JPH01312363A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、混合冷媒を用いた冷凍装置に関するものであ
る。

従来の技術 混合冷媒を用いた冷凍装置は、そのサイクル内部を循環
する冷媒の組成比率を可変とすることにより、能力制御
や性能改善を行なうことができる。

従来、特に非共沸混合冷媒を用いた冷凍装置のサイクル
内部を循環する冷媒組成を可変とする方式として、沸点
の違いを利用した精留分離方式が用いられている（例え
ば特開昭６１〜１０１７５７号公報）。

以下第５図、第６図を参照しながら、精留分離方式を用
いた冷凍装置の一例について説明する。

第５図は従来例を示す冷凍サイクル図、第６図は非共沸
混合冷媒の組成比率を変えるための精留塔の断面図であ
る。

第５図において、１は圧縮機、２は凝縮器、３は主絞り
装置、４は蒸発器で環状に接続されて主回路を構成して
いる。一方、凝縮器２の出口と精留塔６の入口とは配管
１０により接続され、加熱器５が配管１０と熱交換的に
接続されている。また、精留塔６の下部出口と主回路の
蒸発器４の入口とは副絞り装置７を介して配管１１．１
２により接続されている。また、精留塔６の上部には冷
却器８と貯留器９とが設けられ、貯留器９は配管１３．
１４により精留塔６と環状に接続されている。また、冷
却器８と配管１３とが熱交換的に接続されている。ここ
で加熱器５および冷却器８の熱源は圧縮器１の吐出ガス
および吸入ガスを用いている。冷媒は沸点差を有する２
種類の冷媒からなる非共沸混合冷媒を用いる。

第６図において、６０１は精留塔６の本体、６０２は充
填材、６０３，６０４は充填材保持具である。

以上のように構成された冷凍装置について、以下その動
作について説明する。

まず初めに精留分離をしない時について説明する。

凝縮器２から出た高圧液冷媒の一部が配管１゜により分
岐される。この時、副絞り装置７の弁開度を大きくする
と配管１０に分岐する分岐冷媒流量が増大し、加熱器５
の加熱不足となるため蒸気が発生せず、精留塔６の下部
入口より液冷媒が流入する。その結果、精留作用が進行
せず、液冷媒は精留塔６の内部を上昇し、配管１３を通
って貯留器９に入り、配管１４により蒋び精留塔６に戻
る。そして副絞り装置７により減圧されて主回路側冷媒
と合流する。

このように、貯留器９の内部の低沸点の組成比率が上昇
しないため、主回路の組成比率は冷媒充填比率に等しく
なる。

次に精留分離を行う場合について説明する。

上記の状態から副絞り装置７の弁開度を小さくしていく
と分岐冷媒流量が減少し、凝縮器２から出て分岐された
液冷媒は、加熱器５で加熱されて一部気化し精留塔６の
下部入口より流入する。このガス成分は精留塔６の中の
充填材６０２のすきまを上昇し、上部出口より配管１３
を通って冷却器８へ入り、冷却液化されて貯留器９に入
る。貯留器９と精留塔６の戻り配管１４はあらかじめ落
差Ａを設けてあり、その落差Ａにより貯留器９から液冷
媒の一部が配管１４を通って再び精留塔６に戻され充填
材６０２のすきまを下降し、途中上昇してくる蒸気と互
いに気液接触を行ない、熱交換、物質移動により精留作
用をなし、貯留器９には低沸点成分の多い冷媒が貯えら
れ、精留塔６の下部からは低沸点成分の少ない冷媒が配
管１１、副絞り装置７、配管１２を通って主回路に流入
する。

したがって、主回路の低沸点成分比率は低下し、高沸点
成分比率は上昇する。

以上のように、副絞り装置７の弁開度を制御することに
より蒸気発生量を調整して精留分離を行い、貯留器９内
部に貯えられる冷媒組成比率を変化させることにより、
主回路冷媒の組成比率を可変とすることができる。

しかしながら上記のような構成では、以下のような問題
点があった。

まず第１に、精留塔を傾けて設置すると、冷媒蒸気と液
冷媒が塔壁面を上昇、下降するため、気液接触しにくく
なり熱交換、物質移動が減少し、精留分離性能も低下す
る。したがって精留塔を垂直に設置する必要がある。

第２に、精留塔の上部戻り口と貯留器との高さ関係にお
いて、貯留器に貯えられた液が位置エネルギーにより精
留塔に戻るように、第６図に示す、　ある一定落差Ａが
必要である。

第３に、精留分離するためには加熱等を行い、精留塔下
部より冷媒蒸気を流入する必要がある。

第４に、精留分離性能を向上させるには塔の内部に充填
材を入れ、高さを増し、理論段数を大きくとる必要があ
る。

第５に精留分離時の分岐冷媒流量は、加熱器、冷却器の
能力により左右され、多すぎると上述したように精留作
用が進行しないため、流量を減少しなければならない。

このため、精留分離に時間を要する。

精留分離は沸点の違いを利用したものであるため、共沸
混合冷媒等の沸点の近いものについては使用できない。

以上、取付設置上の制約が多く、装置が大型かつ複雑化
する等の問題点があった。

上記問題点を解決するために、特定の種類の冷媒の透過
を容易とする機能膜を有する冷媒分離装置を用いた冷凍
装置を考案している。

最初に、冷媒分離に機能膜を用いることが可能であるこ
とを明らかにした実験結果について説明する。

第４図に、機能膜を用いた冷媒分離器（以下分離器とい
う）の一実施例を示す。

同図において、分離器本体１０２を網状の保持具１０４
で高圧側空間ａ、低圧側空間すに仕切り、保持具１０４
の高圧側に機能膜１０３を設置する。

また、分離器本体１０２には、高圧冷媒入口配管１０５
、出口配管１０６、透過冷媒出口配管１０７が設けられ
る。

以上のような構成の分離器において、機能膜にジメチル
シリコーンのベンゼン溶液を水上に展開し、超薄膜とし
た後、ポリプロピレンの多孔質フィルム（セラニーズ社
：ジュラガード）に転写製膜した薄膜を高分子複合膜と
して用いＲ−２２とＲ−１３８１の混合冷媒を分離する
場合について説明する。

圧縮機等により加圧された混合冷媒は入口配管１０５よ
り分離器本体１０２内の高圧側空間ａに送られる。ここ
で高圧側空間ａと低圧側空間すの圧力差によって一部の
冷媒は低圧側空間すに透過し、透過冷媒出口配管１０７
より排出される。このときＲ−２２はＲ−１３８１より
透過しやすく、透過冷媒出口配管１０７より排出される
冷媒は、入口配管１０５の冷媒組成に比べて、Ｒ−２２
の比率が上昇する。一方、機能膜１０３を透過せずに高
圧冷媒出口配管１０６より排出される冷媒組成は、Ｒ−
２２の比率が低下する。

ここで実験結果の一例を表１に示す。

表　　　　１ 上記表１においては分離器１０１の入口配管より冷媒蒸
気を流入した場合について示したが、冷媒液あるいは蒸
気と液の混合を流入しても分離できる。− このように、機能膜を用いて冷媒分離を行うことが可能
であることが明らかとなった。

なお、先の実験においては、ジメチルシリコーンのベン
ゼン溶液を水上に展開し、超薄膜とした後、ポリプロピ
レンの多孔質フィルム（セラニーズ社：ジュラガード）
に転写製膜した高分子複合膜を用いたが、ジメチルシリ
コーン以外の非孔質高分子膜材として他に天然ゴム、ポ
リエチレン、ポリ酢酸ビニル等を用いてもよい。

さらに多孔質高分子膜、生体膜などを用い、透過量の比
を利用して冷媒分離を行っても、本発明の要旨を脱する
ものではない。

以下前記機能膜を用いた冷凍サイクルの実施例について
第３図を参考に説明する。

第３図に、冷媒として、Ｒ−２２とＲ−１３８１の非共
沸混合冷媒を用い、機能膜を透過しにくいＲ−１３８１
を貯留することにより主回路の冷媒組成比率を可変とす
る場合の実施例を示す。

同図において、１１は圧縮機、１２は凝縮器、１３は主
絞り装置、１４は蒸発器で順次環状に接続されて主回路
を構成している。一方、前記構成の分離器１０１の入口
配管１０５は圧縮機１１の吐出側へ接続され、出口配管
１０６は貯留器１７、副絞り装置１８を介して圧縮機１
１の吸入側へ接続され、透過冷媒出口配管１０７は電磁
弁１９を介して圧縮機１１の吸入側に接続されている。

また透過冷媒出口配管１０６は冷却器２０と熱交換的に
接続されている。

以上のように構成された冷凍サイクルについて、以下そ
の動作を示す。

まず始めに冷媒分離をしない場合について説明する。

圧縮機１１により圧縮された冷媒蒸気は凝縮器１２によ
り冷却液化され、主絞り装置１３で減圧された後、蒸発
器１４で蒸発して圧縮機１１へ戻る。ここで電磁弁１９
を閉じ、副絞り装置１８を全閉すると、圧縮機１１から
吐出された冷媒は分離器１０１に流入せず、凝縮器１２
に流れる。したがって、サイクル内を循環する冷媒はど
の部分においても充填比率に等しくなる。

次に冷媒分離を行う場合について説明する。

上記の状態から電磁弁１９を開き、副絞り装置１８を全
閉すると、分岐された液冷媒は分離器１０１に流入し、
機能膜１０３を透過しゃすいＲ−２２は電磁弁１６を介
して圧縮機１１の吸入側に戻される。一方、機能膜１０
３を透過しにくいＲ−１３８１は貯留器１７に貯留され
る。したがって主回路のＲ−１３８１比率は低下し、Ｒ
−２２比率が上昇する。

発明が解決しようとする課題 しかしながら上記のような構成では、冷凍サイクル中の
冷凍機油が分離装置の機能膜に付着して冷媒の透過を妨
げ、冷媒の分離性能を著しく低下させるという課題を有
していた。

本発明は上記課題に鑑み、複数種類の冷媒からなる混合
冷媒と冷凍機油との混合物を、機能膜を用いて冷媒の組
成比率を可変とすることができ、また、冷媒分離の高速
化等の分離性能の向上をはかることを目的とする。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するために本発明は、複数種類の冷媒か
らなる混合冷媒と冷凍機油との混合物を封入した冷凍サ
イクルに、特定の種類の冷媒の透過を容易とする機能膜
を有する冷媒分離装置を接続し、さらに前記分離装置の
冷媒供給配管に油分離器を設けたものである。

作　　　用 本発明は上記構成により、分離装置に供給される混合物
中の油成分が油分離器により取り除かれ、機能膜に油が
付着することな（、初期の冷媒の透過状態を保つことが
できる。

実施例 機能膜を用いた分離装置の冷媒入口配管に油分離器を設
けた冷凍装置の一実施例について第１図、第２図を参考
に説明する。

まず第１図に冷凍装置の一実施例を示す。

同図において、従来例（第３図）と同一部品については
同一符号を付し、説明を省略する。主回路の圧縮器１１
の吐出側と分離器１０１の間に油分離器２１を設け、油
分離器２１の入口配管２２は主回路へ接続され、出口は
分離器１０１の入口配管１０５へ接続されている。また
、油分離器２１の油もどし配管２３は第３の絞り装置２
４を介して主回路の圧縮器１１の吸入側へ接続されてい
る。

以上のように構成された冷凍サイクルについて、以下そ
の動作を説明する。

まず始めに冷媒分離をしない場合について説明する。

圧縮機１１により圧縮された冷媒蒸気は凝縮器１２によ
り冷却液化され、主絞り装置１３で減圧された後、蒸発
器１４で蒸発して圧縮機１１へ戻る。ここで電磁弁１９
を閉じ、副絞り装置１８、第３の絞り装置２４を全閉す
ると、圧縮機１１から吐出された冷媒は油分離２１、分
離器１０１に流入せず、凝縮器１２に流れる。したがっ
て、サイクル内を循環する冷媒はどの部分においても充
填比率に等しくなる。

次に冷媒分離を行う場合について説明する。

上記の状態から電磁弁１９を開き、副絞り装置１８を全
閉し、第３の絞り装置２４を少し開くと、分岐された冷
媒蒸気は油分離器２１に流入する。

油分離器２１で油を取り除かれた冷媒は分離器１０１の
入口配管１０５を通って分離器１０１に流入し、機能膜
１０３を透過しゃすいＲ−２２は電磁弁１９を介して圧
縮機１１の吸入側に戻される。一方、機能膜を透過しに
くいＲ−１３１３１は冷却器２０により冷却液化され、
貯留器１７に貯留される。また、油分離器２１で分離さ
れた油は第３の絞り装置２４を介して圧縮器１１の吸入
側へ戻される。したがって主回路のＲ−１３８１比率は
低下し、Ｒ−２２比率が上昇する。

また、第２図は油分離器２１を設けた時と設けない時の
機能膜の透過冷媒量と、空間ａと空間すの差圧の関係を
示している。

油分離器２１を設ける（■）と設けない場合（＠に比ら
べ透過冷媒量は多く、冷凍機油を含んでいない混合冷媒
の透過冷媒量（■に近い特性を示すことがわかる。

以上のように本実施例によれば、分離器１０１に供給さ
れる混合物中の油成分を油分離器２１で取り除くことに
より、機能膜１０３への油の付着を防ぎ、透過冷媒量が
低下することを防ぐことができる。したがって混合物の
処理量も低下することなく、冷媒の分離性能を維持する
ことができる。

発明の効果 以下のように本発明は、複数種類の冷媒からなる混合冷
媒と冷凍機油との混合物を分離し、冷媒の組成を可変す
る冷凍サイクルにおいて、機能膜を透過する冷媒量の低
下を防ぐことができる。したがって、冷媒の処理能力、
冷媒の濃縮能力等の冷媒分離性能の低下を防ぐことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における冷凍サイクル図、第
２図は同油分離器を使用した場合と使用しない場合の実
験結果による透過特性図、第３図は従来例における冷凍
サイクル図、第４図は同冷媒分離器の詳細断面図、第５
図は同精留分離器を使用した冷凍サイクル図、第６図は
同精留分離器の詳細断面図である。 １１・・・・・圧縮機、１２・・・・凝縮器、１３・・
・・・主絞り装置、１４・・・・・・蒸発器、２１・・
・・・・油分離器、１０１　・・・・冷媒分離器、１０
３・・・・・・機能膜。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　はか１名ｆｌ
−−−斥廂機　　　Ｉ４−　点発愚ｌ計゛−凝廂、ｔ　
　　　２／−油分師り器Ｉ３−主校ｊ衰Ｌ　ｔｏｔ−４
−ｔ４分維息第１図 第２図 差圧（＾−Ｆｂジ １０／−ビニ分輝り器 第５図 ｎ　　　／２ 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧縮機、凝縮器、主絞り装置、蒸発器を環状に接続した
   主回路に複数種類の冷媒からなる混合冷媒と冷凍機油と
   の混合物を封入して冷凍サイクルを構成し、前記冷凍サ
   イクルに、前記複数種の冷媒の内の特定の冷媒の透過を
   容易とする機能膜を有する冷媒分離装置を接続し、前記
   冷媒分離装置の冷媒供給配管に油分離器を設けた冷凍装
   置。