(57)【要約】【課題】伝熱媒体として優れた性質をもつＣＯ２の前記問題点を解消した熱移動媒体を実現し、かつこの熱移動媒体を二次伝熱媒体として、あるいは自然循環式のヒートポンプサイクルに用いた、低圧で作動し成績係数が良く、かつ利便性の良い伝熱装置を実現する。【解決手段】冷却又は加熱を目的とした熱移動設備１に伝熱媒体としてＣＯ２を主成分とした熱移動媒体ｃを用いた伝熱装置において、ＣＯ２にモル比でジメチルエーテルを１〜５０％添加してなる熱移動媒体ｃを一次ヒートポンプサイクルの熱交換器と熱負荷との間に介設されて該一次ヒートポンプサイクルと熱負荷との間の熱伝達を行なう二次伝熱媒体ｒ２として用いる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却又は加熱を目的とした熱移動設備に伝熱媒体としてＣＯ２を主成分とした熱移動媒体を用いた伝熱装置において、
ＣＯ２にモル比でジメチルエーテルを１〜５０％添加してなる熱移動媒体を一次ヒートポンプサイクルの熱交換器と熱負荷との間に介設されて該一次ヒートポンプサイクルと熱負荷との間の熱伝達を行なう二次伝熱媒体として用いることを特徴とする伝熱装置。
【請求項２】
冷却又は加熱を目的とした熱移動設備に伝熱媒体としてＣＯ２を主成分とした熱移動媒体を用いた伝熱装置において、
前記熱移動設備が熱移動媒体の圧縮又は揚程作用を伴う物理的な強制循環機器を介設せず温度差と液ヘッド差によって熱移動媒体を循環させる自然循環式のヒートポンプサイクルを備え、
ＣＯ２にモル比でジメチルエーテルを１〜３５％添加してなる熱移動媒体を該ヒートポンプサイクルに用いたことを特徴とする伝熱装置。
【請求項３】
屋内又は閉鎖空間に設置され、前記熱移動媒体がＣＯ２にモル比でジメチルエーテルを１〜１２％添加してなることを特徴とする請求項２に記載の伝熱装置。
【請求項４】
前記ヒートポンプサイクルの熱移動媒体循環路に熱移動媒体の循環を補助する補助ポンプを介設したことを特徴とする請求項２に記載の伝熱装置。
【請求項５】
冷却又は加熱を目的とした熱移動設備に伝熱媒体として用いられＣＯ２を主成分とした熱移動媒体において、
ＣＯ２にモル比でジメチルエーテルを１〜５０％添加してなる熱移動媒体を、一次ヒートポンプサイクルの熱交換器と熱負荷との間に介設されて該一次ヒートポンプサイクルと熱負荷との間の熱伝達を行なうヒートポンプサイクルの二次伝熱媒体として使用することを特徴とする熱移動媒体。
【請求項６】
冷却又は加熱を目的とした熱移動設備に伝熱媒体として用いられＣＯ２を主成分とした熱移動媒体において、
ＣＯ２にモル比でジメチルエーテルを１〜３５％添加してなる熱移動媒体を自然循環式のヒートポンプサイクルの伝熱媒体として使用することを特徴とする熱移動媒体。
【請求項７】
前記熱移動媒体がＣＯ２にモル比でジメチルエーテルを１〜１２％添加してなり、前記熱移動設備が屋内又は閉鎖空間に設置されたことを特徴とする請求項６に記載の熱移動媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地球環境汚染を招かない自然系熱移動媒体として、冷凍設備又はヒートポンプ等の熱移動設備に多用されつつあるＣＯ２を主成分とし、ＣＯ２にジメチルエーテルを添加してなる熱移動媒体及びそれを用いた伝熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境汚染防止、とりわけ、オゾン層破壊、地球温暖化防止のため、冷凍設備又はヒートポンプ設備に使用される熱媒体は、フルオロカーボン系熱媒体から自然系熱媒体への転換が進められている。とりわけ、ＣＯ２は、フルオロカーボン系よりはるかに悪影響が少なく、不燃性で毒性がなく、安全で安価であるため、自然界に多く存在する自然熱媒体のひとつとして多用される傾向にある。
【０００３】
ＣＯ２は顕熱効果が大きく、サイクルの高圧側で容易に超臨界状態になることから、高い成績係数が得られ、最高約９０℃の高温給湯が可能である。そのため、近年暖房・温熱水供給用としてエコキュートのネーミングでヒートポンプ給湯機用冷媒として普及利用されている。
【０００４】
また、ＣＯ２は、液粘度が６４．５×１０−６Ｐａ・Ｓ（２９８Ｋ）と小さく、流動性に優れ、輸送動力が少ない。そのため、熱移動媒体の圧縮又は揚程作用を伴う物理的な強制循環機器を介設せず温度差と液ヘッド差によって熱移動媒体を循環させる自然循環式の熱移動媒体として使用されている。
【０００５】
しかしながら、ＣＯ２は低い沸点（−７８．５℃）と高い臨界圧力（７．３４ＭＰａ）をもち、ＣＯ２冷媒の冷凍サイクル又はヒートポンプサイクルでの作動圧は１０ＭＰａと他の冷媒と比べると非常に高く、そのため、システム機器ひとつひとつの部品を超高圧仕様にしなければならず、装置製作費が高価になるという問題がある。また、ＣＯ２は臨界温度が３１℃であり、高圧気相状態のＣＯ２冷媒を液化するためには、３１℃以下にする必要がある。
【０００６】
夏場には外気温度が３１℃を越えることが頻繁にあり、このような外気温度の条件下では、ＣＯ２冷媒は凝縮器内で液化（凝縮）しないため、凝縮による放熱ができなくなる。このため、ＣＯ２ガスクーラで使用する水、空気等の被冷却流体を予め冷却するための特別な冷却手段を用いるか、又は非凝縮サイクル（超臨界サイクル）となり、成績係数が低下する。
【０００７】
本出願人等は、先に、ジメチルエーテルとＣＯ２の総モル数を基準として、ジメチルエーテルを１０〜８０モル％、ＣＯ２を９０〜２０モル％含有する給湯／暖房用冷媒組成物を提案している（特許文献１）。この発明は、ジメチルエーテルにＣＯ２が良く溶解し、かつ物性的に伝熱効果の高い両者を混合することによって、高い熱効率を実現するとともに、ジメチルエーテルの臨界温度が１２６．９℃で、沸点が−７８．５℃とＣＯ２と大きく異なる点に着目し、低圧で作動する成績係数の優れた給湯／暖房用冷媒を見出したものである。
【０００８】
また、本出願人等は、先に、ジメチルエーテルとＣＯ２の総モル数を基準として、ジメチルエーテルを１〜１０モル％、ＣＯ２を９９〜９０モル％含有する給湯／暖房用冷媒組成物を提案している（特許文献２）。この発明は、ジメチルエーテルの含有量を１０モル％以下とすることによって、該冷媒組成物を不燃性とし、特に高い安全性の基準が要求される場合、例えば、冷媒充填部が居室内に存在する直接漏洩システム又は室内などの密閉された場所での利用等に好適な給湯／暖房用冷媒を実現している。
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−２２３０５号公報
【特許文献２】特開２００７−９１７７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、一次ヒートポンプサイクルの熱交換器と熱負荷との間に介設されて該一次ヒートポンプサイクルと熱負荷との間の熱伝達を行なう二次伝熱媒体に用いられる流体は、粘度が小さくて流動性が良く、比熱が大で顕熱効率が大きく、かつ不活性で安定した物性を必要とする。一方、ブラインなど二次伝熱媒体は高圧又は低温になるほど粘性が増加して流動動力負荷が大きくなる。また可燃性のものは安全性などの制約がある。
【００１１】
ＣＯ２は粘度が小さくて流動性が良く、比熱が大で顕熱効率が大きく、かつ不活性で安定した物性を有するが、一方、ＣＯ２の作動圧は非常に高くなり、かつ凝縮温度が低いために、ＣＯ２ガスクーラで使用する水、空気等の被冷却流体を予め冷却するための特別な冷却手段を用いるか、又は非凝縮サイクル（超臨界サイクル）となり、成績係数が低下するという問題がある。
また、ＣＯ２を自然循環式のヒートポンプサイクルに用いた場合でも同様の問題が生じる。
【００１２】
特許文献１又は特許文献２に開示された給湯／暖房用冷媒組成物は、一次ヒートポンプサイクルに適用される一次冷媒に関するもので、二次伝熱媒体又は自然循環式のヒートポンプサイクルに適用するように意図されたものではない。
【００１３】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、伝熱媒体として優れた性質をもつＣＯ２の前記問題点を解消した熱移動媒体を実現し、かつこの熱移動媒体を二次伝熱媒体として、あるいは自然循環式のヒートポンプサイクルに用いた、低圧で作動し成績係数が良く、かつ利便性の良い伝熱装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
かかる目的を達成するため、第１の本発明の伝熱装置は、
冷却又は加熱を目的とした熱移動設備に伝熱媒体としてＣＯ２を主成分とした熱移動媒体を用いた伝熱装置において、
ＣＯ２にモル比でジメチルエーテルを１〜５０％、好ましくは、７〜５０％添加してなる熱移動媒体を一次ヒートポンプサイクルの熱交換器と熱負荷との間に介設されて該一次ヒートポンプサイクルと熱負荷との間の熱伝達を行なう二次伝熱媒体として用いるものである。
【００１５】
また、第１の本発明の熱移動媒体は、
冷却又は加熱を目的とした熱移動設備に伝熱媒体として用いられＣＯ２を主成分とした熱移動媒体において、
ＣＯ２にモル比でジメチルエーテルを１〜５０％、好ましくは７〜５０％添加してなる熱移動媒体を、一次ヒートポンプサイクルの熱交換器と熱負荷との間に介設されて該一次ヒートポンプサイクルと熱負荷との間の熱伝達を行なうヒートポンプサイクルの二次伝熱媒体として使用するものである。
【００１６】
第１の本発明の伝熱装置（冷凍装置又はヒートポンプ装置等）は、前記構成を有する第１の本発明の熱移動媒体を二次伝熱媒体として用いたものである。前述のように、ジメチルエーテルは、ＣＯ２より高い臨界圧力を有し、第１の本発明の熱移動媒体は、ＣＯ２を主要媒体とし、それにジメチルエーテルを添加したことにより、ＣＯ２のみの熱移動媒体の場合より凝縮温度が上昇するため、常温の水、空気との熱交換により凝縮が可能となる。
これにより、第１の本発明の伝熱装置は、熱移動媒体を凝縮するための特別の冷却手段を不要とし、利便性が格段に向上する。好ましくは、ジメチルエーテルを７モル％以上添加すると、ジメチルエーテルの添加による効果が顕著に発現する。
【００１７】
また、ＣＯ２のみの熱移動媒体と比較すると、第１の本発明の熱移動媒体は、高温域においては、ジメチルエーテルの添加により単位量当りの熱保有量が増加し、それにより熱移動量も増加する。このため、強制循環式の伝熱装置においては、熱量の移送効率が向上する。また、ジメチルエーテルの液熱伝導度は、１４５３×１０−４Ｗ／ｍＫ（２９８Ｋ）であって、ＣＯ２の液熱伝導度７６７×１０−４Ｗ／ｍＫ（２９８Ｋ）より大である。このため、ジメチルエーテルを添加すると液熱伝導度が増大するので、超臨界域において伝熱効率が向上し、低温域での蒸発伝熱効率は低下しない。このため、自然循環式のヒートポンプサイクルを有する伝熱装置において熱交換効率は向上する。
【００１８】
ＣＯ２にジメチルエーテルを添加すると、可燃性が出てくる。ＣＯ２に対するジメチルエーテルの添加量をモル比で１〜１２％のときは不燃域であり、１２モル％を超え、５０モル％までのときは微燃域となり、５０モル％を越えると、可燃域となる。従って、第１の発明の熱移動媒体では、ジメチルエーテルの添加量を１〜５０モル％にして、不燃性又は微燃性とし、使用上の安全性を確保している。
【００１９】
第２の本発明の伝熱装置は、
冷却又は加熱を目的とした熱移動設備に伝熱媒体としてＣＯ２を主成分とした熱移動媒体を用いた伝熱装置において、
前記熱移動設備が熱移動媒体の圧縮又は揚程作用を伴う物理的な強制循環機器を介設せず温度差と液ヘッド差によって熱移動媒体を循環させる自然循環式のヒートポンプサイクルを備え、
ＣＯ２にモル比でジメチルエーテルを１〜３５％、好ましくは７〜３５％添加してなる熱移動媒体を該ヒートポンプサイクルに用いたものである。
【００２０】
また、第２の本発明の熱移動媒体は、
冷却又は加熱を目的とした熱移動設備に伝熱媒体として用いられＣＯ２を主成分とした熱移動媒体において、
ＣＯ２にモル比でジメチルエーテルを１〜３５％、好ましくは７〜３５％添加してなる熱移動媒体を自然循環式のヒートポンプサイクルの伝熱媒体として使用するものである。
【００２１】
第２の本発明の伝熱装置は、前記構成を有する第２の本発明の熱移動媒体を自然循環式のヒートポンプサイクル（ループ状ヒートパイプ又は熱移動設備を含む）に用いたものである。
後述する図１に示すように、ＣＯ２にジメチルエーテルを添加すると、臨界温度が高くなり、ジメチルエーテルの添加量が増えるほど臨界温度が高くなる。従って、ジメチルエーテルの添加によりＣＯ２のみの熱移動媒体の場合と比べて蒸発温度が高くなる。このため、ＣＯ２のみの場合より凝縮温度が上昇するため、常温の水、空気との熱交換により凝縮が可能となる。これにより、第２の本発明の伝熱装置は、熱移動媒体の凝縮用の特別の冷却手段を不要とし、利便性が格段に向上する。
【００２２】
なお、ジメチルエーテルの添加量が増加するにつれて粘性が上昇し流動抵抗が増加するが、一方、ガス比重は増加し上昇力が低下する。自然循環は、凝縮器下流側で凝縮した熱移動媒体の液ヘッドと蒸発器で蒸発した熱移動媒体の上昇力によって循環力を付与されるが、ジメチルエーテルの添加量が多くなると、上昇力が低下して熱移動媒体の循環性能が低下する領域が出てくる。
第２の本発明の熱移動媒体では、ＣＯ２に対するジメチルエーテルの添加量を１〜３５モル％、好ましくは７〜３５モル％とすることによって、自然循環を可能とする流動抵抗に維持することができる。
【００２３】
ＣＯ２にジメチルエーテルを添加しても熱移動媒体が液状の場合は、比重差はほとんどなく、従って、液ヘッドの差は生じないが、粘性が増加するため、流動抵抗は大きくなる。一方、熱移動媒体がガス状の場合、ジメチルエーテルの添加によって粘度が増加するとともに、比重量が増加する。従って、ガス化した熱移動媒体の上昇力は減少する。
【００２４】
ＣＯ２に対するジメチルエーテルの添加量を１〜３５モル％とすれば、ヒートポンプサイクル内に自然循環を形成することができる。ガス状の熱移動媒体は熱保有量（熱密度）が高いため、自然循環が形成できるジメチルエーテルの添加量が１〜３５モル％の範囲であれば、熱移動効率は高くなる。
【００２５】
第２の本発明の伝熱装置又は第２の本発明の熱移動媒体において、屋内又は閉鎖空間に設置された伝熱装置に使用する場合は、可燃域での使用は危険度が高いため、ＣＯ２に対するジメチルエーテルの添加量をモル％で１〜１２モル％、好ましくは７〜１２モル％とするのがよい。
【００２６】
また、第２の本発明の伝熱装置において、ヒートポンプサイクルの熱移動媒体循環路に熱移動媒体の循環を補助する補助ポンプを介設するようにしてもよい。かかる構成により熱移動媒体の循環力が足りない場合でも、自然循環を確実に形成することができる。
【発明の効果】
【００２７】
第１の本発明の伝熱装置によれば、ＣＯ２にモル比でジメチルエーテルを１〜５０％、好ましくは、７〜５０％添加してなる熱移動媒体を一次ヒートポンプサイクルの熱交換器と熱負荷との間に介設されて該一次ヒートポンプサイクルと熱負荷との間の熱伝達を行なう二次伝熱媒体として用いることにより、また、第２の本発明の熱移動媒体によれば、ＣＯ２にモル比でジメチルエーテルを１〜５０％、好ましくは７〜５０％添加してなる熱移動媒体を一次ヒートポンプサイクルの二次伝熱媒体として使用するため、ＣＯ２のみの熱移動媒体と比べて凝縮温度が上昇し、常温の水又は空気との熱交換で凝縮が可能となる。これによって、凝縮用の特別な冷却手段が不要となり、利便性が格段に向上する。
【００２８】
また、ＣＯ２へのジメチルエーテルの添加により、ＣＯ２のみの熱移動媒体と比較すると、主として高温域において単位量当りの熱保有量が増加するため、強制循環式の冷凍設備又はヒートポンプ設備に場合には、熱量の移送効率が向上し、自然循環式の場合には、熱交換効率が向上する。
【００２９】
また、第２の本発明の伝熱装置によれば、熱移動媒体の圧縮又は揚程作用を伴う物理的な強制循環機器を介設せず温度差と液ヘッド差によって熱移動媒体を循環させる自然循環式のヒートポンプサイクルを備え、ＣＯ２にモル比でジメチルエーテルを１〜３５％、好ましくは７〜３５％添加してなる熱移動媒体を該ヒートポンプサイクルに用いたものであり、また、第２の本発明の熱移動媒体によれば、ＣＯ２にモル比でジメチルエーテルを１〜３５％、好ましくは７〜３５％添加してなる熱移動媒体を自然循環式のヒートポンプサイクルの伝熱媒体として使用するので、ＣＯ２のみの熱移動媒体と比べて凝縮温度が上昇し、常温の水又は空気との熱交換で凝縮が可能となる。これによって、凝縮用の特別な冷却手段が不要となり、利便性が格段に向上する。
【００３０】
また、自然循環が形成できるジメチルエーテルの添加量の範囲内で、ガス状の熱移動媒体は熱保有量（熱密度）を高くすることができるため、熱移動効率は高くなる。
［実施例］
【００３１】
ＣＯ２のみからなる熱移動媒体及びＣＯ２にジメチルエーテルを添加した熱移動媒体の物性に係る実験データを説明する。
図１はＣＯ２のみからなる熱移動媒体及びＣＯ２にジメチルエーテルを添加した熱移動媒体の臨界温度の上昇を試験した結果を示す。図１に示すように、ＣＯ２に対してジメチルエーテルの添加量が多くなるに従って臨界温度が上昇していることがわかる。従って、臨界温度が上昇すれば、凝縮温度も上昇するため、凝縮しやすくなる。
【００３２】
ＣＯ２に対してジメチルエーテルの添加量が増えても、臨界圧力はそれほど減少しないが、飽和圧力が減少する。従って、熱移動媒体の作動圧を低減できるので、熱移動媒体が循環するヒートポンプサイクルを構成する各機器の耐圧強度を低減でき、これによって、装置製造費を低減できる。
【００３３】
次に、図２はＣＯ２のみの熱移動媒体及びＣＯ２にジメチルエーテルを添加した熱移動媒体の物性及び熱保有量を比較して示すものである。図２に示すように、ＣＯ２に対するジメチルエーテルの添加量が多くなるに従って、比重及び比熱が上昇しているが、粘度も上昇している。エンタルピーは液との差においては変わらない。従って、ＣＯ２にジメチルエーテルを添加した場合、粘性増加による流動抵抗がヒートポンプサイクルの自然循環が可能な範囲に留まるものであれば、ジメチルエーテルの添加によって熱移動効率は上昇する。
【００３４】
次に、図３は、蒸発器として太陽熱加熱装置を用いたヒートポンプ装置（自然循環式）を使って行なった実験結果を示し、ＣＯ２のみの熱移動媒体及びＣＯ２にジメチルエーテルを添加した熱移動媒体の集熱温度及び集熱量を示す。図３から、ヒートポンプサイクルを循環する熱移動媒体の循環量が同じでも、ジメチルエーテルの添加量が増えると、集熱温度が高くなることがわかる。これは、ジメチルエーテルを添加すると、単位量当りの熱保有量が増加し、それにより熱移動量も増加し、熱交換器効率が向上したためと思われる。
【００３５】
図４は、蒸発器の低温域における蒸発部の伝熱試験結果を示す。即ち、蒸発器で、伝熱管を垂直又は水平に配置し、外気温度２３．５〜２５．３℃の中で自然通風で蒸発試験を行ない、蒸発スタート時（伝熱管距離０ｍ）から蒸発終了時（伝熱管距離５ｍ）までの管壁温度（熱媒体温度に相当）を測定したものである。試験対象の熱移動媒体は、ＣＯ２のみのものと、ＣＯ２に対してモル比でジメチルエーテルを１５％添加したものを用いた。
【００３６】
図４から、蒸発終了時（伝熱管距離５ｍ）で両者がほぼ同一温度になっていることから、低温域における熱媒体蒸発時の伝熱効率はほぼ同じであることがわかる。ＣＯ２のみの場合では顕熱熱交換域と潜熱熱交換域とが明瞭に現われているのに対して、ＣＯ２にジメチルエーテルを添加した場合は、温度滑りがあり、顕熱域と潜熱域の違いが現われていないのがわかる。このように、図４から、ＣＯ２にジメチルエーテルを添加した場合は、温度上昇勾配が一定であるので、負荷に対して連続的かつ緻密な温度制御が可能であることがわかる。
【００３７】
図５はＣＯ２のみの場合とＣＯ２にジメチルエーテルを添加した場合、あるいはジメチルエーテルのみの場合の燃焼性を示す。ＣＯ２に対するジメチルエーテルの添加量が１２〜５０モル％のときの熱移動媒体は不燃性又は弱燃性を示すことがわかる。
【００３８】
図６は、熱移動媒体の循環路で圧力が１０ＭＰａで自然循環を行なう場合、温度９５℃と２４℃での熱移動媒体の粘性抵抗をシミュレーションした結果を示す。図６から、ＣＯ２のみの熱移動媒体の場合と比べて、ＣＯ２にジメチルエーテルを添加した熱移動媒体のほうが粘性抵抗が増加し、かつジメチルエーテルの添加量が増えるほど、粘性抵抗が増加していることがわかる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
［実施形態１］
【００４０】
次に本発明の第１実施形態を図７に基づいて説明する。図７は本発明の熱移動媒体を用いた自然循環式の暖房装置又は局部熱の放熱装置１を示す系統図である。図７において、ＣＯ２にモル比でジメチルエーテルを７〜３５％添加した熱媒体ｃが流れる循環路２が設けられ、循環流路２に蒸発器３と熱回収部４とが介設されている。蒸発器３には循環路２に接続された、該熱媒体ｃが流れる伝熱管５が設けられ、蒸発器３に外気ａを取り込んでその熱を導入し、該熱で熱媒体ｃを蒸発させる。そして、蒸発器２の出口側で熱媒体ｃは超臨界状態となる。
【００４１】
熱回収部４では、循環路２に接続された伝熱管６を空調対象空間ｒ中に配置し、空調対象空間ｒを伝熱管６を流れる熱媒体ｃの熱で暖房するか、又は局所熱を蒸発器３にて回収し、熱回収部４にて放熱する。そして、熱回収部４の出口側で凝縮する。熱回収部４の出口側の循環路２ｃは、凝縮して液化した熱媒体ｃで液ヘッドが形成できるように出口側に向かって下方に高低差を付けて配置されている。この液ヘッドＨと蒸発器３下流側と熱回収部３下流側の熱媒体ｃの温度差、即ち、伝熱管５内で蒸発した熱媒体ｃの上昇力によって熱媒体ｃの自然循環が形成される。
【００４２】
本実施形態では、ＣＯ２にモル比でジメチルエーテルを１〜３５％添加した熱媒体ｃを用いているため、図１の実施例１及び２で示すように、臨界温度が上昇することにより、凝縮温度が上昇するため、熱回収部４で特別な冷却手段を用いることなく、常温の水又は空気との熱交換で熱媒体ｃの凝縮が可能となり、利便性を向上できる。また、図２の実施例２、４又は５に示すように、熱媒体ｃの比熱がＣＯ２のみの場合よりも大となるので、単位量当りの熱保有量が増大し、それにより熱移動量も増加する。従って、熱交換効率が向上する。
【００４３】
また、図４の実験データに示すように、蒸発器３の伝熱管５での温度上昇勾配が一定であるので、負荷に対して連続的かつ緻密な温度制御が可能である。また、図５の実施例３又は４に示すように、熱媒体ｃは不燃性又は弱燃性を示すので、安全であり、図６の実施例２、４又は５に示すように、粘性抵抗もさほど増加しないので、自然循環を形成することができる。
［実施形態２］
【００４４】
次に本発明の第２実施形態を図８に基づいて説明する。図８は太陽熱集熱装置１０を示し、図において、熱媒体循環路１１には、ＣＯ２とジメチルエーテルからなり、ジメチルエーテルの添加量を前記第１実施形態と同一とした熱媒体ｃが流れている。循環路１１には太陽熱を採集する集熱器１２と、集熱器１２で採取した太陽熱を回収する熱交換器１３とが介設されている。集熱器１２と熱交換器１３とはほぼ同一高さに設置されている。循環路１１に介設される集熱器１２の入口側と出口側とは高低差が設けられ、集熱器１２の内部に配設された図示しない集熱管は上下方向に入口側が低く、出口側が高くなるように傾きをもって配置されている。
【００４５】
また、熱交換器１３では、循環流路１１に接続される伝熱管１４が設けられ、熱交換器１３の下部に接続された供給管１５から熱回収流体ｆが供給され、熱回収流体ｆは伝熱管１４を流れる熱媒体と間接熱交換を行なって熱媒体から熱回収を行ない、その後、熱交換器１３の上部に接続された戻り管１６から排出される。熱交換器１３の出口側循環流路１１ｃは、熱交換器１３内で熱回収流体ｆと熱交換して液化された熱媒体が液ヘッドＨを形成するように、上下方向に配置されている。
【００４６】
該液ヘッドＨと集熱器１２で蒸発した熱媒体ｃの上昇力によって循環路１１内で熱媒体ｃが自然循環する。本実施形態において、循環路１１を流れる熱媒体ｃとしてＣＯ２とジメチルエーテルとからなる熱媒体を用いたことによる作用効果は前記第１実施形態と同一である。さらに加えて、図２の実施例２又は４に示すように、ＣＯ２のみの場合よりも、循環量が同じでも集熱温度を上昇できるとともに、集熱量を増大することができる。
［実施形態３］
【００４７】
次に本発明の第３実施形態を図９に基づいて説明する。図９は、スターリングサイクルの冷却部でつくった冷熱を冷蔵庫の冷熱源として利用するスターリング冷凍機の二次冷媒として本発明の熱媒体（ＣＯ２に対してモル比で７〜３５％のジメチルエーテルを添加したもの）を用いた場合の実施形態である。図９において、ＣＯ２とジメチルエーテルとからなる二次冷媒ｒ２が流れる冷媒循環管路２２が設けられている。冷媒循環管路２２の一端はスターリング冷凍機２１の冷却部２１ａに接続され、もう一方の端部は冷蔵庫２３の冷却部２４に配設されている。
【００４８】
冷却部２４に配設された冷媒循環管路２２には放冷用のフィン２５が取り付けられている。また、ファン２６によって冷蔵庫２３内に循環流ｂを形成して、冷蔵庫２３内の雰囲気がフィン２５に当るようになっている。スターリング冷凍機２１の冷却部２１ａには図示しないシリンダ状の膨張空間が設けられている。該膨張空間で膨張されて冷却された一次冷媒により冷却された二次冷媒ｒ２は、冷媒循環管路２２を通って冷蔵庫２３内の冷却部２４に達する。冷却部２４では、冷媒放冷用フィン２５を介し冷媒の冷熱により冷蔵庫２３内を冷却する。
【００４９】
二次冷媒ｒ２は冷蔵庫２３の冷却部２４で冷蔵庫２３内の熱を吸収して蒸発した二次冷媒ｒ２が冷却部２４の出口側配管２２ａで上昇力ｕを形成する。スターリングサイクルの冷却部２１ａで二次冷媒ｒ２を冷却して液化し、液状の二次冷媒ｒ２が冷蔵庫２３の冷却部２４に流入して蒸発し、その上昇力ｕによりスターリング冷凍機２１の冷却部２１ａに戻る。これにより二次冷媒ｒ２は無動力で自然循環を行なう。本実施形態によれば、二次冷媒ｒ２としてＣＯ２に対してモル比で７〜３５％のジメチルエーテルを添加した冷媒を用いたことにより、前記第１実施形態と同一の作用効果を得ることができる。
【００５０】
なお、スターリング冷凍機の加熱部でつくった熱を利用した暖房装置も可能である。この場合は、蒸発した二次冷媒の上昇力と液化した二次冷媒液が形成する液ヘッドにより自然循環を可能とする。
本発明の前記熱媒体は、流動性が良く、高圧低温でも粘性が低下しないので、流動負荷を小さくできるので、自然循環を容易に形成することができる。また、ジメチルエーテルの添加量を７〜３５モル％としたことにより、可燃域にはならないので、安全性の面で制約がない。従って、利便性を向上することができる。
［実施形態４］
【００５１】
次に本発明の第4実施形態を図１０に基づいて説明する。図１０において、熱媒体循環路３１には本発明に係る熱媒体ｃ（ＣＯ２に対してジメチルエーテルをモル比で７〜３５％添加したもの）が流れている。蒸発器３３で構成される蒸発部３２では外部の熱を導入して熱媒体ｃを蒸発させ、蒸発部３２の出口側循環流路３１で超臨界状態を形成する。蒸発した熱媒体ｃは液化器３４で放熱して液化する。熱媒体ｃが放熱した熱は冷凍機３５、例えば吸収冷凍機等の熱源として使用される。なお、蒸発器３３の上流側には流路切換え用兼流量調整弁３６が介設されている。
【００５２】
本実施形態は、液化器３４より蒸発部３２が低位置に設置され、液化器３４の出口側循環流路３１ａが上下方向に配置されて、液化器３４の出口側で液ヘッドＨを形成可能に構成されている。該液ヘッドＨと、蒸発部３２で蒸発した熱媒体ｃの上昇力により熱媒体ｃの自然循環が形成される。本実施形態において、本発明の熱媒体ｃを用いたこと及び熱媒体ｃの自然循環を形成したことによる作用効果は、前記第１実施形態と同様である。
［実施形態５］
【００５３】
次に本発明の第５実施形態を図１１に基づいて説明する。図１１において、熱媒体ｃの循環流路４１に複数の蒸発器４３で構成された蒸発部４２と液化器４４が介設されている。本実施形態は、設置場所の制約により蒸発部４２の設置場所が高所であり、液化器４４の出口側に形成された液ヘッドＨのみでは自然循環の形成が容易でない場合の実施形態である。そのため、循環流路４１に熱媒体ｃの自然循環を補助するための補助ポンプ４５を介設している。なお、蒸発器４３の上流側には流路切換え用兼流量調整弁４７が介設されている。
【００５４】
本実施形態では、液ヘッドＨと補助ポンプ４５の助けによって熱媒体ｃの循環が形成される。熱媒体ｃが蒸発部４２に導入され、蒸発部４２で熱媒体ｃは外部から熱を吸収し、蒸発部４２の出口側で熱媒体ｃは液体又は気体の状態で液化器４４に移送される。液化器４４では、熱媒体ｃの潜熱が冷凍機４６、例えば吸収冷凍機等の熱源として吸収される。液化器４４で潜熱が吸収された熱媒体ｃは液化し、液化器４４に貯留された後、ポンプ４５により蒸発部４２に移送される。
【００５５】
本実施形態では、熱媒体ｃとして、ＣＯ２にモル比で７〜３５％のジメチルエーテルを添加した熱媒体を用いている。そのため、補助ポンプ４５の動力を必要とする点を除き、前記第１実施形態と同一の作用効果を得ることができる。
［実施形態６］
【００５６】
次に本発明の第6実施形態を図１２に基づいて説明する。本実施形態は、本発明の冷媒を二次冷媒として冷房装置５０に適用した場合の実施形態である。図１２において、冷凍機５１には一次冷媒ｒ１が流れる一次循環流路５２に一次冷凍サイクルが構成され、循環流路５２は熱交換器５３に接続されている。一方、熱交換器５３と熱負荷５５（空調対象空間ｒ）との間には二次冷媒ｒ２が流れる二次循環流路５４（二次冷凍サイクル）が接続されている。二次冷媒ｒ２はポンプ５６によって強制循環される。
【００５７】
二次冷媒ｒ２は本発明の構成を有する冷媒である。熱交換器５３で一次冷媒ｒ１が二次冷媒ｒ２から熱を奪って蒸発することにより、二次冷媒ｒ２が冷却される。冷却された二次冷媒ｒ２は熱負荷５５（空調対象空間ｒ）を冷却する。二次冷媒ｒ２は液状のまま循環流路５４を循環され、冷房機５０は二次冷媒ｒ２の顕熱利用の冷房機である。
【００５８】
本実施形態によれば、二次冷媒ｒ２として本発明の熱移動媒体（ＣＯ２にジメチルエーテルをモル比で７〜５０％添加したもの）を用いたので、図１の実施例１，２及び６に示すように、臨界温度が上昇するため、凝縮温度が上昇して凝縮しやすくなる。そのため、常温の水又は空気で凝縮できるので、利便性が向上する。逆に飽和圧力が減少するので、作動圧が低減し、そのため、二次循環流路５４及び二次循環流路５４に介設された機器類を低圧仕様とすることができ、装置費を低減することができる。
また、ＣＯ２の融点−５６．６℃に対して、ジメチルエーテルの融点は−１４６℃であり、ジメチルエーテルの添加により、融点がさらに低下するため、低温域の使用では、−５６℃以下の二次冷媒を用いた熱移動装置も可能である。
【００５９】
また、図２の実施例２，４及び５に示すように、熱保有量が増加するので、それにより熱移動量も増加する。このため、強制循環において熱量の移送効率が向上する。さらに、不燃性又は弱燃性であるため、安全である。ジメチルエーテルの添加量を１〜１２モル％とすれば、不燃性となるので、屋内又は閉鎖空間に配設される冷房装置でも発火の危険性がない。
［実施形態７］
【００６０】
次に本発明の第７実施形態を図１３に基づいて説明する。図１３において、冷凍機６１には一次冷媒ｒ１が流れる一次循環流路６２に一次冷凍サイクルが構成され、循環流路６２は熱交換器６３に接続されている。一方、二次循環流路６４（二次冷凍サイクル）には二次冷媒ｒ２が流れ、二次冷媒ｒ２は本発明にかかる冷媒（ＣＯ２にモル比でジメチルエーテルを１〜１２％添加したもの）である。
【００６１】
二次循環流路６４には、熱交換器６３のほかに、圧縮機６５、蒸発器６６及び膨張弁６７が介設され、二次冷凍サイクルを構成している。熱交換器６３で一次冷媒ｒ１に蒸発潜熱を奪われて二次冷媒ｒ２は−２０℃に冷却される。一方、二次循環流路６４の蒸発器６６では、二次冷媒ｒ２が熱負荷６８から蒸発潜熱を奪い、熱負荷６８を−４０〜−５０℃又は−５６℃以下に冷却することができる。このように、本実施形態は二元冷凍サイクルをもつカスケード冷凍機６０を構成している。
【００６２】
本実施形態によれば、二次冷媒ｒ２がＣＯ２に対してモル比で１〜１２％のジメチルエーテルが添加されているので、流動性に優れ、ＣＯ２にジメチルエーテルを添加することにより、流動性及び循環性を維持しながら、凝縮温度が上昇し、飽和圧力が減少する。飽和圧力が減少するため、設計上の耐圧強度を低減できるので、イニシャルコストを低減することができる。
また、二次冷媒ｒ２が不燃性を有するので、屋内又は密閉空間での使用が可能であり、利便性が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明によれば、冷凍設備又はヒートポンプ設備等の伝熱装置において、ＣＯ２にジメチルエーテルを添加した熱移動媒体を用いることにより、熱効率を向上させ、利便性を向上させ、かつ安全な伝熱装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施例（臨界温度上昇試験）を示す図表である。
【図２】本発明の実施例（物性・熱保有量比較）を示す図表である。
【図３】本発明の実施例（自然循環；集熱比較）を示す図表である。
【図４】本発明の実施例（蒸発器伝熱試験）を示す図表である。
【図５】本発明の実施例（燃焼安全評価）を示す図表である。
【図６】本発明の実施例（自然循環の粘性抵抗）を示す図表である。
【図７】本発明の第１実施形態の系統図である。
【図８】本発明の第２実施形態の系統図である。
【図９】本発明の第３実施形態の系統図である。
【図１０】本発明の第４実施形態の系統図である。
【図１１】本発明の第５実施形態の系統図である。
【図１２】本発明の第６実施形態の系統図である。
【図１３】本発明の第７実施形態の系統図である。
【符号の説明】
【００６５】
１      暖房装置（熱移動設備）
２，１１，３１，４１    熱媒体循環路（自然循環式ヒートポンプサイクル）
３      蒸発器
４      熱回収部
５，６    伝熱管
１０      太陽熱集熱装置（熱移動設備）
１２      集熱器
１３，５３，６３    熱交換器
２１      スターリング冷凍機
２２      二次冷媒循環管路
２３      冷蔵庫（熱負荷）
３２，４２    蒸発部
３４，４４      液化器
４５      補助ポンプ
５０      冷房装置（熱移動設備）
５２，６２    二次循環流路（一次ヒートポンプサイクル）
５３，６３    熱交換器
５５，６８      熱負荷
６０      カスケード冷凍機（熱移動設備）
ｃ      熱媒体（熱移動媒体）
Ｈ      液ヘッド
ｒ１      一次冷媒
ｒ２      二次冷媒（二次伝熱媒体）
ｕ      上昇力
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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