JP6062190B2 - ターボ冷凍機用混合冷媒およびそれを用いたターボ冷凍機、ならびに、ターボ冷凍機用混合冷媒の製造方法およびターボ冷凍機用混合冷媒の混合比の決定方法 - Google Patents
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Description
また、非特許文献1には、R1234zeとR32を1:4の比で混合した冷媒を用いて、ヒートポンプサイクルの性能評価を行った結果が記載されている。しかしながら、発明者らが検討したところ、この比率で混合した混合冷媒では、ターボ冷凍機の冷媒として要求される音速や密度が確保できないため、R410Aを用いた場合と比較して、同等の機能を得ることができないことが分かった。
さらに、R32は燃えやすいことから、単独でターボ冷凍機の冷媒として用いるには、種々の制約が伴うため現実的ではない。
本発明の第1の態様は、圧縮機を備えるターボ冷凍機に適用する混合冷媒であって、GWPが700以下であって、前記圧縮機の吸込みにおけるガス密度が15kg/m3以上25kg/m3以下である第1の冷媒と、GWPが1以上10以下であって、前記圧縮機の吸込みにおけるガス密度が10kg/m3以上15kg/m3以下である第2の冷媒と、を含む混合冷媒とされ、混合後の前記圧縮機の吸込みにおけるガス密度が10kg/m3以上25kg/m3以下であり、前記混合冷媒の音速が140〜180m/sであるターボ冷凍機用混合冷媒を提供する。
また、混合冷媒の音速を140〜180m/sとすることで、混合冷媒を用いても、使用実績のある冷媒に対応させて設計されたターボ冷凍機の設計変更を必要とすることなく、ターボ冷凍機で使用実績のあるR410AやR134aといった冷媒と同等の機能を確保することができる。
このような比率で冷媒を混合して混合冷媒を製造することで、使用実績のある冷媒に対応させて設計されたターボ冷凍機の羽根車の形状等に関する設計変更を必要とすることなく、得られる混合冷媒の音速を、適用するターボ冷凍機の羽根車の設計に用いられた音速に合わせることができる。
このような冷媒を用いて混合冷媒を製造することで、得られる混合冷媒の音速を、使用実績のある冷媒に対応させて設計されたターボ冷凍機の羽根車の形状等に関する設計変更を必要とすることなく、得られる混合冷媒の音速を、適用するターボ冷凍機の羽根車の設計に用いられた音速に確実に合わせることができる。
混合冷媒の音速を、R410AまたはR134aの音速と同等とすることで、混合冷媒を用いても、従来のターボ冷凍機の設計変更を必要とすることなく、ターボ冷凍機で使用実績のあるR410AやR134aといった冷媒と同等の機能を確保することができる。
前記第2の態様によれば、混合後に10kg/m 3 以上25kg/m 3 以下の圧縮機の吸込みにおけるガス密度を有し、かつ、混合冷媒の音速が140〜180m/sである混合冷媒を用いることで、ターボ冷凍機の遠心圧縮機の羽根車の設計変更を必要とすることなく、使用実績のあるR410AやR134aを冷媒として用いた場合と同等の機能を確保することができる。
また、本発明によって得られた混合冷媒を用いることで、R1234zeのような低圧冷媒を単独で用いた場合よりも、密度を高くすることができる。これにより、ターボ冷凍機の遠心圧縮機において、使用実績のあるR410AやR134aを冷媒として用いた場合と同程度の音速を得ることができる。したがって、R410AやR134aを冷媒として用いた場合と同等の機能を確保することができる。さらに、GWPを、現在汎用されている高圧冷媒よりも小さくすることができる。
図1には、ターボ冷凍機1の概略構成図が示されている。
ターボ冷凍機1は、遠心圧縮機(以下、「圧縮機」という。)3と、該圧縮機3によって圧縮された高圧ガス冷媒を凝縮する凝縮器5と、該凝縮器5において凝縮した高圧液冷媒を膨張させる膨張弁7と、該膨張弁7によって膨張した低圧液冷媒を蒸発させる蒸発器9とを備えている。
圧縮機3の冷媒入口には、冷媒流量を調節する入口ベーン13が設けられている。この入口ベーン13の開度は、制御装置15によって制御される。
凝縮器5と蒸発器9との間には、ホットガスバイパス配管23が設けられている。このホットガスバイパス配管23によって、凝縮器5内にある高圧冷媒ガスが蒸発器9へと流されるようになっている。ホットガスバイパス配管23には、ホットガスバイパス弁25が設けられている。このホットガスバイパス弁25の開度調整によって、ホットガスバイパス配管23内を流れる冷媒流量が調整され、低冷凍能力時の圧縮機3への吸込み冷媒ガス流量を確保する。
また、蒸発器9には、蒸発器9内の冷媒と熱交換して冷水を得る冷水取得手段30aが設けられている。この冷水取得手段30aの冷水出口には、冷水出口センサ30bが、冷水入口には、冷水入口温度センサ30cが設けられている。冷水出口センサ30bの出力(冷水出口温度)および冷水入口温度センサ30cの出力(冷水入口温度)は、制御装置15に入力される。
ターボ冷凍機の圧縮機の作動点は、流量変数Θと圧力変数Ωで決まる。下記に示す式の通り、流量変数Θおよび圧力変数Ωはどちらも音速をパラメータとして含むため、冷媒の音速は、ターボ冷凍機の圧縮機の羽根車の設計に影響を及ぼす。したがって、使用されているターボ冷凍機の設計を変更することなく、冷媒として使用実績のあるR410Aを、混合冷媒に置換するためには、混合冷媒の条件としてとして、R410Aと同程度の音速を備えることが必要となる。
流量変数Θ=風量[m3/s]÷音速[m/s]÷(羽根車直径[m])2
圧力変数Ω=断熱ヘッド[m]×重力加速度[m/s2]÷(音速[m/s])2
表1に、R32とR1234zeとを所定の比率で混合して得られる混合冷媒の、種々の物性値を示す。各物性値は、冷媒物性プログラムRefprop7.0(NIST社)を用いて、温水出口温度50℃、熱源水出口温度5℃の測定条件下で求めたものである。
ターボ冷凍機の冷媒として汎用され、使用実績のあるR410Aの1段2段平均音速は、表1から172.7m/sであることが分かる。したがって本実施形態では、この値を音速の目標値として設定し、この値に近づく混合冷媒を調製する。
したがって、本実施形態では、R410Aの構成成分の1種であるR32を第1の冷媒として、GWPが小さいが密度も小さいR1234zeを第2の冷媒として、この2種類の冷媒を混合し、目標とする音速値を得られる冷媒の混合比を求める。
これに対して、R1234zeにR32を加えていくと、混合冷媒中のR32の比率が高くなるほど、音速が大きくなっていく。R32とR1234zeとの混合比(質量分率)が40:60の場合には、得られる音速は172.6m/sとなり、目標値であるR410Aの音速とほぼ一致することが分かった。また、混合冷媒の密度は15.5kg/m3となり、R410Aの代替冷媒として使用可能な範囲内の値となっている。したがって、R32とR1234zeとの混合比(質量分率)を40:60とした混合冷媒を用いることで、羽根車の設計変更等を必要とすることなく、既存のターボ冷凍機に対して適用することができる。
なお、GWPは、R410Aを用いた場合には2100であるところ、R32とR1234zeとの混合比を40:60とした混合冷媒では274まで小さくすることができる。
表2に、R32とR1234yfとを所定の比率で混合して得られる混合冷媒の種々の物性値を示す。各物性値は、上述したターボ冷凍機を用いて、R410Aの音速値を目標とし、表1に記載した物性値の測定条件と同様の測定条件下で求めたものである。
これに対して、R1234yfにR32を加えていくと、R32とR1234yfとの混合比が40:60〜45:55である場合に、目標とするR410Aの音速に近い値が得られることが分かった。したがって、R32とR1234yfとの混合比を40:60〜45:55とした混合冷媒を用いることで、羽根車の設計変更等を必要とすることなく、既存のターボ冷凍機に対して適用することができる。
なお、GWPは、R32とR1234yfとの混合比を40:60〜45:55とした混合冷媒では推定値を約300まで小さくすることができる。
例えば、上述した実施形態においては、R410Aの音速値を目標値として設定して各冷媒の混合比を求めたが、目標とする音速値を有する冷媒を使用実績のある他の冷媒、例えばR407としてもよい。また、上述した実施形態においては、混合する冷媒を2種類としたが、3種類以上の冷媒を混合して混合冷媒を製造してもよい。
3 遠心圧縮機
5 凝縮器
9 蒸発器
11 電動機
13 入口ベーン
15 制御装置
17 インバータ
Claims (7)
- 圧縮機を備えるターボ冷凍機に適用する混合冷媒であって、
GWP(Global Warming Potential:地球温暖化係数)が700以下であって、前記圧縮機の吸込みにおけるガス密度が15kg/m3以上25kg/m3以下である第1の冷媒と、
GWPが1以上10以下であって、前記圧縮機の吸込みにおけるガス密度が10kg/m3以上15kg/m3以下である第2の冷媒と、
を含む混合冷媒とされ、
混合後の前記圧縮機の吸込みにおけるガス密度が10kg/m3以上25kg/m3以下であり、
前記混合冷媒の音速が140〜180m/sであるターボ冷凍機用混合冷媒。 - 前記第1の冷媒の質量分率が少なくとも40%であり、
前記第2の冷媒の質量分率が少なくとも50%である請求項1に記載のターボ冷凍機用混合冷媒。 - 前記第1の冷媒がR32であり、
前記第2の冷媒がR1234zeまたはR1234yfである請求項1に記載のターボ冷凍機用混合冷媒。 - 前記音速がR410AまたはR134aの音速と同等とされている請求項1に記載のターボ冷凍機用混合冷媒。
- 冷媒を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機によって圧縮された前記冷媒を凝縮する凝縮器と、
該凝縮器において凝縮した前記冷媒を膨張させる膨張弁と、
該膨張弁によって膨張した前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、を備えるターボ冷凍機であって、
前記冷媒が、GWPが700以下であって、前記圧縮機の吸込みにおけるガス密度が15kg/m 3 以上25kg/m 3 以下である第1の冷媒と、GWPが1以上10以下であって、前記圧縮機の吸込みにおけるガス密度が10kg/m 3 以上15kg/m 3 以下である第2の冷媒と、を混合した混合冷媒であり、該混合後に10kg/m 3 以上25kg/m 3 以下の前記圧縮機の吸込みにおけるガス密度を有し、
前記混合冷媒の音速が140〜180m/sであるターボ冷凍機。 - 圧縮機を備えるターボ冷凍機に適用する混合冷媒の製造方法であって、
前記圧縮機で用いられる混合冷媒の音速を設定する工程と、
該音速になるように、GWPが700以下であって、前記圧縮機の吸込みにおけるガス密度が15kg/m3以上25kg/m3以下である第1の冷媒と、GWPが1以上10以下であって、前記圧縮機の吸込みにおけるガス密度が10kg/m3以上15kg/m3以下である第2の冷媒と、を混合する工程と、
を含むターボ冷凍機用混合冷媒の製造方法。 - 圧縮機を備えるターボ冷凍機に適用する混合冷媒の混合比の決定方法であって、
前記圧縮機で用いられる混合冷媒の音速を設定する工程と、
該音速になるように、GWPが700以下であって、前記圧縮機の吸込みにおけるガス密度が15kg/m3以上25kg/m3以下である第1の冷媒と、GWPが1以上10以下であって、前記圧縮機の吸込みにおけるガス密度が10kg/m3以上15kg/m3以下である第2の冷媒と、を混合する比率を決定する工程と、
を含むターボ冷凍機用混合冷媒の混合比の決定方法。
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