特開 2015-129609 冷凍装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2015-129609(P2015-129609A)

(43)【公開日】2015年7月16日

(54)【発明の名称】冷凍装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 1/00 20060101AFI20150619BHJP

   F25B 49/02 20060101ALI20150619BHJP

【ＦＩ】

   F25B1/00 396B

   F25B49/02 520A

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2014-1420(P2014-1420)

(22)【出願日】2014年1月8日

(71)【出願人】

【識別番号】000005821

【氏名又は名称】パナソニック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001081

【氏名又は名称】特許業務法人クシブチ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】友近 一善

(72)【発明者】

【氏名】飯高 誠之

(57)【要約】      （修正有）

【課題】簡単な構成で、非共沸混合冷媒の循環組成を正確に知ることができる冷凍装置を提供する。
【解決手段】非共沸混合冷媒の封入組成αに基づいて、冷媒回路を流れる非共沸混合冷媒のガス組成α_gasを仮定し、このガス組成α_gasと膨張弁の出入口における冷媒温度Ｔ_H，Ｔ_L及び冷媒圧力Ｐ_H，Ｐ_Lとに基づいて、当該膨張弁の出入口のエンタルピｈ_H，ｈ_Lをそれぞれ算出し、これら算出した各エンタルピｈ_H，ｈ_Lが略一致した場合のガス組成α_gasを実際の循環組成α´とした。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

沸点の異なる２種類以上の冷媒を混合した非共沸混合冷媒を用い、少なくとも圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を順次接続した冷媒回路を備えた冷凍装置において、
前記非共沸混合冷媒の封入組成に基づいて、前記冷媒回路を流れる前記非共沸混合冷媒の仮循環組成を仮定し、この仮循環組成と前記減圧装置の出入口における冷媒温度及び冷媒圧力とに基づいて、当該減圧装置の出入口のエンタルピをそれぞれ算出し、
これら算出した各エンタルピの差分が所定値以下となる仮循環組成を、前記冷媒回路を流れる前記非共沸混合冷媒の循環組成とする循環組成算出手段を備えたことを特徴とする冷凍装置。

【請求項2】

前記循環組成算出手段は、前記減圧装置の前後のエンタルピが略一致した場合の仮循環組成を前記循環組成とすることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。

【請求項3】

前記冷媒回路は、前記凝縮器で凝縮された液冷媒と、前記蒸発器で蒸発されたガス冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍装置。

【請求項4】

前記非共沸混合冷媒は、同一圧力条件における液冷媒温度とガス冷媒温度との温度グライドが１０℃以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷凍装置。

【請求項5】

前記非共沸混合冷媒に含まれる少なくとも一の冷媒は、地球温暖化係数が１０未満であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の冷凍装置。

【請求項6】

前記非共沸混合冷媒は、少なくともＨＦＯ１２３４ＺＥまたはＨＦＯ１２３４ＹＦを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の冷凍装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、非共沸混合冷媒を用いた冷凍装置に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、沸点の異なる２種類以上の冷媒を混合した非共沸混合冷媒を用い、少なくとも圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を順次接続した冷媒回路を備えた冷凍装置が知られている。この種の冷凍装置では、冷媒回路中に余剰冷媒が発生した場合、この余剰冷媒に含まれる高沸点の冷媒が、例えば、冷媒回路中に設けられたアキュムレータや、凝縮器または蒸発器内に溜まり易くなる。このため、冷媒回路に封入した際の冷媒の組成比率（以下、封入組成という）と、実際に冷媒回路を循環している冷媒の組成比率（以下、循環組成という）とが異なる。
冷媒回路内の循環組成が変化すると、冷媒の圧力と飽和温度との関係が変化して冷却能力も大幅に変化する。このため、冷凍装置を安定して、かつ、所定の能力を発揮できるようにするには、循環組成を正確に把握し、この循環組成に応じて圧縮機の回転数や減圧装置の開度を調整する必要がある。
冷媒回路内の循環組成を把握する技術として、従来、圧縮機の出入口で冷媒回路の主回路から分岐したバイパス回路を設け、このバイパス回路に非共沸混合冷媒を高沸点冷媒と低沸点冷媒とに分離する冷媒精留器及び毛細管を備え、更に、この毛細管の入口側に第１温度検出手段を、出口側に第１圧力検出手段と第２温度検出手段を設け、第１圧力検出手段により検出した圧力、第１温度検出手段および第２温度検出手段により検出したそれぞれの温度を用いて冷媒回路内の循環組成を演算する組成演算手段を備えた冷凍サイクル装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第３９７８６６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、従来の構成では、冷媒回路の主回路から分岐したバイパス回路を設け、このバイパス回路に各種の機器を設けるといった循環組成検出を検出するための専用の機構を備えることを要し、装置構成が煩雑化するという問題があった。
本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、簡単な構成で、非共沸混合冷媒の循環組成を正確に知ることができる冷凍装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記目的を達成するために、本発明は、沸点の異なる２種類以上の冷媒を混合した非共沸混合冷媒を用い、少なくとも圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を順次接続した冷媒回路を備えた冷凍装置において、前記非共沸混合冷媒の封入組成に基づいて、前記冷媒回路を流れる前記非共沸混合冷媒の仮循環組成を仮定し、この仮循環組成と前記減圧装置の出入口における冷媒温度及び冷媒圧力とに基づいて、当該減圧装置の出入口のエンタルピをそれぞれ算出し、これら算出した各エンタルピの差分が所定値以下となる仮循環組成を、前記冷媒回路を流れる前記非共沸混合冷媒の循環組成とする循環組成算出手段を備えたことを特徴とする。

【0006】

この構成において、前記循環組成算出手段は、前記減圧装置の前後のエンタルピが略一致した場合の仮循環組成を前記循環組成としても良い。また、前記冷媒回路は、前記凝縮器で凝縮された液冷媒と、前記蒸発器で蒸発されたガス冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を備えても良い。

【0007】

また、前記非共沸混合冷媒は、同一圧力条件における液冷媒温度とガス冷媒温度との温度グライドが１０℃以上であっても良い。また、前記非共沸混合冷媒に含まれる少なくとも一の冷媒は、地球温暖化係数が１０未満であっても良い。また、前記非共沸混合冷媒は、少なくともＨＦＯ１２３４ＺＥまたはＨＦＯ１２３４ＹＦを含んでも良い。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、仮循環組成と減圧装置の出入口における冷媒温度及び冷媒圧力とに基づいて、当該減圧装置の出入口のエンタルピをそれぞれ算出し、これら算出した各エンタルピの差分が所定値以下となる仮循環組成を、冷媒回路を流れる非共沸混合冷媒の循環組成とする循環組成算出手段を備えたため、冷媒回路の構成を煩雑にすることなく、簡単な構成で、非共沸混合冷媒の循環組成を正確に知ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本実施形態にかかる冷凍装置の冷媒回路図である。

【図2】非共沸混合冷媒が封入された冷媒回路のｐ−ｈ線図である。

【図3】冷媒が封入組成のまま循環したと仮定した場合におけるｐ−ｈ線図である。

【図4】循環組成を算出する手順を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態にかかる冷凍装置１００の冷媒回路図である。冷凍装置１００は、図１に示すように、圧縮機１１、凝縮器１３、内部熱交換器１５、膨張弁（減圧装置）１７、蒸発器１９、内部熱交換器１５、アキュムレータ２１、及び、圧縮機１１を順次環状に配管接続した冷媒回路１０を備え、この冷媒回路１０内に非共沸混合冷媒を封入して構成されている。
凝縮器１３及び蒸発器１９には、それぞれ凝縮器１３及び蒸発器１９に送風する送風機２３，２５が設けられている。
内部熱交換器１５は、凝縮器１３で凝縮された高圧の液冷媒と、蒸発器１９で蒸発された低圧のガス冷媒との間で熱交換を行うものである。本実施形態では、内部熱交換器１５として、凝縮器１３と膨張弁１７とを接続する高圧側流路２７の周囲に、蒸発器１９とアキュムレータ２１とを接続する低圧側流路２９が設けられた二重管式の熱交換器が用いられている。

【0011】

また、冷媒回路１０には、膨張弁１７の入口１７Ａ側、すなわち、内部熱交換器１５と膨張弁１７との間に上記高圧側流路２７を流れる高圧の液冷媒の温度Ｔ_Hを検出する第１温度センサ３１と、当該液冷媒の圧力Ｐ_Hを検出する第１圧力センサ３３とが設けられる。さらに、冷媒回路１０には、膨張弁１７の出口１７Ｂ側、すなわち、膨張弁１７と蒸発器１９との間に上記低圧側流路２９を流れる低圧のガス冷媒の温度Ｔ_Lを検出する第２温度センサ３５と、当該ガス冷媒の圧力Ｐ_Lを検出する第２圧力センサ３７とが設けられる。なお、本実施形態では、膨張弁１７の入口１７Ａ側に、高圧の液冷媒の圧力Ｐ_Hを検出する第１圧力センサ３３を設けているが、これに限るものではなく、圧縮機１１から膨張弁１７の入口１７Ａまでの配管長から、当該配管を流れる際の圧力損失が分かる場合には、圧縮機１１の吐出圧力を検出し、この吐出圧力から圧力損失分を差し引いた補正値を利用しても良い。
第１温度センサ３１、第１圧力センサ３３、第２温度センサ３５及び第２圧力センサ３７は、制御装置（循環組成算出手段）４０にそれぞれ接続されている。制御装置４０は、冷凍装置１００全体の動作の制御を司るものであり、圧縮機１１の運転周波数、膨張弁１７の開度を制御するとともに、後述する非共沸混合冷媒の循環組成を算出する。

【0012】

次に、非共沸混合冷媒について説明する。
非共沸混合冷媒は、沸点の異なる２種類以上の冷媒を混合した冷媒であり、沸点の高い冷媒が沸点の低い冷媒よりも先に凝縮する。このため、非共沸混合冷媒の等温線は、飽和液線から飽和蒸気線に向かって右下がりであり、同一圧力条件における飽和液線と飽和蒸気線には、所定の温度グライドが生じる。
一方で、近年、地球温暖化問題が注目を浴び、空気調和装置や冷凍装置で使用される冷媒に対しても、ＣＯＰが高く環境負荷がより小さいものが望まれている。特に、地球温暖化問題に対する注目度は高く、温度グライドが大きく（例えば１０℃〜２０℃）なったとしても、地球温暖化係数（Global Warming Potential）ＧＷＰのより小さい冷媒が求められている。

【0013】

本実施形態では、非共沸混合冷媒として、ＣＯ₂（二酸化炭素）、ＨＦＣ３２（Ｒ３２）及びＨＦＯ１２３４ＺＥ（Ｒ１２３４ＺＥ）を所定比率で混合したものが冷媒回路１０に封入されている。この冷媒の封入時の組成比率（封入組成）は、制御装置４０の記憶部（不図示）に記憶されている。
ここで、ＣＯ₂とＨＦＯ１２３４ＺＥは、地球温暖化係数ＧＷＰがそれぞれ１と４であり、地球温暖化係数ＧＷＰが１０未満の非常に小さな冷媒である。このため、これらを混合することにより、地球温暖化係数ＧＷＰの小さな非共沸混合冷媒とすることが可能となる。

【0014】

図２は、上記した非共沸混合冷媒が封入された冷媒回路１０におけるｐ−ｈ線図である。
この図２に示す点Ａ〜Ｆは、図１の冷媒回路１０における点Ａ〜Ｆの状態を示したものである。図２に示すように、本実施形態で使用される非共沸混合冷媒は、同一圧力条件における飽和液線４１と飽和蒸気線４３との間に１０℃以上の大きな温度グライドが生じる冷媒である。
一般に、温度グライドが大きな冷媒を用いた場合、夏期の外気温度（例えば３５℃）の下で、外気によってすべて凝縮させるには、この３５℃の等温線４２と飽和液線４１とが交差する点Ｇ（図１）と同一圧力まで圧縮する必要があり、圧縮比が高くなる傾向にある。
このため、本実施形態では、冷媒回路１０は、上記した内部熱交換器１５を備え、この内部熱交換器１５にて、凝縮器１３で凝縮された液冷媒と、蒸発器１９で蒸発されたガス冷媒との間で熱交換を行うことにより、外気温度が高い状況下にあっても、圧縮機１１の吐出圧力を点Ｇまで高くすることなく、内部熱交換器１５の出口（点Ｄ）で完全に凝縮させることができ、その分圧縮比を小さくできる。

【0015】

ところで、非共沸混合冷媒が封入された冷凍装置１００では、冷媒回路１０中に余剰冷媒が発生した場合、この余剰冷媒に含まれる高沸点の冷媒が、冷媒回路１０中に設けられたアキュムレータ２１や、凝縮器１３または蒸発器１９内に溜まり易くなる。このため、冷媒回路１０に封入した際の下の封入組成と、実際に冷媒回路１０を循環している循環組成とが異なる。冷媒回路１０内の循環組成が変化すると、冷媒の圧力と飽和温度との関係が変化して冷却能力も大幅に変化することとなる。

【0016】

図３は、冷媒が封入組成のまま循環したと仮定した場合におけるｐ−ｈ線図である。
通常、冷凍サイクルにおいて、膨張弁１７の前後では、冷媒は等エンタルピ変化をする（図２点Ｄ−点Ｅ参照）。しかし、上記したように、非共沸混合冷媒では、封入組成と実際の循環組成とが異なるため、封入組成と各点Ａ〜Ｆにおける冷媒温度、圧力からｐ−ｈ線図を描いた場合、図３に示すように、膨張弁１７の前後のエンタルピが異なり、点Ｄ−点Ｅを結ぶ線が傾斜してしまう。この傾向は、温度グライドの大きな冷媒ほど、顕著となるため、本実施形態のように、温度グライドの大きな非共沸混合冷媒を用いた冷凍装置では、冷凍装置を安定して、かつ、所定の能力を発揮できるようにするため、循環組成を正確に把握し、この循環組成に応じて圧縮機の回転数や減圧装置の開度を調整する必要がある。

【0017】

次に、図４に示すフローチャートに基づき循環組成を算出する手順について説明する。
制御装置４０は、高圧側の乾き度Ｘを仮定する（ステップＳ１）。乾き度Ｘは、循環している冷媒における気相冷媒の比率を示すものであり、０〜１の中から任意の値が選択されて仮定される。
続いて、制御装置４０は、仮定した乾き度Ｘに基づいてガス組成（仮循環組成）α_gasを仮定する（ステップＳ２）。具体的には、制御装置４０に記憶された封入組成αと、第１圧力センサ３３で検出された膨張弁１７の入口１７Ａ側の冷媒圧力Ｐ_Hと、乾き度Ｘとに基づいて算出された値をガス組成α_gasとして仮定する。

【0018】

続いて、制御装置４０は、仮定したガス組成α_gasと、膨張弁１７の入口１７Ａ側の冷媒温度Ｔ_H、冷媒圧力Ｐ_Hとに基づいて、膨張弁１７の入口１７Ａ側におけるエンタルピｈ_Hを算出すると共に、仮定したガス組成α_gasと、膨張弁１７の出口１７Ｂ側の冷媒温度Ｔ_L、冷媒圧力Ｐ_Lとに基づいて、膨張弁１７の出口１７Ｂ側におけるエンタルピｈ_Lを算出する（ステップＳ３）。
そして、制御装置４０は、入口１７Ａ側のエンタルピｈ_Hと、出口１７Ｂ側のエンタルピｈ_Lとを比較し、これらエンタルピｈ_H，ｈ_Lが一致したか否かを判別する（ステップＳ４）。この判別では、エンタルピｈ_H，ｈ_Lが完全に一致するだけでなく、略一致（例えば、エンタルピの値の整数部分が一致）した場合をも含むものとする。

【0019】

この判別において、エンタルピｈ_H，ｈ_Lが一致していない場合（ステップＳ４；Ｎｏ）には、制御装置４０は、処理をステップＳ１に戻すとともに、先ほどとは異なる乾き度Ｘを仮定した後に、ステップＳＳ〜ステップＳ４の処理を繰り返し実行する。
一方、エンタルピｈ_H，ｈ_Lが一致した場合（ステップＳ４；Ｙｅｓ）には、制御装置４０は、これらエンタルピｈ_H，ｈ_Lを算出する際に用いたガス組成α_gasを、実際に循環している循環組成α´として設定して処理を終了する（ステップＳ５）。
制御装置４０は、設定された循環組成α´の下での、膨張弁１７の開度や圧縮機１１の周波数の最適な制御を行い、冷凍装置を安定して、かつ、所定の能力を発揮できる制御を実現する。制御装置４０は、上記した処理手順を定期的に行うことにより、リアルタイムに変動する循環組成α´に追従することができる。

【0020】

上記した実施形態では、算出したエンタルピｈ_H，ｈ_Lが一致したか否かで、ガス組成α_gasを循環組成α´とするか判別していたが、これに限るものではなく、算出したエンタルピｈ_H，ｈ_Lの差分値が所定値（例えば、３ｋＪ／ｋｇ）以下の場合には、該エンタルピｈ_H，ｈ_Lを算出する際に用いたガス組成α_gasを、実際に循環している循環組成α´として設定しても良い。この構成では、循環組成α´を短時間で算出することができ、循環組成α´を算出する構成をより簡素化することができる。

【0021】

以上、説明したように、本実施形態によれば、沸点の異なる２種類以上の冷媒を混合した非共沸混合冷媒を用い、少なくとも圧縮機１１、凝縮器１３、膨張弁１７、蒸発器１９を順次接続した冷媒回路１０を備えた冷凍装置１００において、非共沸混合冷媒の封入組成αに基づいて、冷媒回路１０を流れる非共沸混合冷媒のガス組成α_gasを仮定し、このガス組成α_gasと膨張弁１７の出入口における冷媒温度Ｔ_H，Ｔ_L及び冷媒圧力Ｐ_H，Ｐ_Lとに基づいて、当該膨張弁１７の出入口のエンタルピｈ_H，ｈ_Lをそれぞれ算出し、これら算出した各エンタルピｈ_H，ｈ_Lが略一致した場合のガス組成α_gasを実際の循環組成α´とする循環組成算出手段としての制御装置４０を備えたため、冷媒回路１０の構成を煩雑にすることなく、簡単な構成で、非共沸混合冷媒の循環組成α´を正確に知ることができる。

【0022】

また、本実施形態によれば、冷媒回路１０は、凝縮器１３で凝縮された高圧の液冷媒と、蒸発器１９で蒸発された低圧のガス冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器１５を備えたため、外気温度が高い状況下にあっても、圧縮機１１の吐出圧力を、外気温度と飽和液線とが公差する圧力以上に高めることなく、内部熱交換器１５の出口で完全に凝縮させることができ、その分圧縮比を小さくできる。この構成は、温度グライドの大きな（１０℃以上の）冷媒ではより効果的である。

【0023】

また、本実施形態によれば、非共沸混合冷媒に含まれる少なくとも一の冷媒は、地球温暖化係数ＧＷＰが１０未満であるため、これらを混合することにより、地球温暖化係数ＧＷＰの小さな非共沸混合冷媒とすることが可能となる。

【0024】

以上、本発明を実施するための形態について述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。例えば、非共沸混合冷媒に混合される冷媒の種類、及び、比率は、冷凍装置１００の環境、負荷等に応じて適宜変更することができる。
また、本実施形態では、非共沸混合冷媒に混合される冷媒の一つとして、ＨＦＯ１２３４ＺＥを例示したが、これに限るものではなく、同様な特性を有するものであれば、例えば、ＨＦＯ１２３４ＹＦを含む構成としても良い。

【符号の説明】

【0025】

１０ 冷媒回路
１１ 圧縮機
１３ 凝縮器
１５ 内部熱交換器
１７ 膨張弁
１７Ａ 入口
１７Ｂ 出口
１９ 蒸発器
２７ 高圧側流路
２９ 低圧側流路
３１ 第１温度センサ
３３ 第１圧力センサ
３５ 第２温度センサ
３７ 第２圧力センサ
４０ 制御装置（循環組成算出手段）
４１ 飽和液線
４２ 等温線
４３ 飽和蒸気線
１００ 冷凍装置
Ｘ 乾き度
ｈ_H 膨張弁入口側のエンタルピ
ｈ_L 膨張弁出口側のエンタルピ
α_gas ガス組成
α´ 循環組成
α 封入組成

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】