(57)【要約】【課題】冷凍システムの破損やコストの増大を防止しつつも、冷媒に混入した水を除去することが目的とされる。【解決手段】冷凍システム１００は、冷媒回路１０と分離部２１とを備える。冷凍回路１０は、冷凍サイクルによって冷媒の状態を変化させつつ、冷媒に含まれた水を凍らせることができる。具体的に冷凍回路１０は、圧縮機１と、放熱器として機能する熱交換器６１（６２）と、減圧機構３と、蒸発器として機能する放熱器６２（６１）と、この順に冷媒を流す配管５とを有する。そして、冷媒回路１０を制御することで、冷媒の温度を水の凝固点以下にする。分離部２１は、冷媒回路１０で凍った水を冷媒から分離する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍サイクルによって冷媒の状態を変化させつつ、前記冷媒に含まれた水を凍らせることが可能な冷媒回路（１０）と、
前記冷媒回路（１０）で凍った水を前記冷媒から分離する分離部（２１）と、
を備えた、
冷凍システム。
【請求項２】
前記冷媒回路（１０）は、圧縮機（１）と、放熱器として機能する第１の熱交換器（６１，６２）と、減圧機構（３）と、蒸発器として機能する第２の熱交換器（６２，６１）と、この順に前記冷媒を流す配管（５）とを有する、
請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項３】
前記分離部（２１）は、前記配管（５）に着脱可能に配設される、
請求項２に記載の冷凍システム。
【請求項４】
前記配管（５）の一部分（５１）を、前記分離部（２１）を介してバイパスする管（５２）と、
前記配管（５）の前記一部分（５１）及び前記管（５２）のいずれか一方に選択的に前記冷媒を流すことができる選択機構（２２）と、
を更に備えた、
請求項２に記載の冷凍システム。
【請求項５】
前記分離部（２１）は、前記配管（５）のうち、前記第１の熱交換器（６１）と前記圧縮機（１）とを、前記減圧機構（３）及び前記第２の熱交換器（６２）を介して接続する部分に配設される、
請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の冷凍システム。
【請求項６】
前記分離部（２１）は再利用が可能である、
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の冷凍システム。
【請求項７】
前記冷媒は二酸化炭素を主成分として含む、
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の冷凍システム。
【請求項８】
冷媒に含まれた水を除去する装置であって、
前記水から氷を生成する生成部と、
前記氷を前記冷媒から分離する分離部（２１）と、
を備えた、
水分除去装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍システム及び水分除去装置に関し、特に、二酸化炭素を冷媒に用いたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
冷凍システムにおいて二酸化炭素（ＣＯ２）を冷媒として用いる場合、二酸化炭素に水が混入することが多い。二酸化炭素中に水が含まれていると、冷凍サイクルにおいて、水と二酸化炭素とが反応して炭酸が生じる。そして、配管の材質として用いられている銅と、炭酸とが反応して、配管の内壁から冷媒へと銅イオンが溶出する。
【０００３】
溶出した銅イオンは冷媒とともに循環し、金属の表面のうち活性化している部分を銅メッキする（銅メッキ現象）。圧縮機を備えた冷凍システムにおいては、圧縮機の圧縮機構の金属表面で銅メッキ現象が起こりやすい。
【０００４】
圧縮機構の金属表面が銅メッキされると、圧縮機構を構成する可動スクロールと固定スクロールとの間に設けられた隙間が埋まって、滑らかな摺動が妨げられる。また、摺動時に発生する銅の破片によって、圧縮機が破損するおそれがある。
【０００５】
そこで、従来から二酸化炭素に含まれている水を除去する技術が提案されている。例えば、モレキュラシーブスなどの乾燥剤を配管内に設ける技術（特許文献１参照）や、冷凍システム内の水を、乾燥や真空引きなどによって除去する技術（特許文献２参照）などが提案されている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載のモレキュラシーブスでは、二酸化炭素に混入した水を捕捉しにくい。また、顆粒状のモレキュラシーブスを用いた場合、モレキュラシーブス同士が擦れ合い、微細な粉が発生する。微細な粉が圧縮機の圧縮機構内に入り込むと、圧縮機構が破損してしまうおそれがある。
【０００７】
また、特許文献２に記載の冷凍システムでは、製造過程において、乾燥や真空引きなどの工程が必要であるため、コストが増大する。また、大容量の冷凍システムにおいては、乾燥や真空引きに要する時間が長くなり、コストがより増大する。
【特許文献１】特開２００１−１５３５０１号公報
【特許文献２】特開平９−２５６９５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、冷凍システムを破損させることなく冷媒に混入した水分を除去することができ、且つコストの増大を抑制した冷凍システム、及び水分除去装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１発明に係る冷凍システムは、冷媒回路と分離部とを備えている。冷媒回路は、冷凍サイクルによって冷媒の状態を変化させつつ、冷媒に含まれた水を凍らせることが可能である。分離部は、冷媒回路で凍った水を冷媒から分離する。
【００１０】
第２発明に係る冷凍システムは、第１発明に係る冷凍システムであって、冷媒回路が、圧縮機と、放熱器として機能する第１の熱交換器と、減圧機構と、蒸発器として機能する第２の熱交換器と、この順に冷媒を流す配管とを有する。
【００１１】
第３発明に係る冷凍システムは、第２発明に係る冷凍システムであって、分離部は、配管に着脱可能に配設されている。
【００１２】
第４発明に係る冷凍システムは、第２発明に係る冷凍システムであって、管と選択機構とを更に備えている。管は、配管の一部分を、分離部を介してバイパスする。選択機構は、配管の一部分及び管のいずれか一方に選択的に冷媒を流すことができる。
【００１３】
第５発明に係る冷凍システムは、第２発明乃至第４発明のいずれか一つに係る冷凍システムであって、分離部は、配管のうち、第１の熱交換器と圧縮機とを、減圧機構及び第２の熱交換器を介して接続する部分に配設されている。
【００１４】
第６発明に係る冷凍システムは、第１発明乃至第５発明のいずれか一つに係る冷凍システムであって、分離部は再利用が可能である。
【００１５】
第７発明に係る冷凍システムは、第１発明乃至第６発明のいずれか一つにかかる冷凍システムであって、冷媒は二酸化炭素を主成分として含んでいる。
【００１６】
第８発明に係る水分除去装置は、冷媒に含まれた水を除去する装置であって、生成部と分離部とを備えている。生成部は、水から氷を生成する。分離部は、氷を冷媒から分離する。
【発明の効果】
【００１７】
第１発明に係る冷凍システムによれば、冷媒中の水分を除去することができる。しかも、乾燥剤などを用いる必要がないので、水分の除去に伴う冷凍サイクルへの影響がない。また、水の氷結及び分離という簡易な手段で、冷媒中の水分を除去することができるので、コストの増大を防止することができる。さらには、水の氷結に、通常の冷凍サイクルを行うことが可能な冷媒回路を用いることができるので、別途に氷を生成する装置を設ける必要が無く、冷凍システムを簡略化することができる。
【００１８】
第２発明に係る冷凍システムによれば、冷媒回路において、冷凍サイクルによって冷媒の状態を変化させつつ、冷媒に含まれた水を凍らせることができる。
【００１９】
第３発明に係る冷凍システムによれば、分離部が着脱可能であるので、水分を除去した後に分離部を取り外すことで、分離部で分離した氷が再び冷媒に戻ることを防止することができる。
【００２０】
第４発明に係る冷凍システムによれば、選択機構によって管の方へと冷媒を流すことで、冷媒を分離部へと導くことができる。しかも、分離部で氷が分離された後、選択機構によって配管の一部分の方へ冷媒を流すことで、水分が除去された冷媒を用いて冷凍サイクルを実行することができる。
【００２１】
第５発明に係る冷凍システムによれば、配管のかかる部分では、冷媒に含まれた水を凍らせやすい。
【００２２】
第６発明に係る冷凍システムによれば、分離部を再利用することで、冷媒中の水分の除去にかかるコストが削減できる。
【００２３】
第７発明に係る冷凍システムによれば、冷媒に二酸化炭素を主成分として含むものを採用することで、冷媒中の水分が除去しやすくなる。
【００２４】
第８発明に係る水分除去装置によれば、冷媒中の水分を除去することができる。しかも、乾燥剤などを用いる必要がないので、水分除去に伴う冷凍サイクルへの影響がない。また、氷の生成及び分離という簡易な手段で、冷媒中の水分を除去することができるので、コストの増大を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は、本発明の一実施形態に係る冷凍システムの概念図である。図１において、冷凍システム１００は、冷媒回路１０と、分離部２１とを備えている。
【００２６】
＜冷媒回路１０＞
（冷媒回路１０の構成）
冷媒回路１０は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって冷媒の状態を変化させつつ、冷媒に含まれた水を凍らせることができる。具体的に冷媒回路１０は、圧縮機１、熱交換器６１，６２、四方切替弁８、減圧機構３、及び配管５を有する。なお、冷媒には、二酸化炭素を主成分として含むものが採用される。
【００２７】
圧縮機１は、吸入口１１と吐出口１２とを有し、吸入口１１から吸入された冷媒を圧縮して、吐出口１２から排出する。
【００２８】
熱交換器６１，６２はいずれも、外部の空気と冷媒との間で熱の交換を行う。具体的には、熱交換器６１，６２の一方は、冷媒から外部の空気へと熱を伝達する放熱器として機能し、他方は、外部の空気から冷媒へと熱を伝達する蒸発器として機能する。
【００２９】
四方切替弁８は、端子８１〜８４を有し、端子８１と端子８４とを連通させ、かつ端子８２と端子８３とを連通させる態様（態様ａ）と、端子８１と端子８２とを連通させ、かつ端子８３と端子８４とを連通させる態様（態様ｂ）とを、交互に切り替えることができる。
【００３０】
端子８１〜８４は、配管５によって次のように接続される。端子８１は、圧縮機１の吸入口１１に接続される。端子８２は、熱交換器６１の一端６１１に接続される。端子８３は、圧縮機１の吐出口１２に接続される。端子８４は、熱交換器６２の一端６２１に接続される。
【００３１】
減圧機構３は、熱交換器６１の他端６１２と、熱交換器６２の他端６２２との間に接続される。他端６１２，６２２への減圧機構３の接続にも、配管５が用いられる。
【００３２】
上述した冷媒回路１０によれば、四方切替弁８を態様ａに切り替えることで、冷媒は矢印１１１の方向へと流れる。すなわち、圧縮機１、熱交換器６１、減圧機構３、及び熱交換器６２の順に冷媒が流れる。よって、熱交換器６１を放熱器として機能させ、熱交換器６２を蒸発器として機能させることができる。熱交換器６１が室外機、熱交換器６２が室内機に配設されている場合には、冷媒回路１０は冷房機として機能する。
【００３３】
他方、四方切替弁８を態様ｂに切り替えることで、冷媒は矢印１１２の方向へと流れる。すなわち、圧縮機１、熱交換器６２、減圧機構３、及び熱交換器６１の順に冷媒が流れる。よって、熱交換器６１を蒸発器として機能させ、熱交換器６２を放熱器として機能させることができる。熱交換器６１が室外機、熱交換器６２が室内機に配設されている場合には、冷媒回路１０は暖房機として機能する。
【００３４】
（冷凍サイクル）
図２は、二酸化炭素を主成分として含む冷媒の状態を示す圧力−エンタルピ線図である。図２では、臨界点ＣＰ、飽和蒸気線１０１、飽和液線１０２、境界線１０３，１０４が示されている。飽和蒸気線１０１は、気体と液体とが混合した状態（以下、「気液混合状態」という。）と、気体の状態との境界を示す。飽和液線１０２は、気液混合状態と液体の状態との境界を示す。境界線１０３は、臨界点ＣＰを通る等温線であって、臨界点ＣＰよりエンタルピが小さいところでは、液体の状態と超臨界状態との境界を示す。境界線１０４は、臨界点ＣＰからエンタルピの大きい方へと延びる等圧線であって、気体の状態と超臨界状態との境界を示す。以下では図２を用いて、循環する冷媒の状態を説明する。
【００３５】
圧縮機１は、気体の状態（状態Ａ）にある冷媒を、圧縮して超臨界状態（状態Ｂ）へと転移させる。
【００３６】
放熱器は、自身に流入した冷媒の熱を外部の空気へ伝達することで、圧力をほとんど変化させずに当該冷媒のエンタルピを低下させる。これにより放熱器は、超臨界状態（状態Ｂ）にある冷媒を液体の状態（状態Ｃ）へ転移させる。このとき、エンタルピの変化量とほぼ等しい熱量Ｑが、放熱器から空気へ与えられる。
【００３７】
超臨界状態にある冷媒は、その温度や圧力を潜熱なしに変化させることができる。このため、超臨界状態にある冷媒からは、熱を効率よく得ることができる。よって、冷媒の状態が超臨界状態（状態Ｂ）から液体の状態（状態Ｃ）へと転移する放熱器では、外部の空気が効率よく暖められる。
【００３８】
減圧機構３は、放熱器側から流れ込む冷媒の圧力を低下させることで、液体の状態（状態Ｃ）にある冷媒を気液混合状態（状態Ｄ）へと転移させる。このとき、減圧機構３の通過の前後での冷媒のエンタルピはほとんど変化しない。
【００３９】
蒸発器は、自身に流入した冷媒へ外部の空気から熱を伝達することで、圧力をほとんど変化させずに当該冷媒のエンタルピを上昇させる。これにより蒸発器は、気液混合状態（状態Ｄ）にある冷媒を気体の状態（状態Ａ）へと転移させる。このとき、外部の空気から得た熱のほとんどは、潜熱として冷媒の状態変化に用いられる。
【００４０】
（冷媒回路１０の制御）
上述した冷凍サイクルを実行することで、通常の運転（以下、「通常運転」という。）として冷房と暖房とを行うことができる。しかも、冷凍サイクル中のどこかの状態で冷媒の温度が水の凝固点以下になる場合には、その状態にある冷媒については、冷媒中の水分が氷結する。
【００４１】
通常運転での冷凍サイクルにおいて、冷媒の温度が水の凝固点以下となる状態がどこにも現れない場合には、例えば以下のように冷媒回路１０を制御することで、冷媒の温度を水の凝固点以下にすることができる（以下、「氷結運転」という）。
【００４２】
すなわち、減圧機構３を制御することで、状態Ｃから状態Ｄ（図２）へと転移するときの減圧幅を増大させて、冷媒の温度を水の凝固点以下にする。これにより、状態Ｄでの冷媒の温度は、水の凝固点以下になる。また、冷凍サイクル中の状態Ｄと状態Ａとの間の状態では、冷媒の温度がほぼ一定であるので、状態Ｄと状態Ａとの間の状態にある冷媒の温度も、水の凝固点以下になる。
【００４３】
上述した氷結運転によれば、減圧機構３と圧縮機１の吸入口１１との間を、蒸発器として機能する熱交換器６２（６１）を介して矢印１１１（１１２）の方向へと流れる冷媒について、その温度を水の凝固点以下にすることができる。
【００４４】
なお、状態Ｃと状態Ｄとの間の状態でも、冷媒の温度は水の凝固点以下になりやすい。すなわち、放熱器として機能する熱交換器６１（６２）と減圧機構３との間を矢印１１１の方向へと流れる冷媒についても、その温度は水の凝固点以下になりやすい。これは、状態Ｃと状態Ｄとが、図２に示される相図において、低温側に位置するからである。
【００４５】
（冷媒の飽和水分量の比較）
図３は、５つの冷媒について状態が液体であるときの温度と飽和水分量との関係を示すグラフであり、図４は、５つの冷媒について状態が気体であるときの温度と飽和水分量との関係を示すグラフである。
【００４６】
図３において、冷媒の状態が液体のとき、二酸化炭素（ＣＯ２）の飽和水分量は、Ｒ４１０Ａに対して１／２倍程度であり、その他の冷媒とほぼ同程度である。図４において、冷媒の状態が気体のとき、二酸化炭素（ＣＯ２）の飽和水分量は、他の冷媒に対して１／３〜１／５倍程度である。
【００４７】
図３及び図４から、二酸化炭素（ＣＯ２）中の水分は、他の冷媒中の水分に比べて飽和しやすいことがわかる。そして、このことから、二酸化炭素を主成分として含む冷媒では、氷結運転時において氷が析出しやすいことがわかる。
【００４８】
＜分離部２１＞
図５は、図１に示される分離部、及びその近傍の拡大図である。図５において、分離部２１は、冷媒回路１０で生成された氷を冷媒から分離することができる。
【００４９】
（分離部２１の構成）
具体的に分離部２１は、氷を捕捉するフィルタ２１１を有する。これにより、冷媒が分離部２１内を流れることで、冷媒中の氷がフィルタ２１１で捕捉され、氷が冷媒から分離される。よって、冷媒中の水分を除去することができる。
【００５０】
フィルタ２１１には、再利用が可能なものや、交換可能なものが採用される。フィルタ２１１に再利用な可能なものが採用された場合には、冷媒中の水分の除去にかかるコストが削減できる。
【００５１】
（分離部２１の配設位置）
氷を捕捉するという分離部２１の機能に鑑みれば、分離部２１の配設は、温度が水の凝固点以下になっている冷媒が流れている位置であることが好ましい。すなわち、配管５のうち、放熱器として機能する熱交換器６１（６２）と、圧縮機１の吸入口１１とを、減圧機構３及び熱交換器６２（６１）を介して接続する部分に、分離部２１を配設することが好ましい。
【００５２】
より好ましくは、配管５のうち、減圧機構３と圧縮機１の吸入口１１とを、蒸発器として機能する熱交換器６２（６１）を介して接続する部分に、分離部２１を接続する。
【００５３】
なお図１では、四方切替弁８が態様ａの状態にある場合に、蒸発器として機能する熱交換器６２と、圧縮機１の吸入口１１とを接続する配管５に、分離部２１を配設した冷凍システムが示されている。
【００５４】
図６は、冷凍システムの他の概念図であり、四方切替弁８が態様ｂの状態にある場合に放熱器として機能する熱交換器６２と、減圧機構３とを接続する配管５に、分離部２１を配設した場合が示されている。
【００５５】
（分離部２１の配設の態様）
図１及び図５を用いて、分離部２１の配設の態様について説明する。冷凍システム１００は、管５２と、選択機構２２とを更に備えている。管５２は、配管５の一部分５１を、分離部２１を介してバイパスしている。
【００５６】
選択機構２２は、配管５の一部分５１及び管５２のいずれか一方に、選択的に冷媒を流すことができる。具体的に選択機構２２は、開閉弁２２１，２２２を有する（図５）。開閉弁２２１は、配管５と管５２との接続点５１１，５１２のうち、矢印１１１の方向において上流側にある接続点５１１近傍の位置で、配管５の一部分５１に配設されている。開閉弁２２２は、接続点５１１近傍の位置で管５２に配設されている。なお、開閉弁２２１，２２２には、例えばソレノイドバルブなどが採用される。
【００５７】
そして、開閉弁２２１を閉じて、開閉弁２２２を開くことで、冷媒を管５２の方へと流すことができる。他方、開閉弁２２１を開いて、開閉弁２２２を閉じることで、冷媒を配管５の一部分５１の方へと流すことができる。
【００５８】
上述した分離部２１の配設の態様によれば、選択機構２２によって管５２の方へと冷媒を流すことで、冷媒を分離部２１へと導くことができる。しかも、分離部２１で氷が分離された後、選択機構２２によって配管５の一部分５１の方へ冷媒を流すことで、水分が除去された冷媒を用いて冷凍サイクルを実行することができる。
【００５９】
図５では、接続点５１２の近傍の位置で管５２に配設された開閉弁２３も示されている。冷媒を配管５の一部分５１の方へと流す場合には、開閉弁２３を閉じることが好ましい。これは、分離部２１で分離した氷が、配管５を流れる冷媒に再び戻ることを防止するためである。
【００６０】
上述した冷凍システム１００によれば、冷媒中の水分を除去することができる。しかも、乾燥剤などを用いる必要がないので、水分の除去に伴う冷凍サイクルへの影響がない。また、水の氷結及び分離という簡易な手段で、冷媒中の水分を除去することができるので、コストの増大を防止することができる。
【００６１】
さらには、通常運転を行うことが可能な冷媒回路１０を用いて、冷媒中の水分を凍らせることができるので、別途に氷を生成する装置を設ける必要が無く、以って冷凍システム１００を簡略化することができる。
【００６２】
＜変形例１＞
分離部２１は、配管５に着脱可能に配設しても良い。かかる態様によれば、冷媒中の水分を除去した後に分離部２１を取り外すことで、分離部２１で分離した氷が再び冷媒に戻ることを防止することができる。
【００６３】
分離部２１は、配管５の一部分５１に直接かつ着脱可能に配設しても良い。かかる態様でも、冷媒中の水分を除去した後に分離部２１を取り外すことで、分離部２１で分離した氷が再び冷媒に戻ることを防止することができる。ただし、分離部２１を取り外した後に、分離部２１があった場所を配管で繋ぐ必要がある。
【００６４】
＜変形例２＞
上述した冷凍システム１００では、冷媒回路１０を用いて冷媒中の水分を凍らせたが、冷媒回路１０とは別途に、水から氷を生成する生成部を配設しても良い。すなわち、冷凍システム１００を、冷媒回路１０と、生成部及び分離部２１を備える水分除去装置とで構成しても良い。
【００６５】
かかる態様においても、上述した冷凍システム１００と同様に、冷媒中の水分を除去することができる。
【００６６】
＜変形例３＞
二酸化炭素を主成分として含む冷媒を用いた冷凍システム１００について上述したが、二酸化炭素以外のものを冷媒として用いる冷凍システムにも、上述した技術を適用することができる。この場合にも、冷媒中の水分を除去することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
以上のように、本発明によれば、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを利用した空気調和装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の一実施形態に係る冷凍システムの概念図。
【図２】冷媒である二酸化炭素の状態を示す圧力−エンタルピ線図。
【図３】５つの冷媒について状態が液体であるときの温度と飽和水分量との関係を示すグラフ。
【図４】５つの冷媒について状態が気体であるときの温度と飽和水分量との関係を示すグラフ。
【図５】図１に示される分離部及びその近傍の拡大図。
【図６】冷凍システムの他の概念図。
【符号の説明】
【００６９】
１  圧縮機
３  減圧機構
５  配管
１０  冷媒回路
２１  分離部
２２  選択機構
５１  配管の一部分
５２  管
６１，６２  熱交換器
【図１】
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【図２】
2010038380.tif 000004
【図３】
2010038380.tif 000005
【図４】
2010038380.tif 000006
【図５】
2010038380.tif 000007
【図６】
2010038380.tif 000008