(57)【要約】【課題】冷媒の可燃性及び温室効果を低下させるとともに、効率の低下や圧縮機の大型化を抑制できる空気調和装置を提供すること。【解決手段】圧縮機、凝縮器、減圧器および蒸発器を接続し、冷媒が循環するように構成した空気調和装置において、Ｒ４１０Ａよりも温室効果が小さい第１の冷媒と、Ｒ４１０Ａよりも温室効果が小さく且つ第１の冷媒よりも沸点の低い第２の冷媒とを混合した混合冷媒を封入した空気調和装置である。第１の冷媒は、テトラフロオロプロピレンであることが好ましく、第２の冷媒は、ジフルオロメタンまたはフルオロメタンであることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、減圧器および蒸発器を接続し、冷媒が循環するように構成した空気調和装置において、Ｒ４１０Ａよりも温室効果が小さい第１の冷媒と、Ｒ４１０Ａよりも温室効果が小さく且つ第１の冷媒よりも沸点の低い第２の冷媒とを混合した混合冷媒を封入したことを特徴とする空気調和装置。
【請求項２】
前記第１の冷媒がテトラフロオロプロピレンであり且つ前記第２の冷媒がジフルオロメタンまたはフルオロメタンであることを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
【請求項３】
前記第２の冷媒がジフルオロメタンであって、前記第２の冷媒の質量割合が、前記混合冷媒全体に対して２０質量％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和装置。
【請求項４】
前記第２の冷媒がフルオロメタンであって、且つ前記第２の冷媒の質量割合が、前記混合冷媒全体に対して８０質量％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和装置。
【請求項５】
前記圧縮機の動作条件において、前記凝縮器の出口の前記混合冷媒液に１質量％以上溶解し、２ｍｍ2／ｓ以上の粘度を有する圧縮機用潤滑油を封入したことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の空気調和装置。
【請求項６】
前記凝縮器または前記蒸発器を流れる前記混合冷媒に対し、被伝熱流体が対向流となるように構成して熱交換させることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の空気調和装置。
【請求項７】
前記圧縮機が低圧型圧縮機であることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の空気調和装置。
【請求項８】
前記混合冷媒に、着臭剤または着色剤を添加したことを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒を循環させて空気などの被伝熱流体を冷却または加熱する空気調和装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ジフルオロメタンとペンタフルオロエタンとの混合冷媒（以下、Ｒ４１０Ａと略記することがある）を冷凍サイクルで用いる従来の空気調和装置では、圧縮機における吐出圧力が上昇したり、吐出温度が上昇するという問題を解決するために、上記混合冷媒全体に対して６５重量％以上のプロパンを混合することが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
また、従来の空気調和装置や冷凍装置では、温室効果を低減するために、テトラフルオロプロピレンが冷媒として利用されている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１５６３４号公報
【特許文献２】特表２００７−５１００３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、冷媒全体に占めるプロパンの割合を６５重量％以上とした上記従来の混合冷媒は、爆発下限界が２．１〜６体積％、発熱量が３０〜４６ＭＪ／ｋｇであり、国際規格であるＩＳＯ規格およびＩＥＣ規格に定められた強燃性ガスに相当する。そのため、この混合冷媒は、極めて取扱いに注意が必要な冷媒であり、運転中または設置工事中の冷媒漏洩による爆発が懸念される。なお、規格ＩＳＯ５１４９−１９９３では、爆発下限体積濃度３．５％未満を強燃性ガス、それ以外を弱燃性と定め、規格ＩＥＣ６１Ｄ／１２５／ＣＤＶでは、爆発下限質量濃度が０．１ｋｇ／ｍ3以下または燃焼熱量１９ＭＪ／ｋｇ以上を強燃性、それ以外を弱燃性と定めている。さらに、Ｒ４１０Ａは二酸化炭素の２０００倍以上の温室効果があるという問題がある。
【０００５】
また、テトラフルオロプロピレンは、Ｒ４１０Ａよりも温室効果が小さいが、Ｒ４１０Ａよりも沸点が高いため、この冷媒を空気調和装置に用いた場合には、冷凍サイクルの低圧側のガス密度が小さくなり、冷媒の流動にともなう圧力損失による効率低下や圧縮機の大型化などの問題がある。
【０００６】
従って、本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、冷媒の可燃性及び温室効果を低下させるとともに、効率の低下や圧縮機の大型化を抑制できる空気調和装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本発明者らは上記のような従来の問題点を解決すべく鋭意研究、開発を遂行した結果、このような問題点を解決するためには、Ｒ４１０Ａよりも温室効果が小さい第１の冷媒と、Ｒ４１０Ａよりも温室効果が小さく且つ第１の冷媒よりも沸点の低い第２の冷媒とを混合した混合冷媒を用いることが有効であることに想到し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明に係る空気調和装置は、圧縮機、凝縮器、減圧器および蒸発器を接続し、冷媒が循環するように構成した空気調和装置において、Ｒ４１０Ａよりも温室効果が小さい第１の冷媒と、Ｒ４１０Ａよりも温室効果が小さく且つ第１の冷媒よりも沸点の低い第２の冷媒とを混合した混合冷媒を封入したのである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、冷媒の可燃性及び温室効果を低下させるとともに、効率の低下や圧縮機の大型化を抑制できる空気調和装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の構成図である。図１において、実施の形態１に係る空気調和装置１は、主要構成機器である圧縮機２、凝縮器３、減圧器４および蒸発器５を備えている。これらの主要構成機器は、冷媒配管で順に接続されており、空気調和装置１に封入された混合冷媒が図１の黒矢印の方向に循環するように構成している。
凝縮器３および蒸発器５は、例えば、図２に示されるように、複数の伝熱フィン６と、その伝熱フィン６と直交する方向に貫通し、混合冷媒が分岐することなく流れる（図２の黒矢印）一繋がりの伝熱管７とにより構成されるフィン−チューブ型の熱交換器であることができる。この熱交換器では、図２に示されるように、空気などの被伝熱流体の流れ方向（図２の白抜き矢印）に対し伝熱管７が１列に配置されている（１列１パスの熱交換器）。この熱交換器では、伝熱管７を流れる混合冷媒が、伝熱管７の外部を流れる空気などの被伝熱流体と熱交換され、蒸発または凝縮する。
【００１０】
混合冷媒としては、Ｒ４１０Ａよりも温室効果が小さい第１の冷媒と、Ｒ４１０Ａよりも温室効果が小さく且つ第１の冷媒よりも沸点の低い第２の冷媒とを混合したもの、好ましくは、第１の冷媒としてのテトラフルオロプロピレンと、第２の冷媒としてのジフルオロメタンまたはフルオロメタンとを混合したものを用いることができる。第１の冷媒としてテトラフルオロプロピレンおよび第２の冷媒としてジフルオロメタンを用いる場合、ジフルオロメタンの質量割合は、混合冷媒全体に対して好ましくは２０質量％以上、５０質量％以下である。また、第１の冷媒としてテトラフルオロプロピレンおよび第２の冷媒としてフルオロメタンを用いる場合、フルオロメタンの質量割合が、混合冷媒全体に対して好ましくは５０質量％以上、８０質量％以下である。混合冷媒の混合割合が、上記数値範囲内であれば、爆発下限界濃度が高く、弱燃性ガスとして取り扱いが可能性であり、さらに温度差と吸入ガス比容積も小さく、効率を向上でき、圧縮機も小型化できる。
【００１１】
なお、本発明におけるテトラフルオロプロピレンには、各種異性体を含む全てのテトラフルオロプロピレンが含まれる。また、本発明において、強燃性とは、爆発下限体積濃度が３．５体積％未満であることを意味し、弱燃性とは、爆発下限体積濃度が３．５体積％以上であることを意味する。
【００１２】
また、空気調和装置１には、圧縮機２の動作条件において、凝縮器３の出口の混合冷媒液に０．１質量％以上、好ましくは１質量％以上、５質量％以下溶解し、温度４０℃において、２ｍｍ2／ｓ以上、好ましくは１０ｍｍ2／ｓ以上、更に好ましくは２０ｍｍ2／ｓ以上、１００ｍｍ2／ｓ以下の粘度を有する圧縮機用潤滑油を封入してもよい。このような特定の圧縮機用潤滑油を封入することで、圧縮機２から吐出される圧縮機用潤滑油は、一般的に流速が最も遅くなる凝縮器３の出口の冷媒配管においてその殆どが混合冷媒液に溶解し、凝縮器３、蒸発器５や冷媒配管に滞留することなく、圧縮機２に戻されるため、信頼性の高い空気調和装置の運転ができる。圧縮機用潤滑油の具体例としては、アルキルベンゼン、ポリオールエステル、ポリアルキレングリコール、ポリビニルエーテル、カーボネイト、鉱油およびこれらの混合物が挙げられる。
【００１３】
次に、実施の形態１に係る空気調和装置１の動作について、図１および３を用いて説明する。図３は、実施の形態１に係る空気調和装置１の動作を示す温度−エンタルピ線図である。混合冷媒は、低温低圧のガス状態（図１および３の［１］）で、圧縮機２に吸入され、高温高圧のガス状態（図１および３の［２］）まで昇圧され、圧縮機２の摺動部の潤滑のために封入されている圧縮機用潤滑油の一部（混合冷媒の質量流量の１質量％程度以下である）とともに吐出される。続いて、昇圧された混合冷媒は、凝縮器３で空気などの被伝熱流体を加熱して、ほぼ一定の圧力を保ちながら凝縮し高圧の混合冷媒液（図１および３の［３］）に変化し、圧縮機用潤滑油は混合冷媒ガスの凝縮によって生じる混合冷媒液に溶解し、混合冷媒とともに流れる。このとき、混合冷媒を構成する冷媒の非共沸性、つまり沸点の違いによって混合冷媒液の温度が低下する。例えば、３０質量％のジフルオロメタンと７０質量％のテトラフルオロプロピレンとの混合冷媒（以下、本発明の混合冷媒１という）では５℃程度、７０質量％のフルオロメタンと３０質量％のテトラフルオロプロピレンとの混合冷媒（以下、本発明の混合冷媒２という）では５℃程度、温度が低下する。温度低下した混合冷媒液は、減圧器４で低温低圧の気液二相状態の混合冷媒（図１および３の［４］）に変化し、蒸発器５で空気などの被伝熱流体を冷却して、ほぼ一定の圧力を保ちながら蒸発し低温低圧の混合冷媒ガス（図１および３の［１］）に変化し、混合冷媒の蒸発によって溶出した圧縮機用潤滑油とともに圧縮機２に戻る。蒸発器５においても凝縮器３と同様に、混合冷媒の非共沸性によって温度が上昇する。例えば、３０質量％のジフルオロメタンと７０質量％のテトラフルオロプロピレンとの混合冷媒では５℃程度、７０質量％のフルオロメタンと３０質量％のテトラフルオロプロピレンとの混合冷媒では８℃程度、温度が上昇する。
【００１４】
次に、空気調和装置の性能について説明する。一般的に、凝縮器３および蒸発器５における冷媒の温度変化は、非共沸性が大きいほど大きくなり、空気などの被伝熱流体と冷媒が直交するように流れるフィン−チューブ型の熱交換器では、熱交換能が低下し空気調和装置の効率が低下する。このような温度変化は、例えば、蒸発器５の場合には図３の［１］における温度と図３の［４］における温度との差分（△Ｔｅ）である。
【００１５】
例えば、下記式（１）で定義する移動単位数ＮＴＵが０．７、下記式（２）で定義する熱容量流量比Ｒが１．４の条件で、図２に示した１列１パスの熱交換器において、温度変化がない場合の熱交換量Ｑ’［ｋＷ］で規格化した熱交換量Ｑ［ｋＷ］と混合冷媒の温度変化△Ｔｅ［℃］との関係を図４に示す。なお、Ｋは熱交換量熱交換器の熱通過率［ｋＷ／（ｍ2・℃）］、Ａは伝熱面積［ｍ2］、Ｇaは空気流量［ｋｇ／ｓ］、Ｃｐaは空気比熱［ｋＪ／（ｋｇ・℃）］、Ｗは混合冷媒の熱容量流量［ｋＷ／℃］である。
【００１６】
【数１】
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【００１７】
【数２】
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【００１８】
図４において、Ａ点は、５０質量％のジフルオロメタンと５０質量％のペンタフルオロエタンとからなるＲ４１０Ａ（以下、従来の混合冷媒１という）、Ｂ点は、２３質量％のジフルオロメタンと２５質量％のペンタフルオロエタンと５２質量％のテトラフルオロエタンとからなるＲ４０７Ｃ（以下、従来の混合冷媒２という）、Ｃ点は、６５質量％のプロパンと３５質量％のＲ４１０Ａとからなる従来の混合冷媒３を示している。図４に示されるように、冷媒の非共沸性によって生じる温度変化△Ｔｅが大きいほど熱交換量Ｑが低下する。
【００１９】
上述した本実施の形態１で用いられる混合冷媒１および２（約５℃の温度差を生じる）は、従来の混合冷媒２と同等程度の熱交換量を得られ、従来の混合冷媒３よりも、熱交換量が１５％も向上する。
【００２０】
次に、上記温度差、冷媒の可燃性、温室効果および高圧側の動作圧力について説明する。本発明の混合冷媒１および２、従来の混合冷媒１〜３、テトラフルオロプロピレンについて、可燃性、温室効果および性能（温度差および吸入ガス比容積）に関する値を表１に示す。可燃性については、爆発下限界、国際規格であるＩＳＯ規格およびＩＥＣ規格に準じたガスの種別（弱燃性、強燃性）を示す。温室効果は、二酸化炭素の温室効果を基準にした場合の指標である地球温暖化係数で表す。性能については、非共沸性によって生じる熱交換器内の温度差と圧力損失による性能低下や圧縮機の大きさに影響を及ぼす吸入ガス比容積を示す。なお、冷媒の温度差は、冷媒の平均温度が１５℃のときに冷媒が蒸発する際に生じる温度差とし、吸入ガス比容積は暖房運転での値である。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
表１から分かるように、本実施の形態１に用いられる混合冷媒１および２は、従来の混合冷媒１および２と同様の弱燃性ガスであり、従来の混合冷媒１および２の１／１０〜１／２０程度の温室効果である。また、本実施の形態１に用いられる混合冷媒１および２は、性能に係る温度差および吸入ガス比容積についても従来の混合冷媒１および２と同程度である。
また、本実施の形態１に用いられる混合冷媒１および２は、従来の混合冷媒１および２より温室効果が小さいテトラフルオロプロピレンと比較して、吸入ガス比容積が４０％〜７０％であり、冷媒の流動に伴う圧力損失を低減でき効率が向上し、さらに圧縮機２を小型化することができる。また、本実施の形態１に用いられる混合冷媒１および２は、従来の混合冷媒３と比較して、爆発下限界濃度が高く、弱燃性ガスとして取り扱いが可能性であり、さらに温度差と吸入ガス比容積も小さく、効率を向上でき、圧縮機２を小型化することができる。
以上より、本実施の形態１に係る空気調和装置によれば、Ｒ４１０ＡやＲ４０７Ｃなどのフロン系冷媒と同等の安全性および性能を得ながら、温室効果を１／１０〜１／２０に低減できる効果が得られる。
【００２３】
実施の形態１によれば、弱燃性ガスとしての取扱いが可能で、爆発などの危険を最小限にでき、また温室効果がＲ４１０Ａより小さく、空気調和装置の安全性を向上できるとともに、冷媒漏洩などによる温室効果を抑制することができる。さらに、凝縮器３や蒸発器５における冷媒の温度変化を小さくでき、また低圧側のガス密度が大きく、空気調和装置の効率が向上するとともに、圧縮機２を小型化することができる。
【００２４】
なお、圧縮機２として、圧縮機内の圧力が低圧側圧力（蒸発圧力）とほぼ同じになる低圧型圧縮機を用いてもよい。このように構成した空気調和装置では、圧縮機内に存在する強燃性で、炭化水素からなる冷媒の量を低減することができる。
なお、混合冷媒に、着臭剤、着色剤などの漏洩検知剤を添加してもよい。漏洩検知剤を添加することで、混合冷媒が冷媒配管の外に漏洩した場合には、混合冷媒とともに着臭剤などの漏洩検知剤が漏洩し、混合冷媒の漏洩を確認することができる。そのため、漏洩箇所の修繕、設置工事の作業停止、もしくは室内の換気などの対策を漏洩の初期段階でとることができる。このような漏洩検知剤の具体例としては、メチルメルカプタン、テトラヒドロチオフェン、アンモニアなどを主成分とする着臭剤、蛍光剤、アゾ顔料などを主成分とする着色剤が挙げられる。
【００２５】
実施の形態２．
テトラフロオロプロピレンとジフルオロメタンとの混合割合を変えた混合冷媒の可燃性、温室効果および性能に関する値を表２に示す。表２から分かるように、特に、ジフルオロメタンの混合割合を２０質量％以上５０質量％以下とした混合冷媒が可燃性、温室効果および性能において優れている。
【００２６】
【表２】
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【００２７】
実施の形態３．
テトラフロオロプロピレンとフルオロメタンとの混合割合を変えた混合冷媒の可燃性、温室効果および性能に関する値を表３に示す。表３から分かるように、特に、ジフルオロメタンの混合割合を５０質量％以上７０質量％以下とした混合冷媒が可燃性、温室効果および性能において優れている。
【００２８】
【表３】
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【００２９】
実施の形態４．
実施の形態１では、第１の冷媒としてテトラフルオロプロピレンを用いた混合冷媒について説明したが、テトラフルオロプロピレンの代わりに、テトラフルオロプロピレンと同等もしくは低い可燃性、地球温暖化係数および沸点を有する冷媒、例えば、テトラフルオロプロピレンの異性体および異性体の混合物でも同様の効果が得られる。特に、地球温暖化係数が小さい冷媒では、さらに温室効果を小さくできる効果がある。
【００３０】
実施の形態５．
実施の形態５に係る空気調和装置は、凝縮器３または蒸発器５として、図５に示されるような、混合冷媒に対し、被伝熱流体が対向流となるように構成される多列（図５では３列）のフィン−チューブ型熱交換器を備える以外は実施の形態１に係る空気調和装置と同じ構成である。この熱交換器では、図５に示されるように、空気などの被伝熱流体の流れ方向（図５の白抜き矢印）に対し伝熱管７が３列に配置されている（３列のフィン−チューブ型熱交換器）。この熱交換器では、伝熱管７を流れる混合冷媒が、伝熱管７の外部を流れる空気などの被伝熱流体と熱交換され、蒸発または凝縮する。
【００３１】
図２に示した１列のフィン−チューブ型熱交換器を蒸発器として利用した場合における混合冷媒の温度変化と空気の温度変化との関係を図６に示す。混合冷媒は空気との熱交換により温度が上昇するが、空気の熱交換器への入口温度は一定であるため、混合冷媒の熱交換器入口から出口までの空気と冷媒との温度差が変化している。一方、図７に示すように、図５に示した３列のフィン−チューブ型熱交換器を蒸発器として利用した場合、混合冷媒の熱交換器の入口からの温度変化に対応して、空気の温度も変化するために、混合冷媒と空気との温度差を小さくすることができる。このように構成した空気調和装置によれば、熱交換器の性能が向上し、空気調和装置の効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る空気調和装置を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるフィン−チューブ型熱交換器を説明するための概念図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の動作を示す温度−エンタルピ線図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の熱交換量と温度変化との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態５に係る空気調和装置の熱交換器を説明するための概念図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の１列のフィン−チューブ型熱交換器における冷媒と空気との温度変化を示すグラフである。
【図７】本発明の実施の形態５に係る空気調和装置の多列のフィン−チューブ型熱交換器における冷媒と空気との温度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
１  空気調和装置、２  圧縮機、３  凝縮器、４  減圧器、５  蒸発器、６  伝熱フィン、７  伝熱管。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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