JP2005015633A - 混合冷媒とそれを用いた冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、二酸化炭素（Ｒ７４４）を冷凍サイクル装置に用いる場合の機器課題である圧力の上昇、吐出温度の上昇を解決し、より優れた特性を導くことを課題とする。
【解決手段】プロパン、シクロプロパン、イソブタン、ブタン等の炭化水素類と非共沸性の高い二酸化炭素（Ｒ７４４）からなり、プロパンとの混合冷媒においては、全体の３０重量％、シクロプロパンとの混合冷媒においては、全体の４０重量％、イソブタンとの混合冷媒においては６０重量％、ブタンとの混合冷媒においては、７０重量％を以下の二酸化炭素（Ｒ７４４）を含む冷媒とし、前記冷媒を充填した冷凍サイクル装置とした。
【選択図】 なし
【解決手段】プロパン、シクロプロパン、イソブタン、ブタン等の炭化水素類と非共沸性の高い二酸化炭素（Ｒ７４４）からなり、プロパンとの混合冷媒においては、全体の３０重量％、シクロプロパンとの混合冷媒においては、全体の４０重量％、イソブタンとの混合冷媒においては６０重量％、ブタンとの混合冷媒においては、７０重量％を以下の二酸化炭素（Ｒ７４４）を含む冷媒とし、前記冷媒を充填した冷凍サイクル装置とした。
【選択図】 なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定な炭化水素類と二酸化炭素からなる混合冷媒と、それを用いた冷凍サイクル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、キャピラリーチューブや膨張弁等の減圧器、蒸発器、等を配管接続して冷凍サイクルを構成し、その内部に冷媒を循環させることにより、冷却または加熱作用を行っている。これらの冷凍サイクル装置における冷媒としては、フロン類（以下便宜上米国ＡＳＨＲＡＥ３４規格に基づきＲを付した記号の次に２桁または３桁の数字をもって記す）と呼ばれるメタンまたはエタンから誘導されたハロゲン化炭化水素が知られている。
【０００３】
上記のような冷凍サイクル装置用冷媒としては分子式がＣＨ２Ｆ２で沸点が−５１．７℃のジフルオロメタン（以下このジフルオロメタンをＲ３２と言う）と分子式がＣ２ＨＦ５で沸点が−４８．１℃のペンタフルオロエタン（以下このペンタフルオロエタンをＲ１２５と言う）との混合冷媒（以下この混合冷媒をＲ４１０Ａと言う）などが用いられている。このＲ４１０Ａは分子構造中に塩素を含まず水素を含むフッ化炭化水素類（以下ＨＦＣ冷媒と言う）の混合冷媒であり、このＨＦＣ冷媒は分子構造中に塩素を含むフッ化炭化水素類（以下ＨＣＦＣ冷媒と言う）、例えば、Ｒ２２などが成層圏のオゾン破壊能力があって、モントリオール議定書によって使用量及び生産量が規制されているＨＣＦＣ冷媒の代替冷媒として使用されている。
【０００４】
また、地球環境問題のもう一つの課題である地球温暖化に対する影響を示す地球温暖化係数（以下ＧＷＰと記す）が低い自然冷媒として分子式がＣＯ２、三重点が−５６．６℃、臨界温度が３１．１℃の二酸化炭素冷媒（以下Ｒ７４４と言う）が高温の給湯をおこなうヒートポンプ給湯機用の冷媒として使用されている。そしてＨＦＣ冷媒は、ＧＷＰが高いという課題がある。
【０００５】
また、Ｒ７４４を用いた冷凍サイクル装置では、凝縮過程を含まない遷臨界サイクルとなりうるものであり、冷凍サイクル装置の圧縮機における吐出圧力がＲ４１０Ａをエアコンなどに使用する場合の一般的な設計圧力（６５℃の飽和圧力）である４．２ＭＰａの約３倍に上昇し、圧縮機吐出温度も上昇しやすく、Ｒ４１０Ａを用いた機器と比較し冷凍サイクル部品の耐圧を強化し、圧縮機モータの絶縁材料や圧縮機用潤滑油の信頼性に細心の注意をしなければならないという課題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記するＨＦＣ冷媒、Ｒ７４４冷媒の課題に鑑み、本発明が解決しようとする課題はＲ４１０Ａを用いたエアコン同等の耐圧強度を持つ機器に使用可能な優れた特性をもった代替冷媒、および、ＨＦＣ冷媒とＲ７４４からなる混合冷媒を用い、圧縮機吐出温度を低減できる冷凍サイクル装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記する課題を解決するため、本発明はプロパンとＲ７４４を構成成分とする冷媒であって、Ｒ７４４の含有量を全体の３０重量％以下としたことを特徴とする混合冷媒とした。
【０００８】
また、本発明はシクロプロパンとＲ７４４を構成成分とする冷媒であって、Ｒ７４４の含有量を全体の４０重量％以下としたことを特徴とする混合冷媒とした。
【０００９】
また、本発明はイソブタンとＲ７４４を構成成分とする冷媒であって、Ｒ７４４の含有量を全体の６０重量％以下としたことを特徴とする混合冷媒とした。
【００１０】
また、本発明はブタンとＲ７４４を構成成分とする冷媒であって、Ｒ７４４の含有量を全体の７０重量％以下としたことを特徴とする混合冷媒とした。
【００１１】
また、本発明は前記した各混合冷媒に、着臭剤や着色剤の漏洩検知助剤を添加することとした。
【００１２】
また、本発明は前記した各混合冷媒のうち一つの混合冷媒を用いることを特徴とする冷凍サイクル装置とした。
【００１３】
また、本発明は圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器を環状に接続し冷凍サイクルを構成し、前記凝縮器を流れる前記した各混合冷媒のうち一つの混合冷媒と非加熱流体とを対向して流して、熱交換させることを特徴とする冷凍サイクル装置とした。
【００１４】
また、本発明は減圧器の出口側から蒸発器の入口側までの間に設けられた気液分離器で、前記した各混合冷媒のうち一つの混合冷媒の気相冷媒と液相冷媒を分離し、液相冷媒は蒸発器に流入するように気液分離器の配管を蒸発器に接続し、気相冷媒は圧縮機の吸入部に流入するように気液分離器の配管を圧縮機吸入部に接続することとした。
【００１５】
また、本発明は圧縮機に封入される潤滑油が、圧縮機の動作条件において前記した各混合冷媒のうち一つの混合冷媒と溶解または一部溶解し、２センチストークス以上の粘度の潤滑油とした。
【００１６】
また、本発明は前記した圧縮機に低圧型圧縮機を用いることとした。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の目的は、各請求項に記載した構成を実施の形態の主要部とすることにより達成できるのであるが、以下には本発明の具体的な実施の形態の意義について、図１から図４を用いて説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１に、分子式がＣＨ３−ＣＨ２−ＣＨ３で沸点が−４２．１℃、臨界温度が９６．７℃のプロパン（以下Ｒ２９０と言う）、分子式がＣ３Ｈ６で沸点が−３２．９℃、臨界温度が１２５．２℃のシクロプロパン（以下ＲＣ２７０と言う）、分子式がｉ−Ｃ４Ｈ８で沸点が−１１．７℃、臨界温度が１３４．７℃のイソブタン（以下Ｒ６００ａと言う）、分子式がｎ−Ｃ４Ｈ８で沸点が−０．５℃、臨界温度が１５２．０℃のブタン（以下Ｒ６００と言う）、等のＨＦＣ冷媒と、Ｒ７４４との混合冷媒の温度７０℃における気液平衡特性を示す。
【００１９】
図１からＨＦＣ冷媒であるＲ２９０、ＲＣ２７０、Ｒ６００ａ、Ｒ６００等と、Ｒ７４４とは非共沸混合冷媒を構成することがわかる。Ｒ４１０Ａをエアコンなどに使用する場合の一般的な設計圧力（６５℃の飽和圧力）である４．２ＭＰａと比較すると、Ｒ２９０とＲ７４４の混合冷媒は、Ｒ７４４の濃度が約３０重量％以下で同等の飽和圧力になり、ＲＣ２７０とＲ７４４の混合冷媒は、Ｒ７４４の濃度が約４０重量％以下で同等の飽和圧力になり、Ｒ６００ａとＲ７４４の混合冷媒は、Ｒ７４４の濃度が約６０重量％以下で同等の飽和圧力になり、Ｒ６００とＲ７４４の混合冷媒は、Ｒ７４４の濃度が約７０重量％以下で同等の飽和圧力になることが図１からわかる。
【００２０】
すなわち、Ｒ７４４が上記の濃度以下では、Ｒ４１０Ａをエアコンなどに使用する場合の一般的な設計圧力（６５℃の飽和圧力）である４．２ＭＰａと同等以下の飽和圧力を示すため、Ｒ４１０Ａを用いた機器同等の耐圧強度を持つ機器に使用できる。
【００２１】
そして図１の特性曲線からわかるようにＲ２９０とＲ７４４からなる混合冷媒では、Ｒ７４４の含有量は１５重量％以下が望ましく、ＲＣ２７０とＲ７４４からなる混合冷媒をＲ６００ａとＲ７４４からなる混合冷媒及びＲ６００とＲ７４４からなる混合冷媒は何れもＲ７４４の含有量は３０重量％以下が望ましい。
【００２２】
また、Ｒ２９０、ＲＣ２７０、Ｒ６００ａ、Ｒ６００、等のＨＦＣ冷媒の臨界温度は、Ｒ７４４の単一冷媒の臨界温度よりも高いため、ＨＦＣ冷媒を混合した非共沸様混合冷媒の臨界温度は、Ｒ７４４の単一冷媒の臨界温度以上の臨界温度をもつことになる。したがって、Ｒ７４４の単一冷媒を用いた冷凍サイクル装置では、凝縮過程を含まない遷臨界サイクルとなりうるのに対して、ＨＦＣ冷媒を混合した非共沸様混合冷媒を用いた冷媒では、温度条件によっては凝縮過程を含む亜臨界サイクルを構成することも可能である。
【００２３】
したがって、かかるＨＦＣ冷媒とＲ７４４からなる非共沸様混合冷媒は、冷凍サイクル装置の冷媒として用いる場合に優れた特性を示し、実用上の機器課題を解決できるものである。
【００２４】
また、冷凍サイクル装置としての冷媒を、自然冷媒であるＨＦＣ冷媒とＲ７４４を含む混合冷媒となすことにより、成層圏オゾン層に及ぼす影響をなくすることを可能とするものである。さらにかかる混合冷媒は、ＧＷＰが１のＲ７４４と、ＧＷＰがほとんどないＨＦＣ冷媒のみから構成されるため、これらを混合した冷媒も、地球温暖化に対する影響はほとんどないものである。従って自然冷媒であるＨＦＣ冷媒の含有量（重量％）は各請求項共、特定された上限迄の量とするのが好ましい。
【００２５】
また、Ｒ２９０、ＲＣ２７０、Ｒ６００ａ、Ｒ６００、等のＨＦＣ冷媒に対して、漏洩検知助剤として、メチルメルカプタン、テトラヒドロチオフェン、アンモニア、等を主成分とする着臭剤や、アゾ顔料、蛍光染料、蛍光顔料、等を主成分とする着色剤や、着臭剤の溶解助剤、着色剤の溶解助剤、等が微少量添加しても、通常ｐｐｍオーダーの極く微量の含有で効果を発揮するものである。
【００２６】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の概略構成を示したものであり、同図において、１１は圧縮機、１２は凝縮器、１３は減圧器、１４は蒸発器を示しており、これらを配管接続することにより閉回路を形成し、凝縮器において水と冷媒は対向して流れて熱交換し、ヒートポンプ給湯機を構成している。冷媒としてＨＦＣ冷媒と非共沸性の高いＲ７４４からなる混合冷媒が封入されている。
【００２７】
図３は本発明の冷凍サイクル装置にＲ２９０を８５重量％Ｒ７４４を１５重量％封入し、運転した場合の凝縮器の冷媒温度と水温変化を示したものである。
ここで、加熱性能は、給水温度は１０℃、凝縮器の冷媒温度と水温とのピンチ温度を５ｄｅｇ、凝縮器出口冷媒温度を１９℃、蒸発器の平均蒸発温度を２℃として、凝縮器出口水温度が９０℃となるように凝縮冷媒圧力を制御している。その結果、凝縮冷媒圧力４．０ＭＰａで、水温９０℃に加熱できる。
【００２８】
（表１）は、Ｒ２９０とＲ７４４とからなる２成分系の、Ｒ７４４が０重量％から２０重量％の混合冷媒（Ｒ７４４が０重量％はプロパン単一冷媒）、ＲＣ２７０とＲ７４４からなる混合冷媒、Ｒ６００ａとＲ７４４からなる２成分系の混合冷媒、Ｒ６００とＲ７４４からなる混合冷媒はＲ７４４が３０重量％の混合冷媒をヒートポンプ給湯機に用い、加熱性能を、Ｒ２９０の単一冷媒および、Ｒ７４４の単一冷媒と比較したものである。
【００２９】
【表１】
【００３０】
（表１）から明らかなように、Ｒ２９０とＲ７４４からなる混合冷媒ではＲ７４４を１５重量％以下に、ＲＣ２７０とＲ７４４からなる混合冷媒、Ｒ６００ａとＲ７４４からなる混合冷媒、Ｒ６００とＲ７４４からなる混合冷媒では、Ｒ７４４を３０重量％以下にすれば、圧縮機の吐出圧力が、Ｒ４１０Ａをエアコンなどに使用する場合の一般的な設計圧力（６５℃の飽和圧力）である４．２ＭＰａより低い圧力で９０℃の給湯が可能となる。
【００３１】
また、Ｒ２９０の単一冷媒やＲ７４４の単一冷媒と比較すると、Ｒ７４４の濃度の増加とともに凝縮圧力は上昇するものの、Ｒ２９０やＲ７４４と同等以上の成績係数（ＣＯＰ）を示す。
【００３２】
（表１）の凝縮温度勾配（ΔＴｃ）は、非共沸混合冷媒の特徴であり、圧力一定の状態で冷媒が凝縮器で凝縮する時の温度変化を示すものである。Ｒ２９０と非共沸性の高いＲ７４４を混合したことによって、凝縮温度勾配は、Ｒ７４４が１５重量％の濃度において、１７．６℃と大きく、凝縮器において水と冷媒が対向して流れ熱交換するような給湯機のサイクルでは、平均凝縮温度の低下、圧縮比の低下につながり、成績効率の向上につながっている。このことは、他のＲＣ２７０、Ｒ６００ａ、Ｒ６００、等のＨＦＣ冷媒を混合する場合にも同様の効果を奏するものであり、ＨＦＣ冷媒とＲ７４４を混合し冷凍サイクル装置に用いたときに、Ｒ７４４の単一冷媒を用いるときに比べ成績効率を向上できるという作用を奏する。
【００３３】
さらに、（表１）からは、Ｒ２９０の吐出温度低減効果は、Ｒ２９０の濃度が高いほど大きく、Ｒ７４４が１５重量％でＲ２９０が８５重量％ではＲ７４４の単一冷媒と比較して約２ｄｅｇの吐出温度低減効果があることがわかる。このように、ＨＦＣ冷媒とＲ７４４とからなる２成分系の混合冷媒を、冷凍サイクル装置の冷媒として用いる場合、優れた特性を示すものである。
【００３４】
（実施の形態３）
図４は本発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置の概略構成を示したものであり、同図において、１１は圧縮機、１２は凝縮器、１３は減圧器、１５は気液分離器、１４は蒸発器であり、これらを配管接続することにより閉回路を形成し、図中矢印の方向に冷媒が循環する冷凍サイクルを構成し、冷媒としてＨＦＣ冷媒と非共沸性の高いＲ７４４とからなる混合冷媒が封入されている。
【００３５】
さらに、気液分離器１５では混合冷媒の気相冷媒と液相冷媒を分離し、液相冷媒は蒸発器１４に流入するように気液分離器１５の配管を蒸発器１４に接続し、気相冷媒は圧縮機１１の吸入部に流入するように気液分離器１５の配管を圧縮機１１の吸入部に接続する構成となっている。
【００３６】
ここで、ＨＦＣ冷媒とＲ７４４は非共沸性が高いため、気液分離器１５で分離された気相冷媒では、低沸点成分のＲ７４４の濃度が高い冷媒となり、液相冷媒では高沸点成分のＨＦＣ冷媒の濃度の高い冷媒となる。蒸発器１４にはＨＦＣ冷媒の濃度が充填された濃度より高い混合冷媒が流入するため、非共沸性は小さくなり、温度勾配も小さくなる。その結果、蒸発器入口冷媒温度と出口冷媒温度の差が小さくなる。室外気温が低い場合、蒸発器の混合冷媒の温度は低下して、０℃以下のフィン部分に着霜するが、気液分離器で混合冷媒を気液分離して、蒸発器入口冷媒温度と出口冷媒温度の差を小さくできるため、蒸発器への部分的な着霜を防ぐことができる。
【００３７】
また、ＨＦＣ冷媒とＲ７４４とからなる混合冷媒を共存させると、運転状態においては、ＨＦＣ冷媒が潤滑油に選択的に溶解するため、圧縮機１１用の潤滑油は、圧縮機１１の動作条件においてＲ７４４と不溶解域もつ潤滑油であってもよく、潤滑油の選定や粘度管理が容易となる。特に、Ｒ７４４と各種の潤滑油の溶解性は、低温ばかりでなく、高温においても不溶解性となることが知られているが、圧縮機１１においてＨＦＣ冷媒が潤滑油に選択的に溶解することによって、圧縮機１１から吐出された潤滑油の圧縮機１１への戻りを容易にし、圧縮機１１内の潤滑油量を充分に保ち、圧縮機１１の信頼性の向上を図ることができる。
１００℃で５センチストークス以上の粘度グレードをもつ潤滑油は、潤滑油の種類によって粘度指数も異なるため一概に言えないが、４０℃ではほぼ５０センチストークス以上の粘度グレードをもつ。このような１００℃で５センチストークス以上の粘度グレードをもつ潤滑油と、ＨＦＣ冷媒とＲ７４４からなる混合冷媒を共存させると、圧縮機運転状態においては、ＨＦＣ冷媒が潤滑油に選択的に溶解して潤滑油の粘度は低下する。
【００３８】
すなわち、ＨＦＣ冷媒が潤滑油に選択的に溶解して潤滑油の粘度が低下しても２センチストークス以上の粘度グレードをもつ潤滑油を選定しておけば信頼性上の保証が得られるものである。
【００３９】
また、ＨＦＣ冷媒とＲ７４４からなる混合冷媒は全く溶解しないか、一部しか溶解しない潤滑油でも、圧縮機運転状態において潤滑油の粘度が２センチストークス以上の粘度グレードをもつ潤滑油を選定しておけば信頼性上の保証が得られるものである。
【００４０】
粘度グレードの上限については特定しないが、１００℃で２０センチストークス以下程度が、摺動摩擦による消費電力の増大を防止するのに適当である。また潤滑油としては、ナフテン系やパラフィン系の鉱油、アルキルベンゼン油、エーテル油、エステル油、ポリアレキレングリコール油、カーボネート油、等の単独の基油でもよいし、これらの混合油でもよいことはもちろんのことである。
【００４１】
本発明の実施の形態で用いている圧縮機１１として低圧型圧縮機を用いる場合、潤滑油は冷凍サイクルの低圧冷媒と接するため、冷媒の潤滑油への溶解量を極めて少なくできるため、可燃性である炭化水素を含む冷媒量を少なくでき、機器の安全性を高めることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明においては以下の効果を有する。
【００４３】
（１）冷媒を、Ｒ２９０とＲ７４４からなり、３０重量％以下のＲ７４４、望ましくは１５重量％以下のＲ７４４を含む混合冷媒とすることにより、成層圏オゾン層に及ぼす影響や地球温暖化に対する影響をほとんどなくし、高圧を低減して、Ｒ４１０Ａを用いたエアコン用の部品を使用することができる。
【００４４】
（２）冷媒を、ＲＣ２７０とＲ７４４からなり、４０重量％以下のＲ７４４、望ましくは３０重量％以下のＲ７４４を含む混合冷媒とすることにより、成層圏オゾン層に及ぼす影響や地球温暖化に対する影響をほとんどなくし、高圧を低減して、Ｒ４１０Ａを用いたエアコン用の部品を使用することができる。
【００４５】
（３）冷媒を、Ｒ６００ａとＲ７４４からなり、６０重量％以下のＲ７４４、望ましくは３０重量％以下のＲ７４４を含む混合冷媒とすることにより、成層圏オゾン層に及ぼす影響や地球温暖化に対する影響をほとんどなくし、高圧を低減して、Ｒ４１０Ａを用いたエアコン用の部品を使用することができる。
【００４６】
（４）冷媒を、Ｒ６００とＲ７４４からなり、７０重量％以下のＲ７４４、望ましくは３０重量％以下のＲ７４４を含む混合冷媒とすることにより、成層圏オゾン層に及ぼす影響や地球温暖化に対する影響をほとんどなくし、高圧を低減して、Ｒ４１０Ａを用いたエアコン用の部品を使用することができる。
【００４７】
（５）ＨＦＣ冷媒とＲ７４４を混合すれば、混合冷媒の非共沸性が高いため、ヒートポンプ給湯機などの冷凍サイクル装置に用いたときに、成績係数をＨＦＣ冷媒の単一冷媒より高くすることができる。
【００４８】
（６）ＨＦＣ冷媒とＲ７４４を混合すれば、冷凍サイクル装置に用いたときに圧縮機における吐出温度をＲ７４４の単一冷媒より低減できる。
【００４９】
（７）ＨＦＣ冷媒が主に圧縮機用潤滑油に溶解し、Ｒ７４４と共存する圧縮機用潤滑油の圧縮機へのオイルリターンを確保することができる。
【００５０】
（８）圧縮機運転状態で、２センチストークス以上の粘度グレードをもつ潤滑油を選定しておけば信頼性上の保証が得られる。
【００５１】
（９）圧縮機として低圧型圧縮機を用いる場合には、ＨＦＣ冷媒の潤滑油への溶解量を少なくでき、冷凍サイクルの冷媒充填量を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による冷媒の特性の一実施例を示す特性図
【図２】本発明による冷媒を用いた冷凍サイクル装置の一実施例を示す回路図
【図３】本発明による冷媒を用いた冷凍サイクル装置の凝縮冷媒温度と水温の変化を示す特性図
【図４】本発明による冷媒を用いた冷凍サイクル装置の他の実施例を示す回路図
【符号の説明】
１１ 圧縮機
１２ 凝縮器
１３ 減圧器
１４ 蒸発器
１５ 気液分離器
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定な炭化水素類と二酸化炭素からなる混合冷媒と、それを用いた冷凍サイクル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、キャピラリーチューブや膨張弁等の減圧器、蒸発器、等を配管接続して冷凍サイクルを構成し、その内部に冷媒を循環させることにより、冷却または加熱作用を行っている。これらの冷凍サイクル装置における冷媒としては、フロン類（以下便宜上米国ＡＳＨＲＡＥ３４規格に基づきＲを付した記号の次に２桁または３桁の数字をもって記す）と呼ばれるメタンまたはエタンから誘導されたハロゲン化炭化水素が知られている。
【０００３】
上記のような冷凍サイクル装置用冷媒としては分子式がＣＨ２Ｆ２で沸点が−５１．７℃のジフルオロメタン（以下このジフルオロメタンをＲ３２と言う）と分子式がＣ２ＨＦ５で沸点が−４８．１℃のペンタフルオロエタン（以下このペンタフルオロエタンをＲ１２５と言う）との混合冷媒（以下この混合冷媒をＲ４１０Ａと言う）などが用いられている。このＲ４１０Ａは分子構造中に塩素を含まず水素を含むフッ化炭化水素類（以下ＨＦＣ冷媒と言う）の混合冷媒であり、このＨＦＣ冷媒は分子構造中に塩素を含むフッ化炭化水素類（以下ＨＣＦＣ冷媒と言う）、例えば、Ｒ２２などが成層圏のオゾン破壊能力があって、モントリオール議定書によって使用量及び生産量が規制されているＨＣＦＣ冷媒の代替冷媒として使用されている。
【０００４】
また、地球環境問題のもう一つの課題である地球温暖化に対する影響を示す地球温暖化係数（以下ＧＷＰと記す）が低い自然冷媒として分子式がＣＯ２、三重点が−５６．６℃、臨界温度が３１．１℃の二酸化炭素冷媒（以下Ｒ７４４と言う）が高温の給湯をおこなうヒートポンプ給湯機用の冷媒として使用されている。そしてＨＦＣ冷媒は、ＧＷＰが高いという課題がある。
【０００５】
また、Ｒ７４４を用いた冷凍サイクル装置では、凝縮過程を含まない遷臨界サイクルとなりうるものであり、冷凍サイクル装置の圧縮機における吐出圧力がＲ４１０Ａをエアコンなどに使用する場合の一般的な設計圧力（６５℃の飽和圧力）である４．２ＭＰａの約３倍に上昇し、圧縮機吐出温度も上昇しやすく、Ｒ４１０Ａを用いた機器と比較し冷凍サイクル部品の耐圧を強化し、圧縮機モータの絶縁材料や圧縮機用潤滑油の信頼性に細心の注意をしなければならないという課題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記するＨＦＣ冷媒、Ｒ７４４冷媒の課題に鑑み、本発明が解決しようとする課題はＲ４１０Ａを用いたエアコン同等の耐圧強度を持つ機器に使用可能な優れた特性をもった代替冷媒、および、ＨＦＣ冷媒とＲ７４４からなる混合冷媒を用い、圧縮機吐出温度を低減できる冷凍サイクル装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記する課題を解決するため、本発明はプロパンとＲ７４４を構成成分とする冷媒であって、Ｒ７４４の含有量を全体の３０重量％以下としたことを特徴とする混合冷媒とした。
【０００８】
また、本発明はシクロプロパンとＲ７４４を構成成分とする冷媒であって、Ｒ７４４の含有量を全体の４０重量％以下としたことを特徴とする混合冷媒とした。
【０００９】
また、本発明はイソブタンとＲ７４４を構成成分とする冷媒であって、Ｒ７４４の含有量を全体の６０重量％以下としたことを特徴とする混合冷媒とした。
【００１０】
また、本発明はブタンとＲ７４４を構成成分とする冷媒であって、Ｒ７４４の含有量を全体の７０重量％以下としたことを特徴とする混合冷媒とした。
【００１１】
また、本発明は前記した各混合冷媒に、着臭剤や着色剤の漏洩検知助剤を添加することとした。
【００１２】
また、本発明は前記した各混合冷媒のうち一つの混合冷媒を用いることを特徴とする冷凍サイクル装置とした。
【００１３】
また、本発明は圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器を環状に接続し冷凍サイクルを構成し、前記凝縮器を流れる前記した各混合冷媒のうち一つの混合冷媒と非加熱流体とを対向して流して、熱交換させることを特徴とする冷凍サイクル装置とした。
【００１４】
また、本発明は減圧器の出口側から蒸発器の入口側までの間に設けられた気液分離器で、前記した各混合冷媒のうち一つの混合冷媒の気相冷媒と液相冷媒を分離し、液相冷媒は蒸発器に流入するように気液分離器の配管を蒸発器に接続し、気相冷媒は圧縮機の吸入部に流入するように気液分離器の配管を圧縮機吸入部に接続することとした。
【００１５】
また、本発明は圧縮機に封入される潤滑油が、圧縮機の動作条件において前記した各混合冷媒のうち一つの混合冷媒と溶解または一部溶解し、２センチストークス以上の粘度の潤滑油とした。
【００１６】
また、本発明は前記した圧縮機に低圧型圧縮機を用いることとした。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の目的は、各請求項に記載した構成を実施の形態の主要部とすることにより達成できるのであるが、以下には本発明の具体的な実施の形態の意義について、図１から図４を用いて説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１に、分子式がＣＨ３−ＣＨ２−ＣＨ３で沸点が−４２．１℃、臨界温度が９６．７℃のプロパン（以下Ｒ２９０と言う）、分子式がＣ３Ｈ６で沸点が−３２．９℃、臨界温度が１２５．２℃のシクロプロパン（以下ＲＣ２７０と言う）、分子式がｉ−Ｃ４Ｈ８で沸点が−１１．７℃、臨界温度が１３４．７℃のイソブタン（以下Ｒ６００ａと言う）、分子式がｎ−Ｃ４Ｈ８で沸点が−０．５℃、臨界温度が１５２．０℃のブタン（以下Ｒ６００と言う）、等のＨＦＣ冷媒と、Ｒ７４４との混合冷媒の温度７０℃における気液平衡特性を示す。
【００１９】
図１からＨＦＣ冷媒であるＲ２９０、ＲＣ２７０、Ｒ６００ａ、Ｒ６００等と、Ｒ７４４とは非共沸混合冷媒を構成することがわかる。Ｒ４１０Ａをエアコンなどに使用する場合の一般的な設計圧力（６５℃の飽和圧力）である４．２ＭＰａと比較すると、Ｒ２９０とＲ７４４の混合冷媒は、Ｒ７４４の濃度が約３０重量％以下で同等の飽和圧力になり、ＲＣ２７０とＲ７４４の混合冷媒は、Ｒ７４４の濃度が約４０重量％以下で同等の飽和圧力になり、Ｒ６００ａとＲ７４４の混合冷媒は、Ｒ７４４の濃度が約６０重量％以下で同等の飽和圧力になり、Ｒ６００とＲ７４４の混合冷媒は、Ｒ７４４の濃度が約７０重量％以下で同等の飽和圧力になることが図１からわかる。
【００２０】
すなわち、Ｒ７４４が上記の濃度以下では、Ｒ４１０Ａをエアコンなどに使用する場合の一般的な設計圧力（６５℃の飽和圧力）である４．２ＭＰａと同等以下の飽和圧力を示すため、Ｒ４１０Ａを用いた機器同等の耐圧強度を持つ機器に使用できる。
【００２１】
そして図１の特性曲線からわかるようにＲ２９０とＲ７４４からなる混合冷媒では、Ｒ７４４の含有量は１５重量％以下が望ましく、ＲＣ２７０とＲ７４４からなる混合冷媒をＲ６００ａとＲ７４４からなる混合冷媒及びＲ６００とＲ７４４からなる混合冷媒は何れもＲ７４４の含有量は３０重量％以下が望ましい。
【００２２】
また、Ｒ２９０、ＲＣ２７０、Ｒ６００ａ、Ｒ６００、等のＨＦＣ冷媒の臨界温度は、Ｒ７４４の単一冷媒の臨界温度よりも高いため、ＨＦＣ冷媒を混合した非共沸様混合冷媒の臨界温度は、Ｒ７４４の単一冷媒の臨界温度以上の臨界温度をもつことになる。したがって、Ｒ７４４の単一冷媒を用いた冷凍サイクル装置では、凝縮過程を含まない遷臨界サイクルとなりうるのに対して、ＨＦＣ冷媒を混合した非共沸様混合冷媒を用いた冷媒では、温度条件によっては凝縮過程を含む亜臨界サイクルを構成することも可能である。
【００２３】
したがって、かかるＨＦＣ冷媒とＲ７４４からなる非共沸様混合冷媒は、冷凍サイクル装置の冷媒として用いる場合に優れた特性を示し、実用上の機器課題を解決できるものである。
【００２４】
また、冷凍サイクル装置としての冷媒を、自然冷媒であるＨＦＣ冷媒とＲ７４４を含む混合冷媒となすことにより、成層圏オゾン層に及ぼす影響をなくすることを可能とするものである。さらにかかる混合冷媒は、ＧＷＰが１のＲ７４４と、ＧＷＰがほとんどないＨＦＣ冷媒のみから構成されるため、これらを混合した冷媒も、地球温暖化に対する影響はほとんどないものである。従って自然冷媒であるＨＦＣ冷媒の含有量（重量％）は各請求項共、特定された上限迄の量とするのが好ましい。
【００２５】
また、Ｒ２９０、ＲＣ２７０、Ｒ６００ａ、Ｒ６００、等のＨＦＣ冷媒に対して、漏洩検知助剤として、メチルメルカプタン、テトラヒドロチオフェン、アンモニア、等を主成分とする着臭剤や、アゾ顔料、蛍光染料、蛍光顔料、等を主成分とする着色剤や、着臭剤の溶解助剤、着色剤の溶解助剤、等が微少量添加しても、通常ｐｐｍオーダーの極く微量の含有で効果を発揮するものである。
【００２６】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の概略構成を示したものであり、同図において、１１は圧縮機、１２は凝縮器、１３は減圧器、１４は蒸発器を示しており、これらを配管接続することにより閉回路を形成し、凝縮器において水と冷媒は対向して流れて熱交換し、ヒートポンプ給湯機を構成している。冷媒としてＨＦＣ冷媒と非共沸性の高いＲ７４４からなる混合冷媒が封入されている。
【００２７】
図３は本発明の冷凍サイクル装置にＲ２９０を８５重量％Ｒ７４４を１５重量％封入し、運転した場合の凝縮器の冷媒温度と水温変化を示したものである。
ここで、加熱性能は、給水温度は１０℃、凝縮器の冷媒温度と水温とのピンチ温度を５ｄｅｇ、凝縮器出口冷媒温度を１９℃、蒸発器の平均蒸発温度を２℃として、凝縮器出口水温度が９０℃となるように凝縮冷媒圧力を制御している。その結果、凝縮冷媒圧力４．０ＭＰａで、水温９０℃に加熱できる。
【００２８】
（表１）は、Ｒ２９０とＲ７４４とからなる２成分系の、Ｒ７４４が０重量％から２０重量％の混合冷媒（Ｒ７４４が０重量％はプロパン単一冷媒）、ＲＣ２７０とＲ７４４からなる混合冷媒、Ｒ６００ａとＲ７４４からなる２成分系の混合冷媒、Ｒ６００とＲ７４４からなる混合冷媒はＲ７４４が３０重量％の混合冷媒をヒートポンプ給湯機に用い、加熱性能を、Ｒ２９０の単一冷媒および、Ｒ７４４の単一冷媒と比較したものである。
【００２９】
【表１】
（表１）から明らかなように、Ｒ２９０とＲ７４４からなる混合冷媒ではＲ７４４を１５重量％以下に、ＲＣ２７０とＲ７４４からなる混合冷媒、Ｒ６００ａとＲ７４４からなる混合冷媒、Ｒ６００とＲ７４４からなる混合冷媒では、Ｒ７４４を３０重量％以下にすれば、圧縮機の吐出圧力が、Ｒ４１０Ａをエアコンなどに使用する場合の一般的な設計圧力（６５℃の飽和圧力）である４．２ＭＰａより低い圧力で９０℃の給湯が可能となる。
【００３１】
また、Ｒ２９０の単一冷媒やＲ７４４の単一冷媒と比較すると、Ｒ７４４の濃度の増加とともに凝縮圧力は上昇するものの、Ｒ２９０やＲ７４４と同等以上の成績係数（ＣＯＰ）を示す。
【００３２】
（表１）の凝縮温度勾配（ΔＴｃ）は、非共沸混合冷媒の特徴であり、圧力一定の状態で冷媒が凝縮器で凝縮する時の温度変化を示すものである。Ｒ２９０と非共沸性の高いＲ７４４を混合したことによって、凝縮温度勾配は、Ｒ７４４が１５重量％の濃度において、１７．６℃と大きく、凝縮器において水と冷媒が対向して流れ熱交換するような給湯機のサイクルでは、平均凝縮温度の低下、圧縮比の低下につながり、成績効率の向上につながっている。このことは、他のＲＣ２７０、Ｒ６００ａ、Ｒ６００、等のＨＦＣ冷媒を混合する場合にも同様の効果を奏するものであり、ＨＦＣ冷媒とＲ７４４を混合し冷凍サイクル装置に用いたときに、Ｒ７４４の単一冷媒を用いるときに比べ成績効率を向上できるという作用を奏する。
【００３３】
さらに、（表１）からは、Ｒ２９０の吐出温度低減効果は、Ｒ２９０の濃度が高いほど大きく、Ｒ７４４が１５重量％でＲ２９０が８５重量％ではＲ７４４の単一冷媒と比較して約２ｄｅｇの吐出温度低減効果があることがわかる。このように、ＨＦＣ冷媒とＲ７４４とからなる２成分系の混合冷媒を、冷凍サイクル装置の冷媒として用いる場合、優れた特性を示すものである。
【００３４】
（実施の形態３）
図４は本発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置の概略構成を示したものであり、同図において、１１は圧縮機、１２は凝縮器、１３は減圧器、１５は気液分離器、１４は蒸発器であり、これらを配管接続することにより閉回路を形成し、図中矢印の方向に冷媒が循環する冷凍サイクルを構成し、冷媒としてＨＦＣ冷媒と非共沸性の高いＲ７４４とからなる混合冷媒が封入されている。
【００３５】
さらに、気液分離器１５では混合冷媒の気相冷媒と液相冷媒を分離し、液相冷媒は蒸発器１４に流入するように気液分離器１５の配管を蒸発器１４に接続し、気相冷媒は圧縮機１１の吸入部に流入するように気液分離器１５の配管を圧縮機１１の吸入部に接続する構成となっている。
【００３６】
ここで、ＨＦＣ冷媒とＲ７４４は非共沸性が高いため、気液分離器１５で分離された気相冷媒では、低沸点成分のＲ７４４の濃度が高い冷媒となり、液相冷媒では高沸点成分のＨＦＣ冷媒の濃度の高い冷媒となる。蒸発器１４にはＨＦＣ冷媒の濃度が充填された濃度より高い混合冷媒が流入するため、非共沸性は小さくなり、温度勾配も小さくなる。その結果、蒸発器入口冷媒温度と出口冷媒温度の差が小さくなる。室外気温が低い場合、蒸発器の混合冷媒の温度は低下して、０℃以下のフィン部分に着霜するが、気液分離器で混合冷媒を気液分離して、蒸発器入口冷媒温度と出口冷媒温度の差を小さくできるため、蒸発器への部分的な着霜を防ぐことができる。
【００３７】
また、ＨＦＣ冷媒とＲ７４４とからなる混合冷媒を共存させると、運転状態においては、ＨＦＣ冷媒が潤滑油に選択的に溶解するため、圧縮機１１用の潤滑油は、圧縮機１１の動作条件においてＲ７４４と不溶解域もつ潤滑油であってもよく、潤滑油の選定や粘度管理が容易となる。特に、Ｒ７４４と各種の潤滑油の溶解性は、低温ばかりでなく、高温においても不溶解性となることが知られているが、圧縮機１１においてＨＦＣ冷媒が潤滑油に選択的に溶解することによって、圧縮機１１から吐出された潤滑油の圧縮機１１への戻りを容易にし、圧縮機１１内の潤滑油量を充分に保ち、圧縮機１１の信頼性の向上を図ることができる。
１００℃で５センチストークス以上の粘度グレードをもつ潤滑油は、潤滑油の種類によって粘度指数も異なるため一概に言えないが、４０℃ではほぼ５０センチストークス以上の粘度グレードをもつ。このような１００℃で５センチストークス以上の粘度グレードをもつ潤滑油と、ＨＦＣ冷媒とＲ７４４からなる混合冷媒を共存させると、圧縮機運転状態においては、ＨＦＣ冷媒が潤滑油に選択的に溶解して潤滑油の粘度は低下する。
【００３８】
すなわち、ＨＦＣ冷媒が潤滑油に選択的に溶解して潤滑油の粘度が低下しても２センチストークス以上の粘度グレードをもつ潤滑油を選定しておけば信頼性上の保証が得られるものである。
【００３９】
また、ＨＦＣ冷媒とＲ７４４からなる混合冷媒は全く溶解しないか、一部しか溶解しない潤滑油でも、圧縮機運転状態において潤滑油の粘度が２センチストークス以上の粘度グレードをもつ潤滑油を選定しておけば信頼性上の保証が得られるものである。
【００４０】
粘度グレードの上限については特定しないが、１００℃で２０センチストークス以下程度が、摺動摩擦による消費電力の増大を防止するのに適当である。また潤滑油としては、ナフテン系やパラフィン系の鉱油、アルキルベンゼン油、エーテル油、エステル油、ポリアレキレングリコール油、カーボネート油、等の単独の基油でもよいし、これらの混合油でもよいことはもちろんのことである。
【００４１】
本発明の実施の形態で用いている圧縮機１１として低圧型圧縮機を用いる場合、潤滑油は冷凍サイクルの低圧冷媒と接するため、冷媒の潤滑油への溶解量を極めて少なくできるため、可燃性である炭化水素を含む冷媒量を少なくでき、機器の安全性を高めることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明においては以下の効果を有する。
【００４３】
（１）冷媒を、Ｒ２９０とＲ７４４からなり、３０重量％以下のＲ７４４、望ましくは１５重量％以下のＲ７４４を含む混合冷媒とすることにより、成層圏オゾン層に及ぼす影響や地球温暖化に対する影響をほとんどなくし、高圧を低減して、Ｒ４１０Ａを用いたエアコン用の部品を使用することができる。
【００４４】
（２）冷媒を、ＲＣ２７０とＲ７４４からなり、４０重量％以下のＲ７４４、望ましくは３０重量％以下のＲ７４４を含む混合冷媒とすることにより、成層圏オゾン層に及ぼす影響や地球温暖化に対する影響をほとんどなくし、高圧を低減して、Ｒ４１０Ａを用いたエアコン用の部品を使用することができる。
【００４５】
（３）冷媒を、Ｒ６００ａとＲ７４４からなり、６０重量％以下のＲ７４４、望ましくは３０重量％以下のＲ７４４を含む混合冷媒とすることにより、成層圏オゾン層に及ぼす影響や地球温暖化に対する影響をほとんどなくし、高圧を低減して、Ｒ４１０Ａを用いたエアコン用の部品を使用することができる。
【００４６】
（４）冷媒を、Ｒ６００とＲ７４４からなり、７０重量％以下のＲ７４４、望ましくは３０重量％以下のＲ７４４を含む混合冷媒とすることにより、成層圏オゾン層に及ぼす影響や地球温暖化に対する影響をほとんどなくし、高圧を低減して、Ｒ４１０Ａを用いたエアコン用の部品を使用することができる。
【００４７】
（５）ＨＦＣ冷媒とＲ７４４を混合すれば、混合冷媒の非共沸性が高いため、ヒートポンプ給湯機などの冷凍サイクル装置に用いたときに、成績係数をＨＦＣ冷媒の単一冷媒より高くすることができる。
【００４８】
（６）ＨＦＣ冷媒とＲ７４４を混合すれば、冷凍サイクル装置に用いたときに圧縮機における吐出温度をＲ７４４の単一冷媒より低減できる。
【００４９】
（７）ＨＦＣ冷媒が主に圧縮機用潤滑油に溶解し、Ｒ７４４と共存する圧縮機用潤滑油の圧縮機へのオイルリターンを確保することができる。
【００５０】
（８）圧縮機運転状態で、２センチストークス以上の粘度グレードをもつ潤滑油を選定しておけば信頼性上の保証が得られる。
【００５１】
（９）圧縮機として低圧型圧縮機を用いる場合には、ＨＦＣ冷媒の潤滑油への溶解量を少なくでき、冷凍サイクルの冷媒充填量を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による冷媒の特性の一実施例を示す特性図
【図２】本発明による冷媒を用いた冷凍サイクル装置の一実施例を示す回路図
【図３】本発明による冷媒を用いた冷凍サイクル装置の凝縮冷媒温度と水温の変化を示す特性図
【図４】本発明による冷媒を用いた冷凍サイクル装置の他の実施例を示す回路図
【符号の説明】
１１ 圧縮機
１２ 凝縮器
１３ 減圧器
１４ 蒸発器
１５ 気液分離器
Claims (10)
- プロパンと二酸化炭素の両者を構成成分とする冷媒であって、前記冷媒が含有する二酸化炭素の含有量は前記冷媒の３０重量％以下とし、前記冷媒が含有するプロパンの含有量は前記二酸化炭素の含有量を前記冷媒から減じた残余の重量％としたことを特徴とする混合冷媒。
- シクロプロパンと二酸化炭素の両者を構成成分とする冷媒であって、前記冷媒が含有する二酸化炭素の含有量は前記冷媒の４０重量％以下とし、前記冷媒が含有するシクロプロパンの含有量は前記二酸化炭素の含有量を前記冷媒から減じた残余の重量％としたことを特徴とする混合冷媒。
- イソブタンと二酸化炭素の両者を構成成分とする冷媒であって、前記冷媒が含有する二酸化炭素の含有量は前記冷媒の６０重量％以下とし、前記冷媒が含有するイソブタンの含有量は前記二酸化炭素の含有量を前記冷媒から減じた残余の重量％としたことを特徴とする混合冷媒。
- ブタンと二酸化炭素の両者を構成成分とする冷媒であって、前記冷媒が含有する二酸化炭素の含有量は前記冷媒の７０重量％以下とし、前記冷媒が含有するブタンの含有量は前記二酸化炭素の含有量を前記冷媒から減じた残余の重量％としたことを特徴とする混合冷媒。
- 着臭剤または着色剤の漏洩検知助剤を添加したことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の混合冷媒。
- 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の混合冷媒を用いたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
- 圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器を環状に接続して冷凍サイクルを構成し、前記凝縮器を流れる請求項１ないし４のいずれか１項に記載の混合冷媒と非加熱流体とを対向して流して、熱交換させることを特徴とする請求項６記載の冷凍サイクル装置。
- 減圧器の出口側から蒸発器の入口側までの間に設けられた気液分離器で、請求項１ないし５のいずれか１項に記載した混合冷媒の気相冷媒と液相冷媒を分離し、液相冷媒は蒸発器に流入するように気液分離器の配管を蒸発器に接続し、気相冷媒は圧縮機の吸入部に流入するように気液分離器の配管を圧縮機吸入部に接続することを特徴とする請求項６または７記載の冷凍サイクル装置。
- 圧縮機に封入される潤滑油が、圧縮機の動作条件において請求項１ないし５のいずれか１項に記載した混合冷媒と溶解し、２センチストークス以上の粘度の潤滑油としたことを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
- 圧縮機が低圧型圧縮機であることを特徴とする請求項６ないし９のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
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