JPH0781751B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、混合冷媒を用いた冷凍装置に関するものであ
る。

従来の技術 混合冷媒を用いた冷凍装置は、そのサイクル内部を循環
する冷媒の組成比率を可変とすることにより、能力制御
や性能改善を行なうことができる。

従来、特に非共沸混合冷媒を用いた冷凍装置のサイクル
内部を循環する冷媒組成を可変とする方式として、沸点
の違いを利用した精留分離方式が用いられている（例え
ば特開昭61-101757号公報）。

以下第３図、第４図を参照しながら、精留分離方式を用
いた冷凍装置の一例について説明する。

第３図は従来例を示す冷凍サイクル図、第４図は非共沸
混合冷媒の組成比率を変えるための精留塔の断面図であ
る。

第３図において、１は圧縮機、２は、凝縮器、３は主絞
り装置、４は蒸発器で環状に接続されて主回路を構成し
ている。一方、凝縮器２の出口と精留塔６の人口とは配
管10により接続され、加熱器５が配管10と熱交換的に接
続されている。また、精留塔６の下部出口と主回路の蒸
発器４の人口とは副絞り装置７を介して配管11、12によ
り接続されている。また、精留塔６の上部には冷却器８
と貯留器９とが設けられ、貯留器９は配管13、14により
精留塔６と環状に接続されている。また、冷却器８と配
管13とが熱交換的に接続されている。ここで加熱器５お
よび冷却器８の熱源は圧縮機１の吐出ガスおよび吸入ガ
スを用いている。冷媒は沸点差を有する２種類の冷媒か
らなる非共沸混合冷媒を用いる。

第４図において、601は精留塔６の本体、602は充填材、
603、604は充填材保持具である。

以上のように構成された冷凍装置について、以下その動
作について説明する。

まず初めに精留分離をしない時について説明する。

凝縮器２から出た高圧液冷媒の一部が配管10により分岐
される。この時、副絞り装置７の弁開度を大きくすると
配管10に分岐する分岐冷媒流量が増大し、加熱器５の加
熱不足となるため蒸気が発生せず、精留塔６の下部入口
より液冷媒が流入する。その結果、精留作用が進行せ
ず、液冷媒は精留塔６の内部を上昇し、配管13を通って
貯留器９に入り、配管14により再び精留塔６に戻る。そ
して副絞り装置７により減圧されて主回路側冷媒と合流
する。

このように、貯留器９の内部の低沸点成分の組成比率が
上昇しないため、主回路の組成比率は冷媒充填比率に等
しくなる。

次に精留分離を行う場合について説明する。

上記の状態から副絞り装置７の弁開度を小さくしていく
と分岐冷媒流量が減少し、凝縮器２から出て分岐された
液冷媒は、加熱器５で加熱されて一部気化し精留塔６の
下部入口より流入する。このガス成分は精留塔６の中の
充填材602のすきまを上昇し、上部出口より配管13を通
って冷却器８へ入り、冷媒液化されて貯留器９に入る。
貯留器９と精留塔６の戻り配管14とはあらかじめ落差Ａ
を設けてあり、その落差Ａにより貯留器９から液冷媒の
一部が配管14を通って再び精留塔６に戻され充填材602
のすきまを下降し、途中上昇してくる蒸気と互いに気液
接触を行ない、熱交換、物質移動により精留作用をな
し、貯留器９には低沸点成分の多い冷媒が貯えられ、精
留塔６の下部からは低沸点成分の少ない冷媒が配管11、
副絞り装置７、配管12を通って主回路に流入する。

したがって、主回路の低沸点成分比率は低下し、高沸点
成分比率は上昇する。

以上のように、副絞り装置７の弁開度を制御することに
より蒸気発生量を調整して精留分離を行い、貯留器９内
部に貯えられる冷媒組成比率を変化させることにより、
主回路冷媒の組成比率を可変とすることができる。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら上記のような構成では、以下のような問題
点があった。

まず第１に、精留塔を傾けて設置すると、冷媒蒸気と液
冷媒が塔壁面を上昇、下降するため、気液接触しにくく
なり熱交換、物質移動が減少し、精留分離性能も低下す
る。したがって精留塔を垂直に設置する必要がある。

第２に、精留塔の上部戻り口と貯留器との高さ関係にお
いて、貯留器に貯えられた液が位置エネルギーにより精
留塔に戻るように、第４図に示すある一定落差Ａが必要
である。

第３に、精留分離するためには加熱等を行い、精留塔下
部より冷媒蒸気を流入する必要がある。

第４に、精留分離性能を向上させるには塔の内部に充填
材を入れ、高さを増し、理論段数を大きくとる必要があ
る。

第５に加熱器で発生したガス成分は精留塔を上昇し貯留
器に入るが、この時このガス成分を液化させるために圧
縮機の吸入冷媒により冷却しなければならず、冷凍能力
に損失を生ずる。

精留分離は沸点の違いを利用したものであるため、共沸
混合冷媒等の沸点の近いものについては使用できない。

以上、取付設置上の制約が多く、装置が大型かつ複雑化
する等の問題点があった。

本発明は上記問題点に鑑み、分離回路の構成部品の取付
設置上の制約の解消、分離回路の小型化と簡素化、熱損
失のない分離回路の実現を目的とする。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために本発明は、複数種類の冷媒
を封入した冷凍サイクルにおいて、複数種類の冷媒の内
の特定の冷媒の透過割合が他の冷媒の透過割合より高い
機能膜を有するとともに、凝縮器と主絞り装置の間に接
続した入口配管を有し、電磁弁を介して蒸発器と圧縮機
の間に接続した透過冷媒出口配管を有し、副絞り装置を
介して主絞り装置と蒸発器の間に接続した出口配管を有
する冷媒の分離器を設け、その分離器が非透過冷媒もし
くは透過冷媒を貯留する空間容積を有するものとしたも
のである。

作用 本発明は上記構成により、非共沸混合冷媒に限らず共沸
混合冷媒についても冷媒分離でき、分離回路の構成部品
の取付設置上の制約の解消、分離回路の小型化と簡素
化、熱損失のない分離回路の実現を図ることができる。

実施例 最初に、冷媒分離に機能膜を用いることが可能であるこ
とを明らかにした実験結果について説明する。

第１図に、機能膜を用いた冷媒分離器（以下分離器とい
う）の一実施例を示す。

同図において、分離器本体102を網状の保持具104で非透
過側空間ａ、透過側空間ｂに仕切り、保持具104の高圧
側に機能膜103を設置する。また、分離器本体102には、
高圧冷媒入口配管105、出口配管106、透過冷媒出口配管
107が設けられる。

以上のような構成の分離器において、機能膜にジメチル
シリコーンのベンゼン溶液を水上に展開し、超薄膜とし
た後、ポリプロピレンの多孔質フィルム（セラニーズ
社：ジュラガード）に転写製膜した薄膜を高分子複合膜
として用いＲ−22とＲ−13B1の混合冷媒を分離する場合
について説明する。

圧縮機等により加圧された混合冷媒は入口配管105より
分離器本体102内の非透過側空間ａに送られる。ここで
非透過側空間ａと透過側空間ｂの圧力差によって一部の
冷媒は透過側空間ｂに透過し、透過冷媒出口配管107よ
り排出される。このときＲ−22はＲ−13B1より透過しや
すく、透過冷媒出口配管107より排出される冷媒は、入
口配管105の冷媒組成に比べて、Ｒ−22の比率が上昇す
る。一方、機能膜103を透過せずに高圧冷媒出口配管106
より排出される冷媒組成は、Ｒ−22の比率が低下する。

ここで実験結果の一例を表１に示す。

上記表１においては分離器101の人口配管より冷媒蒸気
を流入した場合について示したが、冷媒液あるいは蒸気
と液の混合を流入しても分離できる。

このように、機能膜を用いて冷媒分離を行なうことが可
能であることが明らかとなった。

なお、先の実験においては、ジメチルシリコーンのベン
ゼン溶液を水上に展開し、超薄膜とした後、ポリプロピ
レンの多孔質フィルム（セラニーズ社：ジュラガード）
に転写製膜した高分子複合膜を用いたが、ジメチルシリ
コーン以外の非孔質高分子膜材として他に天然ゴム、ポ
リエチレン、ポリ酢酸ビニル等を用いてもよい。

さらに多孔質高分子膜、生体膜などを用い、透過量の比
を利用して冷媒分離を行っても、本発明の要旨を脱する
ものではない。

以下前記機能膜を用いた冷凍サイクルの実施例について
第２図を参考に説明する。

第２図に、冷媒として、Ｒ−22とＲ−13B1の非共沸混合
冷媒を用い、機能膜を透過しにくいＲ−13B1を貯留する
ことにより主回路の冷媒組成比率を可変とする場合の実
施例を示す。

同図において、11は圧縮機、12は凝縮器、13は主絞り装
置、14は蒸発器で、順次環状に接続されて主回路を構成
している。一方、前記構成の分離器101の入口配管105は
主絞り装置13の手前の高圧側へ接続され、出口配管106
は副絞り装置17を介して主絞り装置13の後の低圧側へ接
続され、透過冷媒出口配管107は電磁弁16を介して圧縮
機の吸入側に接続されている。ここで分離器101は非透
過側空間ａを大きくとり、非透過冷媒を貯留する機能も
かねている。

以上のように構成された冷凍サイクルについて、以下そ
の動作を示す。

まず始めに冷媒分離をしない場合について説明する。

圧縮機11により圧縮された冷媒蒸気は凝縮器12により冷
却液化され、主絞り装置13で減圧された後、蒸発器14で
蒸発して圧縮機11へ戻る。ここで電磁弁16を閉じ、副絞
り装置17を開くと、主絞り装置13の手前から分岐された
液冷媒は分離器101に流入し、機能膜103を透過せずにそ
のまま出口配管106より副絞り装置17を介して蒸発器14
の入口に戻される。したがってサイクル内を循環する冷
媒はどの部分においても充填比率に等しくなる。

次に冷媒分離を行う場合について説明する。

上記の状態から電磁弁16を開き、副絞り装置17を全閉す
ると、分岐された液冷媒は分離器101に流入し、機能膜1
03を透過しやすいＲ−22は電磁弁16を介して蒸発器14の
入口に戻される。一方、機能膜103を透過しにくいＲ−1
3B1は分離器101の高圧側空間ａに貯留される。したがっ
て主回路のＲ−13B1比率は低下し、Ｒ−22比率が上昇す
る。

以上のように本実施例によれば、加熱器等を必要とせず
に高効率、高能力等の目的に応じて主回路の冷媒組成を
可変できる。また、分離回路の構成部品の取付上の制約
もないため、分離回路の小型化および簡素化を図ること
ができる。さらに分離器の入口を凝縮器出口と接続する
ことにより、冷媒は比容積の大きい液相で入るために液
化のための冷却の必要がなく、貯留する空間も小さくす
む。

さらに分離器101は非透過側空間ａに冷媒貯留機能を兼
ね備えているため、別に貯留器を設ける必要がなく冷媒
分離回路の構成部品が簡略化できる。

本実施例において、分離器101は非透過側空間ａに冷媒
貯留機能を備えているが、透過側空間ｂに冷媒貯留機能
を兼ね備えても同様の効果を奏することは明らかであ
る。

発明の効果 以上のように本発明は、加熱器等を必要とせずに主回路
の複数種類の冷媒組成を可変でき、しかも、分離回路の
構成部品の取付設置上の制約もない。したがって分離回
路の小型化および簡素化を図ることができるという効果
を奏する。さらに、分離器入口の冷媒が液相であるた
め、貯留する冷媒を冷却する必要がなく、従ってそれに
伴う冷凍能力の損失もない。また、比容積の大きい液冷
媒のため貯留する容積が小さくすむという効果を有す
る。さらに分離器が非透過冷媒もしくは透過冷媒を貯留
する空間容積を有することにより、別に貯留器をもうけ
る必要がなく冷媒分離回路の構成部品が簡略化できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における冷凍装置を構成する
分離器の詳細断面図、第２図はそれぞれ同分離器を使用
した場合の異なる実施例を示す冷凍サイクル図、第３図
は従来例における冷凍サイクル図、第４図は同精留塔の
詳細断面図である。 11……圧縮機、12……凝縮器、13……主絞り装置、14…
…蒸発器、101……分離器、103……機能膜。

フロントページの続き (72)発明者 室園 宏治 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 渡辺 伸二 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 藤高 章 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−238367（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機、凝縮器、主絞り装置、蒸発器を順
   次環状に接続した主回路に複数種類の冷媒を封入した冷
   凍サイクルにおいて、前記複数種類の冷媒の内の特定の
   冷媒の透過割合が他の冷媒の透過割合より高い機能膜を
   有するとともに、前記凝縮器と主絞り装置の間に接続し
   た入口配管を有し、電磁弁を介して前記蒸発器と圧縮機
   の間に接続した透過冷媒出口配管を有し、副絞り装置を
   介して前記主絞り装置と蒸発器の間に接続した出口配管
   を有する冷媒の分離器を設け、その分離器が非透過冷媒
   もしくは透過冷媒を貯留する空間容積を有するものとし
   た冷凍装置。