(57)【要約】      （修正有）【課題】冷媒使用量および冷媒ガス圧を大幅に低減しながら、システムを構成する機器の負担を低く抑え、機器寿命の延長、電力消費量および電力コストの削減、地球温暖化の防止を実現可能にする冷凍システムを提供する。【解決手段】圧縮機１１、凝縮機１２、膨張弁１３および蒸発器１４を接続して冷凍回路を構成する冷凍システムであって、冷凍回路における冷凍サイクルで使用する冷媒を炭化水素系冷媒のみからなるノンフロン自然冷媒とする。【選択図】図５
0003190994.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮機、膨張弁および蒸発器を接続して冷凍回路を構成する冷凍システムであって、前記冷凍回路における冷凍サイクルで使用する冷媒が炭化水素系冷媒のみからなるノンフロン自然冷媒であることを特徴とする冷凍システム。
【請求項２】
前記ノンフロン自然冷媒が、主としてプロパンを含む炭化水素系冷媒であることを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
【請求項３】
前記ノンフロン自然冷媒が、主としてプロパンおよびプロピレンを含む炭化水素系冷媒であることを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
【請求項４】
前記ノンフロン自然冷媒が、主としてプロパンおよびプロピレンを含むとともにイソブタンをも含む炭化水素系冷媒と非炭化水素系冷媒の代替冷媒との混合冷媒であることを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
【請求項５】
前記ノンフロン自然冷媒が、主としてプロパンおよびプロピレンを含むとともにエタンをも含む炭化水素系冷媒であることを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
【請求項６】
前記ノンフロン自然冷媒が、主としてプロパンおよびプロピレンを含むとともにブタンをも含む炭化水素系冷媒であることを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
【請求項７】
前記ノンフロン自然冷媒が、主としてプロパンおよびプロピレンを含むとともにブテンをも含む炭化水素系冷媒であることを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、地球環境に悪影響を及ぼすことがない炭化水素（ハイドロカーボン）系冷媒からなるノンフロン自然冷媒を用いた冷凍システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプにおける冷凍サイクルは、図５に示すように圧縮機１１、凝縮機１２、膨張弁１３および蒸発器１４の４要素によって実現される。この冷凍サイクルでは、冷媒ガスを圧縮機１１で圧縮して高温度にし、この高温度の冷媒を凝縮器１２に送り出し、この凝縮器１２において高温度の冷媒の熱を外気や冷却水に放出（熱交換）する。この高温度の冷媒の熱放出により冷媒は冷却されて液化される。
【０００３】
また、この液化された冷媒は細い管の中を通過し膨張弁１３に送られ、いっきに減圧されて気化する。この気化した冷媒は蒸発器１４に送られ、この蒸発器１４はその冷媒の気化によって周囲の温度（熱）を奪い、その周囲の温度を低下させる。以下、この気化した冷媒を再び前記圧縮機１１で圧縮し、前記凝縮、膨張、蒸発の各工程を繰り返し実行し、冷媒の気体と液体の相変化時の熱エネルギーを利用可能にしている。
【０００４】
ところで、かかる冷凍サイクルで使用される冷媒として、従来からフロン系の冷媒Ｒ１（ＣＦＣ１２）やＲ２２（ＨＣＦＣ）が広く用いられていた。しかし、これらのフロン系の冷媒（フロンガス）はフッ素、炭素、塩素からなるクロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）を含み、冷凍システムからの漏れや廃棄処理時に大気に放出されて、オゾン層を破壊するという問題があった。これに対し、今日ではフロン系の冷媒の代替冷媒として、Ｒ４０７ＣやＲ４１０Ａが用いられるようになり、オゾン層の破壊が効果的にゼロに抑えられるに至っている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１３０６８５号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記代替冷媒はフロン系の冷媒のようにオゾン層の破壊を招くことがなく、人体に無害であるにも拘らず、地球温暖化係数が高く、地球環境に及ぼす影響が大きい。例えば家庭用エアコンでは年間２％程度の冷媒の大気放出が見込まれており、廃棄時の冷媒回収率は約７％に止まり、大量の冷媒が大気に放出されている。また、この代替冷媒は埃を吹き飛ばすための工業用のダストスプレイや発泡剤などにも使用され、これが大気中に放出されて、地球の温暖化を促進していた。
【０００７】
本考案は前述のような従来の問題点を解消するものであり、その目的とするところは、炭化水素系のノンフロン自然冷媒の使用によって、地球の温暖化を効果的に抑制するとともに、その高い冷凍作用によって、所定の冷凍効率を得るための冷媒使用量および冷媒ガス圧を低減しながら、圧縮機等に対する圧力的、機械的負担を低く抑え、機器寿命の延長、電力消費量および電力コストの削減を実現できる冷凍システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的達成のために、本考案にかかる冷凍システムは、圧縮機、凝縮機、膨張弁および蒸発器を接続して冷凍回路を構成する冷凍システムであって、前記冷凍回路における冷凍サイクルで使用する冷媒が炭化水素系冷媒からなるノンフロン自然冷媒であることを特徴とする。これによりエネルギー効率の高い炭化水素系冷媒を冷凍回路へ使用して高い冷凍機能を果たすことができ、大気中に漏れても炭化水素系冷媒が持つ低い赤外線吸収特性によって、地球の温暖化に及ぼす影響を十分に抑制できるほか、炭化水素系冷媒がノンフロン自然冷媒であることによるオゾン層破壊の問題も完全に解決できる。
【０００９】
また、本考案にかかる冷凍システムは、前記ノンフロン自然冷媒が、主としてプロパンを含む炭化水素系冷媒であることを特徴とする。これによりプロパンは沸点が−５０℃〜０℃の範囲であり、冷媒ＨＣＦＣ２２と同等の高い冷媒機能を発揮し、フロンと違って地球の温暖化係数が殆んど零「０」になり、しかもオゾン層を破壊することもない。また、プロパンは赤外線吸収特性が低く、このため、地球温暖化係数を小さく抑えることができる。
【００１０】
物質の特性が地球の温暖化に影響する地球温暖化係数（ＧＷＰ）は、一般に、それ自体の赤外線吸収特性と大気中での存在寿命（存在時間）との積によって決定される。プロパンなどの炭化水素（ＨＣ）の大気中の存在寿命は冷媒ＣＦＣ１２，ＨＣＦＣ２２と比較して特に短かいというわけではないが、赤外線吸収特性が小さいため、結果的にプロパンの地球温暖化係数を略零「０」に近い値に抑えることができる。
【００１１】
また、本考案にかかる冷凍システムは、前記ノンフロン自然冷媒が、主としてプロパンおよびプロピレンを含む炭化水素系冷媒であることを特徴とする。これによりプロパンおよびプロピレンを含む炭化水素系冷媒はフロンと違って地球温暖化係数が殆んど零「０」に近い。また、冷凍回路にプロパンおよびプロピレンを含む炭化水素系冷媒を使用すると、これが大気に漏れてもオゾン層を破壊することもなく、地球温暖化を効果的に抑止できる冷凍システムを実現することができる。また、プロピレンはプロパンと同じく前述した赤外線吸収特性が低く、このため地球温暖化係数を小さく抑える。さらに、不飽和炭化水素であるプロピレンは飽和炭化水素の冷媒と同様の冷媒特性を持ちながら、冷凍システムを構成する冷媒圧縮機の摺動材表面における摺動特性を向上する。
【００１２】
また、本考案にかかる冷凍システムは、前記ノンフロン自然冷媒が、主としてプロパンおよびプロピレンを含むとともにイソブタンをも含む炭化水素系冷媒であることを特徴とする。これによりプロパン、プロピレンおよびイソブタンを含む炭化水素系冷媒はフロンと違って地球の温暖化係数が殆んど零「０」に近い。冷凍回路にプロパン、プロピレンおよびイソブタンを含む炭化水素系冷媒を使用すると、オゾン層を破壊することもなく地球の温暖化レベルの低い冷凍システムを実現することができる。また、イソブタンはプロピレンおよびプロパンと同じく赤外線の吸収特性が小さく、このため地球の温暖化係数を小さく抑えることができる。
【００１３】
また、本考案にかかる冷凍システムは、前記ノンフロン自然冷媒が、主としてプロパンおよびプロピレンを含むとともにエタンをも含む炭化水素系冷媒であることを特徴とする。これによりプロパン、プロピレンおよびエタンを含む炭化水素系冷媒はフロンと違って地球温暖化係数が殆んど零「０」に近い。冷凍回路にプロパン、プロピレンおよびエタンを含む炭化水素系冷媒を使用すると、オゾン層を破壊することもなく地球の温暖化レベルの低い冷凍システムを実現することができる。また、エタンはプロパン、プロピレンおよびイソブタンと同じく赤外線の吸収特性が小さく、このため地球の温暖化係数を小さく抑えることができる。
【００１４】
また、本考案にかかる冷凍システムは、前記ノンフロン自然冷媒が、主としてプロパンおよびプロピレンを含むとともにブタンをも含む炭化水素系冷媒であることを特徴とする。これによりプロパン、プロピレンおよびブタンを含む炭化水素系冷媒はフロンと違って地球温暖化係数が殆んど零「０」に近い。冷凍回路にプロパン、プロピレンおよびブタンを含む炭化水素系冷媒を使用すると、オゾン層を破壊することもなく地球の温暖化レベルの低い冷凍システムを実現することができる。また、ブタンはプロパン、プロピレン、イソブタン、エタンと同じく赤外線の吸収特性が小さく、このため地球の温暖化係数を小さく抑えることができる。
【００１５】
本考案にかかる冷凍システムは、前記ノンフロン自然冷媒が、主としてプロパンおよびプロピレンを含むとともにブテンをも含む炭化水素系冷媒であることを特徴とする。これにより、プロパン、プロピレンおよびブテンを含む炭化水素系冷媒はフロンと違って地球温暖化係数が殆んど零「０」に近い。冷凍回路にプロパン、プロピレンおよびブテンを含む炭化水素系冷媒を使用すると、オゾン層を破壊することもなく地球の温暖化レベルの低い冷凍システムを実現することができる。また、ブテンはプロパン、プロピレン、イソブタン、エタンおよびブタンと同じく赤外線の吸収特性が小さく、このため地球の温暖化係数を小さく抑えることができる。
【考案の効果】
【００１６】
本考案によれば、ノンフロン自然冷媒ガスとして炭化水素系冷媒の使用によって、高い冷凍効率を得ることができるとともに、地球温暖化係数を低減することができる冷凍システムを提供できる。
【００１７】
以上、本考案について簡潔に説明した。更に、以下に本考案を実施するための最良の形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本考案の実施形態による冷凍システムに使用する、炭化水素系冷媒のガス成分のピーク面積百分率および定性の分析結果を示す説明図である。
【図２】本考案の実施形態による冷凍システムに使用する、別の炭化水素系冷媒のガス成分のピーク面積百分率および定性の分析結果を示す説明図である。
【図３】本考案の実施形態による炭化水素系冷媒を使用した冷凍システムと、Ｒ−４１０ａ冷媒を使用した冷凍システムとをそれぞれ同時に２４時間運転した場合における電圧、電流、電力および電力量の時間計測値の違いを示す説明図（Ａ）（Ｂ）である。
【図４】本考案の実施形態による炭化水素系冷媒を使用した冷凍システムと、Ｒ２２冷媒を使用した冷凍システムにおける省エネルギー率の時間計測値を示す説明図である。
【図５】従来の一般的な冷凍システムを示すブロック図である。
【考案を実施するための形態】
【００１９】
以下、本考案の実施の形態を、図面を参照して説明する。
本考案の実施形態による冷凍サイクルは既存設備を利用することで実施可能であり、前述のように圧縮機１１、凝縮器１２、膨張弁１３および蒸発器１４の４要素を備える。そして、この冷凍システムを構成する冷凍回路で使用する冷媒は、炭化水素系のノンフロン自然冷媒である。この炭化水素系冷媒はオゾン層を破壊するフロンや地球温暖化を招く代替フロンに代えて用いられる。冷凍回路で使用する冷媒を炭化水素系冷媒のみとすることが、動作原理的に冷凍効率（高い冷媒作用）や地球温暖化係数の低減化の観点から望ましい。しかし炭化水素系冷媒は可燃性であるため、必要に応じてこれに不燃性の炭酸ガス（ＣＯ２）等を添加したり、あるいは火災発生防止機能や防爆機能を持たせたりすることが望ましい。
【００２０】
ここで炭化水素系冷媒としては、プロパン、プロピレン、イソブタン、エタン、ブタン、ブテンの内の１種または２種以上を含むものが用いられる。上記のような炭化水素系冷媒は、フロンと違って地球の温暖化係数が殆んど零「０」に近い。従って、圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器を接続することによって構成された冷凍回路に炭化水素系冷媒を使用した場合に、大気に漏れることがあっても、オゾン層を破壊することはなく、地球の温暖化を招かない冷凍システムを実現することができる。この炭化水素系冷媒の冷凍能力はフロン系の冷媒Ｒ１２（ＣＦＣ１２）、Ｒ２２（ＨＣＦＣ２２）に近い。
【００２１】
物質の特性が地球の温暖化に影響する地球温暖化係数（ＧＷＰ）は、その物質の赤外線吸収特性と大気中での存在寿命（存在時間）との積によって決まる。炭化水素（ＨＣ）の大気中の存在寿命はフロン（ＣＦＣ１２，ＨＣＦＣ２２）と比較して特に短いというわけではない。このことから、炭化水素の地球温暖化係数が零「０」に近いのは、主として赤外線吸収特性の差によるものと考えられている。炭化水素系冷媒はそのような赤外線の吸収特性が小さく、変化がない。このため、地球温暖化係数が小さく、冷凍システムの冷媒として有用である。また、冷凍回路の炭化水素系冷媒が外部に漏れ出てもオゾン層を破壊することがなく、地球の温暖化を回避することができる。
【００２２】
特に、プロパンは冷媒ＨＣＦＣ２２と同等の高い冷媒機能を持たせることができる。また、フロンと違って地球温暖化係数がほとんど零「０」に近く、しかもオゾン層を破壊することもない。さらに、プロパンは赤外線の吸収特性が小さく、このためその地球温暖化係数を小さく抑えることができる。また、プロピレンはプロパンと同じく炭化水素系冷媒であって赤外線の吸収特性が小さく、このため地球温暖化係数が小さくなる。また、不飽和炭化水素であるプロピレンは飽和炭化水素と同様の冷媒特性を持ちながら、冷凍システムを構成する冷媒圧縮機の摺動材表面における摺動特性、潤滑特性を向上するという利点がある。
【００２３】
本実施形態で用いるノンフロン自然冷媒の組成は、プロパン、プロピレン、イソブタン、エタン、ブタンであり、特にプロパンやプロピレンを主として含む炭化水素系冷媒である。すなわち、本実施形態の冷凍システムで用いる炭化水素系冷媒のガス成分は、図１のピーク面積百分率および定性の分析結果に示す通りである。すなわち、ガス由来の検出面積を１００％とすると、この炭化水素系冷媒はプロパンが９５．７％、プロピレンが０．１％、イソブタンが２．８％、エタンが０．９％、ブタンが０．５％である。定性については各ガス由来の検出ピークについて、マススペクトルのライブラリー（ＷｉｌｅｙまたはＮＩＳＴ）検索によりその分子構造を推定している。つまり、この分子構造はそのマススペクトルライブラリーと実際の分析によって得られたデータとを照らし合わせて推定される。そしてその推定の結果、一致率が１００に近いほど分子構造の類似性が高いと判断される。本考案では地球温暖化係数が小さい前記炭化水素系冷媒の使用によって、冷凍効率が高い冷凍システムの運転が可能になる。この炭化水素系冷媒を用いたヒートポンプ式の冷凍サイクルでは、例えばローリングピストン（ロータリ）２段式の冷媒圧縮機を用いる。
【００２４】
前記炭化水素系冷媒は次世代冷凍・空調用としてオゾン破壊係数が零「０」で、かつ地球温暖化係数が「１」という自然冷媒である。この自然冷媒は、自然界に存在する物質で、冷凍・空調などの分野で冷媒（作動流体）として活用できる物質の総称である。冷凍・空調用の代表的な自然冷媒としては、炭化水素のほか、アンモニア、空気そしてＣＯ２等が挙げられる。炭化水素およびアンモニアはエネルギー効率が良いという反面、可燃性や毒性の問題があり、空気は超低温域以外でエネルギー効率が劣るという課題がある。
【００２５】
また、炭化水素系冷媒は前述のように可燃性であるところから、自然冷媒であって可燃性でないＣＯ２やアンモニアを混入することが望ましい。しかし、ＣＯ２は高い動作圧が必要であるため、高圧下でも効率の高いコンプレッサが要求され、アンモニアでは毒性があり、空気では超低温域以外でのエネルギー効率が劣る。このため、これらのＣＯ２、アンモニアおよび空気は、冷凍効率に影響しない範囲で炭化水素系冷媒に混入して使用することが望ましい。
【００２６】
図２は、本考案の冷凍システムで用いる別の炭化水素系冷媒のピーク面積百分率および定性の分析結果を示す。この例ではガス由来の検出面積を１００％とすると、面積百分率（％）ではプロパンが５３．６、プロピレンが４４．１、イソブタンが１．５、エタン、ブタンおよびブテンがそれぞれ０．３である。定性については各ガス由来の検出ピークについて、前述の炭化水素系冷媒の場合と同じく、マススペクトルのライブラリー検索によりその分子構造を推定しており、その推定結果、一致率が１００に近いほど分子構造の類似性が高い。
【００２７】
この場合にも、自然冷媒は自然界に存在する物質で、冷凍・空調などの分野で冷媒として活用でき、炭化水素のほか、アンモニア、空気そしてＣＯ２等が挙げられる。しかし、これらの別の炭化水素系冷媒のうち炭化水素およびアンモニアはエネルギー効率が良いという反面、可燃性や毒性の問題があり、空気は超低温域以外でエネルギー効率が劣るという課題がある。ここでは主としてプロパンおよびプロピレンを前述のように略同割合で含む炭化水素系冷媒を用いて、地球温暖化係数が小さいプロパンおよびプロピレンを主として含む炭化水素系冷媒の使用によって、冷凍効率が高い冷凍システムの運転が可能になる。
【００２８】
図３（Ａ）（Ｂ）は、前述の炭化水素系冷媒を使用する冷凍システムと、Ｒ−４１０ａ冷媒を使用する冷凍システムとをそれぞれ同時に２４時間運転させた場合における、電圧、電流、電力および電力量の時間計測値の違いを示す。（Ａ）が本考案の炭化水素系冷媒の場合であり、（Ｂ）がＲ−４１０ａ冷媒の場合である。これによれば炭化水素系冷媒を使用する冷凍システムが、Ｒ−４１０ａ冷媒を使用する冷凍システムに比べて電流が４７％、電力が４７％、電力量が４７．４％削減できる。これによれば、炭化水素系冷媒を使用する冷凍システムは、Ｒ−４１０ａ冷媒を使用する冷凍システムに比べて略５０％の省エネルギー効果が得られ、結果として消費電力の削減並びに電力コストの低減を図ることができることが判る。
【００２９】
また、前述の炭化水素系冷媒を使用する冷凍システムと、Ｒ２２冷媒を使用する冷凍システムとの省エネルルギー効果の違い（時間計測値Kｗｈ）は、図４に示す通りである。これによれば炭化水素系冷媒を使用する冷凍システムが、Ｒ２２冷媒を使用する冷凍システムに比べて平均で省エネルギー率が略３３％前後、最大で５２％も低く抑えることができることが分かる。この結果、消費電力の削減並びに電力コストの低減を図ることができる。
【００３０】
さらに、炭化水素系冷媒は可燃性であるところから、この炭化水素系冷媒の使用量を減らしたり、この炭化水素系冷媒に対し自然冷媒であってしかも可燃性でないＣＯ２等を加えることで、冷媒が燃えたり爆発したりする危険を回避することができる。また、炭化水素系冷媒の漏れや発火を確実に防止できる冷媒漏れ防止構造、火災防止構造、さらには防爆構造を冷凍システムに採用するなどの具体的方策を採用することが望ましい。
【００３１】
以上のように、本実施形態にかかる冷凍システムは、圧縮機１１、凝縮機１２、膨張弁１３および蒸発器１４を接続して冷凍回路を構成する冷凍システムであって、前記冷凍回路における冷凍サイクルで使用する冷媒を炭化水素系冷媒のみからなるノンフロン自然冷媒としたことにより、エネルギー効率の高い炭化水素系冷媒を冷凍回路へ使用して高い冷凍機能を果たすことができ、大気中での炭化水素系冷媒の低い赤外線吸収特性によって、地球の温暖化に及ぼす影響を十分に抑制できるほか、炭化水素系冷媒がノンフロンの自然冷媒であることによりオゾン層破壊の問題発生も回避できるという効果が得られる。
【００３２】
この場合において、ノンフロン自然冷媒を、主としてプロパンを含む炭化水素系冷媒としたことで、冷媒ＨＣＦＣ２２と同等の高い冷媒機能を持たせることができる。また、フロンと違って地球温暖化係数（ＧＷＰ）が殆んど零「０」に近く、しかもオゾン層を破壊することもない。さらに、プロパンは赤外線の吸収特性が小さく、このため、その地球温暖化係数を小さくすることができる。
【００３３】
また、前記ノンフロン自然冷媒を、主としてプロパンおよびプロピレンを含む炭化水素系冷媒としたことで、フロンと違って地球温暖化係数を殆んど零「０」にできる。そして冷凍回路にプロパンおよびプロピレンを含む炭化水素系冷媒を使用すると、オゾン層を破壊することもなく地球の温暖化レベルの低い冷凍システムを実現することができる。また、プロピレンはプロパンと同じく炭化水素系冷媒で赤外線の吸収特性が小さく、このため地球温暖化係数（ＧＷＰ）が小さくなる。また、不飽和炭化水素であるプロピレンは飽和炭化水素の冷媒と同様の冷媒特性を持ちながら、冷凍システムを構成する冷媒圧縮機の摺動材表面における摺動特性を向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本考案の冷凍システムは、ノンフロン自然冷媒ガスの大気への排出にも拘らず、オゾン層の破壊を生じることなく、さらに地球温暖化の防止を図りながら、電力コストの削減並びに既存設備の利用を可能にするという効果を有し、地球環境に悪影響を及ぼすことがない冷凍システム等に有用である。
【符号の説明】
【００３５】
１１  圧縮機
１２  凝縮器
１３  膨張弁
１４  蒸発器
【図１】
0003190994.tif 000003
【図２】
0003190994.tif 000004
【図３】
0003190994.tif 000005
【図４】
0003190994.tif 000006
【図５】
0003190994.tif 000007