JP6188918B2

JP6188918B2 - 冷凍装置

Info

Publication number: JP6188918B2
Application number: JP2016507242A
Authority: JP
Inventors: 杉本　猛; 猛杉本; 七種　哲二; 哲二七種
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; AGC Inc
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2034-03-14
Also published as: EP3118540A1; CN105899889B; EP3118540A4; US10145598B2; US20160327321A1; WO2015136706A1; JPWO2015136706A1; CN105899889A

Description

本発明は、地球温暖化への影響を抑えた冷凍装置に関するものである。

従来、圧縮機、凝縮器、受液器、膨張弁、および蒸発器が配管で順次接続された冷媒回路で構成された冷凍装置がある（例えば、特許文献１参照）。
この種の冷凍装置には、受液器と膨張弁との間に電磁弁、圧縮機の吸入側に圧力センサ、蒸発器の近傍の冷却対象空間には温度センサがそれぞれ設けられたものがある。そして、温度センサで検知した冷却対象空間の温度が所定値未満になると、電磁弁が閉じて冷媒が受液器に回収（ポンプダウン）され、圧力センサで検知した圧力が所定値未満になると圧縮機を停止し、温度センサで検知した冷却対象空間の温度および圧力センサで検知した圧力が所定値以上になると、電磁弁が開いて圧縮機を運転させる。

また、この種の冷凍装置の冷媒回路を循環する冷媒において、近年、地球温暖化の影響を抑えるため低ＧＷＰ（地球温暖化係数）冷媒が開発されている。従来使用されてきたＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系冷媒（例えば、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ１３４ａ）は、性能がよい冷媒であるが、ＧＷＰが高い（例えば、Ａ４１０Ａは２０００程度）。そこで、さらなる低ＧＷＰ化のため、Ｒ１２３４ｙｆなどのフルオロプロペン系（ＨＦＯ系）冷媒が開発されている。しかしながら、この冷媒は高沸点冷媒であり、性能が低い冷媒であるため、従来と同等の性能を維持しようとすれば、技術的課題が多く、コスト高となる可能性がある。
これに伴い、ＧＷＰが小さく、沸点の低い冷媒（例えば、ＨＦＯ１１２３）が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

このＨＦＯ１１２３は、組成に塩素原子が入っていないためオゾン層への影響が少なく、かつ、二重結合を持ち大気寿命が短いため地球温暖化への影響が少なく、さらに、性能（能力）に優れる（低沸点冷媒）ことが知られている。また、ＡＳＨＲＡＥによる燃焼区分はランク２Ｌ相当（低微燃性）の範疇であり、安全性を有する。

上記のように、ＨＦＯ１１２３（ＣＦ_２＝ＣＨＦ）は性能の優れた冷媒であるが、その一方で特定の条件下で不均化反応（自己分解反応）が発生することが知られている。不均化反応とは、同一種類の分子が２個以上互いに反応して２種類以上の異なる種類の生成物を生じる化学反応のことである。
ＨＦＯ１１２３の不均化反応は、以下のような化学反応である。
ＣＦ_２＝ＣＨＦ→（１／２）ＣＦ_４＋（３／２）Ｃ＋ＨＦ＋（反応熱）
この不均化反応は、一定量以上のエネルギーが冷媒に加えられることにより発生し、高圧の環境下であれば連鎖的に発生するという特徴がある。

特開２００２−２８６３３４号公報（例えば、図１参照）ＷＯ２０１２／１５７７６４（例えば、［０００９］、［００１０］参照）

特許文献１に記載の冷凍装置は、ポンプダウンし、圧縮機が停止し、圧力センサで検知した圧力が所定値以上になった時に電磁弁が開くが、このとき電磁弁の上流の過冷却された液冷媒が膨張弁に突入するため、膨張弁に液冷媒が衝突し、水撃作用が発生する。この水撃作用による衝撃圧は、場合によっては１０数Ｍｐａ程度と高圧になるため、一定量以上のエネルギーが冷媒に加えられることになる。

そして、冷凍装置の冷媒としてＨＦＯ１１２３、またはＨＦＯ１１２３を含む混合冷媒を採用した場合、その一定量以上のエネルギーによって不均化反応が発生し、それによって急激な温度上昇に伴う急激な圧力上昇が発生し、爆発などの危険性を有するという課題があった。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、地球温暖化への影響を抑えつつ、安全性を向上させた冷凍装置を提供することを目的としている。

本発明に係る冷凍装置は、圧縮機、凝縮器、受液器、第一開閉弁、膨張弁、および蒸発器が配管で順次接続され、冷媒が循環する冷媒回路を備え、前記冷媒はＨＦＯ１１２３、またはＨＦＯ１１２３を含む混合冷媒であり、冷凍能力／前記開閉弁の開口面積は０．２５〜０．６（ｋｗ／ｍｍ^２）の範囲内である。

本発明に係る冷凍装置によれば、冷媒としてＨＦＯ１１２３、またはＨＦＯ１１２３を含む混合冷媒を採用するため、地球温暖化への影響を抑えることができる。また、膨張弁での水撃作用による衝撃圧を抑えることができ、冷媒に加わるエネルギーを一定量未満に抑えられるため、不均化反応の発生を抑えることができ、安全性を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の冷媒回路図である。本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の冷媒回路図の要部拡大図である。本発明の実施の形態２に係る冷凍装置の冷媒回路図の要部拡大図である。本発明の実施の形態３に係る冷凍装置の冷媒回路図の要部拡大図である。本発明の実施の形態４に係る冷凍装置の冷媒回路図の要部拡大図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、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。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の冷媒回路図、図２は、本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の冷媒回路図の要部拡大図である。なお、図２中の矢印は冷媒が流れる向きを示しており、後述する図３〜図５についても同様である。
本実施の形態１に係る冷凍装置は、例えば、冷蔵庫、冷凍庫、ショーケース、およびユニットクーラなどとして利用されるものであり、圧縮機１、凝縮器２、受液器３、電磁弁４、膨張弁５、および蒸発器６が、配管で順次接続された冷媒回路を有している。また、制御装置１３を備え、圧縮機１の吸入側（低圧側）には圧力センサ７、蒸発器６の近傍の冷却対象空間（例えば、冷蔵庫の庫内）には温度センサ８が、それぞれ設けられている。また、受液器３と電磁弁４とを接続する配管を第一配管９、電磁弁４と膨張弁５とを接続する配管を第二配管１０、膨張弁５と蒸発器６とを接続する配管を第三配管１１、とそれぞれ称する。

そして、本実施の形態１に係る冷凍装置の冷媒回路を循環する冷媒として、ＨＦＯ１１２３、またはＨＦＯ１１２３を含む混合冷媒が封入されているものとする。混合冷媒としては、ＨＦＯ１１２３＋Ｒ３２、ＨＦＯ１１２３＋ＨＦＯ１２３４ｙｆなどがある。混合冷媒の混合割合としては、Ｒ３２、ＨＦＯ１２３４ｙｆなどの割合が大きくなるとＧＷＰ（地球温暖化係数）が高くなってしまうため、そのＧＷＰが所定値（例えば、３００）以下となる割合にするとよい。

圧縮機１は、ガス冷媒を吸入して圧縮し、高温高圧の状態にして冷媒回路に搬送するものであり、例えば、容量制御可能なインバータ圧縮機などで構成されるものとすればよい。
凝縮器２は、ファンなどの送風機（図示せず）から供給される空気と冷媒との間で熱交換を実施し、その冷媒を凝縮させるものである。

受液器３は、凝縮器２の下流側に設けられ冷媒を貯留するものである。
電磁弁４は、受液器３と膨張弁５との間に設けられ、冷媒の流路を開閉するものである。なお、本実施の形態１に係る電磁弁４は電子式であるが、それに限定されるものではない。また、電磁弁４は本発明の「第一開閉弁」に相当する。
膨張弁５は、冷媒を減圧して膨張させるものであり、開度が可変に制御可能なもの、例えば、電子式膨張弁などで構成すればよい。

蒸発器６は、ファンなどの送風機（図示せず）から供給される空気と冷媒との間で熱交換を実施し、その冷媒を蒸発させるものである。
圧力センサ７は、圧縮機１の吸入側（低圧側）の圧力を検知するものである。
温度センサ８は、冷却対象空間（例えば、冷蔵庫の庫内）の温度を検知するものである。
制御装置１３は、例えばマイコンで構成され、冷凍装置の全体の制御を行うものである。

次に、本実施の形態１に係る冷凍装置の動作について説明する。
温度センサ８で検知した冷却対象空間の温度が所定値（例えば、０℃）未満になると、電磁弁４が閉じる。このとき、ポンプダウンにより圧縮機１はそのまま継続して運転するので、冷媒が受液器３に回収される。そして、圧力センサ７で検知した圧力が所定値未満になると、冷媒が受液器３に十分回収されたと判断し、圧縮機１が停止する。こうすることにより、次の圧縮機１の起動時に蒸発器６からの液冷媒の戻りが緩和されるため、液圧縮して圧縮機１が損傷する（液圧縮が起こると圧縮機１のシリンダ内圧力が急激に上昇するため）のを抑制することができる。

また、圧縮機１を停止したとき、受液器３と電磁弁４とを接続する第一配管９内は液冷媒で満たされている。特に、この第一配管９が、冷蔵庫、ショーケースなどの中に配置されている場合は、（通常の液冷媒より密度が高い）過冷却された液冷媒で満たされている。
一方、電磁弁４と膨張弁５とを接続する第二配管１０内、および膨張弁５と蒸発器６とを接続する第三配管１１内には、ポンプダウンにより冷媒が受液器３に回収されるので、液冷媒はほぼない状態となる。

冷却対象空間の温度が上昇し、温度センサ８で検知した冷却対象空間の温度が所定値（例えば、０℃）以上になると、電磁弁４が開く。また、低圧側の圧力も上昇してくるため、圧力センサ７で検知した圧力が所定値以上になると、圧縮機１が起動する。そして、圧縮機１が起動すると第一配管９内に満たされた液冷媒が膨張弁５に衝突する（以下、水撃作用と称する）。ここで、水撃作用（ウォーターハンマー）とは、圧縮機１の停止時や起動時、弁（本実施の形態１では電磁弁４）の閉開時に、配管内で起こる流速の急激な変化によって配管内の圧力が上昇または下降する現象のことである。

この水撃作用により、従来では圧縮機１の起動時に膨張弁５の近傍で５〜１５ＭＰａ程度の衝撃圧が発生していた。そして、本実施の形態１では冷媒にＨＦＯ１１２３、またはＨＦＯ１１２３を含む混合冷媒を用いているため、水撃作用により圧力が上昇し、一定量以上のエネルギーが冷媒に加えられることになり、不均化反応を発生される恐れがあった。

そこで、本実施の形態１では、電磁弁４の開口面積を小さくすることで、水撃作用による衝撃圧を抑える。本実施の形態１では、冷媒がＲ２２、ＨＦＣ冷媒（例えばＲ４１０Ａ）などの場合に用いられる従来の電磁弁よりも開口面積が１ランク程度小さい、冷凍装置の冷凍能力／電磁弁の開口面積が０．２５〜０．６（ｋｗ／ｍｍ^２）の範囲内となる電磁弁４を用いる。そうすることで、水撃作用による衝撃圧を従来に比べ半分程度に抑えることができ、冷媒に加えられるエネルギーを一定量未満に抑えられる。そのため、不均化反応の発生を抑えることができ、安全性を向上させることができる。
さらに、圧縮機１をインバータ圧縮機として、制御装置１３は圧縮機１の周波数を１０〜２０ＭＨｚ程度で起動させ、そこから周波数を徐々に上げて動作させることで、水撃作用による衝撃圧をさらに抑えることができる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る冷凍装置の冷媒回路図の要部拡大図である。
以下、本実施の形態２について説明するが、実施の形態１と重複するものについては省略し、実施の形態１と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。

本実施の形態２では、電磁弁４と膨張弁５とを接続する第二配管１０の長さを従来よりも短く（５０ｍｍ以下）している。なお、第二配管１０の長さを５０ｍｍ以下とした場合、第二配管１０の容積は３０ｃｃ以下程度となる。
そうすることで、電磁弁４と膨張弁５との距離が短くなるため、水撃作用による衝撃圧を抑えることができ、冷媒に加えられるエネルギーを一定量未満に抑えられる。そのため、不均化反応の発生を抑えることができ、安全性を向上させることができる。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係る冷凍装置の冷媒回路図の要部拡大図である。
以下、本実施の形態３について説明するが、実施の形態１と重複するものについては省略し、実施の形態１と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。

本実施の形態３では、受液器３と電磁弁４とを接続する第一配管９にヒータ１２を設ける。ヒータ１２は、例えば電熱線で構成され、通電を行うことで第一配管９を加熱する。加熱された第一配管９の温度は上昇し、その内部に満たされている液冷媒の温度も上昇する。そして、液冷媒の一部はガス化するため、圧縮しやすくなり、水撃作用による衝撃圧を抑えることができ、冷媒に加えられるエネルギーを一定量未満に抑えられる。そのため、不均化反応の発生を抑えることができ、安全性を向上させることができる。

実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４に係る冷凍装置の冷媒回路図の要部拡大図である。
以下、本実施の形態４について説明するが、実施の形態１と重複するものについては省略し、実施の形態１と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。

本実施の形態４では、受液器３と電磁弁４とを接続する第一配管９、および電磁弁４と膨張弁５とを接続する第二配管１０をそれぞれ分岐させ、それら分岐した配管で第二電磁弁１４が接続されている。この第二電磁弁１４は、電磁弁４よりも開口面積が小さくなっている。なお、本実施の形態４に係る第二電磁弁１４は電子式であるが、それに限定されるものではない。また、第二電磁弁１４は本発明の「第二開閉弁」に相当する。

電磁弁４および第二電磁弁１４の動作について、温度センサ８で検知した冷却対象空間の温度が所定値（例えば、０℃）未満になると、電磁弁４および第二電磁弁１４が閉じる。一方、温度センサ８で検知した冷却対象空間の温度が所定値（例えば、０℃）以上になると、最初に第二電磁弁１４のみ開き、所定時間経過後に電磁弁４も開く。

以上のように、冷却対象空間の温度が所定値（例えば、０℃）以上になった時に開口面積が小さい第二電磁弁１４から先に液冷媒を流すことにより、水撃作用による衝撃圧を抑えることができ、冷媒に加えられるエネルギーを一定量未満に抑えられる。そのため、不均化反応の発生を抑えることができ、安全性を向上させることができる。

１圧縮機、２凝縮器、３受液器、４電磁弁、５膨張弁、６蒸発器、７圧力センサ、８温度センサ、９第一配管、１０第二配管、１１第三配管、１２ヒータ、１３制御装置、１４第二電磁弁。

Claims

圧縮機、凝縮器、受液器、第一開閉弁、膨張弁、および蒸発器が配管で順次接続され、冷媒が循環する冷媒回路を備え、
前記冷媒はＨＦＯ１１２３、またはＨＦＯ１１２３を含む混合冷媒であり、
冷凍能力／前記第一開閉弁の開口面積は０．２５〜０．６（ｋｗ／ｍｍ^２）の範囲内である
冷凍装置。
前記第一開閉弁と前記膨張弁とを接続する前記配管の長さは５０ｍｍ以下である
請求項１に記載の冷凍装置。
前記受液器と前記第一開閉弁とを接続する前記配管にヒータを設けた
請求項１または２に記載の冷凍装置。
前記受液器と前記第一開閉弁とを接続する前記配管、および前記第一開閉弁と前記膨張弁とを接続する前記配管をそれぞれ分岐させ、それら分岐した配管で前記第一開閉弁よりも開口面積が小さい第二開閉弁が接続されている
請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷凍装置。
冷却対象空間の温度が所定値未満になると前記第一開閉弁および前記第二開閉弁を閉じ、
冷却対象空間の温度が所定値以上になると最初に前記第二開閉弁を開き、所定時間経過後に前記第一開閉弁も開く
請求項４に記載の冷凍装置。
制御装置を備え、
前記圧縮機はインバータ圧縮機であり、
前記制御装置は前記インバータ圧縮機の周波数を１０〜２０Ｈｚで起動させ、そこから前記周波数を徐々に上げて動作させる
請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷凍装置。