JP6765538B2 - 冷凍装置及び冷凍装置の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍装置に関し、特に非共沸混合冷媒を適用する冷凍装置及び冷凍装置の運転方法に関するものである。

従来、蒸発器と圧縮機と凝縮器と減圧装置とが冷媒が循環する管路によってそれぞれ接続され、冷媒を循環させる冷凍サイクルを有する冷凍装置が知られている。

また、空気調和機や冷凍機等の冷凍装置では、蒸発器として作用する熱交換器について、熱交換空気の流れる方向と冷媒の流れる方向とを互いに逆にして対向させ、熱交換空気と冷媒とを対向流化し、熱交換損失を低減して性能向上を図ったものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

一方で、冷凍装置に使用される冷媒には複数種類の冷媒を混合した非共沸混合冷媒が用いられることがある（例えば、特許文献２参照）。非共沸混合冷媒を用いた冷凍装置の蒸発器についても対向流化を図ることができる。特に、非共沸混合冷媒は同圧力下において相変化で冷媒温度が変化する。すなわち、非共沸混合冷媒は、蒸発過程において温度勾配を有するため、例えば蒸発器であれば、蒸発過程において上流側が下流側より温度が低くなる。よって、冷媒と空気又は水等の熱源媒体との温度差をより小さくでき、成績係数（ＣＯＰ）が向上する。

特開２０１５−１４１００９号公報 特開平７−２０８８２２号公報

しかしながら、飽和温度が氷点下未満の低温機器では、蒸発器に着霜が発生する。着霜が発生する低温機器の蒸発過程において、非共沸混合冷媒を用いると、蒸発器の着霜に偏りが生じる。つまり、上述のような同圧力下において相変化で冷媒温度が変化するような温度勾配を有する非共沸混合冷媒の温度が低い蒸発器の入口側では空気の冷却が促進されて着霜量が多くなり、冷媒の温度が高い蒸発器の出口側では空気の冷却が進まず着霜量は少なくなる。このように、蒸発器に着霜に偏りが生じた場合は、着霜が均等な場合に比べて全体の着霜量が同じとしても、早期に蒸発器の入口側のフィンの間の空間が霜によって目詰まりし、熱交換率が低下する。従って、冷媒と熱源媒体との対向流化による熱交換率の向上よりも偏着霜による熱交換率の悪化の影響が大きくなり、蒸発器における蒸発圧力が低下し、冷凍装置のＣＯＰ及び冷凍装置の冷凍能力が低下するという課題があった。

本発明は、温度勾配を有する非共沸混合冷媒を使用した冷凍装置において、偏着霜を防止することで、冷凍装置のＣＯＰ、及び冷凍装置の冷凍能力の低下を防ぐ冷凍装置及び冷凍装置の運転方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る冷凍装置は、圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、蒸発器とを冷媒配管により接続し、内部で冷媒が循環する冷凍サイクルを備え、前記冷媒は、Ｒ３２の割合Ｘ _Ｒ３２ （ｗｔ％）が、３３ｗｔ％＜Ｘ _Ｒ３２ ＜３９ｗｔ％である条件と、Ｒ１２５の割合Ｘ _Ｒ１２５ （ｗｔ％）が、２７ｗｔ％＜Ｘ _Ｒ１２５ ＜３３ｗｔ％である条件と、Ｒ１３４ａの割合Ｘ _{Ｒ１３４ａ} （ｗｔ％）が、１１ｗｔ％＜Ｘ _{Ｒ１３４ａ} ＜１７ｗｔ％である条件と、Ｒ１２３４ｙｆの割合Ｘ _{Ｒ１２３４ｙｆ} （ｗｔ％）が、１１ｗｔ％＜Ｘ _{Ｒ１２３４ｙｆ} ＜１７ｗｔ％である条件と、二酸化炭素の割合Ｘ _ＣＯ２ （ｗｔ％）が、３ｗｔ％＜Ｘ _ＣＯ２ ＜９ｗｔ％である条件と、Ｘ _Ｒ３２ 、Ｘ _Ｒ１２５ 、Ｘ _{Ｒ１３４ａ} 、Ｘ _{Ｒ１２３４ｙｆ} 、及びＸ _ＣＯ２ の総和Ｘ _{ｔｏｔａｌ} が、１００ｗｔ％である条件と、を全て満たす混合冷媒、又はＲ４１０Ａであり、前記蒸発器は、非共沸混合冷媒の気液二相領域の等温線の温度勾配に合わせ、蒸発過程における管路内圧力を前記冷媒の流れる方向に沿って低下させ、前記冷凍サイクルが前記混合冷媒及びＲ４１０Ａの両方に対応するために、前記蒸発器を通過する前記冷媒のパス数を変更自在に構成され、前記冷媒が前記混合冷媒である場合には、前記冷媒がＲ４１０Ａである場合よりも前記冷媒のパス数を減少させることを特徴とする。

本発明によれば、上記の構成により、温度勾配を有する非共沸混合冷媒を使用した冷凍装置において、蒸発器内の冷媒温度をほぼ均一にすることができ、蒸発器の着霜の偏りを抑制し、冷凍装置のＣＯＰ及び冷凍能力の低下を抑制した冷凍装置を得ることを目的とするものである。

本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の全体の構成を表す概略図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の蒸発器の構成を表す概略図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍装置に用いられる非共沸混合冷媒のモリエル線図を示している。 本発明の実施の形態１に掛かる冷凍装置の制御フロー図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍装置に用いられる非共沸混合冷媒のモリエル線図を示している。 本発明の実施の形態２に係る冷凍装置の蒸発器の構成を表す概略図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍装置１００の全体の構成を表す概略図である。なお、各図において同じ部分又は相当する部分には同じ符号を付している。実施の形態１の冷凍装置１００は、図１に示すように圧縮機１と、凝縮器２と、減圧装置３と、蒸発器４とが冷媒配管５で順次接続されている。冷凍装置１００は、圧縮機１、凝縮器２、減圧装置３、蒸発器４、圧縮機１の順に冷媒が循環する冷凍サイクルが構成されている。制御部６０は、冷凍装置１００を構成する各装置を制御するものである。

（圧縮機１）
圧縮機１は、冷媒を吸入し、圧縮して高温高圧のガス状態にして吐出する。圧縮機１は、例えばインバータ回路等によって回転数を制御され、回転数の制御によって冷媒の吐出量が調整できるもので構成するとよい。

（凝縮器２）
凝縮器２は、圧縮機１で圧縮されて高温高圧のガス状態になった冷媒が流入し、冷媒と熱源との間で熱交換を行って、冷媒を低温高圧の液状態に冷却させる。熱源としては、空気、水、ブライン等が挙げられ、実施の形態１では凝縮器２の熱源は屋外の空気である外気である。凝縮器２は、外気と冷媒との間で熱交換を行う。さらに、実施の形態１では凝縮器２の熱交換を促すために、冷媒が冷凍装置１００内を循環している際に凝縮器２へ外気を送風する凝縮器送風機６を有している。凝縮器送風機６は風量を調節できるもので構成するとよい。

（減圧装置３）
減圧装置３は、凝縮器２で冷却された低温高圧の液状態の冷媒が流入し、冷媒を低温低圧の液状態に減圧膨張させる。減圧装置３は、例えば電子式膨張弁、感温式膨張弁等の冷媒流量制御手段、又は毛細管（キャピラリチューブ）などで構成される。

（蒸発器４）
蒸発器４は、減圧装置３で減圧膨張された低温低圧の液状態の冷媒が流入し、冷媒と冷却対象との間で熱交換を行い、冷却対象の熱を冷媒に吸熱させて、冷却対象を冷却する。冷媒は、冷却対象を冷却する際に、蒸発し高温低圧のガス状態になる。実施の形態１では、冷却対象としては屋内の空気である。つまり、蒸発器４は、屋内の空気と冷媒との間で熱交換を行う。さらに、実施の形態１では蒸発器４での屋内の空気と冷媒との熱交換を促すため、冷媒が冷凍装置１００内を循環している際に蒸発器４へ屋内の空気を送風する蒸発器送風機７を有している。蒸発器送風機７は風量を調節できるもので構成するとよい。

蒸発器４の具体的な構成について、図２に基づき説明する。蒸発器４は、複数本の伝熱管４１と、複数枚のフィン４２と、冷媒分配器４３と、ヘッダ４４により構成されたプレートフィンチューブ熱交換器である。なお、図２では伝熱管４１の本数を５本、フィン４２の枚数を２８枚としているが、これらの本数及び枚数は一例であり、本発明はこの本数及び枚数に限らない。

図２は、本発明の実施の形態１に係る冷凍装置１００の蒸発器４の構成を表す概略図である。図２は、蒸発器４を模式的に表してある。ここで図２を用いて蒸発器４内の冷媒の流れについて説明を行う。まず、減圧装置３で減圧膨張された低温低圧の液状態の冷媒は、冷媒分配器４３の流入口より流入する。冷媒分配器４３の流入口より流入した冷媒は、冷媒分配器４３の流出口において複数に分配され、冷媒分配器４３のそれぞれの流出口より伝熱管４１へと流れる。伝熱管４１に流入した冷媒は、伝熱管４１の軸方向に沿って流れる。伝熱管４１及びフィン４２の表面は、蒸発器４に備えられた送風機７によって送風された冷却対象である屋内の空気と接する。蒸発器４のフィン４２に向かって送風された屋内の空気は、蒸発器４の内部を流れる冷媒の流れと対向方向に流れる。伝熱管４１の内部を流れる冷媒は、伝熱管４１及びフィン４２と接する屋内の空気と熱交換を行い、屋内の空気の熱を吸熱する。伝熱管４１にて屋内の空気と熱交換を行った冷媒は、ヘッダ４４の流入口より流入し、ヘッダ４４で合流してヘッダ４４の流出口より圧縮機１へと流れる。

図３は、本発明の実施の形態１に係る冷凍装置１００に用いられる非共沸混合冷媒のモリエル線図を示している。非共沸混合冷媒は、沸点が互いに異なる２種以上の冷媒を混合してなるもので、気液二相の状態では一定圧力下でも乾き度に応じて冷媒の圧力飽和温度が変化する。つまり、図３の点線Ａで示された圧力一定の線に沿って蒸発器４内の冷媒を蒸発させると、蒸発器４の入口の温度が低くなり、出口の温度が高くなる。そこで、図３の点線Ｂで示されるように、蒸発器４内部の圧力をある所定の勾配で連続的に下げることによって蒸発器４に流れる非共沸混合冷媒の温度を均一にすることができる。そして、蒸発器４の入口温度と出口温度を均一に保つことによって、蒸発器４に発生する着霜の偏りを抑制することができる。

蒸発器４内部の圧力を徐々に下げると、蒸発器４の入口と出口との間に圧力差が生じる。蒸発器４の内部を流れる冷媒の圧力と飽和温度との関係は、冷媒の組成に応じて一意に決まる。よって、蒸発器４の入口及び出口において温度を均一にした際の蒸発器４の入口と出口の圧力差は、冷媒の組成に応じて一意に決まる。このため、実際の冷凍装置１００において蒸発器４の入口と出口との間の冷媒の圧力差を、蒸発器４に流れる冷媒の温度を均一にした際の蒸発器４の入口及び出口における冷媒の圧力差と同じにすることで、蒸発器４の着霜の偏りを抑制することができる。

蒸発器４内部の冷媒の圧力をある所定の勾配で連続的に下げる手段については、冷媒が通過する伝熱管４１の内径を段階的に変更するという手段がある。蒸発器４を構成する伝熱管４１は、通常内径が均一の管であるが、例えば蒸発器４の入口から出口に向かって伝熱管４１の断面積を漸次減少させることにより、内部を流れる冷媒の圧力を減少させることができる。または、例えば蒸発器４の入口から出口に向かって伝熱管４１の断面積を段階的に減少させてもよい。

または、伝熱管４１の管路内に抵抗を設け、管路抵抗により内部を流れる冷媒の圧力を減少させることもできる。例えば、伝熱管４１の内壁面に凹凸を設けることにより管路抵抗を増加させ、伝熱管４１の内部を流れる冷媒の圧力損失を増加させることもできる。

さらに、伝熱管４１を長くし管路抵抗による圧力損失を大きくし、蒸発器４の入口と出口との圧力差を大きくするなどの手段をとることもできる。以上の手段は、適用する非共沸混合冷媒の温度勾配によって適宜選定すればよい。

また、蒸発器４の入口に流量調整弁を設ける、あるいは圧縮機１の運転回転数を制御するなど、蒸発器４内を通過する冷媒の流速を制御することにより、運転状態や適用する非共沸混合冷媒の種類に依らず、蒸発器４内部の圧力をある所定の勾配で連続的に下げることも可能である。

以上より、蒸発過程において温度勾配を有する冷媒を使用する場合において、蒸発器４内の配管圧損が冷媒の温度勾配とほぼ同一になるように構成することにより、蒸発器４内の冷媒温度をほぼ均一にすることができる。これにより、蒸発器４の冷媒が流入する入口側に偏って着霜することによる冷凍装置１００の性能低下の防止が可能となる。

（冷凍装置１００の制御）
図４は、本発明の実施の形態１に掛かる冷凍装置１００の制御フロー図である。冷凍装置１００は、例えばユニットクーラやショーケース等の複数の用途に用いられるものである。図１に示される破線部は、冷却器５０であり、冷却器５０がユニットクーラやショーケースに相当する。図１に示される破線部以外の部分は、いわゆる熱源機である。特に、冷却器５０が制御部６０により直接制御できない場合は、制御部６０は、熱源機の各部の圧力、温度、及び運転条件を取得して、冷凍装置１００の運転の制御を行う。

（ステップｉ）
ステップｉにおいては、冷凍装置１００の内部を循環する冷媒循環量Ｇｒを算出する。まず、圧縮機１の吸入側の配管に設けられている圧力センサ２０により圧縮機１の吸入圧力Ｐｓを検出する。また、圧縮機１の吸入側の配管に設けられている温度センサ３０により圧縮機１の吸入温度Ｔｈを検出する。なお、冷媒循環量Ｇｒは以下の式により算出される。
Ｇｒ＝Ｆ×Ｖｓｔ×ηｖ×ρｓ×３６００×１０^−６
ここで、Ｆ［Ｈｚ］：圧縮機１の運転周波数、Ｖｓｔ［ｃｃ］：圧縮機１の押しのけ量、ηｖ：圧縮機１の体積効率、ρｓ［ｋｇ／ｍ^３］：圧縮機１の吸入ガス密度、である。Ｆは、冷凍装置１００の運転データから圧縮機の運転周波数として取得できる。Ｖｓｔ及びηｖは、圧縮機１に固有の値であり、予め制御部６０に記憶させておいても良い。ρｓは、冷媒種毎に固有の値をとり、吸入圧力Ｐｓと吸入温度Ｔｈとから求めることができる。ステップｉを冷媒循環量算出ステップと呼ぶ。

（ステップｉｉ）
ステップｉｉにおいては、ステップｉで求めた冷媒循環量Ｇｒから蒸発器４の入出口間の圧力損失ΔＰを算出する。ΔＰは以下の式により算出される。
ΔＰ＝α×ｆ×（ｌ／ｄ）×（ρｕ^２／２ｇ）
ここで、ｌ［ｍ］：配管長、ｄ［ｍ］：配管径、ρ［ｋｇ／ｍ^３］：液密度、ｕ[ｍ／ｓ]：冷媒流速、ｆ：摩擦損失係数、α：補正係数、である。なお、α、ｆ、ｌ、ｄ、ｇは固定値である。式より冷媒流速ｕと冷媒密度ρとが大きくなると、圧力損失ΔＰが大きくなることがわかる。冷媒流速ｕは、冷媒循環量Ｇｒから求められる。圧力損失ΔＰは、冷媒密度ρと冷媒循環量Ｇｒとの関係から得られるΔＰの値を予め制御部６０に記憶させていても良い。圧力損失ΔＰ、冷媒密度ρ、及び冷媒循環量Ｇｒの関係を予めルックアップテーブルとして制御装置に記憶させても良い。ステップｉｉを蒸発器４の圧力損失検出ステップと呼ぶ。

（ステップｉｉｉ）
蒸発器４の入口圧力Ｐｅｉｎを算出する。入口圧力Ｐｅｉｎは、Ｐｅｉｎ＝Ｐｓ＋ΔＰより算出される。また、ステップｉ〜ステップｉｉｉを合わせて、前記蒸発器の入口部及び前記蒸発器の出口部の管路内圧力を検出する検出ステップと呼ぶ。

（ステップｉｖ）
蒸発器４の入口の飽和温度ＴｅｉｎをＰｅｉｎから換算する。また、蒸発器４の出口の飽和温度Ｔｅｏｕｔを吸入圧力Ｐｓから換算する。換算は、冷媒種に固有の飽和圧力換算表から求められる。ステップｉｖを、蒸発器４の入口と蒸発器４の出口との温度勾配を求める、温度勾配検出ステップと呼ぶ。

（ステップｖ）
蒸発器入口の飽和温度と蒸発器出口の飽和温度との差ΔＴｅ＝Ｔｅｏｕｔ―Ｔｅｉｎが０になるように圧縮機運転周波数Ｆを制御し、冷媒循環量Ｇｒを変更する。例えばΔＴｅ＞０の場合は圧縮機運転周波数Ｆを増加させ、ΔＴｅ≦０の場合、圧縮機運転周波数Ｆを減少させる。ΔＴｅが０に近づくことにより、圧力損失が温度勾配と平行になる。ステップｖを、圧縮機１の運転周波数Ｆを変更し、冷凍サイクルを流れる冷媒の流速ｕを変更する、流速変更ステップと呼ぶ。また、ステップｉｖ及びステップｖを合わせて、圧力調整ステップと呼ぶ。なお、ステップｖにおいて、圧縮機１の運転周波数Ｆを変更する代わりに蒸発器４の入口側に設置された流量調整弁の開度を変更して冷凍サイクルを流れる冷媒の流速ｕを変更しても良い。流量調整弁は、減圧装置３であっても良い。この制御は、制御部６０が冷却器５０を制御できる場合に行われる。

（１）実施の形態１に係る冷凍装置１００によれば、圧縮機１と、凝縮器２と、減圧装置３と、蒸発器４とを冷媒配管５により接続し、内部で冷媒が循環する冷凍サイクルを備える。冷媒は、複数種類を混合した非共沸混合冷媒であり、蒸発器４は、非共沸混合冷媒の気液二相領域の等温線の温度勾配に合わせ、蒸発過程における管路内圧力を冷媒の流れる方向に沿って低下させることを特徴とする。
このように構成されることにより、冷凍装置１００は、蒸発器４の入口側と出口側とにおいて、冷媒の温度差を抑制することができる。そのため、蒸発器４の入口側と出口側とにおいて着霜量が平均化するため、偏着霜による蒸発器４の熱交換性能の低下を防止することができる。

（２）実施の形態１に係る冷凍装置１００によれば、蒸発器４の伝熱管４１は、断面積が冷媒の流れる方向に沿って減少している。
（３）実施の形態１に係る冷凍装置１００によれば、蒸発器４の伝熱管４１は、管路内に冷媒の流れの抵抗となる抵抗手段を備える。
（４）実施の形態１に係る冷凍装置１００によれば、蒸発器４を通過する冷媒の流速を制御することにより蒸発過程における管路内圧力を低下させる。
このように構成されることにより、冷凍装置１００は、蒸発器４に非共沸混合冷媒を所定の流速で流すことにより、蒸発器４の入口と出口との温度差を抑えることができる。また、上記（２）〜（４）の手段を適宜組み合わせて冷凍装置１００に用いられる冷媒に応じて、蒸発器４内を流れる冷媒に与える圧力損失を適宜制御することができる。

（５）実施の形態１に係る冷凍装置１００の運転方法によれば、冷媒は、複数種類を混合した非共沸混合冷媒である、冷凍装置において、蒸発器４の入口部及び蒸発器４の出口部の管路内圧力を検出する検出ステップと、入口部と出口部との管路内圧力の差を、冷媒の温度勾配に合わせる圧力調整ステップと、を備える。
このように運転されることにより、冷凍装置１００は、上記（１）に記載の効果を得ることができる。

（６）実施の形態１に係る冷凍装置１００の運転方法によれば、蒸発器４を流れる冷媒の流速を変更することにより入口部と出口部との管路内圧力の差を変更する流速変更ステップを有する。
（７）実施の形態１に係る冷凍装置１００の運転方法によれば、流速変更ステップは、圧縮機１の回転数を変更することにより蒸発器４を流れる冷媒の流速を変更する。
（８）実施の形態１に係る冷凍装置１００の運転方法によれば、流速変更ステップは、蒸発器の入口部に設置された流量調整弁の開度を変更して伝熱管４１を流れる冷媒の流速を変更する。
このように構成されることにより、冷凍装置１００は、冷凍サイクルを構成する圧縮機１や流量調整弁を用いて蒸発器２４を流れる冷媒の流速を変更することができる。そのため、冷凍装置１００に用いられる非共沸混合冷媒の物性に応じて、蒸発器４を流動する冷媒に与える圧力損失を適宜変更することができる。これにより、冷凍装置１００は、上記（１）に記載の効果を得ることができる。

実施の形態２．
実施の形態２に係る冷凍装置１００は、実施の形態１に係る冷凍装置１００と比べて、冷凍装置１００内を循環する冷媒の組成を限定している点が異なる。実施の形態２においては、実施の形態１からの変更点を中心に説明する。

実施の形態２の冷凍装置１００を循環する非共沸混合冷媒は、Ｒ３２と、Ｒ１２５と、Ｒ１３４ａと、Ｒ１２３４ｙｆと、二酸化炭素の混合冷媒であり、Ｒ３２の割合Ｘ_Ｒ３２が３６ｗｔ％、Ｒ１２５の割合Ｘ_Ｒ１２５が３０ｗｔ％、Ｒ１３４ａの割合Ｘ_{Ｒ１３４ａ}が１４ｗｔ％、Ｒ１２３４ｙｆの割合Ｘ_{Ｒ１２３４ｙｆ}が１４ｗｔ％、二酸化炭素の割合Ｘ_ｃｏ２が６ｗｔ％である。このような冷媒を使用することで以下に示すような効果を得ることができる。

まず、各単一冷媒では長所または短所となる物性が備わっているが、複数冷媒を混合することで、短所を低減して長所を増長させることができる。Ｒ３２の物性としては動作圧力が高いため、圧力損失による性能低下影響を低減でき、スーパーマーケットのショーケースなど低温の利用でも冷凍能力を向上することができる。Ｒ１２３４ｙｆの物性としては、地球温暖化係数が０のため、環境影響を低減できる。Ｒ１２５、Ｒ１３４ａの物性としては不燃性のため、Ｒ３２とＲ１２３４ｙｆの特性である燃焼性を低減し、安全性を高めることができる。二酸化炭素の物性としては、地球温暖化係数が０であり、かつ不燃性の自然冷媒であるため、環境影響の低減、安全性の向上の両方に寄与できる。よって、上述の非共沸混合冷媒により、地球環境に影響が少なく、かつ安全性と性能を同時に向上することができる。

また、前記混合冷媒は非共沸混合冷媒であり、非共沸混合冷媒は同圧力下において相変化で温度が変化し、蒸発過程において下流側が上流側より温度が高くなる。そのため、冷凍装置１００の冷媒に非共沸混合冷媒を用いると蒸発器４の出口側よりも蒸発器４の入口側の温度が低くなる。特に、Ｒ３２を含む混合冷媒は低温の利用でも冷凍能力が向上するため、冷凍装置１００がショーケースなどの飽和温度が氷点下未満の低温機器に用いられることが多い。そのため、Ｒ３２を含む混合冷媒が飽和温度が氷点下未満の低温機器で用いられる場合には蒸発器４に着霜が発生する。

図５は、本発明の実施の形態２に係る冷凍装置２００に用いられる非共沸混合冷媒のモリエル線図を示している。実施の形態２における非共沸混合冷媒の場合、上記に示した組成になっており、図５に示されるように、低温域において一定の圧力下で非共沸混合冷媒を相変化させると、蒸発器４の入口と出口との非共沸混合冷媒の温度勾配は−５℃になる。つまり、低温域において、特に蒸発器４の内部を流れる冷媒に圧力損失を生じさせずに熱交換させると、蒸発器４の入口と出口との間の温度差はおよそ５℃である。例えば、蒸発器４の入口側の温度が−１２℃、蒸発器４の出口側の温度が−７℃となり、蒸発器４の入口側の温度が大きく低下する。そのため、より冷媒の温度が低い蒸発器４の入口側においては、伝熱管４１及びフィン４２に触れた空気の冷却が促進され、空気に含まれた水分が凝固し、着霜し易く着霜量が蒸発器４の出口側よりも多くなる。よって、偏着霜により冷凍装置２００の冷凍性能に及ぼす影響も大きくなる。

従って、実施の形態２においても、非共沸混合冷媒の物性から蒸発器４の入口と出口の冷媒飽和温度差を算出する。そして、冷凍装置２００において蒸発器４の入口と出口との間の冷媒の圧力差を、蒸発器４に流れる冷媒の温度を均一にした際の蒸発器４の入口及び出口における冷媒の圧力差と同じにするように、蒸発器４を流れる冷媒に配管圧損を付与すればよい。

以上より、実施の形態２のように、冷凍装置２００を循環する冷媒に、組成がＲ３２が３６ｗｔ％、Ｒ１２５が３０ｗｔ％、Ｒ１３４ａが１４ｗｔ％、Ｒ１２３４ｙｆが１４ｗｔ％、二酸化炭素が６ｗｔ％である非共沸混合冷媒を用いた場合においても、蒸発器４内の配管圧損が冷媒の温度勾配とほぼ同一になるように構成することで、蒸発器４内の冷媒温度をほぼ均一にし、蒸発器４における偏着霜による熱交換性能低下の防止が可能となる。それと共に、実施の形態２に係る非共沸混合冷媒を利用することにより、冷凍装置２００は、地球環境に影響が少なく、かつ安全性と冷凍性能を同時に向上させることができる。

なお、実施の形態２の非共沸混合冷媒を構成する各冷媒の組成は、±３ｗｔ％未満の範囲で各冷媒の組成割合が異なる冷媒であっても良い。つまり、Ｒ３２の割合Ｘ_Ｒ３２（ｗｔ％）が３３＜Ｘ_Ｒ３２＜３９である条件と、Ｒ１２５の割合Ｘ_Ｒ１２５（ｗｔ％）が２７＜Ｘ_Ｒ１２５＜３３である条件と、Ｒ１３４ａの割合Ｘ_{Ｒ１３４ａ}（ｗｔ％）が１１＜Ｘ_{Ｒ１３４ａ}＜１７である条件と、Ｒ１２３４ｙｆの割合Ｘ_{Ｒ１２３４ｙｆ}（ｗｔ％）１１＜Ｘ_{Ｒ１２３４ｙｆ}＜１７である条件と、二酸化炭素の割合Ｘ_ＣＯ２（ｗｔ％）が３＜Ｘ_Ｒ１２５＜９である条件と、Ｘ_Ｒ３２とＸ_Ｒ１２５とＸ_{Ｒ１３４ａ}とＸ_{Ｒ１２３４ｙｆ}とＸ_ｃｏ２との総和が１００（ｗｔ％）である条件と、を全て満たす冷媒であればよい。

なお、実施の形態２の冷凍装置２００を循環する冷媒は、Ｒ４４８Ａ、Ｒ４４９Ａ、Ｒ４０７Ｆのいずれかであっても良い。Ｒ４４８Ａ、Ｒ４４９Ａ、Ｒ４０７Ｆは非共沸混合冷媒であり、いずれを用いた場合においても、蒸発器４内の冷媒に付与する配管圧損が冷媒の温度勾配とほぼ同一になるように構成することで、蒸発器４内の冷媒温度をほぼ均一にし、蒸発器４の偏着霜による熱交換性能低下の防止が可能となる。

なお、実施の形態２に係る非共沸混合冷媒の物性は、Ｒ４１０Ａの物性と近似しており、Ｒ４１０Ａを実施の形態２に係る冷凍装置２００内に投入しても問題なく運転することができる。ただし、Ｒ４１０Ａは疑似共沸混合冷媒であり、温度勾配をほとんどもたない冷媒である。すなわち、図５において、蒸発器４内に示される疑似共沸混合冷媒の等温線のように、冷媒の等温線はほぼ水平になっている。そのため、実施の形態２に係る非共沸混合冷媒に合せて設計された蒸発器４を備えた冷凍装置２００にＲ４１０Ａを用いると、蒸発器４内を冷媒が流動した際の圧力損失により出口側の圧力が低下し、冷凍装置２００の冷凍能力の低下が大きくなることが考えられる。

そのため、冷凍装置２００にＲ４１０Ａを用いる場合、Ｒ４１０Ａを用いた場合の性能低下が小さくなるようにするため、蒸発器４は、伝熱管４１の配管圧損が少なくなるように構成する必要がある。例えば、実施の形態２に係る非共沸混合冷媒を用いる場合は、低温域における蒸発器４の入口と出口との冷媒飽和温度差がおよそ５℃であるので、蒸発器４は５℃に相当する圧力損失を冷媒に付与するように構成されている。しかし、Ｒ４１０Ａを用いる場合は、蒸発器４における圧力損失が非共沸混合冷媒の温度勾配にして５℃未満相当の圧力損失となるようにする。

例えば、実施の形態２に係る蒸発器４の伝熱管４１を通常の流速で管内を流れる冷媒に対しては圧力損失が少なくなるよう様に構成しておき、冷凍装置２００は、Ｒ４１０Ａを用いたときは通常の流速で冷媒が流れるように運転する。すると、蒸発器４内を流れる冷媒は、圧力損失が非共沸混合冷媒の温度勾配にして５℃未満になるように流れるため、図５に示される点線Ｃのようにほぼ等圧のまま蒸発器４から流出する。一方、実施の形態２に係る非共沸混合冷媒を用いたときは、通常より早い流速で冷媒を流し、早い流速の場合に管内の冷媒の圧力損失が大きくなる様に伝熱管４１を構成すればよい。冷媒の流速を上げた場合は、蒸発器４内の冷媒の圧力損失が大きくなり、図５に示される実線Ｄのように、蒸発器４の入口よりも出口の圧力が低くなり、蒸発器４の入口と出口との冷媒の温度差が生じず、偏着霜も生じない。以上のような手段により、冷凍装置２００は、非共沸混合冷媒及び疑似共沸混合冷媒の両方を冷凍能力を低下させることなく利用することができる。

図６は、本発明の実施の形態２に係る冷凍装置２００の蒸発器２４の構成を表す概略図である。例えば、実施の形態２に係る蒸発器２４の伝熱管４１を管内を流れる冷媒に対して所定の圧力損失を与えるように構成しておく。そして、冷凍装置２００は、Ｒ４１０Ａを用いたときは、蒸発器２４を流れる冷媒の流路の数、すなわちパス数が図２に示されるように５本になるように構成されている。一方、冷凍装置２００は、実施の形態２に係る非共沸混合冷媒を用いたときは、蒸発器２４を流れる冷媒の流路を切り替え、冷媒が図６に示されるように１本のパス数で蒸発器２４を通過するように構成されている。図６に示される蒸発器２４は、各伝熱管４１が蒸発器２４の端部でＵ字管４５により接続され、冷媒が蒸発器２４の両端で折り返して流れることにより流路が長くなっている。冷媒の流路が長いため、蒸発器２４を通過する冷媒は伝熱管４１の管路損失により圧力が低下する。以上のように構成されることにより、冷凍装置２００にＲ４１０Ａのような疑似共沸混合冷媒を用いる場合には、流路を短くすることにより冷媒の圧力損失が小さくなる。そして、冷凍装置２００に非共沸混合冷媒を用いる場合には、流路を長くすることにより冷媒の圧力損失を大きくすることができる。以上の手段により、冷凍装置２００は、疑似共沸混合冷媒及び非共沸混合冷媒の両方を冷凍能力を低下させることなく利用することができる。

（９）実施の形態２に係る冷凍装置２００によれば、冷媒は、Ｒ３２と、Ｒ１２５と、Ｒ１３４ａと、Ｒ１２３４ｙｆと、二酸化炭素との混合冷媒であり、Ｒ３２の割合Ｘ_Ｒ３２（ｗｔ％）が、３３ｗｔ％＜Ｘ_Ｒ３２＜３９ｗｔ％である条件と、Ｒ１２５の割合Ｘ_Ｒ１２５（ｗｔ％）が、２７ｗｔ％＜Ｘ_Ｒ１２５＜３３ｗｔ％である条件と、Ｒ１３４ａの割合Ｘ_{Ｒ１３４ａ}（ｗｔ％）が、１１ｗｔ％＜Ｘ_{Ｒ１３４ａ}＜１７ｗｔ％である条件と、Ｒ１２３４ｙｆの割合Ｘ_{Ｒ１２３４ｙｆ}（ｗｔ％）が、１１ｗｔ％＜Ｘ_{Ｒ１２３４ｙｆ}＜１７ｗｔ％である条件と、二酸化炭素の割合Ｘ_ＣＯ２（ｗｔ％）が、３ｗｔ％＜Ｘ_ＣＯ２＜９ｗｔ％である条件と、Ｘ_Ｒ３２、Ｘ_Ｒ１２５、Ｘ_{Ｒ１３４ａ}、Ｘ_{Ｒ１２３４ｙｆ}、及びＸ_ＣＯ２の総和Ｘ_{ｔｏｔａｌ}が、１００ｗｔ％である条件と、を全て満たす。
このように構成されることにより、冷凍装置２００は、地球環境に影響が少なく、かつ安全性と冷凍性能を同時に向上させることができる。

（１０）実施の形態２に係る冷凍装置２００によれば、冷媒は、Ｒ４４８Ａ、Ｒ４４９Ａ、又はＲ４０７Ｆである。
（１１）実施の形態２に係る冷凍装置２００によれば、冷凍サイクルは、Ｒ３２と、Ｒ１２５と、Ｒ１３４ａと、Ｒ１２３４ｙｆと、二酸化炭素との混合冷媒、Ｒ４４８Ａ、Ｒ４４９Ａ、及びＲ４０７Ｆのうち少なくとも１種類の前記冷媒と、Ｒ４１０Ａとを共用できる。このように構成されることにより、冷凍装置２００は、例えば低温機器、その他の様々な用途に用いることができる。

（１２）実施の形態２に係る冷凍装置２００の運転方法によれば、冷媒が通過する蒸発器２４の伝熱管４１の管路長を変更することにより入口部と出口部との管路内圧力の差を変更する管路長変更ステップを有する。
このように構成されることにより、冷凍装置２００は、用いられる冷媒に応じて、蒸発器２４を通過する冷媒に圧力損失を与えることができる。従って、冷凍装置２００に複数種類の冷媒を用いることができるため、冷凍装置２００は、様々な用途に用いることができる。

（１３）実施の形態２に係る冷凍装置２００の運転方法によれば、管路長変更ステップは、蒸発器２４を通過する冷媒のパス数を変更し入口部と出口部との管路内圧力の差を変更する。
このように構成されることにより、冷凍装置２００は、通常の伝熱管４１により構成された蒸発器２４においても、蒸発器２４内を流れる冷媒に与える圧力損失を変更することができる。また、上記（６）〜（８）に記載した手段を併用することにより、蒸発器２４内を流れる冷媒に与える圧力損失の幅が広がり、蒸発器２４の入口と出口との冷媒の圧力差を適正に調整することも可能になる。

１ 圧縮機、２ 凝縮器、３ 減圧装置、４ 蒸発器、５ 冷媒配管、６ 凝縮器送風機、７ 蒸発器送風機、２０ 圧力センサ、２４ 蒸発器、３０ 温度センサ、４１ 伝熱管、４２ フィン、４３ 冷媒分配器、４４ ヘッダ、４５ Ｕ字管、５０ 冷却器、６０ 制御部、１００ 冷凍装置、２００ 冷凍装置、Ａ 点線、Ｂ 点線、Ｃ 点線、Ｄ 実線。

Claims (9)

1. 圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、蒸発器とを冷媒配管により接続し、内部で冷媒が循環する冷凍サイクルを備え、
   前記冷媒は、
   Ｒ３２の割合Ｘ _Ｒ３２ （ｗｔ％）が、
   ３３ｗｔ％＜Ｘ _Ｒ３２ ＜３９ｗｔ％である条件と、
   Ｒ１２５の割合Ｘ _Ｒ１２５ （ｗｔ％）が、
   ２７ｗｔ％＜Ｘ _Ｒ１２５ ＜３３ｗｔ％である条件と、
   Ｒ１３４ａの割合Ｘ _{Ｒ１３４ａ} （ｗｔ％）が、
   １１ｗｔ％＜Ｘ _{Ｒ１３４ａ} ＜１７ｗｔ％である条件と、
   Ｒ１２３４ｙｆの割合Ｘ _{Ｒ１２３４ｙｆ} （ｗｔ％）が、
   １１ｗｔ％＜Ｘ _{Ｒ１２３４ｙｆ} ＜１７ｗｔ％である条件と、
   二酸化炭素の割合Ｘ _ＣＯ２ （ｗｔ％）が、
   ３ｗｔ％＜Ｘ _ＣＯ２ ＜９ｗｔ％である条件と、
   Ｘ _Ｒ３２ 、Ｘ _Ｒ１２５ 、Ｘ _{Ｒ１３４ａ} 、Ｘ _{Ｒ１２３４ｙｆ} 、及びＸ _ＣＯ２ の総和Ｘ _{ｔｏｔａｌ} が、
   １００ｗｔ％である条件と、を全て満たす混合冷媒、又はＲ４１０Ａであり、
   前記蒸発器は、
   非共沸混合冷媒の気液二相領域の等温線の温度勾配に合わせ、蒸発過程における管路内圧力を前記冷媒の流れる方向に沿って低下させ、
   前記冷凍サイクルが前記混合冷媒及びＲ４１０Ａの両方に対応するために、前記蒸発器を通過する前記冷媒のパス数を変更自在に構成され、
   前記冷媒が前記混合冷媒である場合には、前記冷媒がＲ４１０Ａである場合よりも前記冷媒のパス数を減少させることを特徴とする、冷凍装置。
2. 前記蒸発器の伝熱管は、
   断面積が前記冷媒の流れる方向に沿って増加している、請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記蒸発器の伝熱管は、
   管路内に前記冷媒の流れの抵抗となる抵抗手段を備える、請求項１に記載の冷凍装置。
4. 前記蒸発器を通過する前記冷媒の流速を制御することにより前記蒸発過程における前記管路内圧力を低下させる、請求項１〜３の何れか１項に記載の冷凍装置。
5. 前記冷媒は、
   Ｒ４４８Ａ、Ｒ４４９Ａ、又はＲ４０７Ｆである、請求項１〜４の何れか１項に記載の冷凍装置。
6. 圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、蒸発器とを冷媒配管により接続し、内部で冷媒が循環する冷凍サイクルを備え、
   前記冷媒は、
   Ｒ３２の割合Ｘ _Ｒ３２ （ｗｔ％）が、
   ３３ｗｔ％＜Ｘ _Ｒ３２ ＜３９ｗｔ％である条件と、
   Ｒ１２５の割合Ｘ _Ｒ１２５ （ｗｔ％）が、
   ２７ｗｔ％＜Ｘ _Ｒ１２５ ＜３３ｗｔ％である条件と、
   Ｒ１３４ａの割合Ｘ _{Ｒ１３４ａ} （ｗｔ％）が、
   １１ｗｔ％＜Ｘ _{Ｒ１３４ａ} ＜１７ｗｔ％である条件と、
   Ｒ１２３４ｙｆの割合Ｘ _{Ｒ１２３４ｙｆ} （ｗｔ％）が、
   １１ｗｔ％＜Ｘ _{Ｒ１２３４ｙｆ} ＜１７ｗｔ％である条件と、
   二酸化炭素の割合Ｘ _ＣＯ２ （ｗｔ％）が、
   ３ｗｔ％＜Ｘ _ＣＯ２ ＜９ｗｔ％である条件と、
   Ｘ _Ｒ３２ 、Ｘ _Ｒ１２５ 、Ｘ _{Ｒ１３４ａ} 、Ｘ _{Ｒ１２３４ｙｆ} 、及びＸ _ＣＯ２ の総和Ｘ _{ｔｏｔａｌ} が、
   １００ｗｔ％である条件と、を全て満たす混合冷媒、又はＲ４１０Ａである、冷凍装置において、
   前記蒸発器の入口部及び前記蒸発器の出口部の管路内圧力を検出する検出ステップと、
   前記入口部と前記出口部との前記管路内圧力の差を、前記冷媒の気液二相領域の等温線の温度勾配に合わせる圧力調整ステップと、
   前記蒸発器を通過する前記冷媒のパス数を変更し前記入口部と前記出口部との前記管路内圧力の差を変更する管路長変更ステップと、を備え、
   前記管路長変更ステップは、
   前記冷媒が前記混合冷媒である場合には、前記冷媒がＲ４１０Ａである場合よりも前記冷媒のパス数を減少させる、冷凍装置の運転方法。
7. 前記圧力調整ステップは、
   前記蒸発器を流れる前記冷媒の流速を変更することにより前記入口部と前記出口部との前記管路内圧力の差を変更する流速変更ステップを有する、請求項６に記載の冷凍装置の運転方法。
8. 前記流速変更ステップは、
   前記圧縮機の運転周波数を変更することにより前記蒸発器を流れる前記冷媒の流速を変更する、請求項７に記載の冷凍装置の運転方法。
9. 前記流速変更ステップは、
   前記蒸発器の前記入口部に設置された流量調整弁の開度を変更して前記蒸発器を流れる前記冷媒の流速を変更する、請求項７又は８に記載の冷凍装置の運転方法。

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