JP2011116822A - 混合冷媒および混合冷媒循環システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＧＷＰを低く抑えることができるとともに、ＣＯＰを高めることができる新たな混合冷媒およびそれを用いた混合冷媒循環システムを提供する。
【解決手段】二酸化炭素とジフルオロメタンとからなる混合冷媒であって混合冷媒中のジフルオロメタンの濃度が２２．１モル％以下である混合冷媒と、その混合冷媒を備えた混合冷媒循環システムである。
【選択図】図３

Description

本発明は、混合冷媒および混合冷媒循環システムに関する。

従来、冷媒としては、たとえばジクロロジフルオロメタン（Ｒ１２）などのクロロフルオロカーボン系冷媒やクロロジフルオロメタン（Ｒ２２）などのハイドロクロロフルオロカーボン系冷媒が用いられてきた。

しかしながら、これらの冷媒が大気中に放出されて地球上空のオゾン層に到達してオゾン層を破壊することが指摘されていることから、クロロフルオロカーボン系冷媒やハイドロクロロフルオロカーボン系冷媒などのフロンを冷媒として使用することが禁止または規制されつつある。

そのため、上記のフロンの代替となる冷媒として、１，１，１，２−テトラフルオロエタン（Ｒ１３４ａ）などのハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）系冷媒が使用されるようになっている。

しかしながら、ＨＦＣ系冷媒は、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が大きいという問題がある。

そこで、上記の問題を回避する観点から、近年では、ＧＷＰ（Global Warming Potential：地球温暖化係数）がＨＦＣ系冷媒と比べて極めて小さい二酸化炭素（ＣＯ₂）が冷媒（自然冷媒）として用いられているが、ＣＯ₂は、ＨＦＣ系冷媒などに比べてＣＯＰ（Coefficient Of Performance：成績係数）が小さい。

そこで、たとえば特許文献１には、ＣＯ₂とフロンＲ１５２ａとを混合した混合冷媒を用いることが記載されている。

特開２００６−１０５５２６号公報

上記の特許文献１には、ＧＷＰおよびＣＯＰを両立させることが可能な混合冷媒が開示されているが、地球環境問題が大きく注目されている昨今においては、ＧＷＰを低く抑えることができるとともに、ＣＯＰを高めることができる新たな混合冷媒およびそれを用いた混合冷媒循環システムが要望されている。

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、ＧＷＰを低く抑えることができるとともに、ＣＯＰを高めることができる新たな混合冷媒およびそれを用いた混合冷媒循環システムを提供することにある。

本発明は、二酸化炭素とジフルオロメタンとからなる混合冷媒であって、混合冷媒中のジフルオロメタンの濃度が２２．１モル％以下である混合冷媒である。

ここで、本発明の混合冷媒においては、ジフルオロメタンの濃度が１５モル％以上２２．１モル％以下であることが好ましい。

さらに、本発明は、上記の混合冷媒と、混合冷媒を圧縮するための圧縮機と、圧縮機により圧縮された混合冷媒を凝縮するための凝縮器と、凝縮器により凝縮された混合冷媒を断熱膨張させるための絞り装置と、絞り装置により絞り膨張された混合冷媒を蒸発させて圧縮機に導入するための蒸発器と、を備えた、混合冷媒循環システムである。

本発明によれば、ＧＷＰを低く抑えることができるとともに、ＣＯＰを高めることができる新たな混合冷媒およびそれを用いた混合冷媒循環システムを提供することができる。

（ａ）〜（ｃ）は、混合冷媒Ａ（ＣＯ₂＋Ｒ３２）、混合冷媒Ｂ（ＣＯ₂＋Ｒ１３４ａ）および混合冷媒Ｃ（ＣＯ₂＋Ｒ１５２ａ）について、ＨＦＣ濃度を変化させたときの冷凍サイクルのシミュレーションから得られたｐ−ｈ線図である。 混合冷媒Ａ（ＣＯ₂＋Ｒ３２）、混合冷媒Ｂ（ＣＯ₂＋Ｒ１３４ａ）および混合冷媒Ｃ（ＣＯ₂＋Ｒ１５２ａ）について、ＨＦＣ濃度を変化させたときの混合冷媒中のＨＦＣ濃度（モル％）と圧力（ＭＰａ）との関係を示す図である。 混合冷媒Ａ（ＣＯ₂＋Ｒ３２）、混合冷媒Ｂ（ＣＯ₂＋Ｒ１３４ａ）および混合冷媒Ｃ（ＣＯ₂＋Ｒ１５２ａ）について、ＨＦＣ濃度を変化させたときの混合冷媒中のＨＦＣ濃度（モル％）とＣＯＰとの関係を示す図である。 本発明の混合冷媒循環システムの一例の模式的な構成図である。

＜混合冷媒＞
本発明者が鋭意検討した結果、二酸化炭素とジフルオロメタン（Ｒ３２）とからなる混合冷媒であって、かつ混合冷媒中のジフルオロメタン（Ｒ３２）の濃度が２２．１モル％以下、好ましくは１５モル％以上２２．１モル％以下である混合冷媒は、ＧＷＰを低く抑えることができるとともに、ＣＯＰを高めることができることを見い出し、本発明を完成するに至った。

まず、本発明者は、二酸化炭素（ＣＯ₂）とジフルオロメタン（Ｒ３２）のみからなる混合冷媒（以下、「混合冷媒Ａ」という。）、および二酸化炭素（ＣＯ₂）と１，１，１，２−テトラフルオロエタン（Ｒ１３４ａ）のみからなる混合冷媒（以下、「混合冷媒Ｂ」という。）のそれぞれの混合冷媒中のＲ３２またはＲ１３４ａの濃度（以下、「ＨＦＣ濃度」という。）をそれぞれ０〜１００モル％の範囲内で変化させて、冷凍サイクルのシミュレーションを行なった。また、本発明者は、二酸化炭素（ＣＯ₂）と１，１−ジフルオロエタン（Ｒ１５２ａ）のみからなる混合冷媒（以下、「混合冷媒Ｃ」という。）の混合冷媒中のＲ１５２ａの濃度（以下、この濃度も含めて「ＨＦＣ濃度」ということもある。）をそれぞれ０〜１５モル％の範囲内で変化させて、冷凍サイクルのシミュレーションを行なった。図１（ａ）〜図１（ｃ）に、これらの混合冷媒の冷凍サイクルのシミュレーションから得られたｐ−ｈ線図の一部を示す。

ここで、図１（ａ）は、混合冷媒中のＨＦＣ濃度が０モル％であるときのｐ−ｈ線図を示している。

また、図１（ｂ）は、混合冷媒中のＨＦＣ濃度が０モル％よりも多く１００モル％未満であるときのｐ−ｈ線図を示している。

さらに、図１（ｃ）は、混合冷媒中のＨＦＣ濃度が１００モル％であるときのｐ−ｈ線図を示している。

なお、混合冷媒中のＨＦＣ濃度が０モル％であるときおよび１００モル％であるときはそれぞれ実質的には「混合冷媒」には該当しないが、本明細書においては、説明の便宜上「混合冷媒」ということにする。

また、混合冷媒の冷凍サイクルのシミュレーションは、「ＮＩＳＴ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｆｌｕｉｄ Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ−ＲＥＦＲＯＰ Ｖｅｒｓｉｏｎ ８．０」のプログラムを用いて行なった。

また、上記の冷凍サイクルのシミュレーションは、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、（１）→（２）の圧縮行程、（２）→（３）の凝縮行程、（３）→（４）の膨張行程、および（４）→（１）の蒸発行程の４つの行程のサイクルから構成されている。

さらに、冷凍サイクルのシミュレーションは、（１）における混合冷媒の温度を２℃とし、（２）における混合冷媒の温度を８５℃とし、（３）および（４）における混合冷媒の温度をそれぞれ２０℃とした条件により行なった。

図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、混合冷媒中のＨＦＣ濃度が高くなるにしたがって、当該冷凍サイクルにおける混合冷媒の圧力が全体的に低下していくことがわかった。

図２に、上記の混合冷媒Ａ（ＣＯ₂＋Ｒ３２）、混合冷媒Ｂ（ＣＯ₂＋Ｒ１３４ａ）および混合冷媒Ｃ（ＣＯ₂＋Ｒ１５２ａ）について、ＨＦＣ濃度を変化させたときの混合冷媒中のＨＦＣ濃度（モル％）と圧力（ＭＰａ）との関係を示す。なお、図２において、縦軸は圧力（ＭＰａ）を示し、横軸は混合冷媒中のＨＦＣ濃度（モル％）を示している。また、図２における圧力（ＭＰａ）は、上記の冷凍サイクルの（２）→（３）の凝縮行程における混合冷媒の圧力を意味している。

図２に示すように、混合冷媒中のＨＦＣ濃度が高くなっていくにしたがって、冷凍サイクルにおける混合冷媒の圧力が低下していくことがわかった。

冷凍サイクルにおける混合冷媒の圧力が低い場合には、当該冷凍サイクルを用いた混合冷媒循環システムにおける機器や配管などの構成部材の厚みを低減することができるため、混合冷媒循環システムの軽量化や製造コストの低減を図ることができる点で好ましい。

したがって、図１（ａ）〜図１（ｃ）および図２に示す結果からは、冷凍サイクルにおける混合冷媒の圧力をできるだけ低減するために、混合冷媒中のＨＦＣ濃度（モル％）はできるだけ高くすることが好ましいと考えられる。

次に、本発明者は、上記の冷凍サイクルのシミュレーションから、混合冷媒Ａおよび混合冷媒Ｂのそれぞれの混合冷媒中のＨＦＣ濃度をそれぞれ０〜１００モル％の範囲内で変化させたとき、および混合冷媒Ｃ中のＨＦＣ濃度を０〜１５モル％の範囲内で変化させたときのＣＯＰの変化を調査した。その結果を図３に示す。なお、図３において、縦軸はＣＯＰを示し、横軸はＨＦＣ濃度を示している。なお、ＣＯＰは、以下の式（Ａ）から算出している。

ＣＯＰ＝{（冷凍サイクルの（１）における混合冷媒のエンタルピー）−（冷凍サイクルの（４）における混合冷媒のエンタルピー）}／{（冷凍サイクルの（２）における混合冷媒のエンタルピー）−（冷凍サイクルの（１）における混合冷媒のエンタルピー）} …（Ａ）
図３に示すように、混合冷媒Ａ（ＣＯ₂＋Ｒ３２）においては、混合冷媒Ａ中のＨＦＣ濃度（Ｒ３２の濃度）が３０モル％以下の低濃度の範囲では、１５モル％以上２５モル％以下の範囲のＣＯＰが局所的に大きくなっており、ＨＦＣ濃度（Ｒ３２の濃度）が２０モル％のときには図３中の矢印に示されるようにＣＯＰが極大値をとることがわかった。そして、混合冷媒Ａ中のＨＦＣ濃度（Ｒ３２の濃度）が３０モル％を超える高濃度の範囲では、ＨＦＣ濃度（Ｒ３２の濃度）の増加に伴ってＣＯＰが連続的に高くなっていくことがわかった。

一方、混合冷媒Ｂ（ＣＯ₂＋Ｒ１３４ａ）においては、混合冷媒Ｂ中のＨＦＣ濃度（Ｒ１３４ａの濃度）が０モル％のとき（すなわち、混合冷媒ＢがＣＯ₂のみからなるとき）から増加していくにしたがってＣＯＰが連続的に低下していくが、ＨＦＣ濃度（Ｒ１３４ａの濃度）が８０モル％のときからＣＯＰが少しだけ上昇に転じることがわかった。

しかしながら、混合冷媒Ｂ（ＣＯ₂＋Ｒ１３４ａ）においては、混合冷媒ＡのときのようなＨＦＣ濃度が低濃度の範囲でＣＯＰが局所的に大きくなるような箇所は見られなかった。

また、混合冷媒Ｃ（ＣＯ₂＋Ｒ１５２ａ）においては、混合冷媒Ｃ中のＨＦＣ濃度（Ｒ１５２ａの濃度）が２モル％のときにＣＯＰが極大値をとり、混合冷媒Ｃ中のＨＦＣ濃度（Ｒ１５２ａの濃度）が２モル％から増加していくにしたがってＣＯＰが連続的に低下していくことがわかった。

以上のように、図３に示す結果からは、混合冷媒Ａにおいては、混合冷媒Ａ中のＨＦＣ濃度（Ｒ３２の濃度）が３０モル％以下の低濃度の範囲ではＨＦＣ濃度（Ｒ３２の濃度）が１５モル％以上２５モル％以下であることが好ましく、３０モル％を超える範囲ではＨＦＣ濃度（Ｒ３２の濃度）は高くなるほど好ましいと考えられる。

一方、図３に示すように、混合冷媒Ｂにおいては、いずれのＨＦＣ濃度においても、混合冷媒ＡよりもＣＯＰが低くなるため、ＣＯＰを高くする観点からは、混合冷媒Ｂは混合冷媒Ａと比べて好ましくない結果となることがわかる。

また、図３に示すように、混合冷媒Ｃにおいては、混合冷媒Ｃ中のＨＦＣ濃度（Ｒ１５２ａの濃度）が２モル％のときでも混合冷媒ＡとＣＯＰが変わらず、２モル％よりも大きい場合には混合冷媒ＡよりもＣＯＰが低くなるため、ＣＯＰを高くする観点からは、混合冷媒Ｃも混合冷媒Ａと比べて好ましくない結果となることがわかる。

ところで、ヨーロッパにおいては、２０１１年からはＧＷＰが１５０以上のフロンガスの新型車への使用が禁止され、２０１７年からはＧＷＰが１５０以上のフロンガスのすべての自動車への使用が禁止されているため、ＧＷＰは１５０未満であることが好ましい。

ここで、ＣＯ₂のＧＷＰは１であり、Ｒ３２のＧＷＰは６７５であるため、混合冷媒ＡのＧＷＰを１５０未満とするためには、混合冷媒Ａ中のＲ３２の濃度は２２．１モル％以下である必要がある。

すなわち、図２に示す結果から、混合冷媒Ａ中のＲ３２の濃度は高くなるほど冷凍サイクルにおける混合冷媒の圧力を低減できる点で好ましいが、ＧＷＰを１５０未満とするためには、混合冷媒Ａ中のＲ３２の濃度は２２．１モル％以下である必要がある。

また、図３に示す結果から、ＣＯＰを高くする観点からは、混合冷媒Ａ中のＲ３２の濃度が３０モル％以下の低濃度の範囲では混合冷媒Ａ中のＲ３２の濃度は１５モル％以上２５モル％以下であることが好ましいが、上記のＧＷＰを１５０未満とすることを考慮すると、混合冷媒Ａ中のＲ３２の濃度は１５モル％以上２２．１モル％以下であることが好ましい。

以上の検討結果から、本発明者は、上述のとおり、二酸化炭素とジフルオロメタン（Ｒ３２）とからなる混合冷媒であって、かつ混合冷媒中のジフルオロメタン（Ｒ３２）の濃度が２２．１モル％以下、好ましくは１５モル％以上２２．１モル％以下である新たな混合冷媒に係る発明を完成させた。

＜混合冷媒循環システム＞
図４に、本発明の混合冷媒循環システムの一例の模式的な構成図を示す。ここで、図４に示す構成の混合冷媒循環システムは、圧縮機１と、熱交換器などの凝縮器２と、膨張弁などの絞り装置３と、蒸発器４と、を備えており、これらの機器は循環管路で連結されている。

そして、循環管路内には、二酸化炭素とジフルオロメタン（Ｒ３２）とからなる混合冷媒であって、かつ混合冷媒中のジフルオロメタン（Ｒ３２）の濃度が２２．１モル％以下、好ましくは１５モル％以上２２．１モル％以下である新たな混合冷媒が封入されている。

図４に示す構成の混合冷媒循環システムにおいて、混合冷媒は、まず、圧縮機１によって圧縮されるとともに加熱されて凝縮器２に導入される。

次に、圧縮機１により圧縮されて凝縮器２に導入された混合冷媒は、凝縮器２によって温度を低下させられること等によって凝縮されて絞り装置３に導入される。

次に、凝縮器２によって凝縮されて絞り装置３に導入された混合冷媒は、絞り装置３によって断熱膨張されて蒸発器４に導入される。

そして、絞り装置３によって断熱膨張されて蒸発器４に導入された混合冷媒は、蒸発器４によって蒸発させられて圧縮機１に導入される。

以上のように、図４に示す構成の混合冷媒循環システムにおいては、上記の冷凍サイクルが繰り返されるものである。

図４に示す構成の混合冷媒循環システムは、たとえば、凝縮器２を熱交換器として用い、凝縮器２に循環されてくる水と熱交換することによって、水温を上昇させるとともに、凝縮器２に送られてきた混合冷媒の温度を低下させるヒートポンプシステムなどに好適に用いることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、混合冷媒および混合冷媒循環システムに好適に利用することができる。

１ 圧縮機、２ 凝縮器、３ 絞り装置、４ 蒸発器。

Claims (3)

1. 二酸化炭素とジフルオロメタンとからなる混合冷媒であって、
   前記混合冷媒中のジフルオロメタンの濃度が２２．１モル％以下であることを特徴とする、混合冷媒。
2. 前記ジフルオロメタンの濃度が１５モル％以上２２．１モル％以下であることを特徴とする、請求項１に記載の混合冷媒。
3. 請求項１または２に記載の混合冷媒と、
   前記混合冷媒を圧縮するための圧縮機と、
   前記圧縮機により圧縮された前記混合冷媒を凝縮するための凝縮器と、
   前記凝縮器により凝縮された前記混合冷媒を断熱膨張させるための絞り装置と、
   前記絞り装置により絞り膨張された前記混合冷媒を蒸発させて前記圧縮機に導入するための蒸発器と、を備えた、混合冷媒循環システム。

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