JP7171511B2

JP7171511B2 - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP7171511B2
Application number: JP2019101426A
Authority: JP
Inventors: 裕輔島津; 悟梁池
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-05-30
Filing date: 2019-05-30
Publication date: 2022-11-15
Anticipated expiration: 2036-02-22
Also published as: JP2019138625A

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関する。

従来、冷凍サイクル装置に用いられる冷媒（作動媒体）としては、クロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）、ハイドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）などが用いられていた。しかし、ＣＦＣ、ＨＣＦＣなどの塩素を含む冷媒は、成層圏のオゾン層への影響（地球温暖化への影響）が大きいため、現在、使用が規制されている。

このため、近年は、冷媒として、塩素を含まずオゾン層への影響が少ないハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）を用いるようになっている。ＨＦＣとしては、例えば、Ｒ３２（ジフルオロメタン）、Ｒ１２５（１，１，１，２，２－ペンタフルオロエタン）、Ｒ１３４ａ（１，１，１，２－テトラフルオロエタン）が知られている。

例えば、ヒートポンプ式給湯機などの冷凍サイクル装置（特に高温水を供給するもの）については、圧縮機の吐出ガス温度が高温となり、冷凍サイクルにおける作動圧力の高圧側が増大する（凝縮温度が６５℃より大きくなる）。これを抑制するために、冷媒（作動媒体）として、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０７Ｃ（Ｒ３２、Ｒ１２５およびＲ１３４ａからなる３種混合冷媒）などが使用されており、近年は、主にＲ４０７Ｃが使用されている。

しかし、地球温暖化係数（ＧＷＰ）は、Ｒ４０７Ｃが１７７４、Ｒ１３４ａが１４３０である（ＧＷＰ値は、ＩＰＣＣ４次報告に基づく値）。地球温暖化の抑制のためには、さらにＧＷＰの小さい冷媒を使用することが望ましい。

ＧＷＰが１０未満である冷媒としては、トリフルオロエチレン（１，１，２－トリフルオロエテン、ＨＦＯ－１１２３、Ｒ１１２３などとも呼ばれる。以下、「ＨＦＯ１１２３」と呼ぶ。）、２，３，３，３－テトラフルオロプロペン（２，３，３，３－テトラフルオロ－１－プロペン、ＨＦＯ－１２３４ｙｆ、Ｒ１２３４ｙｆなどとも呼ばれる。以下、「Ｒ１２３４ｙｆ」と呼ぶ。）、ヘキサフルオロプロペン（１，１，２，３，３，３－ヘキサフルオロ－１－プロペン、ＨＦＯ１２１６、Ｒ１２１６とも呼ばれる。以下、「ＨＦＯ１２１６」と呼ぶ。）などが知られている。なお、これらの冷媒は、大気中のＯＨラジカルによって分解されやすい炭素－炭素二重結合を有しているため、オゾン層への影響が少ないと考えられている。

なお、ＨＦＯ１１２３は、例えば、特許文献１（国際公開第２０１２／１５７７６４号）に開示されている。また、例えば、特許文献２（国際公開第２０１５／００５２９０号）、および、特許文献３（国際公開第２０１５／１４１６７６号）には、ＨＦＯ１１２３およびＲ１２３４ｙｆを含む混合冷媒が開示されている。

国際公開第２０１２／１５７７６４号国際公開第２０１５／００５２９０号国際公開第２０１５／１４１６７６号

ＨＦＯ１１２３は、地球温暖化への影響が少なく（ＧＷＰが約０．３）、かつ充分な性能を得ることのできる冷媒である。しかし、ＨＦＯ１１２３の含有量が多い冷媒は、不均化反応（自己分解反応）が発生しやすいという問題がある。このため、ＨＦＯ１１２３の使用量を多くすることは好ましくない。

一方、Ｒ１２３４ｙｆおよびＨＦＯ１２１６は、例えば、ヒートポンプ式給湯機に用いることで、ＧＷＰを大幅に低減できると共に、吐出ガス温度が従来より低くなり、その分高温まで水を加熱可能となるといったメリットを有している。

しかし、Ｒ１２３４ｙｆおよびＨＦＯ１２１６は、冷媒の密度や潜熱が小さいため、冷凍サイクル装置の能力が大幅に低下するというデメリットがある。なお、このような冷媒を用いる場合でも、圧縮機の行程容積、周波数、配管径等を大幅に増加すれば（押しのけ量を増加させれば）、装置としては同等の能力を発揮することも可能であるが、給湯機の大型化、コスト増加などの実用上の課題がある。

また、Ｒ１２３４ｙｆおよびＨＦＯ１２１６は、従来の冷媒と比べて、冷凍サイクルにおける作動圧力の低圧側がさらに低下するため、冷凍サイクル装置の冷凍回路内に負圧（大気圧以下）の部分が発生し、冷凍回路の密封性が低下したような場合に回路内に空気を吸い込んでしまう可能性がある。内部に吸い込まれた空気は、冷媒、油等と反応することで、冷凍回路を劣化させるため、冷凍サイクル装置の信頼性が損われる可能性がある。なお、特に、ヒートポンプ式の給湯装置などの作動圧力が比較的低い冷凍サイクル装置においては、元々の回路内の圧力が低いため、負圧が発生しやすい。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、地球温暖化の影響が少なく、十分な性能を有し、かつ、冷凍回路内に負圧が発生せず、信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明に係るヒートポンプ式給湯機用の冷凍サイクル装置は、圧縮機、室外熱交換器、室内熱交換器および膨張弁を含む冷凍回路を備える。冷凍回路内に冷媒が封入されており、冷媒は、ＨＦＯ１１２３およびＲ１２３４ｙｆを含有し、ＨＦＯ１１２３およびＲ１２３４ｙｆの合計量に対するＨＦＯ１１２３の比率が１５質量％以上５０質量％以下である。

また、本発明に係るヒートポンプ式給湯機用の冷凍サイクル装置は、圧縮機、室外熱交換器、室内熱交換器および膨張弁を含む冷凍回路を備える。冷凍回路内に冷媒が封入されており、冷媒は、ＨＦＯ１１２３およびＨＦＯ１２１６を含有し、ＨＦＯ１１２３およびＨＦＯ１２１６の合計量に対するＨＦＯ１１２３の比率が１０質量％以上５０質量％以下である。

本発明によれば、地球温暖化の影響が少なく、十分な性能を有し、かつ、冷凍回路内に負圧が発生せず、信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供することができる。

実施形態１に係る冷媒の飽和温度を示すグラフである。実施形態２に係る冷媒の飽和温度を示すグラフである。実施形態１に係る冷媒の吐出温度を示すグラフである。実施形態１の変形例の効果を説明するための概略断面図である。実施形態１に係る冷凍サイクル装置を示す概略構成図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
［実施形態１］
まず、本実施形態の冷凍サイクル装置の概要について簡単に説明する。図５は、実施形態１に係る冷凍サイクル装置を示す概略構成図である。冷凍サイクル装置は、圧縮機１と、室外熱交換器３と、膨張弁４と、室内熱交換器５とを含む冷凍回路を備える。

給湯時においては、圧縮機１で圧縮された高温高圧のガス状冷媒は、室内熱交換器５へと流入し、そこで凝縮する。室内熱交換器５で凝縮した液状冷媒は、膨張弁４を経由して室外熱交換器３へと流入し、そこで蒸発（気化）する。室外熱交換器３で蒸発した冷媒は、圧縮機１へ戻る。このように、暖房時において、冷媒は、冷凍サイクル装置の冷凍回路内を図５に示す矢印の方向に循環する。

本実施形態の冷凍サイクル装置は、さらに、気液分岐器、レシーバー、アキュームレータ、高低圧熱交換器等の他の機器を備えていてもよい。

次に、本実施形態において、冷凍回路内に封入される冷媒について説明する。該冷媒は、ＨＦＯ１１２３およびＲ１２３４ｙｆを含んでいる。

ＨＦＯ１１２３およびＲ１２３４ｙｆの合計量に対するＨＦＯ１１２３の比率は、１５質量％以上５０質量％以下である。該比率の下限は、好ましくは３３質量％以上である。該比率の上限は、好ましくは４０質量％未満であり、より好ましくは２９質量％未満であり、さらに好ましくは２１質量％未満である。

図１は、実施形態１に係る冷媒の飽和温度を示すグラフ（ＨＦＯ１１２３／Ｒ１２３４ｙｆと記載した実線で示すグラフ）である。このグラフは、ＨＦＯ１１２３およびＲ１２３４ｙｆからなる混合冷媒についての飽和温度を示しており、横軸の「ＨＦＯ１１２３比率」は、ＨＦＯ１１２３およびＲ１２３４ｙｆの合計量に対するＨＦＯ１１２３の質量比率である。なお、図１では、Ｒ４０７Ｃの飽和温度を示す線（一点鎖線）を併せて示している。

図１から、ＨＦＯ１１２３比率が１５質量％以上である場合、飽和温度が－３３℃以下となることが分かる。冷凍サイクル装置（ヒートポンプ式給湯機）が使用可能な外気温度の下限は－２０℃程度である。このため、冷媒の飽和温度が－３３℃程度以下であれば、冷凍回路内での負圧の発生が抑制される。したがって、本実施形態の冷凍サイクル装置に用いる冷媒において、ＨＦＯ１１２３比率を１５質量％以上とすることで、冷凍回路内での負圧の発生を抑制することができる。

なお、ヒートポンプ式の給湯装置などの作動圧力が比較的低い冷凍サイクル装置においては、元々の回路内の圧力が低いため、負圧が発生しやすい。このため、本実施形態によれば、ヒートポンプ式給湯機用の冷凍サイクル装置において、特に有効に負圧の発生を抑制することができる。

一方で、本実施形態に用いる冷媒は、ＨＦＯ１１２３比率が５０質量％以下に設定されている。これは、ＨＦＯ１１２３比率が５０質量％を超えると、不均化反応（自己分解反応）が発生する可能性が高まるためである。

図３は、実施形態１に係る冷媒の吐出温度を示すグラフである。図３に示されるように、冷凍サイクル装置がヒートポンプ式の給湯機であり、ＨＦＯ１１２３比率が５０質量％以下である場合、吐出ガス温度が従来（冷媒としてＲ４０７Ｃを用いた場合）より１０℃以上低下する（図３参照）。このため、その分、作動圧力の高圧側を増加させることができ、給湯温度を上昇させることが出来る。

また、本実施形態の冷媒のＧＷＰは、Ｒ４０７ＡのＧＷＰ（１７７４）、および、Ｒ１３４ａのＧＷＰ（１４３０）に対して大幅に低減されたものとなる。したがって、本実施形態の冷凍サイクル装置は、地球温暖化への影響が少ない。

以上のことから、本実施形態の冷凍サイクル装置は、地球温暖化の影響が少なく、十分な性能を有し、かつ、冷凍回路内に負圧が発生せず、信頼性の高いものであることが分かる。

なお、本実施形態において用いられる冷媒は、上記二成分のみからなる二成分混合冷媒であってもよく、さらに他の冷媒成分を含んでいてもよい。他の冷媒成分としては、例えば、Ｒ２９０、Ｒ１２７０、Ｒ１３４ａ、Ｒ１２５等または他のＨＦＣが挙げられる。

他の成分の配合比率等は、本実施形態の主要な効果を妨げない範囲内において設定される。具体的には、冷媒全体の質量に対するＨＦＯ１１２３およびＨＦＯ１２１６の合計の比率が、９０質量％以上となるように、他の成分の配合比率を設定することが好ましい。

また、冷媒は、さらに冷凍機油を含有してもよい。冷凍機油としては、例えば、一般に用いられる冷凍機油（エステル系潤滑油、エーテル系潤滑油、フッ素系潤滑油、鉱物系潤滑油、炭化水素系潤滑油等）が挙げられる。その場合、冷媒との相溶性および安定性等の面で優れている冷凍機油を選択することが好ましい。

また、冷媒は、例えば過酷な使用条件において高度の安定性を要求される場合などには、必要に応じて安定剤をさらに含有してもよい。安定剤は熱および酸化に対する冷媒の安定性を向上させる成分である。安定剤としては、従来から冷凍サイクル装置に用いられる公知の安定剤、例えば、耐酸化性向上剤、耐熱性向上剤、金属不活性剤等が挙げられる。

また、冷媒は、さらに重合禁止剤を含んでいてもよい。重合禁止剤としては、例えば、ハイドロキノン、ハイドロキノンメチルエーテル、ベンゾトリアゾール等が挙げられる。

（実施形態１の変形例）
本変形例は、ＨＦＯ１１２３比率（ＨＦＯ１１２３およびＲ１２３４ｙｆの合計量に対するＨＦＯ１１２３の比率）の下限が３３質量％である点で、実施形態１とは異なる。それ以外の点は実施形態１と同様であるため、重複する説明は省略する。

図１から、ＨＦＯ１１２３比率が３３質量％以上である場合、ＨＦＯ１１２３およびＲ１２３４ｙｆの混合冷媒の飽和温度が、Ｒ４０７Ｃの飽和温度より低くなることが分かる。この場合、冷媒としてＲ４０７Ｃが用いられていた既存の冷凍サイクル装置において、冷媒を本実施形態に係る冷媒に切り替えた場合でも、起動時の給油不良を抑制し、装置の信頼性を確保することができる。この点について、図４を参照して以下に説明する。

図４は、本変形例の効果を説明するための概略断面図である。なお、図４は、スクロール圧縮機を示しており、基本的に特開２０１３－１８１５１６号公報の図１と同じ図である。

冷凍サイクル装置が停止（特に長時間）していると、給油経路内の潤滑油（冷凍機油）は下方に移動する。圧縮機内の油溜め２３の油面から給油ポンプ（オイルポンプ）２２までの経路は、低圧の作動媒体で満たされる。その後、冷凍サイクル装置の起動時は、圧縮機内の油溜め２３の油を給油ポンプ２２で吸い上げて圧縮機内に循環させる必要がある。

冷凍機油の密度をρ、油溜め２３の油面から給油ポンプ２２までの垂直距離をｈとし、とすれば、油溜め２３の油面と給油ポンプ２２との間の空間の圧力をＰｓとすると、
ρｇｈ＜Ｐｓ
であれば、油溜め２３から給油ポンプ２２まで冷凍機油を吸い上げることができる。

既存の冷凍サイクル装置（ヒートポンプ式給湯機）では、従来の冷媒（Ｒ４０７Ｃなど）について、上記式が成立するように設計されている。すなわち、Ｐｓが従来の冷媒の最低動作圧力であるときに、上記式が成立するように設計されている。

そして、本変形例のように、使用する冷媒の飽和温度が、Ｒ４０７Ｃの飽和温度より低い場合、該冷媒の最低作動圧力はＲ４０７Ｃより高くなる。このため、既存の冷凍サイクル装置において、冷媒を本実施形態に係る冷媒に切り替えた場合でも、上記式が成立すると考えられる。

したがって、本変形例によれば、既存の冷凍サイクル装置において、冷媒を本実施形態に係る冷媒に切り替えた場合でも、冷凍サイクル装置の起動時の給油不良を回避して、装置の信頼性を確保できる。

［実施形態２］
本実施形態は、冷媒中に含まれるＲ１２３４ｙｆの代わりにＨＦＯ１２１６を用いる点で、実施形態１とは異なる。それ以外の点は、基本的に実施形態１と同様であるため、重複する説明については省略する。

本実施形態において、冷凍回路内に封入される冷媒は、ＨＦＯ１１２３およびＨＦＯ１２１６を含んでいる。なお、本実施形態において用いられる冷媒は、上記二成分のみからなる二成分混合冷媒であってもよく、さらに他の冷媒成分を含んでいてもよい。冷媒が他の成分を含んでいる場合、冷媒全体の質量に対するＨＦＯ１１２３およびＨＦＯ１２１６の合計の比率が、９０質量％以上であることが好ましい。

ＨＦＯ１１２３およびＨＦＯ１２１６の合計量に対するＨＦＯ１１２３の比率は、１０質量％以上５０質量％以下である。該比率の下限は、好ましくは２４質量％以上である。該比率の上限は、好ましくは４０質量％未満であり、より好ましくは３０質量％未満である。

図２は、実施形態２に係る冷媒の飽和温度を示すグラフ（ＨＦＯ１１２３／ＨＦＯ１２１６と記載した実線で示すグラフ）である。このグラフは、ＨＦＯ１１２３およびＨＦＯ１２１６からなる混合冷媒についての飽和温度を示しており、横軸の「ＨＦＯ１１２３比率」は、ＨＦＯ１１２３およびＨＦＯ１２１６の合計量に対するＨＦＯ１１２３の質量比率である。なお、図２では、Ｒ４０７Ｃの飽和温度を示す線（一点鎖線）を併せて示している。

図２から、ＨＦＯ１１２３比率が１０質量％以上である場合、飽和温度が－３３℃以下となることが分かる。したがって、実施形態１と同様の理由から、本実施形態の冷凍サイクル装置に用いる冷媒において、ＨＦＯ１１２３比率を１０質量％以上とすることで、冷凍回路内での負圧の発生を抑制することができる。

なお、本実施形態に用いる冷媒において、ＨＦＯ１１２３比率が５０質量％以下に設定されている点については、実施形態１と同様であり、実施形態１と同様の効果が奏される。

（実施形態２の変形例）
本変形例は、ＨＦＯ１１２３比率（ＨＦＯ１１２３およびＨＦＯ１２１６の合計量に対するＨＦＯ１１２３の比率）の下限が２４質量％である点で、実施形態２とは異なる。それ以外の点は実施形態２と同様であるため、重複する説明は省略する。

図２から、ＨＦＯ１１２３比率が２４質量％以上である場合、ＨＦＯ１１２３およびＨＦＯ１２１６の混合冷媒の飽和温度が、Ｒ４０７Ｃの飽和温度より低くなることが分かる。この場合、冷媒としてＲ４０７Ｃが用いられていた既存の冷凍サイクル装置において、冷媒を本実施形態に係る冷媒に切り替えた場合でも、起動時の給油不良を抑制し、装置の信頼性を確保することができる。この理由については、実施形態１の変形例において説明したとおりである。

１圧縮機、２流路切替弁、３室外熱交換器、４膨張弁、５室内熱交換器。

Claims

冷凍サイクル装置であって、
圧縮機、室外熱交換器、室内熱交換器および膨張弁を含む冷凍回路を備え、
前記冷凍回路内に冷媒が封入されており、
前記冷媒は、ＨＦＯ１１２３およびＲ１２３４ｙｆを含有し、
前記冷媒全体の質量に対するＨＦＯ１１２３およびＲ１２３４ｙｆの合計の比率が９０質量％より多く、
ＨＦＯ１１２３およびＲ１２３４ｙｆの合計量に対するＨＦＯ１１２３の比率が３３質量％以上５０質量％以下である、
冷凍機油の密度をρとし、前記圧縮機内の油溜めの油面から給油ポンプまでの垂直距離をｈとしたときに、ρｇｈが、Ｒ４０７Ｃの最低作動圧より小さくなるように設計されたヒートポンプ式給湯機用の冷凍サイクル装置。