特開 2024-180215 自然冷媒冷凍空調装置

(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】P2024180215

(43)【公開日】2024-12-26

(54)【発明の名称】自然冷媒冷凍空調装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 1/00 20060101AFI20241219BHJP

   F25B 1/053 20060101ALI20241219BHJP

【ＦＩ】

F25B1/00 396D

F25B1/053 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】書面

(21)【出願番号】P 2023110334

(22)【出願日】2023-06-16

(71)【出願人】

【識別番号】598054692

【氏名又は名称】松尾 栄人

(72)【発明者】

【氏名】松尾 栄人

(57)【要約】

【課題】地球温暖化の進展により、エアコンと冷凍装置の需要が高くなっており、地球温暖化係数の高いフロン系冷媒の使用が増加しており、使用による電力消費の増加や廃棄時点の温暖化係数の高い冷媒の廃棄による温暖化が激しくなることが憂慮されている。フロン系冷媒に代えて自然冷媒の採用が望まれているが、炭化水素系冷媒は燃焼性や爆発性の危険があり、アンモニアは毒性があり、祭用には躊躇されている。その点、炭酸ガスは、毒性も燃焼性も爆発性もないので、望ましいが、ＣＯＰが低いのが難点となっている。そこで、本考案では、サイクルの最適化や膨張タービンの付加によるＣＯＰ向上を図った。
【解決手段】解決手段として、サイクルの最適化と膨張タービンによる動力回収を行った。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

炭酸ガスを冷媒として用いることを特徴とした冷凍空調措置

【請求項2】

請求項１において、動圧型ガス軸受を備えたターボ型圧縮機を装備したことを特徴とする冷凍空調装置

【請求項3】

請求項２に於いて、回転軸の一端に遠心圧縮機の羽根車を備え、他端にエクスパンダ－の動翼を備えたことを特徴とする冷凍空調装置

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

冷凍空調装置に関する分野

【背景技術】

【0002】

地球温暖化対策やエネルギー消費削減に向けて、種々の冷凍空調装置の開発が行われている。しかし、その大半は、フロン系冷媒を採用したものであり、運用中は、温暖化係数の低い冷媒の採用が行われているが、冷媒の廃棄を考えると、自然冷媒の採用が望まれている。自然冷媒の中で、炭化水素冷媒が、ＣＯＰが高く、充填量の少ない冷蔵庫などでの実用化が行われている。しかし、燃焼性や爆発性の恐れから、冷媒の充填量の多いものでは実用化が躊躇されている。アンモニアは、昔から冷凍機に採用されているが、毒性を有しており、燃焼性や爆発性もあり、自然界に放出された場合、生物への毒性が大きく、管理が可能な工場などに実用化が限られている。水冷媒は、圧縮機のサイズが大きく、実用化は困難とされている。空気冷媒は、密閉型の冷凍倉庫などの冷熱が再利用できる分野で実用化されているが、大きな冷熱量を必要とする分野では、温度差をおおきくとる必要があり、実用化は限られた分野のみである。本考案の狙いは、運用中及び廃棄時にも地球温暖化係数が小さく、自然冷媒を使った高いＣＯＰを有する冷凍空調装置を作り出すことです。そのために、冷媒として二酸化炭素を選定しました。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０００－１４６３２８冷凍空調装置は、高圧側冷媒管と低圧側冷媒管とを開閉弁を介する側路管を設けて開閉弁を制御器で開閉して圧縮機の負荷軽減を行う特許、潤滑油の溜りを抑制する特開２００６－２２６５６３炭酸ガスエアコンの蒸発器、空気流れ方向の厚さを減らした特開２００７－１７０６１炭酸ガスエアコン用ガスクーラが出願されている。

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】１。自然冷媒普及促進サイト 環境省 ２．ノンフロン化の推進地球環境国際環境協力 環境省

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

以下では、自然冷媒の中で最も安全性が優れている炭酸ガスを例にとって説明します。炭酸ガスの臨界圧力は７．３８ＭＰａ，温度は３１，１℃と低く、凝縮圧力と温度は臨界圧力と臨界温度を超えるものとならざるを得ない。凝縮器内の冷媒は、超臨界状態で熱交換を行うこととなり、圧力一定に設定しても温度が低下してゆきます。一般的な冷凍空調装置とは異なる線図となり図１に示す線図となり、圧縮機出口を高圧力に設定しても凝縮器出口の温度が低下して十分な放熱が困難になります。凝縮熱量を増すために圧力を高くすると圧縮機動力が増加してＣＯＰが低下します。この圧縮出口の圧力と圧縮機動力との関係を図２に示します。凝縮器出口の媒体圧力は、比較的高い圧力であるから、膨張弁に入るねるぎーは大きなものとなっています。この媒体を膨張弁で膨張させると、等エンタルピー変化をするので、ＣＯＰを高めることができませんが、エクスパンダ－で動力を回収するとＣＯＰの向上が図れると考えられる。

【課題を解決するための手段】

【0006】

膨張弁に入る高いエネルギーを持った媒体の未利用のエネルギーを利用するために、膨張弁に代えて圧縮機の回転軸のもう一方の端部にエクスパンダ－を設けて、このエネルギーを回転軸の動力として回収し圧縮機の動力の低減及び蒸発エネルギー量の増加を図ります。エクスパンダ－の出力をＬｅ、圧縮機の入力をＬｃ、凝縮エネルギーをＬｃｏｎ，蒸発エネルギーをＬｅｖとすると、暖房のＣＯＰと冷房のＣＯＰｃは、次の式で表され
ＣＯＰｈ＝Ｌｃｏｎ／（Ｌｃ－Ｌｅ）， ＣＯＰｃ＝（Ｌｅｖ＋Ｌｅ）／（Ｌｃ－Ｌｅ）エクスパンダ－の出力Ｌｅｖによって、圧縮機の動力が軽減され、蒸発エネルギーが増大して、暖房ＣＯＰｈと冷房ＣＯＰｃが向上しています。

【発明の効果】

【0007】

従来の冷凍空調機では膨張弁で等エンタルピー変化をしていた冷媒から圧縮機と同軸のエクスパンダ－でエネルギーを取り出し、圧縮機の動力を軽減すると同時に蒸発エルギーＬｅｖが増大して冷房ＣＯＰｃが向上します。

【0008】

即ち、圧縮機動力が、エクスパンダ－出力分軽減され、蒸発エネルギーが増大するので、暖房ＣＯＰと冷房ＣＯＰの両方が高くなります。
冷媒が炭酸ガスの場合、エクスパンダ－出力は圧縮機動力の３０％程度と推定されます。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】炭酸ガスを冷媒として用いる冷凍空調機のサイクル線図と凝縮段階の温度変化

【図2】炭酸ガス冷凍空調装置の圧縮機出口圧力と圧縮機動力の関係

【図3】実施例１の系統図

【図4】圧縮機出口圧力による圧縮機動力、エキスパンダー出力、ＣＯＰｈ、ＣＯＰｃの変化

【発明を実施するための形態】

【0010】

系統図に示す圧縮機で媒体を圧縮して凝縮器で媒体の持つ熱量を放出する必要があるが、臨界点の温度が低い媒体の場合は、他の媒体を使うときのように潜熱の温度が高くないので、外気への放出が難しく、超臨界圧での放熱が求められる。臨界圧力７．３８ＭＰａ以上の圧力に昇圧して、凝縮器から放熱するときに、凝縮器内の媒体温度が低下して、外気温度と同じ温度まで低下すると放熱が不可能となる。その時に、圧縮機出口の圧力温度を上げて改善しようとすると、圧縮機動力が増加して、ＣＯＰが低下する。

【0011】

このタイプの媒体では、凝縮器出口に設けられる膨張弁に入るエネルギーが大きく、このエネルギーの利用が望まれるが、まだ利用された例がない。理由はエネルギー回収の方法が無く、回収したエネルギーの利用先と利用方法が見つけられなかったからだと考えられる。

【0012】

膨張弁の代わりに、エクスパンダ－を使い、エネルギー回収を行う、回収したエネルギーで圧縮機駆動動力を軽減する。このエクスパンダ－を圧縮機回転軸の一端にエクスパンダ－の動翼を装備する。エクスパンダ－に入る媒体の持つエネルギーは、圧縮機動力の約半分で、密度が大きいため、エクスパンダ－の動翼の外径は、圧縮機羽根車の約半分のサイズである。この時圧縮機とエクスパンダ－の回転数は同じであるので、圧縮機吐出圧力による圧縮機の回転数とエクスパンダ－の回転数を推定すると、両者の回転数は整合すると推定されます。

【実施例0013】

第１実施例の系統図を図３に示す。作動媒体として、自然冷媒で燃焼性も爆発性もなく最も安全性が高く、地球温暖化係数が１と小さな炭酸ガスを冷媒として使用し、オイルフリーターボ型圧縮機の圧縮機羽根車を備えた回転軸の他端にエクスパンダ－の動翼を備えた圧縮機を用いる冷凍空調装置である。図３において、圧縮機１００に吸入された冷媒は、高温高圧になって凝縮器２００に入り、外気等で冷却され、膨張タービン４００へと入り、動翼で膨張する過程でエンタルピーが減少し、エネルギーが吸収され、その動力で同軸の圧縮機の羽根車を駆動して、圧縮機の動力を軽減する。

【産業上の利用可能性】

【0014】

自然冷媒で最も安全で地球温暖化係数が小さい炭酸ガスを冷媒として用いた冷凍空調装置を提供する。この冷凍空調装置は、使用中も廃却時も温暖化係数の高い冷媒を排出せず、燃焼性も爆発性も有しないので最も安全で使用時も廃棄時にも環境を汚染しない最も優れた冷凍空調装置である。

【0015】

この冷媒、炭酸ガスは、優れた環境性を有するが、臨界温度が低く、超臨界圧で作動しなければ、放熱量を大きくできないのでＣＯＰが低く、圧縮機出口圧力を高くすると圧縮機動力が大きくなり、ＣＯＰの低下を招く。この問題を解決するために、凝縮器出口に設けられる膨張弁に代えて、エネルギー吸収が可能なエクスパンダ－を備えて、エネルギー回収を行い、圧縮機動力の低減、蒸発エネルギーの増大を行い、ＣＯＰの向上を図った本考案により、環境性に優れ、エネルギー利用効率の高い冷凍空調装置を提供する。

【符号の説明】

【0016】

１００ 圧縮機 １１０ 圧縮機入口 １２０ 圧縮機出口 ２００ 凝縮器
３１０、３１５ ジャーナルガス軸受 ３２０、３２５ 圧力バランスドスラストガス軸受 ３３０ 永久磁石内蔵ロータ ３５０ 回転軸 ４００ エクスパンダ－ ４１０ エクスパンダ－入口 ４２０ エクスパンダ－出口 ５００ 蒸発器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】