KR20040055675A - 비공비 혼합 냉매 및 냉동 사이클 및 냉동 장치 - Google Patents

비공비 혼합 냉매 및 냉동 사이클 및 냉동 장치 Download PDF

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무까이야마히로시
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Abstract

본 발명의 과제는 안전하고, 또한 성적계수가 양호한 비공비 혼합 냉매를 제공하는 것, 또한 상기 비공비 혼합 냉매가 순환하는 냉매 사이클 및 냉매 장치를 제공하는 것이다.
산화탄소와 적어도 1종류의 가연성 냉매를 포함하여 온도 글라이드를 갖는 것을 특징으로 하는 비공비 혼합 냉매이다.
응축기, 증발기, 팽창 기구 및 증발기가 냉매 유로에 의해 접속되어 이루어지는 냉매 사이클이며, 상기 비공비 혼합 냉매가 순환되어 이루어지는 냉매 사이클이다.
상기 냉매 사이클을 구비하는 냉동 장치이며, 상기 증발기를 복수개 갖고,
저온 용도의 증발기와 상기 저온 용도보다 높은 고온 용도의 증발기가 직렬로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 냉매 장치이다.

Description

비공비 혼합 냉매 및 냉동 사이클 및 냉동 장치{NON-AZEOTROPE REFRIGERANT AND REFRIGERATING CYCLE AND REFRIGERATING DEVICE}
본 발명은, 냉매 및 냉동 사이클 및 냉동 장치에 관한 것으로, 특히 이산화탄소와 적어도 1종류의 탄화수소를 포함하는 가연성 냉매를 혼합한 비공비 혼합 냉매 및 상기 비공비 혼합 냉매를 이용한 냉동 사이클 및 상기 비공비 혼합 냉매를 이용한 냉동 장치에 관한 것이다.
냉장고, 자동 판매기 및 쇼케이스용 냉동기에는 종래 냉매로서 디클로로디플루오르메탄(CFC－12) 등의 클로로플루오르카본계 냉매나 클로로디플루오르메탄(HCFC－22) 등의 하이드로클로로플루오르카본계 냉매가 다용되고 있었다. 이들 냉매는 대기 중에 방출되어 지구 상공의 오존층에 도달하면 오존층을 파괴하는 문제가 있으므로, 지금까지 냉동기에 사용되어 온 냉매인 클로로플루오르카본계 프론이나 하이드로클로로플루오르카본계 프론이 계속해서 사용 금지 또는 규제되고 있다.
그로 인해, 상기 냉매의 대체 프론으로서, CH2FCF3(HFC－134a) 등의 하이드로플루오르카본계의 것이 사용되도록 되어 왔다. 그러나, HFC 냉매라도 지구 환경 문제 중 또 하나의 과제인 지구 온난화에 대한 영향이 종래의 HCFC 냉매의 HCFC－22(CHClF2)와 같은 정도로 가깝게 되는 문제점이 있다.
이들 문제점을 회피하기 위해 최근에는 냉동 장치의 냉매에 탄화수소계 냉매(HC), 예를 들어 프로판이나 이소부탄 등을 이용하는 것이 실용화되고 있다.그러나, HC 냉매는 가연성이므로 냉동 회로로부터 누출되었을 때, 발화 혹은 폭발의 위험이 있다. 특히 가정용 냉장고의 경우, 때때로 근처에 다양한 열원이 있으므로, 가연성 냉매의 누출은 중대 사고로 이어질 위험성이 있다.
한편, 냉동 장치의 냉매로서 이산화탄소를 사용하는 것이 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 및 2 참조). 이산화탄소는 오존 파괴계수가 제로이고, 또한 온난화계수도 작아 불연성이고 안전하며 저렴하다는 특징을 갖는다.
그러나, 단순한 냉동 사이클에서는 기대와 같이 에너지 소비 효율이나 성적계수를 얻을 수 없게 되는 문제가 있다.
[특허문헌 1]
일본 특허 공개 2002-106989호 공보
[특허문헌 2]
일본 특허 공개 2002-188872호 공보
본 발명은 상기한 문제점에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적은, 예를 들어 냉동 냉장고와 같이 다른 증발 온도가 요구되는 기기에 대해 안전하고, 또한 성적계수가 양호한 비공비 혼합 냉매를 제공하는 것, 또한 상기 비공비 혼합 냉매가 순환하는 냉동 사이클 및 냉동 장치를 제공하는 데 있다.
도1은 비공비 혼합 냉매에 있어서의 냉매 혼합 비율과 온도 글라이드와의 관계를 나타내는 도면.
도2는 비공비 혼합 냉매에 있어서의 냉매 혼합 비율과 성적계수와의 관계를 나타내는 도면.
도3은 본 발명에 있어서의 냉동 사이클의 일예를 나타내는 개념도.
도4는 본 발명에 있어서의 냉동 사이클의 다른 예를 나타내는 개념도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 냉매 유로
100 : 압축기
120 : 방열기
140 : 팽창 기구
160 : 증발기
200 : 건조 장치
300 : 보조 열교환기
본 발명의 상기 목적은 이하에 나타내는 본 발명에 의해 해결된다. 즉, 본 발명은,
<1> 이산화탄소와 적어도 1종류의 가연성 냉매를 포함하여 온도 글라이드를 갖는 것을 특징으로 하는 비공비 혼합 냉매.
<2> 이산화탄소와 적어도 1종류의 탄화수소를 포함하여 온도 글라이드를 갖는 것을 특징으로 하는 비공비 혼합 냉매.
<3> 이산화탄소와 적어도 1종류의 가연성 HFC 냉매를 포함하여 온도 글라이드를 갖는 것을 특징으로 하는 비공비 혼합 냉매.
<4> 압축기, 방열기, 팽창 기구 및 증발기가 냉매 유로에 의해 접속되어 이루어지는 냉동 사이클이며,
<1> 내지 <3> 중 어느 하나에 기재된 비공비 혼합 냉매가 순환되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉동 사이클.
<5> 압축기, 방열기, 팽창 기구 및 증발기가 냉매 유로에 의해 접속되어 이루어지는 냉동 사이클이며,
<1> 내지 <3> 중 어느 하나에 기재된 비공비 혼합 냉매가 순환되어 이루어지고, 상기 증발기의 고압측에 있어서 상기 비공비 혼합 냉매가 초임계 상태가 되는 것을 특징으로 하는 냉동 사이클.
<6> 압축기, 방열기, 팽창 기구 및 증발기가 냉매 유로에 의해 접속되어 이루어지는 냉동 사이클이며,
<1> 내지 <3> 중 어느 하나에 기재된 비공비 혼합 냉매가 순환되어 이루어지고,
상기 증발기의 고압측에 있어서 상기 비공비 혼합 냉매가 초임계 상태가 되고,
증발 온도가 상기 이산화탄소의 3중점인 －56.6 ℃ 이상에서 상기 증발기가 작동하는 것을 특징으로 하는 냉동 사이클.
<7> <4> 내지 <6> 중 어느 하나에 기재된 냉동 사이클을 구비하는 냉동 장치이며,
상기 증발기를 복수개 갖고,
저온 용도의 증발기와 상기 저온 용도보다 높은 고온 용도의 증발기가 직렬로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
<8> 방열기의 출구측으로부터 팽창 기구의 입구측까지의 사이에 형성된 방열측의 냉매 유로와, 상기 증발기의 출구측으로부터 압축기의 입구측까지의 사이에 형성된 증발기측의 냉매 유로 사이에서 열교환을 행하는 보조 열교환기가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 <7>에 기재된 냉동 장치.
이하, 본 발명의 비공비 혼합 냉매 및 냉동 사이클 및 냉동 장치에 대해 설명한다.
<비공비 혼합 냉매>
본 발명의 비공비 혼합 냉매는 이산화탄소와, 적어도 1종류의 가연성 냉매를 포함한다. 가연성 냉매라 함은, 에탄, 프로판, 프로필렌, 부탄, 이소부탄, 펜탄 등의 탄화수소계 가연성 냉매(R32, R152a, R14a 등의 HFC계의 가연성 냉매)를 들 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 냉매는 가연성이지만, 불연성인 이산화탄소와 혼합함으로써 안전성을 향상시킬 수 있다.
비공비 혼합 냉매로서는 이산화탄소에 자연 냉매인 탄화수소 외에 HFC 냉매(인공 냉매 등)를 포함해도 좋지만, 환경 보호의 관점으로부터 이산화탄소와 자연 냉매인 탄화수소만으로 구성되는 것이 바람직하다.
여기서, 비공비 혼합 냉매라 함은, 서로 노점과 비점이 다른 혼합 냉매를 말한다. 그리고, 이러한 비공비 혼합 냉매에 대해 일정 조성, 일정 압력 하에서 증발 및 응축이라는 상 변화를 행하면, 증발 및 응축이 생기는 온도와 종료되는 온도가 달라 상 변화시에 온도차가 생긴다. 이 온도차를 온도 글라이드라 한다.
온도 글라이드를 가지면, 구체적으로는 증발시, 증발기 입구로부터 출구를 향해 온도가 상승한다. 따라서, 예를 들어 냉동 냉장고와 같이 냉동과 냉장에서 다른 증발 온도가 요구되는 기기에 대해서는 증발 개시로부터 중간 부분을 냉동 영역으로 이용하고, 중간 부분으로부터 종료 부분을 냉장 영역으로 이용함으로써 상 변화시의 온도차를 유효하게 이용하는 것이 가능해져 사이클 특성의 개선을 도모할 수 있다.
이상의 점으로부터 비공비 혼합 냉매는 하기와 같은 특징을 갖고 있다. 즉,
① 증발 및 응축 과정에서 온도 및 조성 변화를 갖는다.
② 혼합하는 성분과 혼합 비율을 임의로 선택할 수 있다.
③ 비공비 혼합 냉매의 사용에 의한 사이클 특성 개선은 상 변화시의 온도차의 이용에 의한 개선이다.
도1에 이산화탄소와 프로필렌의 비공비 혼합 냉매를 예로 하여 그 혼합비와온도 글라이드와의 관계를 나타낸다. 또한, 표1에 상기 관계 이외에 그 밖의 특성치를 나타낸다. 도1 및 표1로부터 이산화탄소의 농도가 높아짐에 따라서 온도 글라이드가 커지고, 이산화탄소 농도가 50 질량 ％에서 온도 글라이드가 25.6 ℃로 최고가 된다. 온도 글라이드가 커지면, 큰 온도차를 필요로 하는 냉동 사이클에는 매우 유효해진다.
도1과 같은 온도 글라이드는 이산화탄소와 프로필렌의 비공비 혼합 냉매에 한정되지 않고, 이산화탄소와 다른 냉매의 조합이라도 동일하게 관찰된다.
또한, 특히 이산화탄소와, 이에 1종류 이상의 탄화수소 등의 가연성 냉매를혼합시킴으로써 이산화탄소만을 냉매로 한 경우보다 성적계수(이하,「COP」라는 일이 있음)를 향상시킬 수 있다.
도2 및 이미 서술한 표1에 이산화탄소와 프로필렌의 비공비 혼합 냉매에 있어서의 프로필렌의 혼합 비율과 COP와의 관계를 나타낸다.
도2로부터 냉매가 이산화탄소뿐인 경우, COP는 2.6인 데 반해, 프로필렌의 혼합 비율이 높아짐에 따라서 COP가 향상되는 것이 확인된다. 그리고, 프로필렌의 비율이 40 질량 ％ 이상이고, 프로필렌뿐인 경우와 동등한 COP를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 이러한 비율 이상에서는 R134a와 동등 이상의 COP를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.(표1 참조).
표2에 이산화탄소 냉매, 이산화탄소 및 프로판(R290)의 비공비 혼합 냉매[CO2: R290 ＝ 3 : 7(질량비)], 프로판 냉매, R134a의 COP, 냉동 효과비 등의 특성 등의 비교를 나타낸다.
이미 서술한 프로필렌의 경우와 마찬가지로, 이산화탄소에 프로판을 혼합함으로써 프로판 및 R134a와 동등 이상의 COP를 기대할 수 있다.
COP를 향상시키는 것만을 고려하면, 비공비 혼합 냉매 중 이산화탄소의 질량 ％는 40 내지 90 질량 ％로 하는 것이 바람직하다. 또한, COP의 향상과 온도 글라이드와의 관계도 고려하면, 비공비 혼합 냉매 중 이산화탄소의 질량 ％는 20 내지 80 질량 ％로 하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 특성은 프로필렌이나 프로판에 한정된 것은 아니고, 이산화탄소에 다양한 탄화수소를 비롯한 가연성 냉매를 혼합함으로써도 확인된다.
이러한 특성으로부터 이산화탄소보다 높은 COP를 갖는 가연성 냉매에 이산화탄소를 소정량(40 내지 90 질량 ％) 혼합해도 그 COP가 저하되지 않는 것을 알 수 있다. 따라서, 이산화탄소에 탄화수소 등과 같이 사용량이 미리 제한되어 있는 냉매를 혼합함으로써, 탄화수소 냉매만으로는 적용할 수 없는 절대 능력이 높아 큰 시스템에의 적용이 가능한 비공비 혼합 냉매로 할 수 있다.
또한, 이산화탄소만을 함유시킴으로써, 높은 COP를 유지하면서 가연성 냉매의 가연성을 충분히 경감시킬 수 있다.
<냉동 사이클 및 냉동 장치>
본 발명의 냉동 사이클은 압축기, 방열기, 팽창 기구 및 증발기가 냉매 유로에 의해 접속되어 이루어지고, 이미 서술한 본 발명의 비공비 혼합 냉매를 이들에 순환시켜 이루어진다.
본 발명의 냉동 사이클의 일예인 개념도를 도3에 도시한다. 도3에 도시한 바와 같이, 상기 냉동 사이클은 압축기(100), 방열기(120), 팽창 기구(140), 증발기(160), 4방 밸브(180), 건조 장치(200)를 포함하고, 이들이 실선으로 나타내는 냉매 유로(냉매 배관)(10)에서 접속되어 있다. 또한, 도3 중 실선 및 파선의 화살표는 각각 냉매가 흐르는 방향을 나타내고, 실선의 화살표는 통상의 냉각을 행하는 경우를, 파선의 화살표는 제상 혹은 난방을 행하는 경우를 나타낸다.
건조 장치(200)는, 도3에서는 팽창 기구(140)와 방열기(120) 사이에 설치하고 있는 예를 나타내고 있지만, 이 위치뿐만 아니라 조건에 따라서는 저압측의 위치에 설치해도 좋다.
예를 들어, 고 내를 냉각하는 경우, 압축기(100)에서 압축된 고온 고압의 냉매 가스는 4방 밸브(180)를 통해 방열기(120)에서 냉각되어 저온 고압의 냉매액이 된다. 이 냉매액은 팽창 기구(140)(예를 들어, 캐필러리 튜브, 온도식 팽창 밸브 등)에서 감압되어 약간 가스를 포함하는 저온 저압액이 되어 증발기(160)에 이르고, 실내의 공기로부터 열을 얻어 증발하고, 다시 4방 밸브(180)를 통해 압축기(100)에 이르러 고 내를 냉각한다.
증발기를 제상 혹은 난방하는 경우에는 4방 밸브(180)를 냉매가 파선을 통과하도록 절환하여 냉매의 흐름을 냉방의 경우와는 역방향으로 바꾸면 된다. 냉매의 흐름을 역방향으로 절환함으로써, 증발기(160)가 방열기로 절환되어 제상 혹은 난방이 가능해진다.
도3에 도시하는 냉동 사이클에서는 증발기(160)의 고압측(특히, 입구측)에 있어서 상기 공비 혼합 냉매가 초임계 상태가 되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 증발기(160)의 고압측에 있어서 상기 비공비 혼합 냉매가 초임계 상태가 되는 경우, 비공비 혼합 냉매 중 이산화탄소의 3중점인 －56.6 ℃ 이상의 증발 온도에서 증발기(160)가 작동하도록 설정하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 냉동 사이클은 방열기를 실외측 열교환기, 또한 증발기를 실내측 열교환기라 하면, 냉난방형의 공기 조화기에도 적용할 수 있지만, 주로 냉동 장치에 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 가정용 냉동 냉장고와 같이, 보다 저온을 필요로 하는 영역(예를 들어, 냉동실)과, 어느 정도의 저온을 필요로 하는 영역(예를 들어, 냉장실)이 있는 냉동 장치에 적용하는 것이 바람직하다.
여기서, 실용에 이바지하는 온도 글라이드로서는, 20 내지 30 ℃인 것이 바람직하다.
또한, 비교적 큰 냉동 장치에도 적용할 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소 히트 펌프 급탕기용 히트 펌프 유닛, 이산화탄소 히트 펌프 급탕 및 난방기용 히트 펌프 유닛, 이산화탄소 자동 판매기의 냉동 사이클, 이산화탄소 냉매 냉동 기기용 냉동 사이클에 적용할 수 있다.
냉동 장치에 이미 서술한 냉동 사이클을 적용하는 경우, 복수개의 증발기 중 저온 용도의 증발기와, 비교적 고온 용도의 증발기를 직렬로 설치한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 이산화탄소를 포함하는 비공비 혼합 냉매의 경우, 제1 증발기에서 저비점 냉매가 많이 증발하므로 저온을 얻을 수 있고, 이를 냉동에 이용하여 제2 증발기에서 고비점 냉매가 많이 증발하기 때문에 비교적 고온을 얻을 수 있으므로 이를 냉장에 사용할 수 있다.
도3에 도시하는 냉동 사이클을 도4에 도시한 바와 같이 변경하여 냉동 장치에 적용해도 좋다.
즉, 도4에 도시한 냉동 사이클은 본 발명의 비공비 혼합 냉매가 화살표 A방향으로 순환하는 경우에, 방열기(120)의 출구측으로부터 팽창 기구(140)의 입구측까지의 사이에 형성된 방열기(120)측의 냉매 유로(10)와, 증발기(160)의 출구측으로부터 압축기(100)의 입구측까지의 사이에 형성된 증발기(160)측의 냉매 유로(10) 사이에서 열교환을 행하는 보조 열교환기(300)가 배치된 구성으로 되어 있다.
도4에 도시한 바와 같이, 보조 열교환기(300)를 배치함으로써 냉동 효과를 크게 하는 것이 가능해진다.
이상과 같이, 본 발명의 비공비 혼합 냉매의 온도 글라이드를 이용함으로써 원하는 온도로 효율적으로 설정할 수 있다. 또한, 증발기를 복수 직렬로 설치함으로써 팽창 밸브를 복수 설치할 필요가 없어져 비용 삭감을 도모할 수 있다. 또한, 심플한 배관으로 할 수 있으므로, 냉동 제어를 간략화할 수 있다.
이상, 본 발명에 따르면, 안전하고, 또한 성적계수가 양호한 비공비 혼합 냉매를 제공하는 것이 가능하고, 이러한 비공비 혼합 냉매를 사용함으로써 성적계수가 높은 냉동 사이클 및 냉동 장치를 제공할 수 있다.

Claims (8)

  1. 이산화탄소와 적어도 1종류의 가연성 냉매를 포함하여 온도 글라이드를 갖는 것을 특징으로 하는 비공비 혼합 냉매.
  2. 이산화탄소와 적어도 1종류의 탄화수소를 포함하여 온도 글라이드를 갖는 것을 특징으로 하는 비공비 혼합 냉매.
  3. 이산화탄소와 적어도 1종류의 가연성 HFC 냉매를 포함하여 온도 글라이드를 갖는 것을 특징으로 하는 비공비 혼합 냉매.
  4. 압축기, 방열기, 팽창 기구 및 증발기가 냉매 유로에 의해 접속되어 이루어지는 냉동 사이클이며,
    제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 비공비 혼합 냉매가 순환되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉동 사이클.
  5. 압축기, 방열기, 팽창 기구 및 증발기가 냉매 유로에 의해 접속되어 이루어지는 냉동 사이클이며,
    제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 비공비 혼합 냉매가 순환되어 이루어지고, 상기 증발기의 고압측에 있어서 상기 혼합 냉매가 초임계 상태가 되는것을 특징으로 하는 냉동 사이클.
  6. 압축기, 방열기, 팽창 기구 및 증발기가 냉매 유로에 의해 접속되어 이루어지는 냉동 사이클이며,
    제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 비공비 혼합 냉매가 순환되어 이루어지고,
    상기 증발기의 고압측에 있어서 상기 비공비 혼합 냉매가 초임계 상태가 되고,
    증발 온도가 상기 이산화탄소의 3중점인 －56.6 ℃ 이상에서 상기 증발기가 작동하는 것을 특징으로 하는 냉동 사이클.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 냉동 사이클을 구비하는 냉동 장치이며,
    상기 증발기를 복수개 갖고,
    저온 용도의 증발기와 상기 저온 용도보다 높은 고온 용도의 증발기가 직렬로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
  8. 제7항에 있어서, 방열기의 출구측으로부터 팽창 기구의 입구측까지의 사이에 형성된 방열측의 냉매 유로와, 상기 증발기의 출구측으로부터 압축기의 입구측까지의 사이에 형성된 증발기측의 냉매 유로 사이에서 열교환을 행하는 보조 열교환기가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
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