JP2000337785A

JP2000337785A - 空調冷凍装置

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Publication number: JP2000337785A
Application number: JP11145617A
Authority: JP
Inventors: Shozo Funakura; 正三船倉; Mitsuharu Matsuo; 光晴松尾; Norio Okakura; 典穂岡座; Fumitoshi Nishiwaki; 文俊西脇; Yuji Yoshida; 雄二吉田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-05-25
Filing date: 1999-05-25
Publication date: 2000-12-08

Abstract

(57)【要約】【課題】２次冷媒システムは、２次冷媒と間接的に熱
交換する工程を含むため、冷熱を発生する１次冷凍サイ
クル側において、圧縮機の圧縮エネルギーが増大する。
また氷蓄冷においては、その生成温度が０℃以下のた
め、冷熱を発生する１次冷凍サイクルの低圧部の蒸発温
度をさらに低下させる必要があり、圧縮機の圧縮エネル
ギーが増大する。【解決手段】少なくとも圧縮機２、四方弁３、第１熱
交換器４および絞り装置５を有する１次冷凍サイクル
と、二酸化炭素と水あるいは炭化水素と水を媒体として
蓄冷あるいは蓄熱を行う蓄冷熱部１とを備え、蓄冷熱部
１は、蓄冷時には媒体と１次冷凍サイクルの冷媒とが直
接接触して熱交換するように接続され、蓄熱時には媒体
と１次冷凍サイクルの冷媒とが直接接することなく第２
熱交換器７で熱交換をするように、１次冷凍サイクルに
接続されていることを特徴とする空調冷凍装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空調冷凍装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の空調冷凍装置における作動媒体
は、オゾン層に対する有害な影響があるとされる従来の
ＣＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒から、オゾン層に対する脅威
がない代替冷媒とされるＨＦＣ冷媒や炭化水素に移行さ
れつつある。

【０００３】例えば、冷凍用の作動媒体は、ＣＦＣ冷媒
のＲ１２から、ＨＦＣ冷媒のＲ１３４ａや、炭化水素の
Ｒ６００ａ（イソブタン）、ＲＣ２７０（シクロプロパ
ン）、Ｒ２９０（プロパン）の各単一冷媒やこれらの混
合冷媒への移行が提案されている。

【０００４】また空調用の作動媒体は、ＨＣＦＣ冷媒の
Ｒ２２から、ＨＦＣ冷媒のＲ３２、Ｒ１２５、Ｒ１３４
ａ等の混合冷媒や、炭化水素のＲ２９０（プロパン）、
Ｒ１２７０（プロピレン）や、Ｒ１７０（エタン）との
混合冷媒への移行が提案されている。

【０００５】ここで、ＨＦＣ冷媒は、不燃性のＲ１２５
やＲ１３４ａを選択することや、弱燃性のＲ３２に不燃
性のＲ１２５やＲ１３４ａを混合した混合冷媒とするこ
とによって、万一冷媒が漏洩した場合の引火の可能性を
低減できるという利点をもつものの、物質としての地球
温暖化係数が大きいという欠点をもつ。

【０００６】一方、炭化水素は、物質としての地球温暖
化係数は小さいものの、Ｒ６００ａ、ＲＣ２７０、Ｒ２
９０、Ｒ１２７０、Ｒ１７０のいづれもが強燃性であ
り、これらを混合した混合冷媒も強燃性であるという不
都合をもつ。

【０００７】また、従来から用いられてきたアンモニア
冷媒は、物質としての地球温暖化係数はほとんどないも
のの、弱燃性という欠点の他に、毒性といった面で不都
合をもつ。

【０００８】従って、今後の空調冷凍装置においては、
地球温暖化防止に貢献し、かつ、万一冷媒が漏洩した場
合の引火の可能性を低減できる機器構成を実現すること
が重要となる。

【０００９】また、夏季シーズン中の冷房のための空調
機の使用は、主に日中、多量のエネルギーを要求するた
め、オフピークである夜間の電力を利用できる空調冷凍
装置が望まれている。夜間の電力を利用する空調冷凍装
置は、夜間のオフピーク時に、蓄冷槽において冷凍され
ている作動媒体を用いて日中に空調冷凍を行うものであ
る。これらに対応する空調冷凍装置としては、図４のよ
うな２次冷媒として水等の別の冷媒を用いる２次冷凍サ
イクルと、１次冷凍サイクルと間接的に熱交換して（１
次冷凍サイクルの冷媒と２次冷凍サイクルの冷媒とが直
接接することなく熱交換して）氷蓄冷する２次冷媒シス
テムの機器構成が、一般に利用されている。図４におい
て、符号２１は蓄冷媒体として作用する水が封入された
氷蓄冷槽であり、また圧縮機２２、凝縮器２３、絞り装
置２４、氷蓄冷槽２１内の水と間接的に熱交換する蒸発
器２５、アキュムレータ２６を配管接続して内部には冷
媒として一般にはＨＣＦＣ２２が封入され、さらに氷蓄
冷槽２１に氷として蓄冷された蓄冷エネルギーを負荷２
７に循環させるポンプ２８から２次冷凍サイクル２９を
構成する周知の氷蓄冷空調冷凍装置である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、２次冷
媒システムは、２次冷媒と間接的に熱交換する工程を含
むため、冷熱を発生する１次冷凍サイクル側において、
直膨システムに比べて圧縮機の圧縮エネルギーが増大す
る。また氷蓄冷においては、その生成温度が０℃以下の
ため、冷熱を発生する１次冷凍サイクルの低圧部の蒸発
温度をさらに低下させる必要があり、圧縮機の圧縮エネ
ルギーが増大する。この観点から、従来の２次冷媒シス
テムは地球温暖化防止に貢献することが困難なものであ
った。

【００１１】本発明は、上述した課題を考慮し、ホスト
溶液として水を含み、ゲスト分子として地球環境への影
響が小さく無毒、かつ低コストの二酸化炭素あるいは炭
化水素を含むクラスレート（包接化合物またはハイドレ
ードともいう）生成媒体を、蓄冷用の媒体として用いる
ことによって、効率よく蓄冷および放冷が行えるととも
に、蓄熱および放熱も行える空調冷凍装置を提供するこ
とを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】第１の本発明（請求項１
に記載の本発明に対応）は、少なくとも圧縮機、四方
弁、第１熱交換器および絞り装置を有する１次冷凍サイ
クルと、二酸化炭素と水あるいは炭化水素と水を媒体と
して蓄冷あるいは蓄熱を行う蓄冷熱部とを備え、前記蓄
冷熱部と前記１次冷凍サイクルとの接続構成は、蓄冷時
には前記媒体と前記１次冷凍サイクルの冷媒とが直接接
触して熱交換するように、また蓄熱時には前記媒体と前
記１次冷凍サイクルの冷媒とが直接接することなく第２
熱交換器で熱交換をするようになっていることを特徴と
する空調冷凍装置である。

【００１３】第２の本発明（請求項２に記載の本発明に
対応）は、１次冷凍サイクルは、凝縮器として作用する
第１熱交換器の出口側ラインあるいは第２熱交換器の出
口側ラインと圧縮機の吸入ラインとの熱交換を行う熱交
換手段を有することを特徴とする第１の本発明の空調冷
凍装置である。

【００１４】第３の本発明（請求項３に記載の本発明に
対応）は、媒体が二酸化炭素と水の場合には１次冷凍サ
イクルの冷媒は二酸化炭素であり、媒体が炭化水素と水
の場合には１次冷凍サイクルの冷媒は炭化水素であるこ
とを特徴とする第１または第２の本発明の空調冷凍装置
である。

【００１５】第４の本発明（請求項４に記載の本発明に
対応）は、蓄冷時には蓄冷熱部内の媒体の温度および圧
力を、媒体のクラスレートの臨界分解点である特定温度
および圧力以下で、かつ、媒体の飽和圧力線とクラスレ
ート生成限界線で挟まれたクラスレート生成範囲に制御
する制御手段を備えることを特徴とする第１〜第３のい
ずれかの本発明の空調冷凍装置である。

【００１６】なお、クラスレートとは、「原子または分
子が結合してできた三次元構造の内部に適当な大きさの
空孔があって、その中に他の原子または分子が入り込ん
で特定の結晶構造を形成する物質」とされている。ホス
ト溶液は、三次元構造の骨格を作る物質であり、一般的
には水が用いられる。ゲスト分子は、骨格の内部を満た
し、クラスレートの氷構造を安定化させ、氷生成温度
（０℃）よりもはるかに高い温度での生成を可能とす
る。クラスレートの構造は、通常、ゲスト分子の大きさ
に依存し、その生成条件と消滅条件（温度、圧力および
臨界分解点）は、個別のゲスト分子によって異なる。

【００１７】図１は、一例として二酸化炭素のクラスレ
ート生成条件を、縦軸をｌｏｇスケール表示された圧
力、横軸を温度とする座標平面で一般的に表したもので
ある。クラスレートの生成条件である二酸化炭素の圧力
と温度を変化させてクラスレート生成の可否を調査した
結果、図１の２本の直線で挟まれた斜線掛け部の範囲で
のみ、クラスレートが生成されうることが確認されてい
る（以下、この範囲を「クラスレート生成範囲」と呼
ぶ）。上側の線は、当該二酸化炭素の飽和液圧力線であ
り、下側の線は、一定圧力下で最も高温となるクラスレ
ート生成点を結んだクラスレート生成限界線である。前
記クラスレート生成限界線と前記飽和液圧力線の交点は
臨界分解点と呼ばれている。この臨界分解点は、０℃よ
りもはるかに高い温度に相当し、この温度以上であれ
ば、いかなる圧力においても、クラスレートを生成する
ことはない。

【００１８】第５の本発明（請求項５に記載の本発明に
対応）は、媒体を冷媒とし、少なくとも、放冷あるいは
放熱を行う負荷およびその負荷へ媒体を搬送するための
ポンプを有し、蓄冷熱部、負荷およびポンプによって冷
凍サイクルを構成する２次冷凍サイクルを備えることを
特徴とする第１〜第４のいずれかの本発明の空調冷凍装
置である。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照して説明する。

【００２０】まず、以下で説明する本発明の実施の形態
に用いる、二酸化炭素のクラストレート生成を例として
説明する。クラスレート生成の際にゲスト分子となる二
酸化炭素の臨界分解点は、Felix Franks："Water -
A Comprehensive Treatise", Plenum Press (197
3)の第１２３頁の表１中に、Ｑ₂における温度と圧力と
して示されているように、温度９．９℃、圧力４４．４
ａｔｍである。二酸化炭素の沸点は０℃以下であり、水
と二酸化炭素で生成されるクラスレート（０℃以上）の
蒸気圧は、大気圧より高くなる。

【００２１】また、以下で説明する本発明の実施の形態
に用いる、炭化水素のクラストレート生成について説明
する。クラスレート生成の際にゲスト分子となる炭化水
素として例えばプロパンの臨界分解点は、Felix Frank
s："Water - A Comprehensive Treatise", Plenum
Press (1973)の第１２４頁の表１中に、Ｑ₂における
温度と圧力として示されているように、温度５．７℃、
圧力５．４５ａｔｍである。プロパンの沸点は０℃以下
であり、水とプロパンで生成されるクラスレート（０℃
以上）の蒸気圧は、大気圧より高くなる。

【００２２】従って蓄冷熱部が二酸化炭素あるいは炭化
水素（例えばプロパン）の臨界分解圧力以下で、臨界分
解温度以下に制御されているとき、クラスレートを生成
する。

【００２３】さらに、水と二酸化炭素からなるクラスレ
ート生成媒体あるいは水と炭化水素からなるクラスレー
ト生成媒体には、クラスレート生成を促進するための助
ガスや界面活性剤、および融点を変化させたり、クラス
レートを安定化させるための添加剤を混合してもよいこ
とはもちろんのことである。以上に加えて、酸化防止
剤、耐熱安定剤、紫外線吸収剤、防かび剤等を加えるこ
とも差し支えない。また、水とクラスレートからなる２
次冷媒を循環させるに際して、機器壁で氷結するのを防
止するための氷結防止剤を加えることも差し支えない。

【００２４】（第１の実施の形態）図２は、本発明の第
１の実施の形態における空調冷凍装置を示す構成図であ
る。

【００２５】第１の実施の形態における空調冷凍装置で
は、クラスレートが生成貯蔵される蓄冷熱部１は、水で
満たされており、蓄冷熱槽として用いられる。ゲスト分
子は二酸化炭素である。

【００２６】１次冷凍サイクルは、ゲスト分子として二
酸化炭素を含む蓄冷熱部１と蓄冷時に直接的に接続さ
れ、２次冷凍サイクルの媒体から二酸化炭素のみが分離
されるため、１次凍サイクルの冷媒は二酸化炭素とな
る。

【００２７】この空調冷凍装置の１次冷凍サイクルは、
圧縮機２、四方弁３、第１熱交換器４、第１絞り装置
５、蒸発器に置き換えられた蓄冷熱部１を配管接続し、
第１熱交換器４と第１絞り装置５の間を分岐して第２絞
り装置６、蓄冷熱部１内の媒体である水と二酸化炭素と
１次冷凍サイクルの冷媒である二酸化炭素とを間接的に
熱交換させる第２熱交換器７を介して蓄冷熱部１と四方
弁３との間に配管接続し、さらにその接続部と蓄冷熱部
１の間に第１開閉弁８を設けている。

【００２８】第１絞り装置５出口の一方は、クラスレー
トが生成貯蔵される蓄冷熱部１と直接接続され、蓄冷熱
部１のガス域は第１開閉弁８を介して、アキュームレー
タ７、圧縮機２の吸入ラインに接続されている。また、
第１絞り装置５と第２絞り装置６はともに絞り量可変で
あり、かつ閉止も可能な例えば電子膨張弁を用いる。

【００２９】蓄冷熱部１と直接的に接続される圧縮機２
としては、圧縮機２のシリンダーの潤滑に用いた冷凍機
油が、圧縮機２の吐出口から微量ながら排出され、蓄冷
熱部１中に溜まって圧縮機２へ戻せなくなることを避け
るために、圧縮機２の吐出口には油分離器９を用いるこ
とが望ましい。このため、圧縮機２の吐出口には油分離
器９が設けられ、冷媒と共に圧縮機２から吐出された冷
凍機油を分離して吸入側に戻すように油戻り管が接続さ
れている。

【００３０】圧縮機２としては、可能であればオイルフ
リー型でもよい。オイルフリー型圧縮機としては、小型
ではレシプロ型、大型ではスクリュー型やターボ型を利
用できる。この場合には、圧縮機２の吐出口に設けた油
分離器９や、吸入側に接続した油戻り管は、省略でき
る。

【００３１】さらに、二酸化炭素は微量の水分と反応し
て炭酸水を生成し、金属表面を腐食させる可能性があ
る。したがって、直接接続される蓄冷熱部１と圧縮機２
の間には、ゲスト分子である二酸化炭素と同時に微量の
水分が圧縮機２に吸引されることを防止するために、ド
ライヤ１０を備えている。本実施の形態においては、ア
キュームレータ１１内にドライヤ１０を配置している。

【００３２】蓄冷運転時においては、四方弁３は図２中
の点線のように設定されて、かつ第１絞り装置５は適度
な絞り量、第２絞り装置６は閉止、かつ第１開閉弁８は
開にされ、第１冷凍サイクル内の冷媒は図２中の点線矢
印で示すように循環する。すなわち、蓄冷熱部１内のゲ
スト分子である二酸化炭素のうちのガス相は、蓄冷熱部
１の上部から第１開閉弁８、四方弁３、アキュムレータ
１１を介して圧縮機２により吸引され圧縮された後、油
分離器９、四方弁３を介して第１熱交換器４に導かれて
凝縮液化する。この凝縮液は第１絞り装置５を経由して
特定圧力以下まで圧力が下がって低温の気液二相状態と
なり、蓄冷熱部１に導入される。

【００３３】ここで、低温の気液二相状態の二酸化炭素
と蓄冷熱部１内の媒体である二酸化炭素と水とが直接接
触により熱交換を行うと共に、二酸化炭素の小滴は、水
と混合して、温度が低下して臨界分解温度以下になる
と、クラスレートが生成される。クラスレート生成が完
了するとき、蓄冷熱部１はクラスレートと二酸化炭素の
ガス冷媒と水のみとなる。二酸化炭素は、１次冷凍サイ
クルの冷媒であると同時に、クラスレートのゲスト分子
として機能する。

【００３４】このとき、本実施の形態における空調冷凍
装置が、蓄冷熱部１内の二酸化炭素の温度および圧力
を、二酸化炭素クラスレートの臨界分解点である特定温
度および圧力以下で、かつ、二酸化炭素の飽和圧力線と
クラスレート生成限界線で挟まれたクラスレート生成範
囲に制御する制御手段（図示せず）を備えるとすると、
さらに効率的に蓄冷運転を行うことができる。このと
き、蓄冷熱部１内の二酸化炭素の温度および圧力の替わ
りに、１次冷凍サイクルの低圧部の温度および圧力を用
いることができることは明らかである。

【００３５】また、１次冷凍サイクルの二酸化炭素は、
２次冷凍サイクルの二酸化炭素を含む水と直接接触で熱
交換し、二酸化炭素クラスレートの臨界分解温度は０℃
よりも高いため、冷熱を発生する１次冷凍サイクルの低
圧部の蒸発温度を二酸化炭素クラスレートの臨界分解温
度近くまで上昇させ、蓄冷運転時の圧縮機の圧縮エネル
ギーを低減でき、蓄冷効率を高めて、地球温暖化防止に
貢献することができる。

【００３６】放冷運転時においては、蓄冷熱部１と直接
接続され、負荷１２とポンプ１３を介して結ぶ２次冷凍
サイクル１４が、負荷１２に冷熱を伝えるために使われ
る。水とクラスレートの２次冷媒は負荷１２に循環さ
れ、二酸化炭素のクラスレートは特定された臨界分解温
度以上に加温されて分解されて、蓄冷熱部１に帰還す
る。

【００３７】なお、放冷運転時においては、蓄冷熱部１
でのクラスレート生成速度と２次側の負荷要求能力が釣
り合うならば、１次側の圧縮機２と２次側のポンプ１３
の循環速度をインバータにより調整する如く制御しても
よいことはもちろんのことである。

【００３８】また、凝縮器として作用する第１熱交換器
４の出口を複数に分岐して、複数の第１絞り装置５を設
けて、複数の蓄冷熱部１に二酸化炭素を導入できる構成
とし、複数の第１絞り装置５を開閉制御すれば、複数の
蓄冷熱部１のクラスレート生成による冷熱貯蔵のタイミ
ングを制御することが可能となる。また、２次冷凍サイ
クル側においても、接続選択部により、いずれの蓄冷熱
部１を用いて放冷を行うかの選択が可能となる。

【００３９】蓄熱運転時においては、四方弁３は図２中
の実線のように設定されて、かつ第１絞り装置５は絞り
量小、第２絞り装置６は適度な絞り量、かつ第１開閉弁
８は閉止され、第１冷凍サイクル内の冷媒は図２中の実
線矢印で示すように循環する。すなわち、蓄冷熱部１内
のゲスト分子である二酸化炭素のうちのガス相は、蓄冷
熱部１から第１絞り装置５、第１熱交換器４、四方弁
３、アキュムレータ１１を介して圧縮機２により吸引さ
れ圧縮されて高温となった後、油分離器９、四方弁３を
介して蓄冷熱部１内に設置された第２熱交換器７に導か
れて蓄冷熱部１内部の媒体である二酸化炭素と水の混合
物に放熱して凝縮液化する。この凝縮液は第２絞り装置
６を経由して特定圧力以下まで圧力が下がって低温の気
液二相状態となり、蒸発器として作用する第１熱交換器
４で大気や循環水などの熱源から吸熱することにより蒸
発し、四方弁３、アキュムレータ１１を介して圧縮機２
により再び吸引される。

【００４０】ここで、蓄冷熱部１では、高温のガス状態
の二酸化炭素と蓄冷熱部１内の媒体である二酸化炭素と
水とが第２熱交換器７で間接的に熱交換を行うために、
蓄冷熱部１内の温度が上昇してクラスレートは生成され
ない。また、第１開閉弁８は閉止されているので、第１
開閉弁を介しての二酸化炭素の蓄冷熱部１への供給はな
く、かつ蓄冷熱部１内部は第１絞り装置５を介して１次
冷凍サイクルの低圧側と接続されるため、沸点の低い二
酸化炭素が優先的に蒸発して第１絞り装置５を介して１
次冷凍サイクル側に回収される。すなわち、蓄冷熱部１
を含む二次冷凍サイクル側の圧力上昇が抑えられて、二
次冷凍サイクルを構成する構成要素の耐圧設計が容易と
なる。同様に、媒体として炭化水素と水の混合物を用い
た場合にも、沸点の低い炭化水素が優先的に蒸発して第
１絞り装置５を介して１次冷凍サイクル側に回収され
る。すなわち、蓄冷熱部１を含む二次冷凍サイクル側に
強燃性の炭化水素が循環しないので、より安全性を向上
できる。

【００４１】放熱運転時においては、蓄冷熱部１と直接
接続され、負荷１２とポンプ１３を介して結ぶ２次冷凍
サイクル１４が、負荷１２に温熱を伝えるために使われ
る。二酸化炭素あるいは炭化水素が除去された水は第２
熱交換器７により得た温熱を負荷１２にて放熱して蓄冷
熱部１に帰還する。

【００４２】なお、放熱運転時においても、蓄冷熱部１
（第２熱交換器７）での熱交換量と２次側の負荷要求能
力が釣り合うならば、１次側の圧縮機２と２次側のポン
プ１３の循環速度をインバータにより調整する如く制御
してもよいことはもちろんのことである。

【００４３】また、複数の凝縮器として作用する第２熱
交換器７と複数の第２絞り装置６を設けて、複数の蓄冷
熱部１に蓄熱できる構成とし、複数の第２絞り装置６を
開閉制御すれば、複数の蓄冷熱部１の冷熱貯蔵のタイミ
ングを制御することが可能となる。また、２次冷凍サイ
クル側においても、接続選択部により、いずれの蓄冷熱
部１を用いて放熱を行うかの選択が可能となる。

【００４４】（第２の実施の形態）図３は、本発明の第
２の実施の形態における空調冷凍装置を示す構成図であ
り、図２と同じ構成要素には同じ番号を付している。

【００４５】第２の実施の形態における空調冷凍装置
は、１次冷凍サイクルにおいて凝縮器として作用する第
１熱交換器４あるいは第２熱交換器７の出口側と圧縮機
２の吸入側とで間接的に熱交換を行うように接続されて
いる例である。蓄冷熱部１は、水で満たされており、蓄
冷熱槽として用いられる。ゲスト分子としては、例えば
二酸化炭素を用いる。

【００４６】この空調冷凍装置の１次冷凍サイクルは、
圧縮機２、四方弁３、第１熱交換器４、第１絞り装置
５、第３熱交換器１５、第２絞り装置６、蓄冷熱部１、
第２熱交換器７等を基本構成要素としている。第３熱交
換器１５では、凝縮器として作用する第１熱交換器４あ
るいは第２熱交換器７の出口と、圧縮機２の吸入ライン
とで間接的に熱交換を行う。また、第１絞り装置５と第
２絞り装置６はともに絞り量可変であり、かつ閉止も可
能な例えば電子膨張弁を用いる。

【００４７】蓄冷運転時においては、四方弁３は図３中
の点線のように設定されて、かつ第１絞り装置５は絞り
量小、第２絞り装置６は適度な絞り量、第１開閉弁８は
開、第２開閉弁１６は閉にされ、第１冷凍サイクル内の
冷媒は図３中の点線矢印で示すように循環する。すなわ
ち、蓄冷熱部１内のゲスト分子である二酸化炭素のうち
のガス相は、蓄冷熱部１の上部から第１開閉弁８、四方
弁３、第３熱交換器１５、アキュムレータ１１を介して
圧縮機２により吸引され圧縮された後、油分離器９、四
方弁３を介して第１熱交換器４に導かれて凝縮液化す
る。この凝縮液は第１絞り装置５では絞り量小のためほ
とんど減圧されずに第３熱交換器１５で圧縮機２に吸入
される低温冷媒と間接的に熱交換されて過冷却された
後、第２絞り装置６で減圧されて低温低圧の気液二相状
態となり、蓄冷熱部１に導入される。

【００４８】ここで、低温の気液二相状態の二酸化炭素
と蓄冷熱部１内の媒体である二酸化炭素と水とが直接接
触により熱交換を行うと共に、二酸化炭素の小滴は、水
と混合して、温度が低下して臨界分解温度以下になる
と、クラスレートが生成される。クラスレート生成が完
了するとき、蓄冷熱部１はクラスレートと二酸化炭素の
ガス冷媒と水のみとなる。二酸化炭素は、１次冷凍サイ
クルの冷媒であると同時に、クラスレートのゲスト分子
として機能する。

【００４９】このとき、本実施の形態における空調冷凍
装置が、蓄冷熱部１内の二酸化炭素の温度および圧力
を、二酸化炭素クラスレートの臨界分解点である特定温
度および圧力以下で、かつ、二酸化炭素の飽和圧力線と
クラスレート生成限界線で挟まれたクラスレート生成範
囲に制御する制御手段（図示せず）を備えるとすると、
さらに効率的に蓄冷運転を行うことができる。このと
き、蓄冷熱部１内の二酸化炭素の温度および圧力の替わ
りに、１次冷凍サイクルの低圧部の温度および圧力を用
いることができることは明らかである。

【００５０】また、１次冷凍サイクルの二酸化炭素は、
２次冷凍サイクルの二酸化炭素を含む水と直接接触で熱
交換し、二酸化炭素クラスレートの臨界分解温度は０℃
よりも高いため、冷熱を発生する１次冷凍サイクルの低
圧部の蒸発温度を二酸化炭素クラスレートの臨界分解温
度近くまで上昇させ、蓄冷運転時の圧縮機の圧縮エネル
ギーを低減でき、蓄冷効率を高めて、地球温暖化防止に
貢献することができる。

【００５１】さらに１次冷凍サイクルの圧縮エネルギー
を低減させる工夫として、凝縮器として作用する第１熱
交換器４の出口と圧縮機２の吸入ラインを第３熱交換器
１５により間接的に熱交換させ、第２絞り装置６の入り
口側が容易に過冷却されるように構成していることによ
って、１次冷凍サイクルの高圧を低下させて、１次冷凍
サイクルの圧縮エネルギーを低減させて蓄冷効率を高め
て、地球温暖化防止に貢献することができる。

【００５２】放冷運転時においては、蓄冷熱部１と直接
接続され、負荷１２とポンプ１３を介して結ぶ２次冷凍
サイクル１４が、負荷１２に冷熱を伝えるために使われ
る。水とクラスレートの２次冷媒は負荷１２に循環さ
れ、二酸化炭素のクラスレートは特定された臨界分解温
度以上に加温されて分解されて、蓄冷熱部１に帰還す
る。このとき、超音波等を利用して、ゲスト分子溶液を
約１００ミクロンより小さい直径を有する粒子として、
蓄冷熱部１内に導入するとしてもよい。

【００５３】一方、蓄熱運転時においては、四方弁３は
図３中の実線のように設定されて、かつ第１絞り装置５
は適度な絞り量、第２絞り装置６は閉止、第１開閉弁８
は閉、第２開閉弁１６は開にされ、第１冷凍サイクル内
の冷媒は図３中の実線矢印で示すように循環する。すな
わち、蓄冷熱部１内のゲスト分子である二酸化炭素のう
ちのガス相は、蓄冷熱部１から逆止弁１７、第１熱交換
器４、四方弁３、第３熱交換器１５、アキュムレータ１
１を介して圧縮機２により吸引され圧縮されて高温とな
った後、油分離器９、四方弁３を介して蓄冷熱部１内に
設置された第２熱交換器７に導かれて蓄冷熱部１内部の
媒体である二酸化炭素と水の混合物に放熱して凝縮液化
する。この凝縮液は第２開閉弁１６を介して第３熱交換
器１５で圧縮機２に吸入される低温冷媒と間接的に熱交
換されて過冷却された後、第１絞り装置５で減圧されて
低温低圧の気液二相状態となり、蒸発器として作用する
第１熱交換器４で大気や循環水などの熱源から吸熱する
ことにより蒸発し、四方弁３、アキュムレータ１１を介
して圧縮機２により再び吸引される。

【００５４】ここで、蓄冷熱部１では、高温のガス状態
の二酸化炭素と蓄冷熱部１内の媒体である二酸化炭素と
水とが第２熱交換器７で間接的に熱交換を行うために、
蓄冷熱部１内の温度が上昇してクラスレートは生成され
ない。また、第１開閉弁８は閉止されているので、第１
開閉弁８を介しての二酸化炭素の蓄冷熱部１への供給は
なく、かつ蓄冷熱部１内部は逆止弁１７を介して１次冷
凍サイクルの低圧側と接続されるため、沸点の低い二酸
化炭素が優先的に蒸発して逆止弁１７を介して１次冷凍
サイクル側に回収される。すなわち、蓄冷熱部１を含む
二次冷凍サイクル側の圧力上昇が抑えられて、二次冷凍
サイクルを構成する構成要素の耐圧設計が容易となる。
同様に、媒体として炭化水素と水の混合物を用いた場合
にも、沸点の低い炭化水素が優先的に蒸発して逆止弁１
７を介して１次冷凍サイクル側に回収される。すなわ
ち、蓄冷熱部１を含む二次冷凍サイクル側に強燃性の炭
化水素が循環しないので、より安全性を向上できる。

【００５５】さらに１次冷凍サイクルの圧縮エネルギー
を低減させる工夫として、凝縮器として作用する第２熱
交換器７の出口と圧縮機２の吸入ラインを第３熱交換器
１５により間接的に熱交換させ、第１絞り装置５の入り
口側が容易に過冷却されるように構成していることによ
って、１次冷凍サイクルの高圧を低下させて、１次冷凍
サイクルの圧縮エネルギーを低減させて蓄熱効率を高め
て、地球温暖化防止に貢献することができる。

【００５６】放熱運転時においては、蓄冷熱部１と直接
接続され、負荷１２とポンプ１３を介して結ぶ２次冷凍
サイクル１４が、負荷１２に温熱を伝えるために使われ
る。二酸化炭素あるいは炭化水素が除去された水は第２
熱交換器７により得た温熱を負荷１２にて放熱して蓄冷
熱部１に帰還する。

【００５７】なお、第１の実施の形態において説明し
た、放熱運転時の１次側の圧縮機２と２次側のポンプ１
３の協調制御や、複数の蓄冷熱部１による温熱貯蔵のタ
イミング制御が、第２の実施の形態においても可能とな
ることは、もちろんのことである。

【００５８】また、二酸化炭素あるいは炭化水素のクラ
スレート生成による冷熱貯蔵時には発熱、クラスレート
分解時には吸熱作用が起こるため、複数の蓄冷熱部１を
設けて、互いに熱交換できるようにして、冷熱貯蔵と分
解時の熱回収を、複数の蓄冷熱部１間で行わせるように
してもよい。

【００５９】また、上述した第１および第２の実施の形
態における空調冷凍装置については、本発明の２次冷凍
サイクルを備えるものであるとして説明したが、これに
限るものではなく、少なくとも本発明の１次冷凍サイク
ルと蓄冷熱部とを備え、前記蓄冷熱部に蓄冷あるいは蓄
熱した冷熱あるいは温熱を別の手段により利用するもの
であってもよい。

【００６０】また、上述した第２の実施の形態における
空調冷凍装置については、蓄冷運転時、蓄熱運転時とも
に第３熱交換器１５にて過冷却を増大させるとして説明
したが、これに限るものではなく、蓄冷運転時あるいは
蓄熱運転時のみ第３熱交換器を作用させるものであって
もよい。

【００６１】また、上述した第１および第２の実施の形
態における空調冷凍装置については、第１絞り装置５、
第２絞り装置６を絞り量可変かつ閉止も可能な例えば電
子膨張弁として説明したが、これに限るものではなく、
絞り量固定の例えばキャピラリーチューブと開閉弁を組
み合わせて構成したもの等で代用したものであってもよ
い。

【００６２】また、上述した第１および第２の実施の形
態における空調冷凍装置については、主に二酸化炭素と
水を媒体として説明したが、これにこだわるものではな
く、炭化水素（クラスレートの臨界分解温度が０℃より
も高い、例えばＲ１７０、Ｒ１２７０、ＲＣ２７０、Ｒ
２９０、Ｒ６００ａなど）と水を用いてもかまわない。

【００６３】

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように、
第１の本発明（請求項１に記載の本発明に対応）では、
冷熱発生時には液化された二酸化炭素と水の混合媒体あ
るいは液化された炭化水素と水の混合媒体を２次冷凍サ
イクルの媒体として用い、ガス化するときの二酸化炭素
あるいは炭化水素の潜熱が大きいため、負荷に循環させ
る２次冷媒の循環量を減少させて、２次冷凍サイクルの
ポンプ動力を低減でき、夏期日中のピーク電力量を低減
でき、地球温暖化防止に貢献することができる。このと
き、炭化水素の強燃性の不都合については、水との混合
媒体となっているので、炭化水素単体での循環時の漏洩
よりも低減できる。

【００６４】第２の本発明（請求項２に記載の本発明に
対応）では、凝縮器の出口と圧縮機の吸入ラインを熱交
換器により熱交換すれば、絞り装置の入口側が容易に過
冷却され、１次冷凍サイクルの高圧を低下させることが
できて圧縮機の圧縮エネルギーを低減でき、特に蓄冷運
転時にはクラスレート生成による１次冷凍サイクルの低
圧の上昇と相まって、蓄冷運転時の蓄冷効率を高めて、
地球温暖化防止に貢献することができる。

【００６５】第３の本発明（請求項３に記載の本発明に
対応）では、１次冷凍サイクルが蓄冷熱部に直接接続さ
れる蓄冷時には、２次冷凍サイクルの媒体から二酸化炭
素あるいは炭化水素のみを分離して、１次冷凍サイクル
の冷媒として用いるものである。ここで１次冷凍サイク
ルの二酸化炭素あるいは炭化水素は、２次冷凍サイクル
の二酸化炭素あるいは炭化水素を含む水と直接接触で熱
交換し、二酸化炭素クラスレートや炭化水素（例えばＲ
１７０、Ｒ１２７０、ＲＣ２７０、Ｒ２９０、Ｒ６００
ａなど）クラスレートの臨界分解温度は０℃よりも高い
ため、冷熱を発生する１次冷凍サイクルの低圧部の蒸発
温度を二酸化炭素クラスレートあるいは炭化水素クラス
レートの臨界分解温度近くまで上昇させ、蓄冷時の圧縮
機の圧縮エネルギーを低減でき、蓄冷効率を高めて、地
球温暖化防止に貢献することができる。

【００６６】また、蓄冷熱部が、蓄冷熱部の媒体と１次
冷凍サイクルの冷媒とが直接接することなく熱交換をす
る蓄熱時には、１次冷凍サイクルの冷媒として二酸化炭
素を用いた場合にも蓄冷熱部内が高圧状態となることを
防止できて蓄冷熱部破裂などの危険性を低減できる。あ
るいは１次冷凍サイクルの冷媒として炭化水素を用いれ
ば、１次冷凍サイクルの圧力を低減することができるだ
けでなく、２次冷凍サイクルの媒体から強燃性の炭化水
素のみを分離して１次冷凍サイクルに回収することがで
き、炭化水素の強燃性の欠点については、負荷側と切り
離されているため、大いに低減できる。

【００６７】第４の本発明（請求項４に記載の本発明に
対応）では、水と二酸化炭素あるいは水と炭化水素の直
接接触から作られたクラスレートを、空調冷凍装置の適
当な蓄冷材や作動媒体として用いるものである。すなわ
ち二酸化炭素クラスレートあるいは炭化水素クラスレー
トの臨界分解温度が０℃よりも高いため、冷熱を発生す
る１次冷凍サイクルの低圧部の蒸発温度を氷蓄冷に比べ
て上昇させ、蓄冷時の圧縮機の圧縮エネルギーを低減で
き、蓄冷効率を高めて、地球温暖化防止に貢献すること
ができる。

【００６８】第５の本発明（請求項５に記載の本発明に
対応）では、蓄冷熱部の冷熱あるいは温熱を蓄冷熱部か
ら離れた負荷へ効率よく搬送できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】二酸化炭素のクラスレート生成条件を示す座標
図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態における空調冷凍装
置を示す構成図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態における空調冷凍装
置を示す構成図である。

【図４】従来の氷蓄冷空調冷凍装置を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１蓄冷熱部２圧縮機３四方弁４第１熱交換器５第１絞り装置６第２絞り装置７第２熱交換器８第１開閉弁９油分離器１０ドライヤ１１アキュムレータ１２負荷１３ポンプ１４２次冷凍サイクル１５第３熱交換器１６第２開閉弁１７逆止弁２１氷蓄冷槽２２圧縮機２３凝縮器２４絞り装置２５蒸発器２６アキュムレータ２７負荷２８ポンプ２９２次冷凍サイクル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡座典穂大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者西脇文俊大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者吉田雄二大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 3L092 TA11 TA16 UA02 UA03 UA24 UA33 VA02 VA07 WA05 WA15 XA28

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも圧縮機、四方弁、第１熱交換
器および絞り装置を有する１次冷凍サイクルと、二酸化
炭素と水あるいは炭化水素と水を媒体として蓄冷あるい
は蓄熱を行う蓄冷熱部とを備え、前記蓄冷熱部と前記１次冷凍サイクルとの接続構成は、蓄冷時には前記媒体と前記１次冷凍サイクルの冷媒とが
直接接触して熱交換するように、また蓄熱時には前記媒
体と前記１次冷凍サイクルの冷媒とが直接接することな
く第２熱交換器で熱交換をするようになっていることを
特徴とする空調冷凍装置。
【請求項２】前記１次冷凍サイクルは、凝縮器として
作用する前記第１熱交換器の出口側ラインあるいは前記
第２熱交換器の出口側ラインと前記圧縮機の吸入ライン
との熱交換を行う熱交換手段を有することを特徴とする
請求項１記載の空調冷凍装置。
【請求項３】前記媒体が二酸化炭素と水の場合には前
記１次冷凍サイクルの冷媒は二酸化炭素であり、前記媒
体が炭化水素と水の場合には前記１次冷凍サイクルの冷
媒は炭化水素であることを特徴とする請求項１または２
に記載の空調冷凍装置。
【請求項４】蓄冷時には前記蓄冷熱部内の前記媒体の
温度および圧力を、前記媒体のクラスレートの臨界分解
点である特定温度および圧力以下で、かつ、前記媒体の
飽和圧力線とクラスレート生成限界線で挟まれたクラス
レート生成範囲に制御する制御手段を備えることを特徴
とする請求項１〜３のいずれかに記載の空調冷凍装置。
【請求項５】前記媒体を冷媒とし、少なくとも、放冷
あるいは放熱を行う負荷およびその負荷へ前記媒体を搬
送するためのポンプを有し、前記蓄冷熱部、前記負荷お
よび前記ポンプによって冷凍サイクルを構成する２次冷
凍サイクルを備えることを特徴とする請求項１〜４のい
ずれかに記載の空調冷凍装置。