으로 하는 냉동기유를 이용하는 경우에는, 탄산에 의한 영향으로 분해하기 쉽게 되어 대책이 필요하다.
또한, 종래 HFC 냉매의 냉동 사이클장치에서 수분을 제거하기 위해서 사용하고 있는 분자체 등의 건조제를 이용한 경우에는, 수분과 함께 이산화탄소도 흡착해 버리기 때문에 수분제거의 효율이 나빠진다. 또한, 탄산도 흡착은 하지만 그다지 효율적이지 않았다.
이 요인은 건조제에 물과 이산화탄소가 먼저 흡착해 버려, 탄산이 제거되기 어렵게 되어 있었기 때문이었다. 그 때문에, 냉동 사이클장치 내에서 생긴 탄산을 효율적으로 제거하기 위한 새로운 탄산을 포착하는 재료의 탐색과, 그 탄산을 포착하는 재료를 효율적으로 사용하기 위한 냉동 사이클 구성을 제안하여, 그 대책이 필요한 것이 명백해졌다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에서의 냉동 사이클장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에서의 냉동 사이클장치의 구성도.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에서의 냉동 사이클장치의 구성도.
(부호의 설명)
1, 11, 21 : 압축기 2, 22 : 냉각기
3, 23 : 증발기 4, 13, 24 : 신축장치
5, 14, 25: 탄산포착제 충전용기 6, 19a, 28a : 압축기의 토출측 배관
7, 19b, 28b : 압축기의 흡입측 배관 l2a, 12b : 열교환기
15 : 유로전환수단(4방향밸브) 16, 27 : 저온측 배관
17 : 실외 유니트 18 : 실내 유니트
26 : 내부 열교환기
상기의 종래 기술의 문제점을 감안하여, 본 발명의 목적은 작동매체의 냉매로서 이산화탄소를 이용할 때에 냉동 사이클 중에 수분이 도입되어 유발되는 신뢰성에 관한 과제를 개선한 냉동 사이클장치를 제공하는 것이다. 즉, 본 발명은 냉매인 이산화탄소와 수분이 반응한 탄산을 냉동 사이클로부터 효율적으로 제거함으로써 신뢰성이 높은 냉동 사이클장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 냉동 사이클장치는 상기 종래의 과제를 해소하는 것이며, 작동매체를 압축하는 압축기와, 상기 작동매체를 냉각하는 냉각기와, 상기 작동매체를 감압하는 신축장치와, 상기 작동매체를 기화하는 증발기를 구비하고, 상기 작동매체가 이산화탄소 또는 이산화탄소를 포함하는 혼합냉매로 이루어지며, 상기 작동매체의 유로에 탄산포착제를 설치한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 작동매체의 온도가 임계온도 미만이 되는 상기 작동매체의 유로에 탄산포착제를 설치한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 작동매체의 유로를 전환하는 유로전환장치를 구비하며, 상기 유로전환장치와 압축기의 흡입부와의 사이에 탄산포착제를 설치한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 압축기 혹은 냉동 사이클 중에 유극성유를 주된 조성으로 하는 냉동기유를 봉입한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 탄산포착제가 알루미노규산 알칼리금속염, 혹은 알루미노규산 알칼리금속염의 알칼리금속이온이 다른 양이온과 이온교환하여 이루어지는 알루미노규산 금속염 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탄산포착제는 그 세공직경이 0.35nm 이하인 상기 냉동 사이클장치이다.
또한, 본 발명은 탄산포착제가 알루미노규산 칼륨염, 알루미노규산 나트륨염의 나트륨 이온이 칼륨 이온으로 20% 이상 이온교환하여 이루어지는 알루미노규산 나트륨 칼륨염, 또는 알루미노규산 나트륨염의 나트륨 이온이 세슘 이온으로 10% 이상 이온교환하여 이루어지는 알루미노규산 나트륨 세슘염 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 한다
또한, 본 발명은 탄산포착제가 알칼리금속산화물, 알칼리토류 금속산화물, 탄산알칼리금속염, 탄산알칼리토류 금속염 중 적어도 어느 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 탄산포착제가 아미노기를 갖는 다공체 또는 입상체인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 냉동 사이클장치는 적어도 작동매체를 압축하는 압축기와, 작동매체를 냉각하는 냉각기와, 작동매체를 감압하는 신축장치와, 작동매체를 기화하는 증발기로 구성되어 이루어지고, 작동매체로서는 이산화탄소 냉매를 주된 조성으로 하는 것이다.
작동매체로서는 이산화탄소만이 아니고, 이산화탄소를 포함하는 혼합냉매에서도 본 발명의 효과를 얻을 수 있다. 혼합냉매로서는 HFC134a(1, 1, 2-테트라플루오로)나 HFC32(디플루오로메탄) 등의 HFC 냉매나 에탄, 프로판, 부탄, 이소부탄 등의 탄화수소 냉매 등을 이산화탄소 냉매에 적절하게 혼합한 조성의 것에 적용할 수 있다.
이산화탄소는 극성이 낮은 냉매이지만, 물과는 비교적 친화성이 있어 소량이지만 수분이 포함되기 쉬운 냉매이고, 냉동 사이클 내에 수분이 도입되기 쉬워진다. 또한, 이산화탄소를 포함하는 혼합냉매에서는 예를 들어, HFC 냉매를 이용한 경우에는 유극성이기 때문에, 수분이 냉동 사이클에 도입되기 더욱 쉬워진다. 그 때문에, 냉동 사이클장치 내에 수분이 도입되어 버린 경우에는, 이산화탄소와 물이 반응식 1에 나타낸 바와 같이 탄산을 생성한다.
이 탄산은 수소 이온과 탄산수소 이온으로 해리하기 때문에, 냉동 사이클 내가 산성의 분위기로 된다. 이로 인하여, 냉동 사이클을 구성하는 금속재료, 유기재료, 작동매체로서의 냉동기유 등의 구성요소를 침식하여, 냉동 사이클장치의 신뢰성을 저하시키게 된다.
본 발명의 냉동 사이클장치는 수분의 도입에 의해서 생성되는 탄산에서 생기는 과제를 해결하기 위해서, 냉동 사이클 내의 작동매체의 유로에 탄산포착제를 구비하는 특징이 있고, 또한 그 탄산포착제를 효과적으로 작동시키기 위한 냉동 사이클장치의 구성에 특징이 있다.
이하에서는 본 발명에서 효과가 있는 탄산포착제에 대하여 설명하고 나서, 효과를 발휘할 수 있는 냉동 사이클의 구성에 대하여 설명한다.
우선, 본 발명에서 이용하는 탄산포착제에 대하여 설명한다.
본 발명의 탄산포착제로서는 일반적으로 알려져 있는 이산화탄소 고정화 재료를 중심으로 많은 탐색검토를 행한 결과, 이하의 재료가 이산화탄소 냉매 중에서의 탄산포착에 효과가 있었다.
(1) 알루미노규산 알칼리금속염, 혹은 알루미노규산 알칼리금속염의 알칼리금속이온이 다른 양이온과 이온교환하여 이루어지는 알루미노규산 금속염 중 적어도 어느 하나의 재료
(2) 알칼리금속산화물, 알칼리토류 금속산화물, 탄산알칼리금속염, 탄산알칼리토류 금속염 중 적어도 어느 하나의 재료
(3) 아미노기를 갖는 다공체 또는 입상체의 재료
이하에, 이들의 탄산포착제에 대하여 순서대로 설명한다.
우선, (1)의 알루미노규산 알칼리금속염, 혹은 알루미노규산 알칼리금속염의 알칼리금속이온이 다른 양이온과 이온교환하여 이루어지는 알루미노규산 금속염 중 적어도 어느 하나의 재료에 대해서는, 분자체 등 지오라이트(zeolite)재료를 검토 한 결과, 효과가 확인되었다. 알루미노규산 알칼리금속염으로서는, 알칼리금속이 나트륨, 칼륨, 리튬 등이었다.
또한, 알루미노규산 알칼리금속염의 알칼리금속이온이 다른 양이온과 이온교환하여 이루어지는 알루미노규산 금속염의 양이온으로서는 나트륨, 칼륨, 리튬 등의 알칼리금속이온이나 칼륨, 바륨, 세슘 등의 알칼리토류 금속이온이었다.
특히, 이들 중 알루미노규산 칼륨염, 알루미노규산 나트륨염의 나트륨 이온이 칼륨 이온으로 20% 이상 이온교환하여 이루어지는 알루미노규산 나트륨 칼륨염 또는 알루미노규산 나트륨염의 나트륨 이온이 세슘 이온으로 10% 이상 이온교환하여 이루어지는 알루미노규산 나트륨 세슘염을 효율적으로 이용할 수 있었다.
예를 들어, 지오라이트 화합물에서는 3A형 지오라이트나, 4A형의 알루미노규산 나트륨염을 칼륨 이온으로 20% 이상 이온교환한 것, 4A형을 세슘 이온으로 10% 이상 이온교환한 것 등의 세공직경이 약 0.35nm 이하인 것에서 효과를 얻을 수 있었다.
이들의 탄산포착은 예컨대, 반응식 2와 같은 반응으로 흡착되는 것으로 생각된다.
상술한 알루미노규산 금속염이 이산화탄소의 냉매 중에서 탄산포착에 효과가 있었던 이유로서, 효과가 있었던 알루미노규산 금속염은 세공직경이 약 0.35nm 이하이고, 이산화탄소의 분자직경에 대하여 아마 동등 이하로 되어 있기 때문에, 이산화탄소가 흡착하기 어려운 것으로 생각된다.
그리고, 이들 이외의 예를 들어, 세공직경이 약 0.35nm보다 큰 알루미노규산 알칼리토류 금속염에서는 냉매로서 분위기에 대량 존재하는 이산화탄소가 탄산보다 먼저 알루미노규산 금속염의 흡착사이트에 흡착해버렸기 때문에, 탄산이 흡착하는 효과를 얻을 수 없었던 것으로 추찰되었다.
또, 효과가 있었던 알루미노규산 금속염에 대해서는, 상술한 알루미노규산 금속염의 흡착사이트에 대해서는, 탄산은 분자직경이 크기 때문에 그 세공 내로 침입하기 어렵다고 생각되므로, 아마 세공입구의 근방에서 흡착이 행해지고 있는 것으로 생각된다.
이 세공직경에 의한 탄산포착의 효과의 차이를 증명하기 위해 이하의 실험을 하였다.
수분량 1000중량ppm과 수분량 50중량ppm의 2종류의 수분량으로 조제한 액화이산화탄소를 각각 충전한 2개의 오토클레이브(autoclave) 내에 각각 같은 알루미노규산 금속염을 넣어 두고, 150℃ 이상, 10일 이상 처리한 후, 알루미노규산 금속염을 오토클레이브에서 꺼내, 각각의 알루미노규산 금속염을 열이탈가스분석계(thermal desorption gas analyzer)에서 가열하여 발생한 수분과 이산화탄소의 양을 측정비교하여 평가한다.
평가한 알루미노규산 금속염은 세공직경이 0.35nm보다 큰 알루미노규산 칼슘염(Ca-X형 지오라이트)과, 세공직경이 O.35nm보다 작은 알루미노규산 칼륨염(K-A형 지오라이트)을 이용하였다. 이들 알루미노규산 금속염을 각각 2종류의 수분량으로 조정한 상술한 오토클레이브 내에 넣어 시험하였다. 열이탈가스분석시험에서 발생하는 이산화탄소는 포착되어 있는 탄산이 분해하여 발생하는 것과 흡착하고 있는 이산화탄소가 이탈하는 것으로 생각된다.
그 결과, 알루미노규산 칼슘염에서는 수분량이 다른 시험의 어느 쪽에서도 거의 같은 정도의 이산화탄소가 발생하고 있었다. 이것은 수분량에 의존하고 있지 않기 때문에 탄산이 거의 포착되지 않으며, 이산화탄소가 흡착하고 있는 것으로 생각된다. 그에 대하여 알루미노규산 칼륨염에서는 수분량 1000중량ppm 쪽이 수분량 50중량ppm보다 이산화탄소량이 많았다. 즉, 흡착되어 있는 이산화탄소가 적고, 수분에 의해서 생성하고 있는 탄산을 알루미노규산이 포착하고 있기 때문에, 수분이 많은 분위기에 있던 쪽이 열이탈로 발생하는 이산화탄소가 많았던 것으로 생각된다. 이 검토로부터, 세공직경이 작은 알루미노규산 쪽이 양호한 탄산포착 효과를 갖고 있다고 할 수 있다.
다음에, (2) 알칼리금속산화물, 알칼리토류 금속산화물, 탄산알칼리금속염, 탄산알칼리토류 금속염 중 적어도 어느 하나의 재료에 대해서 효과를 설명한다. 알칼리금속으로서는 나트륨, 칼륨, 리튬 등이고, 알칼리토류 금속으로서는 칼슘, 바륨, 세슘 등의 화합물을 이용할 수 있었다.
알칼리금속산화물, 알칼리토류 금속산화물은 일반적으로 이산화탄소의 고정화제로서 탄산금속염을 형성한다고 할 수 있으므로, 이산화탄소 냉매 중에서는 이산화탄소와 반응해버려 탄산포착제로서 이용할 수 없는 것으로 생각되었다. 그러나, 실제로는 이산화탄소와의 반응은 매우 적고, 탄산을 제거하는 효과를 얻을 수 있었다.
이것은 알칼리금속산화물, 알칼리토류 금속산화물은 실제로는 물에 의해 이산화탄소가 탄산으로 되고 나서 반응하고 있다고 생각되기 때문이다. 즉, 반응식 3과 같이 탄산과 반응하여 탄산수소 금속염으로서 포착효과를 얻을 수 있는 것으로 추찰되었다.
또, 탄산알칼리금속염, 탄산알칼리토류 금속염의 경우는 수분이 있는 상태에서 이산화탄소와 반응하여 탄산수소 금속염을 형성하기 때문에, 수분의 제거에 효과가 있는 것에 덧붙여, 이산화탄소 냉매 중에서 수분에 의해서 생성된 탄산에 대해서도, 반응식 4와 같이 포착할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
다음에, (3) 아미노기를 갖는 다공체 또는 입상체의 재료에 대해서 설명한다. 알루미나나 실리카겔과 같은 산화물의 다공체의 표면을 처리하여 아미노기를 표면에 형성한 재료나, 활성탄의 표면처리, 아미노기를 갖는 고분자재료의 비즈(beads) 등을 이용한다. 표면처리의 방법으로서는 에탄올아민 등의 알카놀아민, γ-아미노프로필트리메톡시실란, γ-(2-아미노에틸)아미노프로필트리메톡시실란 등의 아미노실란 화합물 등에 의해서 다공체의 표면에 흡착시키는 방법이 대표적이다.
또한, 아미노기를 갖는 고분자로서는 폴리아릴아민, 폴리아크릴아미드 등의 고분자재료를 이용할 수 있다. 이들 재료는 반응식 5와 같이 아미노기가 탄산을 포착하는 것으로 제거효과를 얻을 수 있다.
또한, 아미노기는 수분이 있는 상태에서 이산화탄소를 흡수하기 때문에, 이산화탄소는 수분이 적은 냉매의 분위기에서는 탄산을 포착하는 장해는 되지 않는다고 생각된다.
상기에서 설명한 탄산포착제는 용기에 충전하여 작동매체의 유로에 설치하여 이용하는 것이 좋다. 탄산포착제의 형상으로는 냉매의 유통저항을 크게 하지 않기 위해서 입자형상의 것을 이용하고, 용기에 대한 충전방법으로는 메시 형상부재 등의 유지부재에 의해 용기내부에 고정하면 된다.
이하, 본 발명이 구체적인 실시예에 대해서 도면을 이용하여 설명한다.
(제 1 실시예)
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에서의 냉동 사이클장치의 구성도이고, 압축기(1), 냉각기(2), 모세관 혹은 팽창밸브 등의 신축장치(4), 증발기(3)를 배관에 의해서 연결함으로써 구성되어 있다.
이 냉동 사이클장치에는 작동매체의 냉매로서 이산화탄소가 충전되어 있고, 필요에 따라 냉동기유도 충전되어 구성된다. 이 냉동 사이클 내의 작동매체에 수분이 도입됨으로써 생성되는 탄산을 제거하기 위해서, 탄산포착제를 충전한 탄산포착제 충전용기(5)를 배관으로 연결하여 설치함으로써, 냉동 사이클의 신뢰성이 확보되고 있다.
다음에, 냉동 사이클장치 내의 이산화탄소 냉매의 흐름을 설명한다. 압축기(1)에 의해서 압축된 이산화탄소 냉매는 초임계상태의 유체가 되고, 토출측배관(6)을 통하여 냉각기(2)에서 방열하며, 임계온도 근방까지 온도가 저하한 초임계상태로 신축장치(4)를 통과한다. 이 단계에서 임계온도 미만의 기액혼합상태가 되어, 증발기(3)에서 흡열 기화하며, 흡입측 배관(7)을 통하여 다시 압축기(1)로 흡입되는 냉동 사이클을 취한다. 이 냉동 사이클 내에, 탄산포착제 충전용기(5)를 배치하게 된다.
본 발명에서는 탄산포착제를 보다 유효하게 작용시키기 위해서, 냉동 사이클 내에서 작동매체의 온도가 이산화탄소의 임계온도 미만이 되는 위치에 설치하는것이 더욱 바람직하다. 그 이유에 대해서 이하에 설명한다.
이산화탄소는 액체상태에서는 약한 극성을 갖지만, 초임계상태에서는 비극성에 가까운 상태가 된다. 따라서, 수분의 도입에 의해서 생성된 탄산은 초임계상태에서는 비이온화 상태의 H2CO3이고 비교적 반응하기 어렵지만, 비초임계(非超臨界)의 액체상태에서는 이온화한 H+·HCO3 -의 비율이 많아져 반응하기 쉽게 되어 있다. 그 때문에, 작동매체가 이산화탄소의 임계온도 미만으로 되어 있는 위치에 탄산포착제를 배치한 쪽이 탄산의 반응흡착에 의한 제거가 행해지기 쉬워진다.
또한, 반응식 1에 나타내는 바와 같이, 탄산의 생성은 평형반응이기 때문에 저온쪽이 탄산을 제거하기 쉽고, 반응식 2에서 반응식 5에 나타내는 바와 같이, 탄산포착제는 온도가 낮은 쪽이 안정되게 포착상태를 유지하기 때문에, 그 점에서도 냉동 사이클에서 임계온도 미만의 위치에 배치하는 것이 효과적이다.
따라서, 도 1에 예시한 냉동 사이클장치의 구성에서는 신축장치(4)와 압축기의 흡입측 배관(7)의 사이에 배치되어 있는 것이 유효하고, 탄산포착제 충전용기(5)를 신축장치(4)와 증발기(3)의 사이에 배치한 경우를 나타내고 있다.
(제 2 실시예)
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에서의 냉동 사이클장치의 구성도이고, 압축기(11), 열교환기(12a), 모세관 혹은 팽창밸브 등의 신축장치(13)와 이들을 연결하는 배관을 갖는 실외유니트(17)와, 공기조절이 이루어지는 부위에 설치되는 열교환기(12b)를 갖는 실내유니트(18)를 접속관 등으로 연결함으로써 냉동 사이클이 구성되어 있다.
도 2의 실외유니트(17)가 4방향밸브 등의 유로전환수단(15)을 갖기 때문에, 열교환기(12a, l2b)는 냉각기로서의 기능과 증발기로서의 기능을 교환할 수 있다.
수분이 도입됨으로써 생성되는 탄산을 제거하기 위해서, 탄산포착제 충전용기(14)는 실외유니트(17) 내의 유로전환수단(15)과 압축기(11)의 흡입측의 저온측 배관(16)에 배치하였다.
이 냉동 사이클장치 내의 이산화탄소 냉매의 흐름은 냉방운전을 하는 경우에는, 압축기(11)에 의해서 압축되어 초임계상태가 된 냉매가 냉각기가 되는 열교환기(12a)에서 방열하여, 신축장치(13)를 통과함으로써 저온의 기액혼합 냉매가 되고, 실내유니트(18) 내의 증발기가 되는 열교환기(l2b)에서 흡열기화하여, 다시 압축기(11)로 흡입되는 사이클을 취한다.
난방운전을 하는 경우에는, 4방향밸브(15)의 회전에 의해 유로가 전환되어, 냉각기로 되는 열교환기(12b)에서 냉각하여, 증발기로 되는 열교환기(12a)에서 증발하는 사이클을 취한다.
도 2에서 탄산포착제 충전용기(14)를 배치하고 있는 위치는 유로전환에 의한 열교환기의 기능전환에 관계없이, 항상 이산화탄소 냉매의 온도는 임계온도 미만이고, 탄산포착을 효과적으로 행할 수 있어 냉동 사이클의 신뢰성이 확보되어 있다.
다른 위치에서는 기능전환에 의해서 작동매체의 온도가 이산화탄소의 임계온도 이상의 고온으로 되는 경우가 있고, 탄산포착제에 포착되어 있는 탄산이 다시 사이클 내로 방출되는 경우도 있다.
또, 도 2의 탄산포착제 충전용기(14)의 구조로서는, 냉매를 액분리하기 위한 어큐뮬레이터의 구조에 탄산포착제를 충전한 것이라도 된다.
(제 3 실시예)
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에서의 냉동 사이클장치의 구성도이고, 압축기(21), 냉각기(22), 모세관 혹은 팽창밸브 등의 신축장치(24), 증발기(23)를 배관에 의해서 연결하여 구성되어 있다. 이 냉동 사이클장치에서는, 신축장치(24) 이전의 온도를 내림으로써 효율을 향상시키기 위해서, 사이클의 고압측과 저압측을 열교환시키는 내부 열교환기(26)가 설치되어 있다.
이 냉동 사이클장치 내의 이산화탄소 냉매의 흐름은 압축기(21)에 의해서 압축되어 초임계상태가 된 냉매는 냉각기(22)에서 방열하고, 또한 내부열교환기(26)에서 냉매를 더욱 냉각하고 나서 신축장치(24)를 통과시킴으로써 저온의 사이클에 이른다. 이 후에, 증발기(23)에서 흡열기화하고 나서 내부 열교환기(26)를 통과하여 다시 압축기(21)로 흡입되는 사이클로 되어 있다.
도 3에서 탄산포착제 충전용기(25)를 배치하고 있는 위치는 유로 내에서 이산화탄소 냉매가 그 임계온도 미만의 저온으로 되는 사이클인 내부열교환기(26)의 증발기측이고, 본 실시예에서는 신축장치(24)와 증발기(23)의 사이에 배치하여 구성하고 있다.
이상, 본 발명의 냉동 사이클장치의 구체적인 실시예에 대하여 세가지 예를 설명하였지만, 작동매체로서 이산화탄소 냉매를 이용한 냉동 사이클장치의 구성은 이들에 한정되는 것은 아니다.
또한, 탄산포착제 충전용기를 설치하는 위치도 상기의 실시예에서 나타낸 구성에 한정되는 것은 아니다. 탄산포착제 충전용기는 냉동 사이클의 작동매체가 이산화탄소의 임계온도 미만으로 되는 위치를 더욱 바람직한 구성으로하여 설명하였지만, 본 발명에서는 냉동 사이클의 유로 내에서 냉각을 위한 냉각기의 기능을 갖게 한 열교환기 이후라도 된다.
또한, 냉동 사이클장치 내에 도입되는 수분이 많은 경우에는, 필요에 따라 건조제를 충전한 드라이어를 장비하는 것도 효과가 있다. 즉, 본 발명에서 이용한 탄산포착제는 수분의 흡착성능이 있거나, 수분을 통해 이산화탄소와 반응하거나 하기 때문에, 소량의 수분이 냉동 사이클에 도입된 경우에는 효과를 발휘하지만, 다량으로 도입된 경우에는 탄산포착제가 비활성화되어 버릴 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명의 냉동 사이클장치에는 작동매체의 냉매로서 이산화탄소가 충전되어 있고, 필요에 따라 압축기에 냉동기유가 봉입되어 구성된다. 냉동기유는 압축기의 접동부(sliding portion)에서의 윤활성을 확보하는 것이다.
냉동기유로서는 비극성유, 유극성유가 있고, 예컨대, 비극성유로서는 광유, 폴리-α-올레핀유, 알킬벤젠유 등과 이들의 혼합유, 유극성유로서는 폴리오르에스테르유, 폴리비닐에테르유, 폴리알킬렌글리콜유, 폴리카보네이트유 등과 이들의 혼합유, 또는 비극성유와 유극성유의 혼합유 등이 있다.
본 발명의 냉동 사이클장치의 작동매체로서 이산화탄소 냉매와 함께 이용하는 경우에는, 윤활성의 면에서는 어느 냉동기유라도 이용할 수 있다. 냉동 사이클 내에 수분이 도입되는 것에 의한 결함을 생각하면, 광유, 폴리-α-올레핀유로 대표되는 비극성유가 바람직하다. 그러나, 냉동 사이클장치에서의 냉동기유는 원래 압축기 내부에서 기능하는 것이며, 압축된 냉매증기와 함께 일부의 냉동기유가 냉동 사이클장치 내부를 순회하는 것이 알려져 있다. 이들 관점에서, 냉매와 냉동기유의 상용성 등의 특성으로부터, 폴리오르에스테르유, 폴리알킬렌글리콜유, 폴리카보네이트유로 대표되는 유극성유를 선택해야 한다.
유극성유를 냉동기유로서 이용하는 경우에는, 냉동기유와 수분과의 친화성 때문에 냉동 사이클장치 내로 수분이 도입되기 쉬어진다. 이 수분은 이산화탄소 냉매와 반응하여 탄산을 생성하게 되고, 또한 생성된 탄산의 영향으로 냉동기유 자체의 가수분해가 촉진되어 버리는 경우가 생기기 때문에, 냉동 사이클장치의 신뢰성을 저하시켜 버릴 우려가 있다.
따라서, 본 발명에서의 탄산포착제를 냉동 사이클의 유로에 장비하는 것의 효과는 이들 유극성유를 작동매체로서 이용하였을 때에 더욱 효과가 발휘되는 것이다.
특히, 이산화탄소 냉매를 이용한 냉동 사이클장치에서의 냉동기유로서 적합한 폴리알킬렌글리콜유에서는, 기름을 분해한 알코올이 냉동 사이클을 폐색할 가능성이 있기 때문에, 본 발명의 구성에 의해서 우수한 효과를 얻을 수 있는 것이다.
또, 압축기에 의한 작동매체의 압축방식으로서는 왕복(reciprocating)레시프로, 로터리, 스크롤, 리니어 등의 각 방식을 적용할 수 있다.
이상 설명한 바로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 작동매체의 냉매로서 이산화탄소를 이용한 냉동 사이클장치에서, 냉동 사이클 중에 수분이 도입되어 유발되는 신뢰성에 관한 과제를 개선한 냉동 사이클장치를 제공할 수 있는 것이다.
즉, 본 발명은 냉매인 이산화탄소와 수분이 반응한 탄산을 냉동 사이클의 작동 매체의 유로에 탄산포착제를 적합한 구성위치에서 장비함으로써, 탄산을 효율적으로 제거할 수 있고, 이산화탄소 냉매의 열화나, 냉동기유의 분해, 금속제 구성부품의 부식 등을 방지할 수 있는 신뢰성이 높은 냉동 사이클장치를 제공할 수 있어, 공업적으로 가치가 크다.

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  10. 작동매체를 압축하는 압축기와, 상기 작동매체를 냉각하는 냉각기와, 상기 작동매체를 감압하는 신축장치와, 상기 작동매체를 기화하는 증발기를 구비하고, 상기 작동매체는 이산화탄소 또는 이산화탄소를 포함하는 혼합냉매를 포함하며, 상기 작동매체의 유로에 탄산을 포착하는 탄산포착제가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 냉동 사이클장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 작동매체의 온도가 임계온도 미만이 되는 상기 작동매체의 유로에 상기 탄산포착제가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 냉동 사이클장치.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 작동매체의 유로를 전환(switching)하는 유로전환장치를 더 구비하고, 상기 유로전환장치와 상기 압축기의 흡입부와의 사이에 상기 탄산포착제가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 냉동 사이클장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 압축기 혹은 상기 냉동 사이클 중에 유극성유를 주된 조성으로 하는 냉동기유가 봉입되어 있는 것을 특징으로 하는 냉동 사이클장치.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 압축기 혹은 상기 냉동 사이클 중에 유극성유를 주된 조성으로 하는 냉동기유가 봉입되어 있는 것을 특징으로 하는 냉동 사이클장치.
  15. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,
    상기 탄산포착제가 알루미노규산 알칼리금속염, 혹은 알루미노규산 알칼리금속염의 알칼리 금속이온이 다른 양이온과 이온교환하여 이루어지는 알루미노규산 금속염 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 냉동 사이클장치.
  16. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,
    상기 탄산포착제는 그 세공직경이 0.35nm 이하인 것을 특징으로 하는 냉동 사이클장치.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 탄산포착제가 알루미노규산 칼륨염, 알루미노규산 나트륨염의 나트륨 이온이 칼륨 이온으로 20% 이상 이온교환하여 이루어지는 알루미노규산 나트륨 칼륨염 또는 알루미노규산 나트륨염의 나트륨 이온이 세슘 이온으로 10% 이상 이온교환하여 이루어지는 알루미노규산 나트륨 세슘염 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 냉동 사이클장치.
  18. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,
    상기 탄산포착제가 알칼리금속산화물, 알칼리토류금속산화물, 탄산알칼리금속염, 탄산알칼리토류 금속염 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉동 사이클 장치
  19. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,
    상기 탄산포착제가 아미노기를 갖는 다공체 또는 입상체인 것을 특징으로 하는 냉동 사이클장치.
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