WO2009154149A1 - 非共沸混合冷媒及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Definitions

  • hydrofluoroolefins also referred to as fluoroalkenes
  • fluoroalkenes have become promising alternative refrigerants (see, for example, Patent Document 2).
  • This hydrofluoroolefin has a characteristic that the global warming potential is small because of its low chemical stability compared to HFC-based refrigerants.
  • the global warming potential of R410A one of the HFC refrigerants, is about 2000 times the global warming potential of carbon dioxide, whereas the global warming potential of hydrofluoroolefins is It is about 4 times the global warming potential.
  • Hydrofluoroolefin also has a characteristic that its pressure is comparable to that of conventional HFC refrigerants.
  • non-azeotropic refrigerants that do not contain tetrafluoropropene have stable chemical properties, so if the operating conditions and load conditions of the refrigeration cycle equipment are constant, non-azeotropic mixing circulates in the refrigeration cycle.
  • An efficient operation can be executed without changing the refrigerant composition of the refrigerant.
  • the refrigerant composition of the non-azeotropic refrigerant mixture circulating in the refrigeration cycle changes. It is necessary to adjust the refrigerant flow rate by controlling the refrigeration cycle according to the refrigerant composition, for example, by controlling the rotation speed of the compressor or opening the expansion valve.
  • the conventional refrigeration cycle apparatus has a problem that an optimum operation according to the refrigerant composition cannot be maintained because no means for detecting the refrigerant composition of the refrigerant circulating in the refrigeration cycle is provided.
  • the refrigerant composition of the refrigerant circulating in the refrigeration cycle changes, and the composition ratio of the high-boiling-point refrigerant in the low-pressure circuit becomes high, resulting in a negative pressure in the low-pressure circuit.
  • the refrigerant composition of the refrigerant circulating in the refrigeration cycle changes due to refrigerant leakage during use of the refrigeration cycle or malfunction due to refrigerant filling, this refrigerant composition abnormality cannot be detected, and safety and reliability Will be lowered.
  • the necessity of detecting the refrigerant composition is further increased.
  • a high-boiling refrigerant and a low-boiling refrigerant are predetermined in a refrigeration cycle in which a compressor, a condenser, a first decompressor, a gas-liquid separator, a second decompressor, and an evaporator are sequentially connected.
  • the pressure of the non-azeotropic refrigerant mixture becomes 0.00 MPa.
  • a control device for adjusting the saturated vapor phase line to be ⁇ 45 ° C. or lower is provided.
  • the compressor 1 sucks the refrigerant flowing through the refrigerant pipe 15 and compresses the refrigerant to bring it into a high temperature / high pressure state.
  • the condenser 2 condenses the refrigerant by exchanging heat between the refrigerant conducted through the refrigerant pipe 15 and the fluid (air, water, refrigerant, etc.).
  • the first decompression device 3 decompresses and expands the refrigerant that is conducted through the refrigerant pipe 15.
  • the first pressure reducing device 3 may be constituted by an electronic expansion valve, for example.
  • the gas-liquid separator 4 separates the inflowing refrigerant into a gas refrigerant and a liquid refrigerant.
  • the auxiliary condenser 13 exchanges heat between the refrigerant and the fluid (air, water, refrigerant, etc.) conducted through the refrigerant pipe 15 to condense the refrigerant and assist the condenser 2.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the flow of processing when the opening degree of the first pressure reducing device 3 is adjusted based on the pressure information from the pressure detection unit 10. Based on FIG. 6, the flow of a specific process for adjusting the opening degree of the first decompression device 3, which is a feature of the refrigeration cycle apparatus 100b according to the fourth embodiment, will be described. As described above, the control device 20 determines whether or not the low-pressure circuit becomes negative pressure based on information from the pressure detection unit 10, and adjusts the opening of the first pressure reducing device 3 based on the determination result. Yes.

Abstract

　高沸点冷媒であるテトラフルオロプロペンを含有する非共沸混合冷媒、及び、高沸点冷媒であるテトラフルオロプロペンを含有する非共沸混合冷媒を冷凍サイクルに循環させ、低圧回路が負圧になることを未然に防止するようにした冷凍サイクル装置を提供する。 　非共沸混合冷媒は、減圧装置から圧縮機に至るまでの低圧回路において、圧力０．００ＭＰａとなる飽和気相線が－４５℃以下になるように高沸点冷媒及び低沸点冷媒の混合割合が決定されることを特徴とする。

Description

非共沸混合冷媒及び冷凍サイクル装置
　本発明は、冷凍サイクルに循環させる非共沸混合冷媒及び冷凍サイクルを利用した冷凍サイクル装置に関するものであり、特に信頼性が高く、効率のよい運転が実行可能な非共沸混合冷媒及び冷凍サイクル装置に関するものである。
　従来から、非共沸混合冷媒を冷凍サイクルに循環させるようにした冷凍サイクル装置が存在する（たとえば、特許文献１参照）。
　一方、冷凍サイクル装置に使用する冷媒には、オゾン層保護の観点から、塩素を含む冷媒、たとえばＣＦＣ（Ｃｈｌｏｒｏ　ｆｌｕｏｒｏ　ｃａｒｂｏｎ）－１２やＨＣＦＣ（Ｈｙｄｒｏ　Ｃｈｌｏｒｏ　ｆｌｕｏｒｏ　ｃａｒｂｏｎ）２２等に代えて、主に炭素、水素及びフッ素のみで構成されるＨＦＣ系冷媒（たとえば、ＨＦＣ（Ｈｙｄｒｏ　ｆｌｕｏｒｏ　ｃａｒｂｏｎ）１３４ａや、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７ｃ等）が広く用いられている。しかしながら、近年の地球環境問題に対する更なる関心の高まりから地球温暖化係数の大きなＨＦＣ系冷媒の使用も避けられつつあり、ＨＦＣ系冷媒から地球温暖化係数の小さな冷媒（低ＧＷＰ冷媒）への代替化が検討されている。なお、地球温暖化係数とは、二酸化炭素の温室効果を基準にした温室効果の度合いを示す値である。
　そのようなものとして、ハイドロフルオロオレフィン（フルオロアルケンとも称される）が、代替冷媒の有力候補となっている（たとえば、特許文献２参照）。このハイドロフルオロオレフィンは、ＨＦＣ系冷媒と比較して化学的安定性が低いことから地球温暖化係数が小さいという特性を有している。ＨＦＣ系冷媒の１つであるＲ４１０Ａの地球温暖化係数は、二酸化炭素の地球温暖化係数と比較して２０００倍程度であるのに対し、ハイドロフルオロオレフィンの地球温暖化係数は、二酸化炭素の地球温暖化係数と比較して４倍程度である。また、ハイドロフルオロオレフィンは、圧力も従来のＨＦＣ系冷媒並みであるという特性も有している。
特開昭６１－６５４６号公報（第２頁、第２図） 特表２００６－５１２４２６号公報（第１１頁）
　一般に広く使用されている低温用途の冷凍サイクル装置では、冷媒の蒸発温度を－４５℃程度まで使用する。そのため、沸点が－２９℃と高沸点冷媒であるハイドロフルオロオレフィンの１種類であるテトラフルオロプロペンを単一の作動流体として用いると、冷凍サイクル装置の低圧側の回路、つまり減圧装置から圧縮機に至るまでの回路（以下、単に低圧回路と称する）が負圧になってしまう。なお、参考として、Ｒ４０４Ａの沸点は、－４６．６℃であり、Ｒ４１０Ａの沸点は、－５１．６℃である。また、低温用途の冷凍サイクル装置でなくても、低外気（たとえば、気温－１０℃）の暖房運転においても、蒸発温度が－４５℃程度まで低下することがあり、この場合も低圧回路が負圧になってしまう。
　このことから、テトラフルオロプロペンを含んだ非共沸混合冷媒を用いる場合、その組成比率によっては、冷凍サイクル装置の低圧回路が負圧になってしまうという問題が生じる。冷凍サイクル装置の低圧回路が負圧になると、配管亀裂やフレア・フランジ接続部の緩み等に不具合が生じた場合、空気や水分が低圧回路内に吸い込まれてしまうことになる。ところで、テトラフルオロプロペンは、上述したように、低ＧＷＰ冷媒（ＧＷＰ＝４程度）といわれ、化学的安定性が低く、空気や水分により、容易に分解することが知られている。
　したがって、テトラフルオロプロペンは、冷凍サイクル内に吸い込まれた空気や水分により、容易に分解し、冷媒としての機能を果たさないものになる。つまり、テトラフルオロプロペンが化学的に分解されると、テトラフルオロプロペンとは異なる異物や不純物ガス（以下、スラッジという）となってしまうのである。冷凍サイクル内においてスラッジが増加すると、回路を詰まらせることになったり、圧縮機内部の摺動部を劣化させてしまったりすることになり、冷凍サイクル装置の運転に不具合を発生させることになりかねない。
　このような不具合が冷凍サイクル装置に発生すると、冷凍サイクル内に混入した水分やスラッジをすべて排除しなければならないことになる。つまり、冷凍サイクル内をすべて洗浄したり、あるいは冷凍サイクルを構成している設備のすべてを交換したりすることで冷凍サイクル装置を復旧させなければならないことになる。したがって、単純なメンテナンス作業で冷凍サイクル装置の復旧をすることができず、復旧に要する手間、費用及び時間を多く要することになるという問題が生じる。
　また、テトラフルオロプロペンを含まない非共沸混合冷媒は、化学的性質が安定しているため、冷凍サイクル装置の運転条件や負荷条件が一定であれば、冷凍サイクル内を循環する非共沸混合冷媒の冷媒組成が変化することがなく、効率の良い運転を実行することができる。ところが、冷凍サイクル装置の運転条件や負荷条件が変化、特に低圧気液分離器内に貯溜される冷媒量が変化すると、冷凍サイクル内を循環する非共沸混合冷媒の冷媒組成が変化し、この冷媒組成に応じた冷凍サイクルの制御、たとえば圧縮機の回転数制御や膨張弁の開度制御による冷媒流量の調整が必要となる。
　しかしながら、従来の冷凍サイクル装置では、冷凍サイクルを循環している冷媒の冷媒組成を検知する手段を設けていないため、冷媒組成に応じた最適な運転が維持できないという問題があった。最悪の場合、冷凍サイクル内を循環する冷媒の冷媒組成が変化し、低圧回路内の高沸点冷媒の組成比率が高くなって低圧回路内が負圧になってしまうことになる。また、冷凍サイクル使用中の冷媒漏れ、あるいは冷媒充填時の誤動作で冷凍サイクルを循環している冷媒の冷媒組成が変化した場合にも、この冷媒組成の異常を検知できず、安全性及び信頼性が低くなってしまうことになる。このような冷凍サイクル装置に、分解しやすいテトラフルオロプロペンを含有させた冷媒を使用する場合、冷媒組成の検知の必要性が更に高くなる。
　本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、高沸点冷媒であるテトラフルオロプロペンを含有する非共沸混合冷媒、及び、高沸点冷媒であるテトラフルオロプロペンを含有する非共沸混合冷媒を冷凍サイクルに循環させ、低圧回路が負圧になることを未然に防止するようにした冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
　本発明に係る非共沸混合冷媒は、少なくとも圧縮機、凝縮器、減圧装置及び蒸発器で構成される冷凍サイクルに循環させる高沸点冷媒であるテトラフルオロプロペンと低沸点冷媒とを所定の割合で混合した非共沸混合冷媒であって、前記減圧装置から前記圧縮機に至るまでの低圧回路において、圧力０．００ＭＰａとなる飽和気相線が－４５℃以下になるように前記高沸点冷媒及び前記低沸点冷媒の混合割合が決定されることを特徴とする。
　本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、第１減圧装置、気液分離器、第２減圧装置及び蒸発器を順次接続した冷凍サイクルに、高沸点冷媒と低沸点冷媒とを所定の割合で混合した非共沸混合冷媒を循環させる冷凍サイクル装置であって、前記第２減圧装置から前記圧縮機に至るまでの低圧回路において、前記非共沸混合冷媒の圧力０．００ＭＰａとなる飽和気相線が－４５℃以下になるように調整する制御装置を備えたことを特徴とする。
　本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、受液器、減圧装置、蒸発器及び低圧気液分離器を順次接続した冷凍サイクルに、高沸点冷媒と低沸点冷媒とを所定の割合で混合した非共沸混合冷媒を循環させる冷凍サイクル装置であって、前記減圧装置から前記圧縮機に至るまでの低圧回路において、前記非共沸混合冷媒の圧力０．００ＭＰａとなる飽和気相線が－４５℃以下になるように調整する制御装置を備えたことを特徴とする。
　本発明に係る非共沸混合冷媒によれば、減圧装置から圧縮機に至るまでの低圧回路において、圧力０．００ＭＰａとなる飽和気相線が－４５℃以下になるように所定の割合で高沸点冷媒及び低沸点冷媒が混合されて構成されているので、低圧回路における負圧の発生を防止することができる。
　本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、作動流体として高沸点冷媒と低沸点冷媒とを混合した非共沸混合冷媒を使用し、冷凍サイクル装置における低圧回路（第２減圧装置から圧縮機にいたるまでの回路）における非共沸混合冷媒の圧力０．００ＭＰａ（ゲージ圧）となる飽和気相線が－４５℃以下になるように調整しているので、低圧回路が負圧になることを抑制でき、信頼性の高い運転を維持できる。
　本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、作動流体として高沸点冷媒と低沸点冷媒とを混合した非共沸混合冷媒を使用し、冷凍サイクル装置における低圧回路（減圧装置から圧縮機にいたるまでの回路）における非共沸混合冷媒の圧力０．００ＭＰａ（ゲージ圧）となる飽和気相線が－４５℃以下になるように決定しているので、低圧回路が負圧になることを抑制でき、信頼性の高い運転を維持できる。
冷凍サイクル装置の作動流体として使用する非共沸混合冷媒の一定温度・一定圧力における平衡状態を示す三角座標である。 図１における作動流体の混合割合を示す表である。 実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す概略構成図である。 実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す概略構成図である。 実施の形態４に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す概略構成図である。 圧力検知部からの圧力情報に基づいて第１減圧装置の開度が調整される際における処理の流れを示すフローチャートである。 実施の形態５に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す概略構成図である。 圧力検知部からの圧力情報に基づいて第１減圧装置の開度が調整される際における処理の流れを示すフローチャートである。
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．　
　図１は、冷凍サイクル装置の作動流体として使用する非共沸混合冷媒の一定温度・一定圧力における平衡状態を示す三角座標である。図２は、図１における作動流体の混合割合を示す表である。図１及び図２に基づいて、低沸点冷媒であるジフルオロメタン（Ｒ３２）とペンタフルオロエタン（Ｒ１２５）、及び、高沸点冷媒であるハイドロフルオロオレフィンの１種類であるテトラフルオロプロペンの３種のフロン類の混合物によって構成される作動流体の、一定温度・一定圧力における平衡状態について説明する。
　図１においては、三角形の各頂点に、上側頂点を基点として反時計回りにテトラフルオロプロペン、Ｒ３２、Ｒ１２５の順に単一物質を配置、つまり紙面上側頂点にテトラフルオロプロペン、紙面左側頂点にＲ３２、紙面右側頂点にＲ１２５を配置しており、座標平面上のある点における各成分の組成比（質量比）は、点と三角形の各辺との距離の比で表される。この場合、点と三角形の辺との距離は、辺に相対する側にある三角座標の頂点に記された物質の組成比に対応している。
　図１に示す線Ａは、温度－４５℃・圧力０．００ＭＰａ（ゲージ圧）となる飽和液相線を表す気液平衡線である。線Ａ上にある各点（Ａ１～Ａ６）における作動流体の混合割合は、図２に示す表に示している。図２に示すように、作動流体の割合をＲ３２［％］／Ｒ１２５［％］／テトラフルオロプロペン［％］で表すと、Ａ１：０．０／８１．０／１９．０、Ａ２：１０．０／６０．０／３０．０、Ａ３：２０．０／４０．０／４０．０、Ａ４：２７．３／２７．３／４５．４、Ａ５：４０．０／６．０／５４．０、Ａ６：４４．０／０．０／５６．０となっている。なお、図１に示す％は、質量％を表しているものとする。
　また、図１に示す線Ｂは、温度－４５℃・圧力０．００ＭＰａとなる飽和気相線を表す気液平衡線である。線Ｂ上にある各点（Ｂ１～Ｂ６）における作動流体の混合割合は、図２に示す表に示している。図２に示すように、作動流体の割合をＲ３２［％］／Ｒ１２５［％］／テトラフルオロプロペン［％］で表すと、Ｂ１：０．０／９２．２／７．８、Ｂ２：１５．１／７２．２／１２．７、Ｂ３：３０．９／５１．６／１７．５、Ｂ４：４２．６／３７．１／２０．４、Ｂ５：６４．９／９．１／２６．０、Ｂ６：７２．４／０．０／２７．６となっている。そして、線Ａと線Ｂとの間の領域は、二相域を示しているものとする。
　図１及び図２から、作動流体の蒸発温度が－４５℃で使用され、冷凍サイクル装置の低圧回路が負圧にならないようにするには、圧力０．００ＭＰａとなる飽和気相線を－４５℃以下にする組成範囲が必要とされることが分かる。つまり、図１の線Ｂの下側の組成範囲で混合割合を決定する必要がある。したがって、冷凍サイクル装置に使用する作動流体として、高沸点冷媒と、低沸点冷媒と、を図１の線Ｂの下側の組成範囲で２種以上の非共沸混合冷媒を混合した冷媒とすることによって、圧力０．００ＭＰａとなる飽和気相線を－４５℃以下とすることができる。そして、このような冷媒を作動流体として冷凍サイクル装置に使用することで、冷凍サイクル装置の低圧回路が負圧になることを未然に防止（抑制）でき、信頼性の高い運転を維持できる。
　なお、実施の形態１では、高沸点冷媒がテトラフルオロプロペンである場合を例に説明したが、その中でも特に２，３，３，３－テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ－１２３４ｙｆ）を冷媒として用いることが望ましい。また、この実施の形態１では、低沸点冷媒がＲ３２又はＲ１２５、あるいは、Ｒ３２及びＲ１２５である場合を例に説明したが、これに限定するものではない。たとえば、沸点が－４７℃であるＲ１４３ａ（１，１，１－トリフルオロエタン）などの他の低沸点冷媒を用いてもよい。このような低沸点冷媒を、高沸点冷媒であるテトラフルオロプロペンと混合することによっても同様の効果が得られる。
実施の形態２．
　図３は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１００の冷媒回路構成を示す概略構成図である。図３に基づいて、冷凍サイクル装置１００の構成及び動作について説明する。この冷凍サイクル装置１００は、高沸点冷媒（テトラフルオロプロペン）と低沸点冷媒（たとえば、Ｒ３２又はＲ１２５、あるいは、Ｒ３２及びＲ１２５等）とを混合した非共沸混合冷媒を作動流体として循環させる冷凍サイクルを利用して、冷房運転あるいは暖房運転を行なうものである。なお、図３を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
　図３に示すように、冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１と、凝縮器２と、第１減圧装置３と、気液分離器４と、補助凝縮器１３と、第２減圧装置５と、蒸発器６と、を冷媒配管１５で順次直列に接続して構成されている。また、冷凍サイクル装置１００では、気液分離器４の液部から取り出した冷媒を圧縮機１の中間圧部に注入する中間圧インジェクション回路７を形成している。つまり、中間圧インジェクション回路７は、気液分離器４と圧縮機１とを接続することで形成されている。この中間圧インジェクション回路７には、第３減圧装置８を設けている。
　圧縮機１は、冷媒配管１５を流れる冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態とするものである。凝縮器２は、冷媒配管１５を導通する冷媒と流体（空気や水、冷媒等）との間で熱交換を行ない、冷媒を凝縮するものである。第１減圧装置３は、冷媒配管１５を導通する冷媒を減圧して膨張させるものである。この第１減圧装置３は、たとえば電子膨張弁等で構成するとよい。気液分離器４は、流入した冷媒を、ガス冷媒と液冷媒とに分離するものである。補助凝縮器１３は、冷媒配管１５を導通する冷媒と流体（空気や水、冷媒等）との間で熱交換を行ない、冷媒を凝縮し、凝縮器２を補助するものである。
　第２減圧装置５は、冷媒配管１５を導通する冷媒を減圧して膨張させるものであり、通常は蒸発器６の出口スーパーヒート（乾き度）を一定に維持するように開度が制御される。この第２減圧装置５は、たとえば電子膨張弁等で構成するとよい。蒸発器６は、冷媒配管１５を導通する冷媒と流体との間で熱交換を行ない、その冷媒を蒸発するものである。中間圧インジェクション回路７は、気液分離器４と圧縮機１とを接続し、気液分離器４の液部から取り出した冷媒を圧縮機１の中間圧部に注入するものである。第３減圧装置８は、中間圧インジェクション回路７を導通する冷媒を減圧して膨張させるものであり、通常は過冷却熱交換器９の液出口過冷却度を一定に維持するように開度が制御される。この第３減圧装置８は、たとえば電子膨張弁等で構成するとよい。
　ここで、冷凍サイクル装置１００の動作について説明する。
　冷凍サイクル装置１００が運転を開始すると、まず圧縮機１が駆動される。そして、圧縮機１で圧縮された高温・高圧のガス冷媒は、圧縮機１から吐出され凝縮器２に流入する。この凝縮器２では、流入したガス冷媒が、流体に放熱しながら凝縮し、低温・高圧の冷媒となる。この冷媒は、凝縮器２から流出し、第１減圧装置３で減圧され、気液二相冷媒となる。そして、この気液二相冷媒は、気液分離器４に流入する。この気液分離器４内に溜まった液冷媒は、高沸点冷媒であるテトラフルオロプロペンの成分比率が大きい高沸点冷媒リッチな冷媒となる。
　中間圧インジェクション回路７は、気液分離器４に貯留されている高沸点冷媒リッチな液冷媒のみを取り出す。この高沸点冷媒リッチな液冷媒は、第３減圧装置８で減圧され、膨張してから、圧縮機１の中間圧部に注入される。一方、気液分離器４の出口側における冷媒は、低沸点冷媒リッチな冷媒となる。この低沸点冷媒リッチな冷媒は、補助凝縮器１３に流入し、この補助凝縮器１３で流体に放熱しながら凝縮液化する。この冷媒は、補助凝縮器１３から流出し、第２減圧装置５で減圧される。
　第２減圧装置５で減圧された冷媒は、蒸発器６に流入する。蒸発器６に流入した冷媒は、流体から吸熱することで、蒸発ガス化する。この冷媒は、蒸発器６から流出し、圧縮機１に再度吸入される。そして、圧縮機１では、蒸発器６から流出した低沸点冷媒リッチなガス冷媒が、中間圧インジェクション回路７に導かれ、第３減圧装置８で減圧された高沸点冷媒リッチな液冷媒とともに再び圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出され、凝縮器２に送り込まれる。
　このように冷凍サイクル装置１００を構成することで、冷凍サイクル装置１００の低圧回路の冷媒を低沸点冷媒リッチな組成とすることができる。冷凍サイクル装置１００では、第１減圧装置３及び第２減圧装置５の開度を制御することで、気液分離器４内の圧力を可変できるようになっている。そして、気液分離器４内の圧力を低くするほど、気液分離器４内に溜まった液冷媒は、高沸点冷媒である高沸点冷媒リッチな冷媒となり、気液分離器４の出口側、つまり低圧回路における冷媒は、低沸点冷媒リッチな冷媒となる。
　すなわち、冷凍サイクル装置１００では、気液分離器４内の圧力を調整することによって、中間圧インジェクション７を導通する冷媒の組成割合、及び、低圧回路を導通する冷媒の組成割合を所望の割合となるように変化させることができるのである。したがって、冷凍サイクル装置１００の低圧回路における作動流体の圧力０．００ＭＰａとなる飽和気相線が－４５℃以下になる組成にでき、低圧回路が負圧になることを未然に防止でき、信頼性の高い運転を維持できる。なお、この冷凍サイクル装置１００に、実施の形態１で説明した非共沸混合冷媒を用いれば、更に高精度に冷媒の組成割合を調整することができる。
実施の形態３．
　図４は、本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置１００ａの冷媒回路構成を示す概略構成図である。図４に基づいて、冷凍サイクル装置１００ａの構成及び動作について説明する。この冷凍サイクル装置１００ａは、高沸点冷媒（テトラフルオロプロペン）と低沸点冷媒（たとえば、Ｒ３２又はＲ１２５、あるいは、Ｒ３２及びＲ１２５等）とを混合した非共沸混合冷媒を作動流体として循環させる冷凍サイクルを利用して、冷房運転あるいは暖房運転を行なうものである。なお、実施の形態３では、実施の形態２と同一部分には同一符号を付し、実施の形態２との相違点を中心に説明するものとする。
　冷凍サイクル装置１００ａの構成は、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１００の構成と基本的に同様であるが、過冷却熱交換器９の設置及び中間圧インジェクション回路７ａの構成で相違している。この中間圧インジェクション回路７ａは、気液分離器４と圧縮機１とを、第３減圧装置８及び過冷却熱交換器９を介して接続することで、気液分離器４の液部から取り出した冷媒を圧縮機１の中間圧部に注入するように形成されている。また、過冷却熱交換器９は、気液分離器４と第２減圧装置５との間を導通する冷媒と、第３減圧装置８と圧縮機１との間を導通する冷媒と、を熱交換させるものである。つまり、過冷却熱交換器９は、第３減圧装置８で減圧され、膨張された冷媒によって、気液分離器４の出口から流出した冷媒を液化させ、さらに過冷却させる機能を有している。
　ここで、冷凍サイクル装置１００ａの動作について説明する。
　冷凍サイクル装置１００ａが運転を開始すると、まず圧縮機１が駆動される。そして、圧縮機１で圧縮された高温・高圧のガス冷媒は、圧縮機１から吐出され凝縮器２に流入する。この凝縮器２では、流入したガス冷媒が、流体に放熱しながら凝縮し、低温・高圧の冷媒となる。この冷媒は、凝縮器２から流出し、第１減圧装置３で減圧され、気液二相冷媒となる。そして、この気液二相冷媒は、気液分離器４に流入する。この気液分離器４内に溜まった液冷媒は、高沸点冷媒であるテトラフルオロプロペンの成分比率が大きい高沸点冷媒リッチな冷媒となる。
　中間圧インジェクション回路７ａは、気液分離器４に貯留されている高沸点冷媒リッチな液冷媒のみを取り出す。この高沸点冷媒リッチな液冷媒は、第３減圧装置８で減圧され、膨張してから、過冷却熱交換器９に流入する。過冷却熱交換器９に流入した冷媒は、気液分離器４の出口から流出した冷媒と熱交換し、この冷媒を液化させ、さらに過冷却させる。気液分離器４の出口から流出した冷媒を過冷却した冷媒は、過冷却熱交換器９から流出して、圧縮機１の中間圧部に注入される。
　一方、気液分離器４の出口側における冷媒は、低沸点冷媒リッチな冷媒となる。この低沸点冷媒リッチな冷媒は、過冷却熱交換器９に流入して過冷却される。この冷媒は、過冷却熱交換器９から流出し、第２減圧装置５で減圧される。第２減圧装置５で減圧された冷媒は、蒸発器６に流入する。蒸発器６に流入した冷媒は、流体から吸熱することで、蒸発ガス化する。この冷媒は、蒸発器６から流出し、圧縮機１に再度吸入される。そして、圧縮機１では、蒸発器６から流出した低沸点冷媒リッチなガス冷媒が、中間圧インジェクション回路７ａに導かれ、第３減圧装置８で減圧された高沸点冷媒リッチな液冷媒とともに再び圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出され、凝縮器２に送り込まれる。
　このように冷凍サイクル装置１００ａを構成することで、冷凍サイクル装置１００ａの低圧回路の冷媒を低沸点冷媒リッチな組成とすることができる。また、冷凍サイクル装置１００ａでは、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１００の有する効果に加え、中間圧インジェクション回路７ａでエコノマイザ回路を構成しているので、気液分離器４の出口から流出した低沸点冷媒リッチな冷媒の過冷却が確保できる。つまり、低沸点冷媒リッチな冷媒による能力低下を防止し、冷凍能力を増大できる。さらに、冷凍サイクル装置１００ａでは、中間圧インジェクション回路７ａにより冷媒循環量が低減し、冷媒循環の圧力損失が低減できるので、運転効率が改善する。なお、この冷凍サイクル装置１００ａに、実施の形態１で説明した非共沸混合冷媒を用いれば、更に高精度に冷媒の組成割合を調整することができる。
実施の形態４．
　図５は、本発明の実施の形態４に係る冷凍サイクル装置１００ｂの冷媒回路構成を示す概略構成図である。図５に基づいて、冷凍サイクル装置１００ｂの構成及び動作について説明する。この冷凍サイクル装置１００ｂは、高沸点冷媒（テトラフルオロプロペン）と低沸点冷媒（たとえば、Ｒ３２又はＲ１２５、あるいは、Ｒ３２及びＲ１２５等）とを混合した非共沸混合冷媒を作動流体として循環させる冷凍サイクルを利用して、冷房運転あるいは暖房運転を行なうものである。なお、実施の形態４では、実施の形態２及び実施の形態３と同一部分に同一符号を付し、実施の形態２及び実施の形態３との相違点を中心に説明するものとする。
　冷凍サイクル装置１００ｂの構成は、実施の形態３に係る冷凍サイクル装置１００ａの構成と基本的に同様であるが、低圧回路に圧力検知部１０を設置している点で相違している。図５に示すように、圧力検知部１０は、低圧回路（詳しくは、圧縮機１の吸入側）に設置されている。この圧力検知部１０は、たとえば圧力センサ等で構成されており、圧縮機１に吸入される冷媒の低圧を検知するものである。圧力検知部１０で検知した圧力情報は、制御装置２０に送られ、第１減圧装置３及び第２減圧装置５の開度が調整されるようになっている。
　ここで、冷凍サイクル装置１００ｂの動作について説明する。
　冷凍サイクル装置１００ｂは、基本的に実施の形態３に係る冷凍サイクル装置１００ａと同様に動作するため、圧力検知部１０を設置したことによる動作を中心に説明する。圧力検知部１０は、圧縮機１に吸入する低沸点冷媒リッチな冷媒の圧力を検知している。制御装置２０は、圧力検知部１０からの情報によって、低圧回路が負圧になるかどうかを判断する。そして、制御装置２０は、低圧回路が負圧にならないよう第１減圧装置３及び第２減圧装置５の開度を制御し、気液分離器４内の圧力を可変するようにしている。
　つまり、制御装置２０は、圧力検知部１０からの圧力情報によって、低圧回路が負圧にならないように、気液分離器４内の圧力を低下させているのである。気液分離器４内の圧力が低下すると、中間圧インジェクション回路７ａを導通する高沸点冷媒であるテトラフルオロプロペン成分を増加させ、気液分離器４の出口側における低沸点冷媒であるＲ３２やＲ１２５成分を増加させることができる。そして、制御装置２０は、低圧回路における負圧の発生を防止し、正圧を維持している。
　図６は、圧力検知部１０からの圧力情報に基づいて第１減圧装置３の開度が調整される際における処理の流れを示すフローチャートである。図６に基づいて、この実施の形態４に係る冷凍サイクル装置１００ｂの特徴事項である第１減圧装置３の開度の調整の具体的な処理の流れについて説明する。上述したように、制御装置２０は、圧力検知部１０からの情報によって、低圧回路が負圧になるかどうかを判断し、その判断結果に基づいて第１減圧装置３の開度を調整している。
　具体的には、制御装置２０は、圧力検知部１０で検知された圧力（Ｌｐ）が、０Ｍｐａ（Ｇ）以上であるかどうかによって、低圧回路が負圧になるかどうかを判断している（ステップＳ１０１）。Ｌｐが０Ｍｐａ（Ｇ）以上であるとき、制御装置２０は、低圧回路が負圧になっていない判断し（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）、第１減圧装置３の開度を増加させる（ステップＳ１０２）。このとき、所定の安定条件であれば、第１減圧装置３の開度を維持するようにしてもよい。一方、Ｌｐが００Ｍｐａ（Ｇ）以上でないとき、制御装置２０は、低圧回路が負圧になっていると判断し（ステップＳ１０１；Ｎｏ）、第１減圧装置３の開度を減少（ステップＳ１０３）。このような制御動作を繰り返し実行することによって、低圧回路が負圧になるのを抑制しているのである。
　このように冷凍サイクル装置１００ｂを構成することで、冷凍サイクル装置１００ｂの低圧回路の冷媒を低沸点冷媒リッチな組成とすることができる。また、冷凍サイクル装置１００ｂでは、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００及び実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１００ａの有する効果に加え、圧力検知部１０を設置したことによって、冷凍サイクルの使用中の冷媒漏れ、あるいは冷媒充填時の誤動作で循環冷媒組成が変化した場合にも、組成調整ができる範囲で負圧になることを未然に防止する制御が実行できる。したがって、組成調整ができなくなった場合でも、異常を迅速に検知することができ、音声又は表示などで警報を発報できるようになるなど、安全性及び信頼性の高いものとなる。
　なお、実施の形態４に係る冷凍サイクル装置１００ｂは、実施の形態３に係る冷凍サイクル装置１００ａに圧力検知部１０及び制御装置２０を設置した構成となっているが、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１００に圧力検知部１０及び制御装置２０を設置した構成としてもよい。また、実施の形態４では、圧力検知部１０と制御装置２０とが、別個に構成されている場合を例に説明したが、圧力検知部１０と制御装置２０とを一体的に構成してもよい。さらに、この冷凍サイクル装置１００ｂに、実施の形態１で説明した非共沸混合冷媒を用いれば、更に高精度に冷媒の組成割合を調整することができる。
実施の形態５．
　図７は、本発明の実施の形態５に係る冷凍サイクル装置１００ｃの冷媒回路構成を示す概略構成図である。図７に基づいて、冷凍サイクル装置１００ｃの構成及び動作について説明する。この冷凍サイクル装置１００ｃは、高沸点冷媒（テトラフルオロプロペン）と低沸点冷媒（たとえば、Ｒ３２又はＲ１２５、あるいは、Ｒ３２及びＲ１２５等）とを混合した非共沸混合冷媒を作動流体として循環させる冷凍サイクルを利用して、冷房運転あるいは暖房運転を行なうものである。なお、実施の形態５では、実施の形態２～実施の形態４と同一部分に同一符号を付し、実施の形態２～実施の形態４との相違点を中心に説明するものとする。
　図７に示すように、冷凍サイクル装置１００ｃは、圧縮機１と、凝縮器２と、受液器１２と、第１減圧装置３（減圧装置）と、蒸発器６と、低圧気液分離器１１とを冷媒配管１５で順次直列に接続して構成されている。また、冷凍サイクル装置１００ｃでは、実施の形態４に係る冷凍サイクル装置１００ｂと同様に、低圧回路に圧力検知部１０が設置されている。受液器１２は、冷凍サイクルを循環している冷媒を貯留するものである。低圧気液分離器１１は、流入した冷媒を、ガス冷媒と液冷媒とに分離し、液冷媒を貯留するものである。
　ここで、冷凍サイクル装置１００ｃの動作について説明する。
　冷凍サイクル装置１００ｃが運転を開始すると、まず圧縮機１が駆動される。そして、圧縮機１で圧縮された高温・高圧のガス冷媒は、圧縮機１から吐出され凝縮器２に流入する。この凝縮器２では、流入したガス冷媒が、流体に放熱しながら凝縮し、低温・高圧の冷媒となる。この冷媒は、凝縮器２から流出し、受液器１２に流入し、貯留される。受液器１２から取り出された液冷媒は、第１減圧装置３で減圧され、低圧の気液二相冷媒となる。そして、この気液二相冷媒は、蒸発器６に流入する。
　蒸発器６に流入した冷媒は、流体から吸熱することで、蒸発ガス化する。蒸発器６から流出した冷媒（蒸発器６で蒸発できなかった液冷媒を含んでいる冷媒）は、低圧気液分離器１１に流入する。この低圧気液分離器１１に流入した冷媒は、ガス冷媒と液冷媒とに分離され、ガス冷媒のみが圧縮機１に再度吸入されるようになっている。そして、圧縮機１では、低圧気液分離器１１で分離されたガス冷媒が圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出され、凝縮器２に送り込まれる。
　一方、蒸発器６で蒸発できず、液冷媒のまま低圧気液分離器１１に流入した冷媒は、低圧気液分離器１１の下部に液冷媒のまま貯留される。この低圧気液分離器１１の下部に貯留された液冷媒は、高沸点冷媒であるテトラフルオロプロペンの成分比率が大きい高沸点冷媒リッチな冷媒となっており、低圧気液分離器１１から取り出されるガス冷媒は、高沸点冷媒であるテトラフルオロプロペンの成分比率が小さい低沸点冷媒リッチな冷媒となっている。したがって、冷凍サイクル装置１００ｃを循環する冷媒を、低沸点冷媒リッチな冷媒とすることができる。
　第１減圧装置３の開度を大きくしていくと、蒸発器６で蒸発できずに液冷媒のまま低圧気液分離器１１に流入する冷媒が増加し、低圧気液分離器１１の下部に貯留される高沸点冷媒リッチな冷媒が増加する。そのため、冷凍サイクル装置１００ｃを循環する冷媒は、低沸点冷媒リッチな冷媒が増加していくことになる。また　冷凍サイクル装置１００ｃの低圧回路に圧力検知部１０を設けているので、低圧回路が負圧にならないように、第１減圧装置３の開度を制御し、冷凍サイクル装置１００ｃを循環する冷媒が、低沸点冷媒リッチな冷媒の組成比であるように制御可能になっている。
　図８は、圧力検知部１０からの圧力情報に基づいて第１減圧装置３の開度が調整される際における処理の流れを示すフローチャートである。図８に基づいて、この実施の形態５に係る冷凍サイクル装置１００ｃの特徴事項である第１減圧装置３の開度の調整の具体的な処理の流れについて説明する。上述したように、制御装置２０は、圧力検知部１０からの情報によって、低圧回路が負圧になるかどうかを判断し、その判断結果に基づいて第１減圧装置３の開度を調整している。
　具体的には、制御装置２０は、圧力検知部１０で検知された圧力（Ｌｐ）が、０Ｍｐａ（Ｇ）以上であるかどうかによって、低圧回路が負圧になるかどうかを判断している（ステップＳ２０１）。Ｌｐが０Ｍｐａ（Ｇ）以上であるとき、制御装置２０は、低圧回路が負圧になっていない判断し（ステップＳ２０１；Ｙｅｓ）、第１減圧装置３の開度を減少させる（ステップＳ２０２）。このとき、所定の安定条件であれば、第１減圧装置３の開度を維持するようにしてもよい。一方、Ｌｐが００Ｍｐａ（Ｇ）以上でないとき、制御装置２０は、低圧回路が負圧になっていると判断し（ステップＳ２０１；Ｎｏ）、第１減圧装置３の開度を増加（ステップＳ２０３）。このような制御動作を繰り返し実行することによって、低圧回路が負圧になるのを抑制しているのである。
　このように冷凍サイクル装置１００ｃを構成することで、冷凍サイクル装置１００ｃの低圧回路の冷媒を低沸点冷媒リッチな組成とすることができる。つまり、冷凍サイクル装置１００ｃでは、第１減圧装置３の開度を制御し、低圧気液分離器１１内に貯留する高沸点冷媒を増加させることで、低圧回路の冷媒を低沸点冷媒リッチな冷媒とすることができるのである。また、冷凍サイクル装置１００ｃは、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の有する効果に加え、冷凍サイクル構成を複雑にしなくて済む。
　さらに、冷凍サイクル装置１００ｃでは、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００及び実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１００ａの有する効果に加え、圧力検知部１０を設置したことによって、冷凍サイクルの使用中の冷媒漏れ、あるいは冷媒充填時の誤動作で循環冷媒組成が変化した場合にも、組成調整ができる範囲で負圧になることを未然に防止する制御が実行できる。したがって、組成調整ができなくなった場合でも、異常を迅速に検知することができ、音声又は表示などで警報を発報できるようになるなど、安全性及び信頼性の高いものとなる。なお、この冷凍サイクル装置１００ｃに、実施の形態１で説明した非共沸混合冷媒を用いれば、更に高精度に冷媒の組成割合を調整することができる。
　上記の実施の形態で説明した冷凍サイクル装置１００～冷凍サイクル装置１００ｃは、空気調和装置や、冷凍装置、ルームエアコン、パッケージエアコン、冷蔵庫や、加湿器、調湿装置、ヒートポンプ給湯機等に適用することが可能である。特に、冷凍サイクル装置１００～冷凍サイクル装置１００ｃは、低温用途又は低外気における暖房運転をする際に能力を発揮することができる。また、制御装置２０は、冷凍サイクル装置１００～冷凍サイクル装置１００ｃの全体を統括制御できるようなマイクロコンピュータ等で構成するとよい。
　１　圧縮機、２　凝縮器、３　第１減圧装置、４　気液分離器、５　第２減圧装置、６　蒸発器、７　中間圧インジェクション回路、７ａ　中間圧インジェクション回路、８　第３減圧装置、９　過冷却熱交換器、１０　圧力検知部、１１　低圧気液分離器、１２　受液器、１３　補助凝縮器、１５　冷媒配管、２０　制御装置、１００　冷凍サイクル装置、１００ａ　冷凍サイクル装置、１００ｂ　冷凍サイクル装置、１００ｃ　冷凍サイクル装置。

Claims (12)

  1. 　少なくとも圧縮機、凝縮器、減圧装置及び蒸発器で構成される冷凍サイクルに循環させる高沸点冷媒であるテトラフルオロプロペンと低沸点冷媒とを所定の割合で混合した非共沸混合冷媒であって、
    　前記減圧装置から前記圧縮機に至るまでの低圧回路において、圧力０．００ＭＰａとなる飽和気相線が－４５℃以下になるように前記高沸点冷媒及び前記低沸点冷媒の混合割合が決定される　
    　ことを特徴とする非共沸混合冷媒。
  2. 　圧縮機、凝縮器、第１減圧装置、気液分離器、第２減圧装置及び蒸発器を順次接続した冷凍サイクルに、高沸点冷媒と低沸点冷媒とを所定の割合で混合した非共沸混合冷媒を循環させる冷凍サイクル装置であって、
    　前記第２減圧装置から前記圧縮機に至るまでの低圧回路において、前記非共沸混合冷媒の圧力０．００ＭＰａとなる飽和気相線が－４５℃以下になるように調整する制御装置を備えた
    　ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
  3. 　前記気液分離器の液部から取り出した冷媒を第３減圧装置を介して前記圧縮機の中間圧部に注入する中間圧インジェクション回路を設け、
    　前記制御装置は、
    　前記気液分離器内の圧力によって、
    　前記中間圧インジェクション回路側に導通させる非共沸混合冷媒の組成割合と、
    　前記低圧回路側に導通させる非共沸混合冷媒の組成割合と、を調整する
    　ことを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 　前記制御装置は、
    　前記第１減圧装置及び前記第２減圧装置の開度を制御することで、前記気液分離器内の圧力を可変に調整する
    　ことを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
  5. 　前記制御装置は、
    　前記気液分離器内の圧力を調整し、前記中間圧インジェクション回路側に導通させる非共沸混合冷媒の組成割合を高沸点冷媒リッチとし、前記低圧回路側に導通させる非共沸混合冷媒の組成割合を低沸点冷媒リッチとする
    　ことを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
  6. 　前記気液分離器の液部から取り出した冷媒と前記気液分離器と前記第２減圧装置との間を導通する冷媒とで熱交換させる過冷却熱交換器を設けた
    　ことを特徴とする請求項３～５のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
  7. 　前記圧縮機に吸入される冷媒の圧力を検知する圧力検出部を設け、
    　前記制御装置は、
    　前記圧力検出部からの情報に基づいて、
    　前記中間圧インジェクション回路側に導通させる非共沸混合冷媒の組成割合と、
    　前記低圧回路側に導通させる非共沸混合冷媒の組成割合と、を調整する
    　ことを特徴とする請求項３～６のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
  8. 　圧縮機、凝縮器、受液器、減圧装置、蒸発器及び低圧気液分離器を順次接続した冷凍サイクルに、高沸点冷媒と低沸点冷媒とを所定の割合で混合した非共沸混合冷媒を循環させる冷凍サイクル装置であって、
    　前記減圧装置から前記圧縮機に至るまでの低圧回路において、前記非共沸混合冷媒の圧力０．００ＭＰａとなる飽和気相線が－４５℃以下になるように調整する制御装置を備えた
    　ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
  9. 　前記制御装置は、
    　前記減圧装置の開度を制御することによって、
    　前記低圧気液分離器内に貯留させる非共沸混合冷媒の組成割合と、
    　前記低圧気液分離器から流出させる非共沸混合冷媒の組成割合と、を調整する
    　ことを特徴とする請求項８に記載の冷凍サイクル装置。
  10. 　前記制御装置は、
    　前記減圧装置の開度を制御し、前記低圧気液分離器に貯留させる非共沸混合冷媒の組成割合を高沸点冷媒リッチとし、前記低圧気液分離器から流出させる非共沸混合冷媒の組成割合を低沸点冷媒リッチとする
    　ことを特徴とする請求項９に記載の冷凍サイクル装置。
  11. 　前記圧縮機に吸入される冷媒の圧力を検知する圧力検出部を設け、
    　前記制御装置は、
    　前記圧力検出部からの情報に基づいて、
    　前記減圧装置の開度を制御し、
    　前記低圧気液分離器内に貯留される非共沸混合冷媒の組成割合と、
    　前記低圧気液分離器から流出させる非共沸混合冷媒の組成割合と、を調整する
    　ことを特徴とする請求項９又は１０に記載の冷凍サイクル装置。
  12. 　前記高沸点冷媒をテトラフルオロプロペンとしている
    　ことを特徴とする請求項２～１１のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。


    　
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