KR101892880B1 - 냉동 사이클 장치 - Google Patents

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KR101892880B1
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

HFO-1123을 사용하는 냉동 사이클 장치에서, 불균화 반응을 억제하는 것이 가능한 냉동 사이클 장치를 얻는다. 냉동 사이클 장치(10)는 고압 셸형의 압축기(12), 실외 열교환기(14), 팽창밸브(15) 및 실내 열교환기(16)가 접속된 냉매 회로(11a, 11b)와, 1,1,2-트리플루오로에틸렌, 디플루오로메탄 및 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜이 혼합되고, 냉매 회로(11a, 11b)를 순환하는 혼합냉매로서, 냉매 회로(11a, 11b)에 봉입되기 전의 상태에서, 1,1,2-트리플루오로에틸렌이 50wt% 미만이고, 디플루오로메탄의 혼합 비율이 1,1,2-트리플루오로에틸렌에 대해 0.7배 이상 2배 이하의 중량비로 되는 혼합냉매와, 혼합냉매를 구성하는 냉매 중, 디플루오로메탄이 가장 녹기 어려워지도록 조정되어, 냉매 회로(11a, 11b) 내에 봉입된 냉동기유(60)를 구비하였다.

Description

냉동 사이클 장치{REFRIGERATION CYCLE DEVICE}
본 발명은 냉동 사이클 장치에 관한 것이다.
근래, 지구 온난화 방지의 관점에서, 온실효과 가스의 삭감이 요구되고 있다. 공기 조화기 등의 냉동 사이클 장치에 사용되고 있는 냉매에 대해서도, 지구 온난화 계수(GWP)가 보다 낮은 것이 검토되고 있다. 현재, 공기 조화기용으로서 널리 사용되고 있는 R410A의 GWP는 2088로 매우 큰 값이다. 근래 도입되기 시작하고 있는 디플루오로메탄(R32)의 GWP도 675가 되어 큰 값으로 되어 있다.
GWP가 낮은 냉매로서는 이산화탄소(R744 : GWP=1), 암모니아(R717 : GWP=0), 프로판(R290 : GWP=6), 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜(HFO-1234yf : GWP=4), 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜(HFO-1234ze : GWP=6) 등이 있다.
이들 저(低)GWP 냉매는 하기한 과제가 있기 때문에, 일반적인 공기 조화기에 적용하는 것은 곤란하다.
·R744 : 동작 압력이 매우 높기 때문에, 내압 확보의 과제가 있다. 또한, 임계 온도가 31℃로 낮기 때문에, 공기 조화기 용도로의 성능의 확보가 과제로 된다.
·R717 : 고독성(高毒性)이기 때문에, 안전 확보의 과제가 있다.
·R290 : 강연성(强燃性)이기 때문에, 안전 확보의 과제가 있다.
·HFO-1234yf/HFO-1234ze : 저동작압으로 체적 유량이 커지기 때문에, 압력 손실 증대에 의한 성능 저하의 과제가 있다.
상기한 과제를 해결하는 냉매로서, 1,1,2-트리플루오로에틸렌(HFO-1123)이 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 이 냉매에는 특히, 이하의 이점이 있다.
·동작 압력이 높고, 냉매의 체적 유량이 작기 때문에, 압력 손실이 작고, 성능을 확보하기 쉽다.
·GWP가 1 미만이고, 지구 온난화 대책으로서 우위성이 높다.
특허 문헌 1 : 국제 공개 제2012/157764호
비특허 문헌 1 : Andrew E. Feiring, Jon D. Hulburt, "Trifluoroethylene deflagration", Chemical & Engineering News (22 Dec 1997) Vol. 75, No. 51, pp. 6
HFO-1123에는 하기한 과제가 있다.
(1) 고온, 고압의 상태에서, 착화 에너지가 가하여지면, 폭발이 발생한다(예를 들면, 비특허 문헌 1 참조).
HFO-1123을 냉동 사이클 장치에 적용하려면, 상기한 과제를 해결할 필요가 있다.
상기한 과제에 관해서는 불균화(不均化) 반응의 연쇄(連鎖)에 의해 폭발이 발생하는 것이 분명하게 되었다. 이 현상이 발생하는 조건은 하기한 2점이다.
(1a) 냉동 사이클 장치(특히, 압축기)의 내부에 착화 에너지(고온부)가 발생하여, 불균화 반응이 일어난다.
(1b) 고온, 고압의 상태에서, 불균화 반응이 연쇄하여 확산한다.
본 발명은 HFO-1123을 사용하는 냉동 사이클 장치에서, 불균화 반응을 억제하는 것이 가능한 냉동 사이클 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 냉동 사이클 장치는 고압 셸형 압축기, 응축기, 팽창기구 및 증발기가 접속된 냉매 회로와, 1,1,2-트리플루오로에틸렌, 디플루오로메탄 및 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜이 혼합되고, 상기 냉매 회로를 순환하는 혼합냉매로서, 상기 냉매 회로에 봉입되기 전의 상태에서, 상기 1,1,2-트리플루오로에틸렌이 50wt% 미만이고, 상기 디플루오로메탄의 혼합 비율이 상기 1,1,2-트리플루오로에틸렌에 대해 0.7배 이상 2배 이하의 중량비로 되는 혼합냉매와, 상기 1,1,2-트리플루오로에틸렌, 상기 디플루오로메탄 및 상기 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 중, 상기 디플루오로메탄이 가장 녹기 어려워지도록 조정되어, 상기 냉매 회로 내에 봉입된 냉동기유를 구비한 것이다.
본 발명에 관한 냉동 사이클 장치는 냉매 회로에 봉입되기 전의 상태에서, 1,1,2-트리플루오로에틸렌이 50wt% 미만으로 되어 있는 혼합냉매를 사용하고, 냉매 회로 내의 1,1,2-트리플루오로에틸렌의 양을 억제하고 있다. 이 때문에, 1,1,2-트리플루오로에틸렌이 불균화 반응을 일으키는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 냉동 사이클 장치는 디플루오로메탄이 가장 녹기 어렵게 되도록 조정된 냉동기유를 사용하고 있다. 이 때문에, 냉동 사이클 장치의 운전 중에서도, 혼합냉매 중에 차지하는 1,1,2-트리플루오로에틸렌의 비율이 증가하는 것을 억제할 수 있다. 따라서 본 발명에 관한 냉동 사이클 장치는 냉동 사이클 장치의 운전 중에서도, 1,1,2-트리플루오로에틸렌이 불균화 반응을 일으키는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 냉동 사이클 장치에 사용되는 혼합냉매는 디플루오로메탄의 혼합 비율이 1,1,2-트리플루오로에틸렌에 대해 0.7배 이상 2배 이하의 중량비로 되어 있다. 이 때문에, 1,1,2-트리플루오로에틸렌과 디플루오로메탄은 의사공비(疑似共沸) 상태로 할 수 있다. 따라서 본 발명에 관한 냉동 사이클 장치는 1,1,2-트리플루오로에틸렌과 디플루오로메탄과의 분리가 억제되기 때문에, 1,1,2-트리플루오로에틸렌이 불균화 반응을 일으키는 것을 더욱 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 냉동 사이클 장치는 혼합냉매 중의 1,1,2-트리플루오로에틸렌의 비율을 저하시키기 위해, 디플루오로메탄뿐만 아니라, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜도 혼합하고 있다. 이 때문에, 본 발명에서는 혼합냉매의 GWP를 저하시킬 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태에 관한 냉동 사이클 장치(10)(냉방시)의 회로도.
도 2는 본 발명의 실시의 형태에 관한 냉동 사이클 장치(10)(난방시)의 회로도.
도 3은 본 발명의 실시의 형태에 관한 압축기(12)의 종단면도.
도 4는 본 발명의 실시의 형태에 관한 냉동기유(60)에 대한 냉매의 용해량을 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 실시의 형태에 관한 냉동기유(60)에 대한 냉매의 용해량을 도시하는 도면.
도 6은 도 4 및 도 5의 비율로 냉동기유(60)에 혼합냉매를 구성하는 각 냉매가 용해한 경우에 있어서의, HFO-1234yf의 조성비를 도시하는 도면.
실시의 형태.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시의 형태에 관한 냉동 사이클 장치(10)의 회로도이다. 도 1은 냉방시의 냉매 회로(11a)를 도시하고 있다. 도 2는 난방시의 냉매 회로(11b)를 도시하고 있다.
본 실시의 형태에서, 냉동 사이클 장치(10)는 공기 조화기이다. 또한, 냉동 사이클 장치(10)가 공기 조화기 이외의 기기(예를 들면, 히트 펌프 사이클 장치)라도 본 실시의 형태를 적용할 수 있다.
도 1 및 도 2에서, 냉동 사이클 장치(10)는 냉매가 순환하는 냉매 회로(11a, 11b)를 구비한다.
냉매 회로(11a, 11b)에는 고압 셸형 압축기(압축 요소로 압축한 냉매를 밀폐 용기내에 토출하는 압축기)인 압축기(12)와, 4방밸브(13)와, 실외 열교환기(14)와, 팽창밸브(15)와, 실내 열교환기(16)가 접속되어 있다. 압축기(12)는 냉매를 압축한다. 4방밸브(13)는 냉방시와 난방시에서 냉매가 흐르는 방향을 전환한다. 실외 열교환기(14)는 냉방시에는 응축기로서 동작하여, 압축기(12)에 의해 압축된 냉매를 방열시킨다. 실외 열교환기(14)는 난방시에는 증발기로서 동작하여, 실외 공기와 팽창밸브(15)에서 팽창한 냉매와의 사이에서 열교환을 행하여 냉매를 가열한다. 팽창밸브(15)는 팽창기구의 예이다. 팽창밸브(15)는 응축기에서 방열한 냉매를 팽창시킨다. 실내 열교환기(16)는 난방시에는 응축기로서 동작하여, 압축기(12)에 의해 압축된 냉매를 방열시킨다. 실내 열교환기(16)는 냉방시에는 증발기로서 동작하여, 실내 공기와 팽창밸브(15)에서 팽창한 냉매와의 사이에서 열교환을 행하여 냉매를 가열하다. 또한, 냉동 사이클 장치(10)가 냉방 또는 난방중의 일방만을 행하는 것인 경우, 4방밸브(13)는 필요 없다.
냉동 사이클 장치(10)는 또한, 제어 장치(17)를 구비한다.
제어 장치(17)는 예를 들면, 마이크로 컴퓨터이다. 도면에서는 제어 장치(17)와 압축기(12)와의 접속밖에 도시하지 않지만, 제어 장치(17)는 압축기(12)뿐만 아니라, 냉매 회로(11a, 11b)에 접속된 각 요소에 접속되어 있다. 제어 장치(17)는 각 요소의 상태를 감시하거나 제어하거나 한다.
본 실시의 형태에서, 냉매 회로(11a, 11b)를 순환하는 냉매(환언하면, 냉매 회로(11a, 11b)에 봉입된 냉매)로서는 1,1,2-트리플루오로에틸렌(HFO-1123), 디플루오로메탄(R32) 및 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜(HFO-1234yf)을 혼합한 혼합냉매가 사용된다. 이 혼합냉매는 냉매 회로(11a, 11b)에 봉입되기 전의 상태에서, HFO-1123이 50wt% 미만이고, R32의 혼합 비율이 HFO-1123에 대해 0.7배 이상 2배 이하의 중량비로 되어 있다. R32의 혼합 비율을 HFO-1123에 대해 0.7배 이상 2배 이하의 중량비로 함에 의해, R32와 HFO-1123은 의사공비 상태(의사공비 냉매)가 된다.
또한, 본 실시의 형태에 관한 냉동 사이클 장치(10)는 냉매 회로(11a, 11b)에 냉동기유(60)가 봉입되어 있다. 냉동기유(60)의 대부분은 후술하는 바와 같이 압축기(12)의 밀폐 용기의 저부에 저류(貯留)된다. 이 냉동기유(60)는 HFO-1123, R32 및 HFO-1234yf 중, R32가 가장 녹기 어려워지도록 조정되어 있다. 또한, 본 실시의 형태에서는 냉동기유(60)는 HFO-1234yf의 쪽이 HFO-1123보다도 녹기 쉬워지도록 조정되어 있다.
본 실시의 형태에서 사용되는 냉동기유(60)로서, 예를 들면 폴리올에스테르를 사용할 수 있다. 폴리올에스테르는 지방산과 다가알코올(폴리올)이 에스테르 결합한 것이다. 지방산의 탄소수, 지방산의 분자 구조(분기쇄의 지방산을 사용하는지, 또는 비분기쇄(직쇄)의 지방산을 통하는지), 다가알코올의 탄소수, 및, 다가알코올의 분자 구조(분기쇄의 다가알코올을 사용하는지, 또는 비분기쇄(직쇄)의 다가알코올을 사용하는지)를 조정함에 의해, 폴리올에스테르에의 냉매의 용해성(용해하기 쉬운 정도)을 조정할 수 있다.
또한, 본 실시의 형태에서 사용되는 냉동기유(60)는 폴리올에스테르로 한하지 않고, 폴리비닐에테르 또는 폴리알킬렌글리콜을 사용할 수도 있다. 폴리비닐에테르는 직쇄의 탄화수소의 측쇄에, 에테르 결합으로 알킬기가 결합한 것이다. 측쇄에서 에테르 결합하고 있는 알킬기의 성분을 변화시킴에 의해, 폴리비닐에테르에의 냉매의 용해성(용해하기 쉬운 정도)을 조정할 수 있다. 폴리알킬렌글리콜은 프로필렌옥시드와 에틸렌옥시드가 에테르 결합에 의해 쇄상(鎖狀)으로 결합하고 있는 것이다. 프로필렌옥시드와 에틸렌옥시드의 비율을 변화시킴에 의해, 폴리알킬렌글리콜에의 냉매의 용해성(용해하기 쉬운 정도)을 조정할 수 있다.
폴리올에스테르, 폴리비닐에테르 및 폴리알킬렌글리콜의 적어도 2개를 혼합하여 냉동기유(60)로 하여도 물론 좋다.
또한, 냉매 회로(11a, 11b)에 봉입되기 전의 혼합냉매 및 냉동기유(60)의 양으로서는 상기 혼합냉매가 상기 냉동기유(60)에 대해 1배 이상 4배 이하의 중량비가 되도록 하고 있다.
도 3은 본 발명의 실시의 형태에 관한 압축기(12)의 종단면도이다. 또한, 이 도면에서는 단면을 나타내는 해칭을 생략하고 있다.
본 실시의 형태에서, 고압 셸형 압축기(압축 요소(30)로 압축한 냉매를 밀폐 용기(20) 내로 토출하는 압축기)인 압축기(12)는 1기통의 로터리 압축기이다. 또한, 압축기(12)가 다기통의 로터리 압축기, 또는 스크롤 압축기라도 본 실시의 형태를 적용할 수 있다.
도 3에서, 압축기(12)는 밀폐 용기(20)와, 압축 요소(30)와, 전동 요소(40)와, 축(50)을 구비한다.
밀폐 용기(20)는 용기의 예이다. 밀폐 용기(20)에는 냉매를 흡입하기 위한 흡입관(21)과, 냉매를 토출하기 위한 토출관(22)이 부착되어 있다.
압축 요소(30)는 밀폐 용기(20)의 중에 수납된다. 구체적으로는 압축 요소(30)는 밀폐 용기(20)의 내측 하부에 설치된다. 압축 요소(30)는 흡입관(21)에 흡입된 냉매를 압축한다.
전동 요소(40)도, 밀폐 용기(20)의 중에 수납된다. 구체적으로는 전동 요소(40)는 밀폐 용기(20) 중에서, 압축 요소(30)에 의해 압축된 냉매가 토출관(22)으로부터 토출되기 전에 통과하는 위치에 설치된다. 즉, 전동 요소(40)는 밀폐 용기(20)의 내측에서, 압축 요소(30)의 상방에 설치된다. 전동 요소(40)는 압축 요소(30)를 구동한다. 전동 요소(40)는 집중권(集中卷)의 모터이다.
밀폐 용기(20)의 저부에는 압축 요소(30)의 활주부를 윤활하는 냉동기유(60)가 저류되어 있다.
이하에서는 압축 요소(30)의 상세에 관해 설명한다.
압축 요소(30)는 실린더(31)와, 롤링 피스톤(32)과, 베인(도시 생략)과, 주축받이(33)와, 부축받이(34)를 구비한다.
실린더(31)의 외주는 평면시(平面視) 개략 원형이다. 실린더(31)의 내부에는 평면시 개략 원형의 공간인 실린더실이 형성된다. 실린더(31)는 축방향 양단(兩端)이 개구하고 있다.
실린더(31)에는 실린더실에 연통하고, 반경 방향으로 늘어나는 베인홈(도시 생략)이 마련된다. 베인홈의 외측에는 베인홈에 연통하는 평면시 개략 원형의 공간인 배압실(背壓室)이 형성된다.
실린더(31)에는 냉매 회로(11a, 11b)로부터 가스 냉매가 흡입되는 흡입 포트(도시 생략)가 마련된다. 흡입 포트는 실린더(31)의 외주면으로부터 실린더실에 관통하여 있다.
실린더(31)에는 실린더실에서 압축된 냉매가 토출되는 토출 포트(도시 생략)가 마련된다. 토출 포트는 실린더(31)의 상단면을 노치하여 형성되어 있다.
롤링 피스톤(32)은 링형상이다. 롤링 피스톤(32)은 실린더실 내에서 편심 운동한다. 롤링 피스톤(32)은 축(50)의 편심축부(51)에 활주 자유롭게 감합(嵌合)된다.
베인의 형상은 평탄한 개략 직방체이다. 베인은 실린더(31)의 베인홈 내에 설치된다. 베인은 배압실에 마련되는 베인 스프링에 의해 항상 롤링 피스톤(32)에 꽉 눌려 있다. 밀폐 용기(20) 내가 고압이기 때문에, 압축기(12)의 운전이 시작되면, 베인의 배면(즉, 배압실측의 면)에 밀폐 용기(20) 내의 압력과 실린더실내의 압력과의 차에 의한 힘이 작용한다. 이 때문에, 베인 스프링은 주로 압축기(12)의 기동시(밀폐 용기(20) 내와 실린더실 내의 압력에 차가 없을 때)에, 베인을 롤링 피스톤(32)에 가압하는 목적으로 사용된다.
주축받이(33)는 측면시 개략 역T자형상이다. 주축받이(33)는 축(50)의 편심축부(51)보다도 위의 부분인 주축부(52)에 활주 자유롭게 감합된다. 주축받이(33)는 실린더(31)의 실린더실 및 베인홈의 상측을 폐색한다.
부축받이(34)는 측면시 개략 T자형상이다. 부축받이(34)는 축(50)의 편심축부(51)보다도 아래의 부분인 부축부(53)에 활주 자유롭게 감합된다. 부축받이(34)는 실린더(31)의 실린더실 및 베인홈의 하측을 폐색한다.
주축받이(33)는 토출 밸브(도시 생략)를 구비한다. 주축받이(33)의 외측에는 토출 머플러(35)가 부착된다. 토출 밸브를 통하여 토출되는 고온·고압의 가스 냉매는 일단 토출 머플러(35)에 들어가고, 그 후 토출 머플러(35)로부터 밀폐 용기(20) 내의 공간에 방출된다. 또한, 토출 밸브 및 토출 머플러(35)는 부축받이(34), 또는 주축받이(33)와 부축받이(34)와 양방에 마련되어도 좋다.
실린더(31), 주축받이(33), 부축받이(34)의 재질은 회주철, 소결강, 탄소강 등이다. 롤링 피스톤(32)의 재질은 예를 들면, 크롬 등을 함유한 합금강이다. 베인의 재질은 예를 들면, 고속도공구강이다.
밀폐 용기(20)의 옆에는 흡입 머플러(23)가 마련된다. 흡입 머플러(23)는 냉매 회로(11a, 11b)로부터 저압의 가스 냉매를 흡입한다. 흡입 머플러(23)는 액냉매가 되돌아오는 경우에 액냉매가 직접 실린더(31)의 실린더실에 들어가는 것을 억제한다. 흡입 머플러(23)는 실린더(31)의 흡입 포트에 흡입관(21)을 통하여 접속된다. 흡입 머플러(23)의 본체는 용접 등에 의해 밀폐 용기(20)의 측면에 고정된다.
이하에서는 전동 요소(40)의 상세에 관해 설명한다.
본 실시의 형태에서, 전동 요소(40)는 브러시레스 DC(Direct·Current) 모터이다. 또한, 전동 요소(40)가 브러시레스 DC 모터 이외의 모터(예를 들면, 유도 전동기)라도 본 실시의 형태를 적용할 수 있다.
전동 요소(40)는 고정자(41)와 회전자(42)를 구비한다.
고정자(41)는 밀폐 용기(20)의 내주면에 당접하여 고정된다. 회전자(42)는 고정자(41)의 내측에 0.3∼1㎜ 정도의 공극을 통하여 설치된다.
고정자(41)는 고정자 철심(43)과, 고정자 권선(44)을 구비한다. 고정자 철심(43)은 두께가 0.1∼1.5㎜의 복수장의 전자강판을 소정의 형상으로 타발하고, 축방향으로 적층하고, 코킹이나 용접 등에 의해 고정하여 제작된다. 고정자 권선(44)은 고정자 철심(43)에 절연부재(48)을 통하여 집중권으로 권회된다. 절연부재(48)의 재질은 예를 들면, PET(폴리에틸렌테레프탈레이트), PBT(폴리부틸렌테레프탈레이트), FEP(테트라플루오로에틸렌·헥사플루오로프로필렌 공중합체), PFA(테트라플루오로에틸렌·퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체), PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌), LCP(액정 폴리머), PPS(폴리페닐렌술파이드), 페놀 수지이다. 고정자 권선(44)에는 리드선(45)이 접속되어 있다.
고정자 철심(43)의 외주에는 둘레방향으로 개략 등간격으로 복수의 노치가 형성되어 있다. 각각의 노치는 토출 머플러(35)로부터 밀폐 용기(20) 내의 공간에 방출된 가스 냉매의 통로의 하나가 된다. 각각의 노치는 전동 요소(40)의 위로부터 밀폐 용기(20)의 저부로 되돌아오는 냉동기유(60)의 통로도 된다.
회전자(42)는 회전자 철심(46)과, 영구자석(도시 생략)을 구비한다. 회전자 철심(46)은 고정자 철심(43)과 마찬가지로, 두께가 0.1∼1.5㎜의 복수장의 전자강판을 소정의 형상으로 타발하고, 축방향으로 적층하고, 코킹이나 용접 등에 의해 고정하여 제작된다. 영구자석은 회전자 철심(46)에 형성되는 복수의 삽입구멍에 삽입된다. 영구자석으로서는 예를 들면, 페라이트 자석, 희토류 자석이 사용된다.
회전자 철심(46)에는 개략 축방향으로 관통하는 복수의 관통구멍이 형성되어 있다. 각각의 관통구멍은 고정자 철심(43)의 노치와 마찬가지로, 토출 머플러(35)로부터 밀폐 용기(20) 내의 공간에 방출되는 가스 냉매의 통로의 하나가 된다.
밀폐 용기(20)의 정부(頂部)에는 외부 전원과 접속하는 전원 단자(24)(예를 들면, 유리 단자)가 부착되어 있다. 전원 단자(24)는 예를 들면, 용접에 의해 밀폐 용기(20)에 고정되어 있다. 전원 단자(24)에는 전동 요소(40)로부터의 리드선(45)이 접속된다.
밀폐 용기(20)의 정부에는 축방향 양단이 개구한 토출관(22)이 부착되어 있다. 압축 요소(30)로부터 토출되는 가스 냉매는 밀폐 용기(20) 내의 공간부터 토출관(22)을 통과하고 외부의 냉매 회로(11a, 11b)에 토출된다.
이하에서는 압축기(12)의 동작에 관해 설명한다.
전원 단자(24)로부터 리드선(45)을 통하여 전동 요소(40)의 고정자(41)에 전력이 공급된다. 이에 의해, 전동 요소(40)의 회전자(42)가 회전한다. 회전자(42)의 회전에 의해, 회전자(42)에 고정된 축(50)이 회전한다. 축(50)의 회전에 수반하여 압축 요소(30)의 롤링 피스톤(32)이 압축 요소(30)의 실린더(31)의 실린더실 내에서 편심 회전한다. 실린더(31)와 롤링 피스톤(32)과의 사이의 공간은 압축 요소(30)의 베인에 의해 2개로 분할되어 있다. 축(50)의 회전에 수반하여 그들 2개의 공간의 용적이 변화한다. 일방의 공간에서는 서서히 용적이 확대함에 의해, 흡입 머플러(23)로부터 냉매가 흡입된다. 타방의 공간에서는 서서히 용적이 축소함에 의해, 속의 가스 냉매가 압축된다. 압축된 가스 냉매는 토출 머플러(35)로부터 밀폐 용기(20) 내의 공간에 일단 토출된다. 토출된 가스 냉매는 전동 요소(40)를 통과하여 밀폐 용기(20)의 정부에 있는 토출관(22)으로부터 밀폐 용기(20)의 밖으로 토출된다.
냉동 사이클 장치(10)는 고압 셸형의 압축기(12)를 이용하고 있다. 즉, 냉동 사이클 장치(10)는 밀폐 용기(20) 내부가 고온이 되는 압축기(12)를 이용하고 있다. 또한, 냉동 사이클 장치(10)는 냉매로서 HFO-1123을 사용하고 있다. 이 때문에, HFO-1123이 불균화 반응을 일으키고, 불균화 반응의 연쇄에 의해 폭발이 발생할 것이 우려된다.
그렇지만, 본 실시의 형태에 관한 냉동 사이클 장치(10)는 냉매 회로(11a, 11b)에 봉입되기 전의 상태에서, HFO-1123이 50wt% 미만으로 되어 있는 혼합냉매를 사용하여, 냉매 회로(11a, 11b) 내의 HFO-1123의 양을 억제하고 있다. 냉동 사이클 장치(10)는 HFO-1123이 불균화 반응을 일으키는 것을 억제할 수 있다. 또한, 냉동 사이클 장치(10)는 R32가 가장 녹기 어렵게 되도록 조정된 냉동기유(60)를 사용하고 있다. 이 때문에, 냉동 사이클 장치(10)의 운전 중에서도, 혼합냉매 중에 차지하는 HFO-1123의 비율이 증가하는 것을 억제할 수 있다. 따라서 본 실시의 형태에 관한 냉동 사이클 장치(10)는 냉동 사이클 장치(10)의 운전 중에서도, HFO-1123이 불균화 반응을 일으키는 것을 억제할 수 있다. 또한, 본 발명에 관한 냉동 사이클 장치(10)에 사용되는 혼합냉매는 R32의 혼합 비율이 HFO-1123에 대해 0.7배 이상 2배 이하의 중량비로 되어 있다. 이 때문에, HFO-1123과 R32는 의사공비 상태로 할 수 있다. 따라서 본 실시의 형태에 관한 냉동 사이클 장치(10)는 HFO-1123과 R32와의 분리가 억제되기 때문에, HFO-1123이 불균화 반응을 일으키는 것을 더욱 억제할 수 있다. 즉, 본 실시의 형태에 관한 냉동 사이클 장치(10)는 HFO-1123의 불균화 반응의 연쇄에 의해 폭발이 발생하는 것을 방지할 수 있고, HFO-1123을 사용하여 높은 안전성을 확보할 수 있다.
또한, HFO-1123을 사용함에 의한 지구 온난화 계수(GWP) 저감의 효과를 생각하면, 혼합냉매 중의 HFO-1123의 비율은 10wt% 이상인 것이 바람직하다.
또한, 본 실시의 형태에 관한 냉동 사이클 장치(10)는 혼합냉매 중의 HFO-1123의 비율을 저하시키기 위해, R32뿐만 아니라, HFO-1234yf도 혼합하고 있다. 이 때문에, 혼합냉매의 GWP를 저하시킬 수도 있다.
여기서, 혼합냉매의 조성비의 한 예, 및, 냉동기유(60)에 대한 냉매의 용해량의 한 예를 소개한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시의 형태에 관한 냉동기유(60)에 대한 냉매의 용해량을 도시하는 도면이다. 도 4는 통상운전시의 냉매 용해량을 도시하고 있다. 도 5는 과부하 운전시의 냉매 용해량을 도시하고 있다. 또한, 도 4 및 도 5에서는 냉매 회로에 봉입되기 전의 상태에서의 혼합냉매의 조성은 중량비로, HFO-1123 : R32 : HFO-1234yf=40 : 40 : 20으로 되어 있다. 또한, 도 4 및 도 5에 도시하는 종축은 100중량부의 냉동기유(60)에 녹을 수 있는 HFO-1123 및 R32의 양을 나타내고 있다.
도 4 및 도 5에 도시하는 바와 같이, 냉동기유(60)에 대한 각 냉매(혼합냉매를 구성하는 냉매)의 용해량은 HFO-1234yf>HFO-1123>R32로 되어 있다. 통상운전시에 있어서의 냉동기유(60)의 온도가 60℃인 상태(도 4의 파선의 위치)에 주목하면, 당해 상태는 혼합냉매의 노점(露点) 온도가 40℃, 압축기(12) 내에 저류되어 있는 냉동기유(60)의 온도가 60℃(환언하면 압축기(12)의 토출 과열도가 20℃)로 냉동 사이클 장치(10)를 운전하고 있는 상태를 나타내고 있다. 이 운전 상태에서, HFO-1234yf의 용해량은 38중량부(A점)로 되어 있다. HFO-1123의 용해량은 33중량부(B점)로 되어 있다. 또한, R32의 용해량은 HFO-1234yf의 용해량보다도 21중량부 적은 17중량부로 되어 있다.
즉, 냉동기유(60)에 대한 각 냉매(혼합냉매를 구성하는 냉매)의 용해량을 HFO-1234yf>HFO-1123>R32로 조정함에 의해, 냉매 회로(11a, 11b)를 순환하는 혼합냉매 중의 HFO-1234yf의 비율을 저감할 수 있다. 이에 의해, 혼합냉매가 고압화 하여, 응축 과정 및 증발 과정에서의 혼합냉매의 온도 구배가 저감하기 때문에, 냉동 사이클 장치(10)의 성능(COP)을 향상시킬 수 있다.
또한, 냉동기유(60)에 대한 각 냉매(혼합냉매를 구성하는 냉매)의 용해량을 HFO-1234yf>HFO-1123>R32로 조정함에 의해, 냉동 사이클 장치(10)의 운전 중, 냉매 회로(11a, 11b) 내를 순환하는 혼합냉매에서의 HFO-1234yf의 비율은 냉매 회로(11a, 11b)에 혼합냉매가 봉입된 시점보다도 커지는 일이 없다. 따라서 냉동 사이클 장치(10)의 성능은 저하되지 않는다.
한편, 과부하 운전시에 있어서의 냉동기유(60)의 온도가 100℃인 상태(도 5의 파선의 위치)에 주목하면, 당해 상태는 혼합냉매의 노점 온도가 60℃, 압축기(12) 내에 저류되어 있는 냉동기유(60)의 온도가 100℃(환언한다면 압축기(12)의 토출 과열도가 40℃)로 냉동 사이클 장치(10)를 운전하고 있는 상태를 도시하고 있다. 이 운전 상태에서, HFO-1234yf의 용해량은 26중량부(D점)로 되어 있다. HFO-1123의 용해량은 22중량부(E점)로 되어 있다. 또한, R32의 용해량은 HFO-1234yf의 용해량보다도 19중량부 적은 7중량부로 되어 있다.
냉매는 냉매 온도가 높을수록, 냉동기유(60)에 녹아들어가기 어려워진다. 즉, 통상운전시보다도 냉매 온도가 높아지는 과부하 운전시는 통상운전시보다도 냉동기유(60)에 놀아들어가는 냉매량이 감소한다. 이 때문에, 과부하 운전시에 있어서 냉매 회로(11a, 11b) 내를 순환하는 혼합냉매는 통상운전시에 비하여, HFO-1234yf의 비율이 증가한다. HFO-1234yf는 저동작압이기 때문에, 냉동기유(60)에 대한 각 냉매(혼합냉매를 구성하는 냉매)의 용해량을 HFO-1234yf>HFO-1123>R32로 조정함에 의해, 과부하 운전시에 고압측의 냉매 압력을 저감시키는 효과를 얻을 수도 있다.
도 6은 도 4 및 도 5의 비율로 냉동기유(60)에 혼합냉매를 구성하는 각 냉매가 용해한 경우에 있어서의, HFO-1234yf의 조성비를 도시하는 도면이다. 도 6의 횡축은 냉매 회로(11a, 11b)에 봉입되기 전의 혼합냉매와 냉동기유(60)와의 중량비(혼합냉매의 중량/냉동기유(60)의 중량)를 나타내고 있다. 또한, 도 6의 종축은 냉매 회로(11a, 11b) 내를 순환하는 혼합냉매 내에 차지하는 HFO-1234yf의 비율을 나타내고 있다. 또한, 곡선(Y)이 통상운전시에 있어서의 HFO-1234yf의 조성비를 나타내고 있고, 곡선(Z)이 과부하 운전시에 있어서의 HFO-1234yf의 조성비를 나타내고 있다.
혼합냉매가 상기 냉동기유(60)에 대해 1배(倍) 미만의 중량비가 되도록, 냉매 회로(11a, 11b)에 혼합냉매 및 냉동기유(60)를 봉입한 경우, 냉동기유(60)에 대한 혼합냉매의 비율이 너무 작기 때문에, 혼합냉매의 조성의 변화량이 너무 커지고, 혼합냉매의 조성이 불안정하게 되기 때문에, 냉동 사이클 장치(10)의 제어가 곤란해진다. 한편, 혼합냉매가 상기 냉동기유(60)에 대해 4배보다 커지는 중량비가 되도록, 냉매 회로(11a, 11b)에 혼합냉매 및 냉동기유(60)를 봉입한 경우, 냉동기유(60)에 대한 혼합냉매의 비율이 너무 크기 때문에, HFO-1234yf의 변화량이 0.5wt% 미만으로 작아진다. 이 때문에, 상술한 COP의 개선 효과 및 고압 저감 효과가 작아진다. 본 실시의 형태에서는 혼합냉매가 상기 냉동기유(60)에 대해 1배 이상 4배 이하의 중량비가 되도록, 냉매 회로(11a, 11b)에 혼합냉매 및 냉동기유(60)를 봉입하고 있기 때문에, 냉동 사이클 장치(10)를 안정하게 제어할 수 있고, COP의 개선 효과 및 고압 저감 효과를 충분히 얻을 수 있다.
또한, 냉매 회로에 봉입되기 전의 상태에서 혼합냉매의 조성(HFO-1123 : R32 : HFO-1234yf=40 : 40 : 20)은 어디까지나 한 예이다. 그렇지만, HFO-1234yf의 비율이 너무 증가하면, 압력 손실 증대에 의해 냉동 사이클 장치(10)의 성능의 저하가 우려된다. 이 때문에, HFO-1234yf의 비율은 50wt% 이하가 바람직하다.
또한, 도 4 및 도 5에서 도시한 각 냉매의 용해량도 어디까지나 한 예이다. 노점 온도가 40℃, 압축기(12) 내에 저류되어 있는 냉동기유(60)의 온도가 60℃로 되는 운전 조건에서, HFO-1234yf의 용해량이 30중량부 이상이 되고, R32의 용해량이 HFO-1234yf의 용해량보다도 10중량부 이상 적은 용해량이 되도록 냉동기유(60)를 조정함에 의해, 상기한 효과를 충분히 얻을 수 있다.
이상, 본 발명의 실시의 형태에 관해 설명하였지만, 이 실시의 형태를 부분적으로 실시해도 상관 없다. 예를 들면, 각 도면에서 부호를 붙인 요소 중, 어느 하나 또는 몇 개를 생략하거나, 다른 요소로 대치하거나 하여도 좋다. 또한, 본 발명은 이 실시의 형태로 한정되는 것이 아니고, 필요에 응하여 여러가지의 변경이 가능하다.
10 : 냉동 사이클 장치 11a, 11b : 냉매 회로
12 : 압축기 13 : 4방밸브
14 : 실외 열교환기 15 : 팽창밸브
16 : 실내 열교환기 17 : 제어 장치
20 : 밀폐 용기 21 : 흡입관
22 : 토출관 23 : 흡입 머플러
24 : 전원 단자 30 : 압축 요소
31 : 실린더 32 : 롤링 피스톤
33 : 주축받이 34 : 부축받이
35 : 토출 머플러 40 : 전동 요소
41 : 고정자 42 : 회전자
43 : 고정자 철심 44 : 고정자 권선
45 : 리드선 46 : 회전자 철심
48 : 절연부재 50 : 축
51 : 편심축부 52 : 주축부
53 : 부축부 60 : 냉동기유

Claims (5)

  1. 고압 셸형 압축기, 응축기, 팽창기구 및 증발기가 접속된 냉매 회로와,
    1,1,2-트리플루오로에틸렌, 디플루오로메탄 및 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜이 혼합되고, 상기 냉매 회로를 순환하는 혼합냉매로서, 상기 냉매 회로에 봉입되기 전의 상태에서, 상기 1,1,2-트리플루오로에틸렌이 50wt% 미만이고, 상기 디플루오로메탄의 혼합 비율이 상기 1,1,2-트리플루오로에틸렌에 대해 0.7배 이상 2배 이하의 중량비로 되는 혼합냉매와,
    상기 1,1,2-트리플루오로에틸렌의 용해성, 상기 디플루오로메탄의 용해성 및 상기 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 용해성 중, 상기 디플루오로메탄의 용해성이 가장 작은, 상기 냉매 회로 내에 봉입된 냉동기유를 구비한 것을 특징으로 하는 냉동 사이클 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉동기유에 대한 상기 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 용해성의 쪽이, 상기 냉동기유에 대한 상기 1,1,2-트리플루오로에틸렌의 용해성보다도 큰 것을 특징으로 하는 냉동 사이클 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 냉매 회로에 봉입되는 상기 혼합냉매는 상기 냉동기유에 대해 1배 이상 4배 이하의 중량비인 것을 특징으로 하는 냉동 사이클 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    노점 온도가 40℃, 상기 고압 셸형 압축기 내에 저류되어 있는 상기 냉동기유의 온도가 60℃로 되는 운전 조건에서,
    상기 냉동기유 100중량부에 대한 상기 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 용해량이 30중량부 이상이고,
    상기 냉동기유 100중량부에 대한 상기 디플루오로메탄의 용해량이, 상기 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 용해량보다도 10중량부 이상 적은 것을 특징으로 하는 냉동 사이클 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 냉동기유는 폴리올에스테르, 폴리비닐에테르 및 폴리알킬렌글리콜 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 냉동 사이클 장치.
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