(57)【要約】【課題】複数の冷媒を混合して、その混合冷媒の音速を、ターボ冷凍機における従来の羽根車の音速に合わせて調整し、従来の羽根車においても使用可能とする混合冷媒を得る。【解決手段】GWPが７００以下であって、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、密度１０kg/m3以上１５kg/m3以下である第２の冷媒と、を含み、混合後の圧縮機吸込みガス密度が１０kg/m3以上２５kg/m3以下である、ターボ冷凍機用混合冷媒を提供する。これにより、ターボ冷凍機１の遠心圧縮機３で、使用実績のあるR410Aを冷媒として用いた場合と同程度の音速を確保することができる。さらに、現在汎用されている、密度が大きいがGWPも大きい冷媒を単独で用いた場合よりも、GWPが小さい混合冷媒を得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
GWP（Global  Warming  Potential：地球温暖化係数）が７００以下であって、圧縮機吸込みガス密度が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、圧縮機吸込みガス密度１０kg/m3以上１５kg/m3以下である第２の冷媒と、
を含み、
混合後の圧縮機吸込みガス密度が１０kg/m3以上２５kg/m3以下であるターボ冷凍機用混合冷媒。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
前記混合冷媒の音速が１４０〜１８０m/sである請求項１に記載のターボ冷凍機用混合冷媒。
【請求項５】
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。
【請求項６】
請求項１に記載の混合冷媒を用いたターボ冷凍機。
【請求項７】
適用するターボ冷凍機の遠心圧縮機で用いられる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、圧縮機吸込みガス密度が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、圧縮機吸込みガス密度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。
【請求項８】
適用するターボ冷凍機の遠心圧縮機で用いられる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、圧縮機吸込みガス密度が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、圧縮機吸込みガス密度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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ冷凍機に用いる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に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ冷凍機の遠心式羽根車の風量と揚程は、羽根車に吸い込まれる冷媒の音速や、羽根車の周速などで決まる。ターボ冷凍機に用いられる冷媒としては、これまでに種々のものが知られているが（特許文献１、２を参照）、冷媒の音速は冷媒種類によって異なり、高圧冷媒ほどその音速は大きい。特許文献３の式（３）および（４）に示されるように、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。従来は、冷媒の音速や密度に合わせて、羽根車径や高さなど、羽根車の形状の設計変更が必要とされている。
【０００３】
また、近年、ターボ冷凍機に用いられている冷媒に対しても、地球温暖化への対応が求められている。その対応策として、地球温度上昇への影響度の目安であるGWP（Global  Warming  Potential：地球温暖化係数）が小さい冷媒を代替冷媒として用いることが必要とされ、検討が進められている。ターボ冷凍機の冷媒として用いられているものの一つに、R410Aが挙げられる。R32（difluoromethane）とR125（pentafluoroethane）の混合冷媒であるR410A（R32とR125の混合比が１：１）は、そのGWPが2100と大きい。同様に、ターボ冷凍機の冷媒として用いられているR134a（1,1,1,2-tetrafluoroethane）も、そのGWPは1300と大きい。このため、R410AやR134aの代替冷媒の開発が強く求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／０１６２４１０号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／０２７８０７６号明細書
【特許文献３】特許第４７２７１４２号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】福田  翔、外３名、“R1234ze(E)/R32混合溶媒のヒートポンプサイクル性能評価”、２０１１年９月、２０１１年度日本冷凍空調学会年次大会講演論文集、ｐ．２２５−２２８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したR410Aの代替冷媒の候補の一つとして、R1234ze（1,3,3,3-tetrafluoropropene）が挙げられる（GWPが6）。しかしながら、R1234zeは、R410Aよりも音速や密度が小さいため、ターボ冷凍機の冷媒として用いてもR410Aと同等の機能を確保することができない。したがって、R1234zeを冷媒として用いる場合に、R410Aを冷媒として用いた場合と同程度の風量や揚程を確保するためには、羽根車の直径や回転数の増加が必要となるが、この場合には、羽根車の強度確保や機械損失増加が問題となる。
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。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、例えばR410AやR134aといった使用実績のある冷媒に対応させて設計した羽根車の形状等に関する設計を、可及的に変更することなく使用できる混合冷媒を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の第１の態様は、GWPが７００以下であって、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、密度１０kg/m3以上１５kg/m3以下である第２の冷媒と、を含み、混合後の圧縮機吸込みガス密度が１０kg/m3以上２５kg/m3以下であるターボ冷凍機用混合冷媒を提供する。
【０００９】
前記第１の態様によれば、上記範囲の圧縮機吸込みガス密度を有する第１の冷媒および第２の冷媒を混合することで、GWPは小さいが圧縮機吸込みガス密度も小さい第２の冷媒を単独で用いた場合よりも、圧縮機吸込みガス密度が高い混合冷媒を得ることができる。また、得られる混合冷媒の圧縮機吸込みガス密度が１０kg/m3以上２５kg/m3以下であるため、密度と音速との関係により、音速が１４０〜１８０m/s程度となるので、使用実績のある冷媒と同等の音速を得ることができる。さらに、現在汎用されている、密度は大きいがGWPも大きい冷媒を単独で用いた場合よりも、GWPが小さい混合冷媒を得ることができる。
【００１０】
前記第１の態様において、前記ターボ冷凍機用混合冷媒は、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％であってもよい。
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、得られる混合冷媒の音速を、従来のターボ冷凍機の設計変更を必要とすることなく、適用するターボ冷凍機の羽根車の音速に合わせることができる。
【００１１】
前記第１の態様において、前記ターボ冷凍機用混合冷媒は、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であってもよい。
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、従来のターボ冷凍機の設計変更を必要とすることなく、適用するターボ冷凍機の羽根車の音速に確実に合わせることができる。
【００１２】
前記第１の態様において、前記混合冷媒の音速が１４０〜１８０m/sであってもよい。
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、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。
【００１３】
また、前記第１の態様において、前記音速がR410AまたはR134aの音速と同等とされていてもよい。
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。
【００１４】
本発明の第２の態様は、前記第１の態様により得られる混合冷媒を用いたターボ冷凍機を提供する。
前記第２の態様によれば、前記第１の態様により得られ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。
【００１５】
また、本発明の第３の態様は、適用するターボ冷凍機の遠心圧縮機で用いられる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、圧縮機吸込みガス密度が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、圧縮機吸込みガス密度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を提供する。
【００１６】
前記第３の態様によれば、目的とするターボ冷凍機の羽根車の音速を有する混合冷媒を得ることができる。これにより、GWPは小さいが密度が小さい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。したがって、ターボ冷凍機の遠心圧縮機において、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。
【００１７】
さらに、本発明の第４の態様は、適用するターボ冷凍機の遠心圧縮機で用いられる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、圧縮機吸込みガス密度が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、圧縮機吸込みガス密度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を提供する。
【００１８】
前記第４の態様によれば、目的とするターボ冷凍機の羽根車の音速を決定し、その音速に合わせた混合冷媒を得ることができる。したがって、ターボ冷凍機の遠心圧縮機において、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。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、使用するターボ冷凍機の性能に合わせた音速を設定し、その音速の設定値に基づいて、目的とする音速や、ターボ冷凍機の性能上必要とされる密度を有する混合冷媒を得ることができる。したがって、本発明によって得られた混合冷媒を用いることで、ターボ冷凍機の寸法などの設計変更を必要とせずに、従来用いられている羽根車を既存のターボ冷凍機に適用することができる。
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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る混合冷媒を用いる圧縮機を備えたターボ冷凍機を示した概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明に係るターボ冷凍機用混合冷媒の一実施形態について、図１を用いて説明する。
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。
【００２２】
圧縮機３は、電動機１１によって回転駆動される遠心羽根車を備えている。遠心羽根車は、例えば２段圧縮式とされる。ただし、１段圧縮式であっても、３段以上の圧縮式であってもよい。
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。
【００２３】
電源１９からの入力周波数がインバータ１７によって変更されるようになっており、これにより、電動機１１の回転数が制御される。インバータ１７から電動機１１に送られる指示周波数は、制御装置１５内に設けられた回転数制御部１５ａによって変更される。
【００２４】
凝縮器５には、凝縮器５内の冷媒圧力（凝縮圧力）Ｐｃを計測する圧力センサ２１が設けられている。この圧力センサ２１の出力は、制御装置１５に入力される。また、凝縮器５には、凝縮器５内の冷媒と熱交換して温水を得る温水取得手段２１ａが設けられている。この温水取得手段２１ａの温水出口には温水出口センサ２１ｂが、温水入口には温水入口温度センサ２１ｃが、それぞれ設けられている。温水出口センサ２１ｂの出力（温水出口温度）および温水入口温度センサ２１ｃの出力(温水入口温度)は、制御装置１５に入力される。
【００２５】
膨張弁７は、制御装置１５内に設けられた膨張弁開度制御部１５ｂによって、その開度が制御される。
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。
【００２６】
蒸発器９には、蒸発器９内の冷媒圧力（蒸発圧力）Ｐｅを計測する圧力センサ２７が設けられている。この圧力センサ２７の出力は、制御装置１５に入力される。
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
【００２７】
次に、上述したターボ冷凍機１に用いられる本実施形態に係る混合冷媒の特性について述べる。
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。
【表１】
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【００２８】
ターボ冷凍機の圧縮機には１段と２段があり、１段の吸込み冷媒ガスの温度と圧力から１段のガス音速を、２段の吸込み冷媒ガスの温度と圧力から２段のガス音速を、それぞれRefpropで計算し、これらを平均したものが１段２段平均音速である。
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。
【００２９】
ターボ冷凍機の冷媒として使用実績のあるR410Aの密度は29.5kg/m3であり、一方、GWPは2100と大きい。また、混合冷媒の密度は、冷媒の混合比、温度、そして圧力により１つに決まる。そこで、GWPが大きいが高密度を有する冷媒としては、GWPが７００以下であって、密度が１５kg/m3以上２５kg/m3以下である冷媒を、またGWPは小さいが密度も小さい冷媒としては、GWPが１以上１０以下であって、密度１０kg/m3以上１５kg/m3以下である冷媒を、それぞれ用いて混合することで、R410Aの持つ音速に近く、かつ、R410Aよりも小さいGWPを有する混合冷媒を得ることが可能となる。
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。
【００３０】
表１から、R1234zeを単独で用いた場合には、音速は146.3m/s、密度は11.4kg/m3である。R134aを単独で用いた場合と比較すると、音速はほぼ同じ値を示しているが、密度では、R1234zeを単独で用いた場合は約２０％低い値を示している。また、R410Aを単独で用いた場合と比較すると、音速では約１５％、密度では約６０％低い値を示している。
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。
【００３１】
次に、R32を加えていく冷媒として、上述したR1234zeに換えて、R1234yfを用いて得られた混合冷媒の特性について述べる。
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。
【表２】
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【００３２】
表２から、R1234yfを単独で用いた場合には、得られる音速は137.9m/sであり、R410Aを単独で用いた場合の音速と比較すると約２０％低下している。
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。
【００３３】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜必要に応じて変形・変更実施が可能である。
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。
【符号の説明】
【００３４】
１  ターボ冷凍機
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
【図１】
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