JP2006038283A

JP2006038283A - 作動流体および該作動流体を冷媒に用いた冷凍サイクル

Info

Publication number: JP2006038283A
Application number: JP2004215803A
Authority: JP
Inventors: Kunio Nagahama; 邦夫長浜; Masami Negishi; 正美根岸; Shunji Komatsu; 俊二小松
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】安定で安全でしかも圧縮効率も良好な作動流体および該作動流体を冷媒に使用し、サイクルの設計、制御も容易な冷凍サイクルを提供する。
【解決手段】二酸化炭素と、１０モル％を超える炭化水素とを含有する混合物からなることを特徴とする作動流体および該作動流体を冷媒に使用した冷凍サイクル。
【選択図】図１

Description

本発明は、二酸化炭素と炭化水素との混合物からなる作動流体および該作動流体を用いた冷凍サイクルに関する。

近年、代替フロンとして、二酸化炭素およびアンモニア、プロパン等の炭化水素の使用が進められている。現在、いわゆる自然系冷媒としては二酸化炭素（ＣＯ₂）、炭化水素等が実用化されている。二酸化炭素は、低濃度では無害であり、不燃性で安価でしかも安定である。このため、作動流体（たとえば、冷媒）としての望ましい特性を備えている。しかし、二酸化炭素の臨界温度は３０４Ｋ（３１℃）、臨界圧力は７３．８ｂａｒであるため、二酸化炭素を冷媒に用いる冷凍サイクルを臨界状態において運転する場合には、高圧側圧力が１００ｂａｒ以上に達する。このため、耐圧性やシール性確保のため冷凍サイクルの設計や運転時の制御が困難になるおそれがある。つまり、冷媒が超臨界状態にされる冷凍サイクルにおいては、高温、高圧に耐え得る配管やシール材を設ける必要がある。しかし、この場合、装置のコストアップは避け難い。したがって、冷凍サイクルは、冷媒が臨界温度、臨界圧力にならない状態のサイクル（以下、通常の冷凍サイクルという。）に構成されることが好ましいが、反面、冷凍サイクルにおける冷凍効率を高めるには、臨界状態に近い状態での運転が好ましい。また、冷凍運転時においては二酸化炭素の圧縮効率は良好とは言えない。

一方、炭化水素は可燃性ではあるが、冷凍サイクルの冷媒に用いられる場合においても、該冷凍サイクルの高圧側圧力は２０ｂａｒ程度に抑制でき、冷凍サイクルの設計や制御を容易化できる。また、冷凍運転時においては炭化水素の圧縮効率は良好である。

このため、二酸化炭素と炭化水素の混合物を作動媒体とし、両者の長所を活かしつつ、互いの短所を補い合った作動流体を用いた冷凍サイクルの提案もなされている（たとえば、特許文献１、２）。

しかし、二酸化炭素と炭化水素の長所を活かしつつ、互いの短所を補い合い、しかも、広範な外気温度において通常の冷凍サイクルを構成可能な作動流体を得るには、両者の混合比に伴い変化する臨界温度、臨界圧力を十分に考慮する必要がある。
特開２００２−２３５０７２号公報特開２００３−２７９１８１号公報

そこで本発明の課題は、作動流体としての二酸化炭素と炭化水素の長所を活かしつつ、しかも互いの短所を補い合った優れた作動流体、即ち、安定で安全でしかも圧縮効率も良好な作動流体を提供するとともに、該作動流体を使用することにより広範な外気条件等において、通常の冷凍サイクルを構成可能でサイクルの設計、制御も容易な冷凍サイクルを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る作動流体は、二酸化炭素と、１０モル％を超える炭化水素とを含有する混合物からなることを特徴とするものからなる。

上記作動流体の臨界温度は６０℃以上であることが好ましい。作動流体の臨界温度を６０℃以上にすれば、広範な外気温度において、通常の冷凍サイクルを構成できる。

上記炭化水素の含有量は１０モル％以上であることが好ましい。１０モル％未満の場合、臨界温度の上昇効果が十分に期待できず、通常の冷凍サイクルを構成できる範囲が狭められ冷凍サイクルの設計、制御の容易化を達成できなくなるおそれがある。一方、炭化水素が３０モル％を超えると作動媒体としての不燃性を十分に確保できなくなるおそれがある。また、３０モル％を超えると冷媒の臨界圧力が急激に低下し始め通常の冷凍サイクルを構成できる範囲が狭められるので、炭化水素の含有量は１０モル％以上、３０モル％以下であることが好ましい。

上記炭化水素は上記目的を達成可能なものであれば、とくに限定されるものではないが好ましくはプロパン、ブタン、イソブタン等を挙げることができる。

また、上記課題を解決するために、本発明に係る冷凍サイクルは、特許請求の範囲の請求項１ないし３のいずれかに記載された作動流体を冷媒に使用するものからなる。

上述のように冷凍サイクルは、作動流体の臨界温度、臨界圧力以下で作動されることが好ましい。二酸化炭素と炭化水素とを混合すれば、二酸化炭素のみの場合に比べ臨界温度を上昇させつつ、臨界圧力をある程度高圧に維持できるので、広範な外気温度範囲で冷媒を臨界状態にしない通常の冷凍サイクルを構成できる。したがって、冷凍サイクルの設計、制御の容易化を達成できる。

また、二酸化炭素と炭化水素のような沸点の異なる混合物を冷媒に使用する場合には、冷凍サイクルを、複数の蒸発器を有する２元冷凍サイクルに構成することが好ましい。このように、複数の蒸発器を設ければ、いずれか一方の蒸発器により主に二酸化炭素が気化され、他方の蒸発器により炭化水素が気化されるので、冷媒全体を効率よく気化することができる。ただし、二酸化炭素の沸点に近い沸点を有する炭化水素を使用する場合には、一つの蒸発器のみを有する通常の冷凍サイクルに構成しても差し支えない。

上記のような本発明に係る作動流体は、二酸化炭素と炭化水素の長所を活かしつつ、しかも互いの短所を補い合った作動流体、即ち、安定で安全でしかも圧縮効率も良好な作動流体を実現できる。また、該作動流体を使用すれば、広範な外気温度条件下において通常の冷凍サイクルを構成できるので、サイクルの設計、制御も容易な冷凍サイクルを提供できる。

以下に、本発明に係る作動流体および該作動流体を使用した冷凍サイクルについて、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る作動流体が使用される冷凍サイクルを示している。図１において、１は冷凍サイクルを示している。冷凍サイクル１は、コンプレッサ２とコンデンサ３と第１蒸発器４と第２蒸発器５とを有するサイクルに形成されている。

第１蒸発器４の入口側には第１膨張弁６が設けられている。また、第１蒸発器４の出口側には絞り弁８が設けられている。一方、第２蒸発器５の入口側には第２膨張弁７が設けられている。

本実施態様においては、冷媒としての作動媒体は互いに沸点が異なる二酸化炭素と炭化水素との混合物からなっているが、このように２つの蒸発器４、５を設けることにより、一方の蒸発器においては主に二酸化炭素が蒸発され、他方の蒸発器においては主に炭化水素が蒸発されるようになっている。したがって、冷媒を効率よく確実に気化させることができる。

本実施態様において用いられる冷媒としての作動媒体は、二酸化炭素と炭化水素との混合物からなっている。図３は各炭化水素の含有量（モル％）に対する臨界温度の変化を、図４は各炭化水素の含有量（モル％）に対する臨界圧力の変化を示したものである。なお、この結果を表１に示す。また、図５は各炭化水素の含有量（モル％）に対する気相状態の圧力の変化を、図６は各炭化水素の含有量（モル％）に対する液相状態の圧力の変化を示している。

図３から分かるように、冷媒の臨界温度を上昇させるにはブタン、イソブタンが有効である。しかし、図４に示すようにブタン、イソブタンの含有量が３０％を超えると臨界圧力が低下し始めるため、通常の冷凍サイクルを構成できる条件範囲が狭小化するおそれがある。したがって、ブタン、イソブタンの含有量は３０％程度に止めることが好ましい。

表１に示すように、略純粋な二酸化炭素の場合、臨界温度は３０４Ｋ（３１℃）、臨界圧力は７３．８ｂａｒである。しかし、ブタンの含有量を１０モル％にすると臨界温度は３１８Ｋ（４５℃）、臨界圧力は６５ｂａｒになる。ところで、一般的に、冷媒の凝縮温度は外気温度＋１５℃である。したがって、日本国内の夏期の外気温度を約３０℃と想定すれば冷媒の凝縮温度を４５℃に設定でき、盛夏期においても略通常の冷凍サイクルを構成できる。このときのサイクルの運転状態を図２に示す。

また、図５、図６から分かるように、同一圧力においては各炭化水素は液相がリッチになっている。したがって、コンデンサ３における凝縮温度（外気温度）が高い場合であっても、冷媒を十分に液化することができる。

本実施態様においては、冷媒としての作動媒体は互いに沸点が異なる二酸化炭素と炭化水素との混合物からなっている。このため、図１に示したように、冷凍サイクル１には、２つの蒸発器４、５が設けられている。２つの蒸発器４、５を設けることにより、一方の蒸発器においては主に二酸化炭素が蒸発され、他方の蒸発器においては主に炭化水素が蒸発されるようになっている。ただし、二酸化炭素の沸点と近い沸点を有する炭化水素を使用する場合においては、蒸発器は一つであってもよい。

本発明に係る作動流体は、たとえば、車両用空調装置、ショーケース、自動販売機等の冷凍サイクルの冷媒に利用できる。また、本発明に係る冷凍サイクルは、とくに車両用空調装置なかでも自動車用空調装置の冷凍サイクルに好適である。

本発明に係る冷凍サイクルの概略構成図である。図１の冷凍サイクルの圧力−エンタルピー線図である。図１の冷凍サイクルの冷媒の炭化水素の含有率と臨界温度との関係を示す関係図である。図１の冷凍サイクルの冷媒の炭化水素の含有率と臨界圧力との関係を示す関係図である。図１の冷凍サイクルの冷媒が気相状態にある場合の、炭化水素の含有率と圧力との関係を示す関係図である。図１の冷凍サイクルの冷媒が液相状態にある場合の、炭化水素の含有率と圧力との関係を示す関係図である。

符号の説明

１冷凍サイクル
２コンプレッサ
３コンデンサ
４第１蒸発器
５第２蒸発器
６第１膨張弁
７第２膨張弁
８絞り弁

Claims

二酸化炭素と、１０モル％を超える炭化水素とを含有する混合物からなることを特徴とする作動流体。
臨界温度が６０℃以上である、請求項１の作動流体。
前記炭化水素がプロパン、ブタン、イソブタンのいずれかである、請求項１または２の作動流体。
前記炭化水素の含有量が１０モル％以上３０モル％以下である、請求項１ないし３のいずれかに記載の作動流体。
請求項１ないし５のいずれかに記載の作動流体を冷媒に使用する冷凍サイクル。