JPH0781752B2 - 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の入口とは配管
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の入口とは副絞り装置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
貯溜器９とが設けられ、貯溜器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の熱源は圧縮器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
貯溜器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、貯溜器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、冷媒液化されて貯溜器９に入る。
貯溜器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により貯溜器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、貯溜器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、貯溜器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課題 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溜器との高さ関係にお
いて、貯溜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に精留分離時の分岐冷媒流量は、加熱器、冷却器の
能力により左右され、多すぎると上述したように精留作
用が進行しないため、流量を減少しなければばらない。
このため、精留分離に時間を要する。

第６に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。

第７に、本従来例では低沸点冷媒を貯溜することによ
り、主回路の低沸点成分比率を低下させる場合について
述べたが、高沸点冷媒をも貯溜して主回路の冷媒組成比
率を広範囲に可変させるためには、分離器下部に貯溜器
および加熱器を必要とする。

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、冷媒組成比率可変幅の拡
大、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を目的とする。

課題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、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された入口配管に加
えて出口配管および透過冷媒出口配管を有する冷媒の分
離器を設け、主絞り装置と蒸発器の間に一端が接続さ
れ、貯溜器とその貯溜器より蒸発器側に第１の副絞り装
置を有する第１の接続配管と、主絞り装置と蒸発器の間
に一端が接続され、第２の副絞り装置を有する第２の接
続配管とを設け、出口配管と第１および第２の接続配管
の一方、透過冷媒出口配管と第１および第２の接続配管
の他方を切換可能に接続する四方弁を設けたものであ
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
を図ることができるとともに、機能膜の透過冷媒および
非透過冷媒のいずれか一方を１個の貯溜器のみによって
選択して貯溜できる。

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２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で高圧
側空間ａ、低圧側空間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10
7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内の高圧側空間ａに送られる。ここで高
圧側空間ａと低圧側空間ｂの圧力差によって一部の冷媒
は低圧側空間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１図を参考に説明する。

第１図に、冷媒として、Ｒ−22とＲ−13B1の非共沸混合
冷媒を用いた場合の実施例を示す。

同図において、21は圧縮機、22は凝縮器、23は主絞り装
置、24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23の手前の高圧側へ接続され、出口配管106お
よび透過冷媒出口配管107は四方弁26へ接続されてい
る。さらに貯溜する冷媒を選択するための選択手段とし
ての四方弁25からは接続配管108、貯溜器26、副絞り装
置27を介して主絞り装置23の後の低圧側へ接続され、も
う一方は接続配管109、副絞り装置28を介して主絞り装
置23の後の低圧側に接続されており、四方弁コイル（図
示せず）への通電により出口配管106および透過冷媒出
口配管107からの連通を切り換えることができる。

ここで接続配管108は冷却器29と熱交換的に接続されて
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21により圧縮された冷媒蒸気は凝縮器22により冷
却液化され、主絞り装置23により減圧された後、蒸発器
24で蒸発して圧縮機21へ戻る。ここで、副絞り装置27、
28をそれぞれ主絞り装置23の開度にあわせて適度に開く
と、主絞り装置23の手前から分岐された液冷媒は分離器
101に流入し、一部は機能膜103を透過せずにそのまま出
口配管106より四方弁25、接続配管108、貯溜器26、副絞
り装置27を介して蒸発器24の入口に戻されるとともに、
残りは機能膜103を透過して出口配管107より四方弁25、
接続配管109、副絞り装置28を介して蒸発器24の入口に
戻される。従って、サイクル内を循環する冷媒充填比率
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。

まず非透過冷媒を貯溜する場合、上記の状態から副絞り
装置28を主絞り装置23の開度にあわせて適度に開き、副
絞り装置27を全閉にすると分岐された液冷媒は分離器10
1に流入し、機能膜103を透過しやすいＲ−22は透過冷媒
出口配管107を出て、四方弁25、接続配管109、副絞り装
置28を介して蒸発器24の入口に戻される。

一方、機能膜103を透過しにくいＲ−13B1は出口配管106
を出て、四方弁25、接続配管108を介し、冷却器29で冷
却されて貯溜器26に貯溜される。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。

また、透過冷媒を貯溜する場合は、同様に副絞り装置28
を主絞り装置23の開度にあわせて適度に開き、副絞り装
置27を全閉にするとともに、四方弁コイルに通電して四
方弁25の流路を切り替える。その結果、分岐された液冷
媒は分離器101に流入し、機能膜103を透過しにくいＲ−
13B1は出口配管106を出て四方弁25、接続配管109、副絞
り装置28を介して蒸発器24の入口に戻される。一方、機
能膜103を透過しやすいＲ−22は出口配管107を出て、四
方弁25、接続配管108を介し、冷却器29により冷却され
て液冷媒で貯溜器26に貯溜される。したがって、主回路
のＲ−22比率は低下し、Ｒ−13B1比率が上昇する。

以上のように本実施例によれば、機能膜を透過しにくい
Ｒ−13B1または機能膜を透過しやすいＲ−22を一つの貯
溜器で任意に選択して貯溜することにより主回路の冷媒
組成比率を広範囲で可変でき、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。

なお、冷媒液あるいは蒸気と液の混合を流入しても分離
できる点について説明する。

まず、透過速度および分離係数αについて以下のように
定義する。

Ｒ＝Q/t＝q/（Ａ・ΔＰ）（cc/（sec・cm²・cmHg）） α＝Ry/Rz y:透過側冷媒 z:非透過側冷媒 Q:透過係数 t:膜厚 q:透過流量 A:膜面積 ΔP:膜前後差圧 この定義において単体ガスでは、第５図（ａ）のように
なり、気液混合ガスでは第５図（ｂ）のようになる。こ
こでα＝１は分離が不可能な状態である。差圧の上昇と
ともに、単体ガスでは第５図（ａ）に示すように分離性
能は向上するが、気液混合ガスでは第５図（ｂ）に示す
ように逆の傾向となる。ここで横軸を気液混合ガスのガ
ス比率（乾き度ｘ）にとると、第５図（ｃ）のようにな
る。

次に、機能膜の材料について説明する。

上記実施例においてはジメチルコーンを用いたが、ジメ
チルコーン以外の非孔質高分子膜財として他に天然ゴ
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おこなってもよい。

さらに、表１と異なる圧力差による分離能力について説
明する。

第５図（ｂ）に示したように気液混合ガスの場合、差圧
により分離性能は低下するが、第１図に示すように副絞
り装置28が分離器の出口側にあり、その開度を分離時は
主絞り装置23の開度に合わせて適度に開くため、膜前後
の差圧は高圧側（凝縮器出口圧）と低圧側（蒸発器入口
圧）の差圧まで上昇することはなく、実際は透過流量と
膜の抵抗により４〜5kg/cm²Ｇ程度となる。従って、表
１の差圧以下となるため分離性能が大きく低下すること
はない。

発明の効果 以上のように本発明は、機能膜を透過しにくい冷媒また
は透過しやすい冷媒のいずれか一方を任意に選択して１
個の貯溜器に貯溜することにより、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る。そし
て、機能膜を透過しやすい冷媒の特性を生かしたい時に
は透過しにくい冷媒を貯溜して、主回路中に透過しやす
い冷媒を循環させ、反対に機能膜を透過しにくい冷媒の
特性を生かしたい時には透過しやすい冷媒を貯溜して、
主回路中に透過しにくい冷媒を循環させることができ
る。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
ことができると言う効果を奏する。

【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の冷凍サイ
クル図、第２図は同冷凍サイクルに使用した分離器の詳
細断面図、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、第５図（ａ）〜（ｃ）は
分離係数αの特性図である。 21……圧縮機、22……凝縮器、23……主絞り装置、24…
…蒸発器、26……貯溜器、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 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、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された入口配管に加えて出
   口配管および透過冷媒出口配管を有する冷媒の分離器を
   設け、前記主絞り装置と蒸発器の間に一端が接続され、
   貯溜器とその貯溜器より前記蒸発器側に第１の副絞り装
   置を有する第１の接続配管と、前記主絞り装置と蒸発器
   の間に一端が接続され、第２の副絞り装置を有する第２
   の接続配管とを設け、前記出口配管と前記第１および第
   ２の接続配管の一方、前記透過冷媒出口配管と前記第１
   および第２の接続配管の他方を切換可能に接続する四方
   弁を設けた冷凍装置。