(57)【要約】【課題】約３１℃以上の中温の被加熱流体を高温に加熱する場合において、成績係数の低下、冷凍サイクル装置の運転効率の低下を防止することを目的とする。【解決手段】二酸化炭素とジフルオロメタンを含む混合作動流体であって、二酸化炭素が実質的に８０重量％以上である混合作動流体およびそれを用いた冷凍サイクル装置で、冷凍サイクル装置は、圧縮機１１、放熱器１２、減圧器１３、蒸発器１４を備えた冷凍サイクル装置であり、混合作動流体の特性により、中温の被加熱流体を高温に加熱する場合の成績係数の低下を抑制できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素とジフルオロメタンを含む混合作動流体であって、前記二酸化炭素は、実質的に８０重量％以上である混合作動流体。
【請求項２】
二酸化炭素と１、１−ジフルオロエタンを含む混合作動流体であって、前記二酸化炭素は、実質的に９５重量％以上である混合作動流体。
【請求項３】
圧縮機、放熱器、減圧器、蒸発器を備え、請求項１または２に記載の混合作動流体を用いることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項４】
放熱器での混合作動流体の圧力が、混合作動流体の臨界圧力以上で運転されることを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
放熱器に流入する被加熱流体の温度が、３１℃以上であることを特徴とする請求項３または４に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
放熱器で加熱した被加熱流体に蓄熱した熱により床暖パネルを加熱し、床暖房を行うことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば冷凍サイクル装置用冷媒として利用される混合作動流体およびそれを用いた冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、冷凍サイクル装置は、圧縮機、必要に応じて四方弁、放熱器（または凝縮器）、キャピラリーチューブや膨張弁等の減圧器、蒸発器、等を配管接続して冷凍サイクルを構成し、その内部に冷媒を循環させることにより、冷却または加熱作用を行っている。
【０００３】
これらの冷凍サイクル装置における冷媒としては、フロン類と呼ばれるメタンまたはエタンから誘導されたハロゲン化炭化水素が知られている。
【０００４】
上記のような冷凍サイクル装置用冷媒としてはＲ２２（クロロジフルオロメタン、ＣＨＣｌＦ２、沸点−４０．８℃、臨界温度９６．２℃、臨界圧力４．９９ＭＰａ）などが用いられてきた。このＲ２２は塩素と水素を含むフッ化炭化水素類（ＨＣＦＣ冷媒）であり、成層圏オゾン破壊能力があるため、すでにモントリオール議定書によって使用量及び生産量の規制が決定されている。 
【０００５】
近年、冷凍サイクルを利用した加熱機器の一つであるヒートポンプ給湯機の分野では、Ｒ２２の代替冷媒として、二酸化炭素（ＣＯ２、Ｒ７４４、沸点−７８．４℃、臨界温度３１．１℃、臨界圧力７．３８ＭＰａ）が注目されている。二酸化炭素を用いた冷凍サイクル装置では、凝縮過程を含まない遷臨界サイクルとなりうること、超臨界域を使用することで、低温の被加熱流体（例えば、水）を高温に加熱する用途に適していること、すなわち、低温の被加熱流体を高温に加熱する場合の成績係数（ＣＯＰ）が高いことが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
また、二酸化炭素は、地球環境問題においても、成層圏オゾンを破壊せず、地球温暖化に対する影響を示す地球温暖化係数（以下ＧＷＰと記す）は１で、Ｒ２２のＧＷＰの１５００と比較すると格段に小さい、優れた冷媒である。
【非特許文献１】斉川、橋本、ヨハネス、「第３４回日本伝熱シンポジウム講演論文集」、１９９７年、ｐ５０５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、二酸化炭素は臨界温度が約３１℃と低いために、約３１℃以上の中温の被加熱流体を高温に加熱する場合には、成績係数が低下し、冷凍サイクル装置の運転効率が低下するという課題があった。
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、中温の被加熱流体を高温に加熱する場合でも、成績係数の低下が小さい混合作動流体、および、中温の被加熱流体を高温に加熱する場合でも、冷凍サイクル装置の運転効率の低下が小さい冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記従来の課題を解決するために、本発明は、二酸化炭素とジフルオロメタンを含む混合作動流体であって、二酸化炭素が実質的に８０重量％以上である混合作動流体である。これによると、混合作動流体の特性により、中温の被加熱流体を高温に加熱する場合の成
績係数の低下を抑制できる。
【００１０】
また、本発明は、二酸化炭素と１、１−ジフルオロエタンを含む混合作動流体であって、二酸化炭素が実質的に９５重量％以上である混合作動流体である。これによると、混合作動流体の特性により、中温の被加熱流体を高温に加熱する場合の成績係数の低下を抑制できる。
【００１１】
また、本発明は、圧縮機、放熱器、減圧器、および、蒸発器を備え、上記本発明のいずれかの混合作動流体を用いることを特徴とする冷凍サイクル装置である。これによると、混合作動流体の特性により、中温の被加熱流体を高温に加熱する場合の冷凍サイクル装置の運転効率の低下を抑制できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の混合作動流体、および冷凍サイクル装置は、中温の被加熱流体を高温に加熱する場合の成績係数の低下を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
第１の発明は、二酸化炭素とジフルオロメタンを含む混合作動流体であって、二酸化炭素が実質的に８０重量％以上である混合作動流体は、その混合作動流体の特性により、中温の被加熱流体を高温に加熱する場合の成績係数の低下を抑制できる。
【００１４】
第２の発明は、二酸化炭素と１、１−ジフルオロエタンを含む混合作動流体であって、二酸化炭素が実質的に９５重量％以上である混合作動流体は、その混合作動流体の特性により、中温の被加熱流体を高温に加熱する場合の成績係数の低下を抑制できる。
【００１５】
第３の発明は、圧縮機、放熱器、減圧器、蒸発器を備え、第１または第２の発明のいずれかの混合作動流体を用いることにより、混合作動流体の特性により、中温の被加熱流体を高温に加熱する場合の冷凍サイクル装置の運転効率の低下を抑制できる。
【００１６】
第４の発明は、第３の発明において、放熱器での混合作動流体の圧力が、混合作動流体の臨界圧力以上で運転することにより、成績係数の低下を抑制しつつ、中温の被加熱流体を高温に加熱することができる。
【００１７】
第５の発明は、第３または第４の発明において、放熱器に流入する被加熱流体の温度が３１℃以上であることにより、中温の被加熱流体を高温に加熱する場合の成績係数の低下を抑制する効果が顕著となる。
【００１８】
第６の発明は、第３〜第５のいずれかの発明において、放熱器で加熱した被加熱流体に蓄熱した熱を、直接的あるいは間接的に用いて床暖パネルを加熱し、床暖房を行うことにより、中温の被加熱流体を高温に加熱する場合の成績係数の低下を抑制する効果が顕著となる。
【００１９】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。例えば、以下の実施の形態では、給湯機を例にとり説明するが、本発明が給湯機に限定されるものではなく、高温風吹き出しが可能な空気調和機などであってもよい。
【００２０】
（実施の形態１）
本実施の形態における混合作動流体は、二酸化炭素（ＣＯ２、Ｒ７４４、沸点−７８．４℃、臨界温度３１．１℃、臨界圧力７．３８ＭＰａ）と、ジフルオロメタン（ＣＨ２Ｆ
２、Ｒ３２、沸点−５１．７℃、臨界温度７８．１℃、臨界圧力５．７８ＭＰａ）とからなる２成分系の作動流体である。本実施の形態における混合作動流体を冷凍サイクル装置の冷媒として用いる場合の優れた特性を以下に示す。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
【表２】
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【００２３】
【表３】
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【００２４】
表１、表２は、二酸化炭素（Ｒ７４４）とジフルオロメタン（Ｒ３２）からなる２成分系の、二酸化炭素（Ｒ７４４）が８０重量％から１００重量％の混合作動流体（１００重量％は二酸化炭素（Ｒ７４４）単一冷媒）の加熱性能を比較したものである。
【００２５】
表１では、放熱器（または凝縮器）において冷媒と熱交換する被加熱流体（例えば水）側の条件としては、放熱器（または凝縮器）入口温度を１７℃、放熱器（または凝縮器）出口温度を９０℃とし、冷媒側の条件としては、蒸発器の蒸発温度を８℃、放熱器（または凝縮器）における被加熱流体（例えば水）と冷媒との最小温度差が２Ｋとなるように放熱器（または凝縮器）の高圧側圧力を制御して測定したものである。なお、この条件は、ヒートポンプ給湯器などの冷凍サイクル装置において、１７℃の低温の被加熱流体（例えば水）を９０℃まで加熱する場合を想定したものである。
【００２６】
このような混合作動流体は、二酸化炭素（Ｒ７４４）単一冷媒より沸点の高いジフルオロメタン（Ｒ３２）を混合することによって、二酸化炭素（Ｒ７４４）単一冷媒と比較して、高圧側圧力、低圧側圧力を低減でき、成績係数が向上できる。
【００２７】
また、表２は、放熱器（または凝縮器）において冷媒と熱交換する被加熱流体（例えば水）側の条件としては、放熱器（または凝縮器）入口温度を３５℃、放熱器（または凝縮器）出口温度を９０℃とし、冷媒側の条件としては、蒸発器の蒸発温度を８℃、放熱器（
または凝縮器）における被加熱流体（例えば水）と冷媒との最小温度差が２Ｋとなるように放熱器（または凝縮器）の高圧側圧力を制御して測定したものである。なお、この条件は、ヒートポンプ給湯器などの冷凍サイクル装置において、３５℃の中温の被加熱流体（例えば水）を９０℃まで加熱する場合を想定したものである。
【００２８】
３５℃の中温の被加熱流体を加熱する場合の表２では、１７℃低温の被加熱流体を加熱する場合の表１に比べて、二酸化炭素（Ｒ７４４）単一冷媒に対する成績係数の向上割合が大きい。すなわち、このような混合作動流体は、二酸化炭素（Ｒ７４４）単一冷媒の臨界温度（約３１℃）以上の中温の被加熱流体を高温に加熱する場合でも、二酸化炭素（Ｒ７４４）単一冷媒ほど成績係数が低下しない。これは、二酸化炭素（Ｒ７４４）単一冷媒より臨界温度の高いジフルオロメタン（Ｒ３２）を混合することによって、表３に示すように混合作動流体の臨界温度が上昇するためである。
【００２９】
二酸化炭素（Ｒ７４４）とジフルオロメタン（Ｒ３２）の２成分系においては共沸様混合物は構成せず、蒸発温度勾配を有する非共沸混合物となる。しかし、８０重量％以上の二酸化炭素（Ｒ７４４）を混合した混合物では、蒸発温度勾配はほぼ５Ｋ以下であり、非共沸性が小さい。このため、冷凍サイクル装置での使用に際し、蒸発器への霜の付着などの問題が生じにくい、扱いやすい冷媒という点では、二酸化炭素（Ｒ７４４）は８０重量％以上とするのが望ましい。
【００３０】
さらに、これらの混合物は、成層圏オゾン層に及ぼす影響がなく、表３に示すようにＧＷＰが１５０以下と小さく、地球温暖化に対する負荷も小さい。
【００３１】
なお、二酸化炭素（Ｒ７４４）とジフルオロメタン（Ｒ３２）の主たる成分以外に、若干の他の成分が含有されていても何ら問題ないものである。
【００３２】
（実施の形態２）
本実施の形態における混合作動流体は、二酸化炭素（ＣＯ２、Ｒ７４４、沸点−７８．４℃、臨界温度３１．１℃、臨界圧力７．３８ＭＰａ）と、１、１−ジフルオロエタン（ＣＨＦ２ＣＨ３、Ｒ１５２ａ、沸点−２４．０℃、臨界温度１１３．３℃、臨界圧力４．５２ＭＰａ）からなる２成分系の作動流体である。本実施の形態における混合作動流体を冷凍サイクル装置の冷媒として用いる場合の優れた特性を以下に示す。 
【００３３】
【表４】
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【００３４】
【表５】
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【００３５】
【表６】
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【００３６】
表４、表５は、二酸化炭素（Ｒ７４４）と１、１−ジフルオロエタン（Ｒ１５２ａ）からなる２成分系の、二酸化炭素（Ｒ７４４）が８０重量％から１００重量％の混合作動流体（１００重量％は二酸化炭素（Ｒ７４４）単一冷媒）の加熱性能を比較したものである。
【００３７】
表４の試験条件は、表１と同様であり、表５の試験条件は、表２と同様である。表４より、このような混合作動流体は、二酸化炭素（Ｒ７４４）単一冷媒より沸点の高い１、１−ジフルオロエタン（Ｒ１５２ａ）を混合することによって、二酸化炭素（Ｒ７４４）単一冷媒と比較して、高圧側圧力、低圧側圧力を低減でき、表４の条件では、ほぼ同等の成績係数となる。
【００３８】
また、３５℃の中温の被加熱流体を加熱する場合の表５では、１７℃低温の被加熱流体を加熱する場合の表４に比べて、二酸化炭素（Ｒ７４４）単一冷媒に対する成績係数の向上割合が大きい。すなわち、このような混合作動流体は、二酸化炭素（Ｒ７４４）単一冷媒の臨界温度（約３１℃）以上の中温の被加熱流体を高温に加熱する場合でも、二酸化炭素（Ｒ７４４）単一冷媒ほど成績係数が低下しない。これは、二酸化炭素（Ｒ７４４）単一冷媒より臨界温度の高い１、１−ジフルオロエタン（Ｒ１５２ａ）を混合することによって、表６に示すように混合作動流体の臨界温度が上昇するためである。
【００３９】
二酸化炭素（Ｒ７４４）と１、１−ジフルオロエタン（Ｒ１５２ａ）の２成分系においては共沸様混合物は構成せず、蒸発温度勾配を有する非共沸混合物となる。しかし、９５重量％以上の二酸化炭素（Ｒ７４４）を混合した混合物では、蒸発温度勾配はほぼ５Ｋ以下であり、非共沸性が小さい。このため、冷凍サイクル装置での使用に際し、蒸発器への霜の付着などの問題が生じにくい、扱いやすい冷媒という点では、二酸化炭素（Ｒ７４４）は９５重量％以上とするのが望ましい。 
【００４０】
さらに、これらの混合物は、成層圏オゾン層に及ぼす影響がなく、表６に示すようにＧＷＰが１５０以下と小さく、地球温暖化に対する負荷も小さい。
【００４１】
なお、二酸化炭素（Ｒ７４４）と１、１−ジフルオロエタン（Ｒ１５２ａ）の主たる成
分以外に、若干の他の成分が含有されていても何ら問題ないものである。
【００４２】
（実施の形態３）
図１は、本実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図であり、特に、給湯機に適用された例を示している。図１に示すように、冷凍サイクル装置１００は、主に、冷媒回路Ａ、貯湯回路Ｂ、床暖回路Ｃから構成されている。冷媒回路Ａは、冷媒を圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１で圧縮された冷媒を冷却する放熱器１２と、放熱器１２で冷却された冷媒を減圧する減圧器１３と、減圧器１３で減圧した冷媒を蒸発させる蒸発器１４とを備えている。圧縮機１１、放熱器１２、減圧器１３および蒸発器１４は、この順番で冷媒が循環するように冷媒配管によって相互に接続されている。
【００４３】
圧縮機１１には、スクロール式、レシプロ式、ロータリ式などの容積式の流体機構を採用できる。放熱器１２は、冷媒流路１２ａと水流路１２ｂとを含む水熱交換器である。蒸発器１４は、フィンチューブ型熱交換器に代表される空気熱交換器である。蒸発器１４に隣接する形でファン１７が設けられている。ファン１７は、蒸発器１４で冷媒と熱交換するべき空気（被冷却流体）を蒸発器１４に供給する。ファン１７の回転数に応じて、蒸発器１４を流通する空気の量が変化する。なお、冷凍サイクル装置１００が空気調和装置として利用される場合には、放熱器１２も空気熱交換器で構成され、被加熱流体が室内または室外の空気となる。
【００４４】
冷媒回路Ａには、二酸化炭素（Ｒ７４４）とジフルオロメタン（Ｒ３２）とからなり、二酸化炭素（Ｒ７４４）は、略８０重量％以上の二酸化炭素（Ｒ７４４）を含む混合作動流体が冷媒として充填されている。図１において、実線矢印が冷媒の流れ方向を示している。
【００４５】
貯湯回路Ｂは、第１循環ポンプ１５、放熱器１２の流体流路１２ｂ、および給湯タンク１６が、貯湯タンク１６内の被加熱流体である水または湯が循環するように水配管により相互に接続されている。さらに、貯湯タンク１６、床暖用熱交換器２０、第２循環ポンプ２１は、貯湯タンク１６内の水または湯が循環するように水配管により相互に接続されている。
【００４６】
放熱器１２と貯湯タンク１６との間における水流路には、第１循環ポンプ１５が設けられている。第１循環ポンプ１５は、放熱器１２で冷媒と熱交換するべき水を放熱器１２に送る。第１循環ポンプ１５の回転数に応じて、放熱器１２を流通する水の量が変化する。放熱器１２で加熱された水は湯となり、貯湯タンク１６に貯められる。貯湯タンク１６に貯められた湯は、出湯管１８を通って、混合弁（図示せず）などにより、適当な温度に調整さらた後、台所やお風呂などの蛇口から出湯される。貯湯タンク１６から出湯された際には、貯湯タンク１６には、給水管１９を通って、市水から低温の水が供給される。図１において、破線矢印が水（または湯）の流れ方向を示している。
【００４７】
床暖回路Ｃは、床暖用熱交換器２０、床暖パネル２２の内部に配設された循環パイプ２３、第３循環ポンプ２４が、貯湯タンク１６内の水とは異なる床暖用循環水が循環するように水配管により相互に接続されている。貯湯タンク１６の上部の湯は、第２循環ポンプ２１により、床暖用熱交換器２０に供給され、床暖用循環水と熱交換した後、貯湯タンク１６の下部または中部に戻る。一方、床暖用循環水は、第３循環ポンプ２４により、床暖用熱交換器２０に供給され、床暖用熱交換器２０で加熱された後、循環パイプ２３に流入する。循環パイプ２３を流れる湯によって、床暖パネル２２が暖められ、床暖房を行う。循環パイプ２３を流出した湯は、第３循環ポンプ２４に吸入される。
【００４８】
このような冷凍サイクル装置では、貯湯タンク１６に貯められた湯が出湯されずに、長
時間放置された場合や、床暖房が行われて、床暖用熱交換器２０から５０℃程度の湯が貯湯タンク１６の下部や中部に戻ってきた場合には、貯湯タンク１６の下部における水の温度が約３１℃以上に上昇する場合がある。このような中温の水を第１循環ポンプ１５により、放熱器１２に流入させ、放熱器１２で高温の湯に再び加熱する場合には、低温の湯を高温に加熱する場合に比べて、冷凍サイクル装置の運転効率は低下する恐れがある。しかし、本実施の形態では、冷媒として二酸化炭素（Ｒ７４４）とジフルオロメタン（Ｒ３２）とからなり、二酸化炭素（Ｒ７４４）は、略８０重量％以上の二酸化炭素（Ｒ７４４）を含む混合作動流体を用いているために、冷媒として二酸化炭素（Ｒ７４４）単一冷媒を用いた冷凍サイクル装置に比べて、運転効率の低下が小さい。したがって、約３１℃以上の中温の被加熱流体を高温に加熱する場合でも、冷凍サイクル装置の運転効率が低下する課題を解決できる。
【００４９】
なお、本実施の形態では、床暖パネル２２の循環パイプ２３へは、貯湯タンク１６内の湯とは異なる床暖用循環水が循環するものとして説明した。すなわち、本実施の形態は、貯湯タンク１６内の被加熱流体に蓄熱された熱量を間接的に用いて床暖房を行う構成である。このような構成以外に、床暖パネル２２の循環パイプ２３へは、貯湯タンク１６内の湯が直接、循環する、あるいは、放熱器１２を流出した湯が床暖パネル２２の循環パイプ２３へ直接、循環する、すなわち、被加熱流体に蓄熱された熱量を直接的に用いて床暖房を行う構成であっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上のように、本発明の混合作動流体およびそれを用いた冷凍サイクル装置は、約３１℃以上の温度で放熱器に流入する被加熱流体を、流入する温度以上の温度に加熱する給湯機、空気調和機などの用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置の構成図
【符号の説明】
【００５２】
１１  圧縮機
１２  放熱器
１３  減圧器
１４  蒸発器
１５  第１循環ポンプ
１６  貯湯タンク
１７  ファン
１８  出湯管
１９  給水管
２０  床暖用熱交換器
２１  第２循環ポンプ
２２  床暖パネル
２３  循環パイプ
２４  第３循環ポンプ 
１００  冷凍サイクル装置
【図１】
2009062471.tif 000009