JP2007155193A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ジメチルエーテルと二酸化炭素の非共沸混合冷媒を使用し、安全性を向上させた冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】本冷凍サイクル装置は、冷媒としてジメチルエーテルと二酸化炭素の混合冷媒を使用するとともに、圧縮機の冷凍機油として、運転中の二酸化炭素の初期封入量に対する溶け込み量の重量比率をＫ１、ジメチルエーテルの初期封入量に対する溶け込み量の重量比率をＫ２としたとき、Ｋ１＜Ｋ２になる特性を有する冷凍機油を使用する。
【選択図】 図１

Description

本発明は冷凍サイクル装置に係り、特にジメチルエーテルと二酸化炭素からなる混合冷媒を使用するのに適する冷凍サイクル装置に関する。

従来、ヒートポンプ式給湯システム等の冷凍サイクル装置の冷媒として、ＨＣＦＣ冷媒であるＲ２２冷媒が一般に用いられていたが、近年、自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ_２）冷媒が使用されている。

このＣＯ_２冷媒は高圧であるため、高圧に対する安全性確保のために冷凍サイクル装置及びその構成要素に耐圧強化などの対策が必要であり、ジメチルエーテル（ＤＭＥという。）とＣＯ_２の非共沸混合冷媒を使用し、使用圧力を低下させることができかつ、高効率な冷凍サイクルを実現させる開発がなされている。

一方、圧縮機内には、潤滑性の維持及び圧縮部のシール性の確保のために冷凍機油が封入されている。

この冷凍機油の特性によっては、上記冷媒が混合冷媒であるため、冷媒の冷凍機油への溶解度に違いが生じる場合がある。例えば、ＣＯ_２側の冷凍機油への溶解度が一方的に高いと、混合冷媒中のＤＭＥの混合比率が上昇し、可燃の危険性が高まるという問題が発生する。

なお、特許文献１には、ＣＯ_２冷媒を使用した冷凍サイクル装置に関する記載があり、特許文献２には、特定な炭化水素類とＣＯ_２からなる混合冷媒を用いた冷凍サイクル装置に関する記載がある。
特開２００１−２０１１７７号公報 特開２００５−１５６３３号公報

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、ジメチルエーテルと二酸化炭素の非共沸混合冷媒を使用し、安全性を向上させた冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、膨張装置、蒸発器を備えた冷凍サイクル装置において、冷媒としてジメチルエーテルと二酸化炭素の混合冷媒を使用するとともに、前記圧縮機の冷凍機油として、運転中の二酸化炭素の初期封入量に対する溶け込み量の重量比率をＫ１、ジメチルエーテルの初期封入量に対する溶け込み量の重量比率をＫ２としたとき、Ｋ１≦Ｋ２になる特性を有する冷凍機油を使用したことを特徴とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、ジメチルエーテルと二酸化炭素の非共沸混合冷媒を使用し、安全性を向上させた冷凍サイクル装置を提供することができる。

以下、本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図である。

図１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１は、アキュムレータ２を設けた圧縮機３、放熱器としての凝縮器４、膨張装置５、蒸発器６を備えている。

冷凍サイクル装置１において、図１中矢印で示すように、圧縮機３から吐出された高温高圧の冷媒は、凝縮器４で凝縮された後、膨張装置５で減圧され、蒸発器６に流入し蒸発し、蒸発器６と熱交換する空気を冷却する。

また、冷凍サイクル装置１は冷媒としてＤＭＥとＣＯ_２の混合冷媒を使用し、圧縮機３はケーシング３ａに収容されたロータリ式圧縮機部３ｂとこのロータリ式圧縮機部３ｂを駆動する電動機部３ｃを備え、さらに、ケーシング３ａ内にはロータリ式圧縮機部３ｂの可動部分の潤滑性を維持し、シール性を確保するための冷凍機油Ｏを封入し、底部に貯油する。

以下、ＤＭＥ／ＣＯ_２混合冷媒について詳述する。

図２はＤＭＥ／ＣＯ_２混合冷媒中におけるＤＭＥ濃度と燃焼性との関係を示し、ＤＭＥが１２重量％未満では不燃域であり、１２重量％以上、３５重量％未満では弱燃域であり、３５重量％以上では強燃域であることを示している。

図３はＤＭＥ／ＣＯ_２混合冷媒中におけるＣＯ_２濃度と混合冷媒圧力との関係を示し、混合冷媒封入時のＣＯ_２の初期濃度が増加するに連れて冷凍サイクル装置１内の圧力が増加することを示している。

ＤＭＥ／ＣＯ_２混合冷媒は、圧縮機２への封入後、冷凍機油へ溶け込む量に違いが生じる場合がある。

ＣＯ_２冷媒の初期封入量に対する冷凍機油への溶け込み量の重量比率が、ＤＭＥ冷媒のその比率より大きい場合には、溶け込まずに残存する混合冷媒中のＤＭＥの濃度は増大する結果となる。図２からもわかるように、この残存混合冷媒中のＤＭＥの濃度が３５重量％を超えると強燃性ガスとなり、燃焼や爆発の危険性が大きくなる。

そこで、本発明の冷凍サイクル装置１は、このような危険を回避するため、冷凍機油の溶解度特性を規制する。

すなわち、冷凍機油には、運転中のＣＯ_２の初期封入量に対する溶け込み量の重量比率をＫ１、ＤＭＥの初期封入量に対する溶け込み量の重量比率をＫ２としたとき、Ｋ１≦Ｋ２になる特性を持たせている。

具体例を示せば、Ｋ１＝５％、Ｋ２＝１０％となる溶解度特性を有する冷凍機油が挙げられる。

サイクル装置１ヘの初期封入時のＣＯ_２とＤＭＥの混合比を弱燃域となる８：２（ＤＭＥ重量比率２０％で図２の弱燃域に入る）とし、全体で１ｋｇの混合冷媒を冷凍サイクル装置１に用いた場合、ＣＯ_２の冷凍機油への溶け込み量は１ｋｇ×０．８×０．０５＝０．０４ｋｇ、ＤＭＥの冷凍機油への溶け込み量は１ｋｇ×０．２×０．１＝０．０２ｋｇとなる。

したがって、サイクル装置１中の混合冷媒のうち、ＣＯ_２が１ｋｇ×０．８−０．０４ｋｇ＝０．７６ｋｇ、ＤＭＥが１ｋｇ×０．２−０．０２ｋｇ＝０．１８ｋｇとなる。

この時のＣＯ_２とＤＭＥの混合比率は、
［数１］
（０．７６／（０．７６＋０．１８））：（０．１８／（０．７６＋０．１８））
≒８．０９：１．９１
このＣＯ_２：ＤＭＥ≒８．０９：１．９１を図２に当てはめてみると、初期封入時のＤＭＥ重量比率２０％から１９．１％に減少しており、燃性の危険性は初期の位置より不燃側にシフトしており、冷凍機油への溶け込み後により安全になっていることがわかる。

また、好ましくは、Ｋ１とＫ２との差が１０％以下である。これにより、混合冷媒の特性の変化、圧力を所定の範囲に収めることができる。Ｋ１とＫ２との差が１０％を超えると、混合冷媒の組成、特性が変化し、冷凍サイクル装置として所定の性能を得ることができなくなり、また、図３に示すように、ＤＭＥ／ＣＯ_２混合冷媒は、混合冷媒中のＣＯ_２濃度が高くなるに連れて、圧力が高くなる特性を有するため、混合冷媒中のＣＯ_２濃度が高くなって圧力が高くなり、冷凍サイクル装置及びその構成要素に大きな耐圧強度が必要となる。

さらに、図２からもわかるように、混合冷媒中のＤＭＥの初期比率が３５重量％未満の混合冷媒を使用することにより、常時強燃域になることを防止でき、安全性を高めることができる。初期比率が３５重量％を超えると、常時強燃域になり、危険性が増す。

このように、本冷凍サイクル装置は、運転中に混合冷媒中のＤＭＥの重量比率が３５％を超えて強燃性ガスとなり、燃焼や爆発の危険性が大きくなるのを防止するために、冷凍機油の溶解度特性をＫ１≦Ｋ２になるように規制するものである。

本実施形態の冷凍サイクル装置によれば、ジメチルエーテルと二酸化炭素の非共沸混合冷媒を使用し、安全性を向上させた冷凍サイクル装置が実現される。

なお、上記実施形態においては、圧縮機から吐出された高圧側の冷媒が放熱器としての凝縮器により凝縮される例で説明したが、本発明は高圧側の冷媒が凝縮状態となるものに限らず、より高い圧力で超臨界状態、すなわち、圧縮機からの吐出冷媒の状態がモリエル線図（圧力−エンタルピ線図）上における飽和液線と飽和蒸気線との交点における圧力と温度以上となるものであっても良い。

本発明の一実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図。 本発明の一実施形態に係る冷凍サイクル装置用いられるＤＭＥ／ＣＯ_２混合冷媒中のＤＭＥ濃度と燃焼性の相関図。 本発明の一実施形態に係る冷凍サイクル装置用いられるＤＭＥ／ＣＯ_２混合冷媒中のＣＯ_２濃度と混合冷媒圧力の相関図。

符号の説明

１…冷凍サイクル装置、３…圧縮機、４…凝縮器、５…膨張装置、６…蒸発器。

Claims (3)

1. 圧縮機、放熱器、膨張装置、蒸発器を備えた冷凍サイクル装置において、冷媒としてジメチルエーテルと二酸化炭素の混合冷媒を使用するとともに、前記圧縮機の冷凍機油として、運転中の二酸化炭素の初期封入量に対する溶け込み量の重量比率をＫ１、ジメチルエーテルの初期封入量に対する溶け込み量の重量比率をＫ２としたとき、Ｋ１≦Ｋ２になる特性を有する冷凍機油を使用したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記冷凍機油はＫ１とＫ２との差が１０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記混合冷媒中のジメチルエーテルの初期重量比率が３５％未満であることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。

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