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JPWO2013151043A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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JPWO2013151043A1
JPWO2013151043A1 JP2014509166A JP2014509166A JPWO2013151043A1 JP WO2013151043 A1 JPWO2013151043 A1 JP WO2013151043A1 JP 2014509166 A JP2014509166 A JP 2014509166A JP 2014509166 A JP2014509166 A JP 2014509166A JP WO2013151043 A1 JPWO2013151043 A1 JP WO2013151043A1
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refrigeration cycle
cycle apparatus
hermetic compressor
roller
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平山 卓也
卓也 平山
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Original Assignee
Toshiba Carrier Corp
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Abstract

従来、冷凍サイクル装置の冷媒として、R32冷媒が知られている。R32冷媒は、その性質としてオゾン破壊係数(ODP)が0(ゼロ)であるとともに、低毒性である。また、熱搬送能力に優れてサイクル効率も高いが、地球温暖化係数(GWP)が650程度である。本発明が解決しようとする課題は、地球温暖化防止に有効であって、安全かつ低コストの冷凍サイクル装置とするために、密閉型圧縮機、凝縮器、膨張装置および蒸発器を冷媒配管により連結してなり、R32冷媒を封入した冷凍サイクルを備えている。また、凝縮器をパラレルフロー型熱交換器で形成すると共に、R32冷媒の封入量を冷凍能力1kW当り70g以上で115g以下の範囲にした。

Description

本発明の実施形態は、冷凍サイクル装置に関する。
従来、冷凍サイクル装置の冷媒として、R32冷媒が知られている。R32冷媒は、その
性質としてオゾン破壊係数(ODP)が0(ゼロ)であるとともに、低毒性である。また
、熱搬送能力に優れてサイクル効率も高いが、地球温暖化係数(GWP)が650程度で
ある。
また、ODPが0、低毒性で、GWPが極めて低い冷媒として、HFO−1234yf
冷媒がある(GWP=4)。しかしながら、HFO−1234yf冷媒を用いる場合は、
熱搬送能力が低くサイクル効率が低いので、サイクル効率を上げるためには、さらにコス
トが上昇するという課題がある。
特開2001−194016号公報
本発明が解決しようとする課題は、地球温暖化防止に有効であって、安全かつ低コスト
の冷凍サイクル装置を提供することにある。
本実施形態の冷凍サイクル装置によれば、密閉型圧縮機、凝縮器、膨張装置および蒸発
器を冷媒配管により連結してなり、R32冷媒を封入した冷凍サイクルを備えている。
また、凝縮器をパラレルフロー型熱交換器で形成すると共に、R32冷媒の封入量を冷
凍能力1kW当り70g以上で115g以下の範囲にした。
本実施形態に係る冷凍サイクル装置の冷凍能力1kW当りのR32冷媒の充填量と、HFO−1234yf冷媒に対するR32冷媒のLCCP比(R32/HFO−1234yf)との相対関係を示す図。 本実施形態に係る冷凍サイクル装置のツインロータリ式密閉型圧縮機とこの圧縮機を具備した冷凍サイクルを示す図。 図2で示すパラレルフロー型熱交換器で形成された凝縮器の一部切欠正面図。 図2で示すパラレルフロー型熱交換器で形成された凝縮器の一部拡大斜視図。 図2で示すツインロータリ式密閉型圧縮機の運転時間と、ローラ外周部の摩耗量との相対関係を示す図。
以下、本実施形態の冷凍サイクル装置を、図面を参照して説明する。なお、複数の図面
中、同一または相当部分には同一符号を付している。
図2は本実施形態に係る冷凍サイクル装置のツインロータリ式の密閉型圧縮機とこの圧
縮機を具備した冷凍サイクルを示す図である。この図2に示すように冷凍サイクル装置1
は、ツインロータリ式の密閉型圧縮機2、パラレルフロー型熱交換器で形成された凝縮器
3、膨張装置4、蒸発器5およびアキュムレータ6を冷媒配管7により順次連結して、R
32冷媒を封入し、図中矢印方向に循環させる冷凍サイクル8を構成している。
密閉型圧縮機2は、金属製の密閉ケース9内に高圧ガス状の冷媒を吐出し、満たすタイ
プの圧縮機であり、この密閉ケース9内には、その上部に電動機部10を配設し、下方に
ツインロータリ式の圧縮機構部11を配設している。密閉ケース9の内底部には潤滑油の
溜り部Oが形成されている。
電動機部10は、密閉ケース9内に圧入され、外周面が密閉ケース9の内面に密着され
た状態で固定されたステータ12と、このステータ12の内側に回転可能に配設されたロ
ータ13とから構成されているまた、電動機部10は、ロータ13にネオジウムやサマリ
ウム等を含む希土類磁石により形成された永久磁石を備えた永久磁石型電動機に構成され
ている。
ステータ12は密閉型圧縮機2の電力供給端子14に電気的に接続され、この電力供給
端子14はインバータ15に電気的に接続される。このインバータ15は図示省略の制御
装置からの制御信号を受けて、電動機部10の運転周波数を適宜制御することにより、圧
縮機構部11の回転数を可変することで圧縮能力を制御する。密閉型圧縮機2は、冷凍サ
イクル装置1が定格能力を発揮するときの運転周波数が、商用電源周波数(50/60H
z)よりも高い周波数(例えば90Hz)になるようにその排除容積の大きさが設定され
ている。
ロータ13は、その中心部に、回転軸16を同心状に挿通し固着している。圧縮機構部
11は、回転軸16の下部に、中間仕切り板17を介して上下に配設される図中上の第1
のシリンダ18と、図中下の第2のシリンダ19を備えている。第1のシリンダ18の上
面部には主軸受20が重ね合され、第1の取付けボルト21aを介して第1のシリンダ1
8に取付固定される。第2のシリンダ19の下面部には副軸受22が重ね合され、第2の
取付けボルト21bを介して第1のシリンダ18に取付固定される。
一方、回転軸16は、中途部と下端部が主軸受20と副軸受22に回転自在に枢支され
る。さらに回転軸16は第1,第2のシリンダ18,19内部を貫通するとともに、略1
80°の位相差をもって形成される第1,第2の偏心部16a,16bを一体に備えてい
る。第1,第2の偏心部16a,16bは互いに同一直径をなし、第1,第2のシリンダ
18,19内径部にそれぞれ位置するよう組み立てられる。第1,第2の偏心部16a,
16bの外周面には、互いに同一直径をなす第1,第2の偏心ローラ23a,23bが嵌
合される。
第1のシリンダ18は、主軸受20と中間仕切り板17で上下面が区画され、内部に第
1のシリンダ室18aが形成される。第2のシリンダ19は、中間仕切り板17と副軸受
22で上下面が区画され、内部に第2のシリンダ室19aが形成される。各シリンダ室1
8a,19aは互いに同一直径および高さ寸法に形成され、第1,第2の偏心ローラ23
a,23bがそれぞれ偏心回転自在に収容される。
各偏心ローラ23a,23bは、例えば硬度HRC53〜55のNi−Cr−Mo系片
状黒鉛合金鋳鉄であるモニクロ鋳鉄により形成され、その高さ寸法は、各シリンダ室18
a,19aの高さ寸法と略同一に形成される。したがって、各シリンダ室18a,19a
は同一の排除容積に設定される。各シリンダ18,19には、シリンダ室18a,19a
と連通するブレード室24a,24bが設けられている。各ブレード室24a,24bに
は、第1,第2のブレード25a,25bが第1,第2のシリンダ室18a,19aに対
して突没自在に収容される。
第1,第2のブレード25a,25bは、例えば基材硬度がHRC60以上の高速度工
具鋼の外面にDLC(Diamond Like Carbon)コーディングを施した
ものから構成され、またはステンレス鋼を窒化処理して硬度を高めたものから構成される
。この第1,第2のブレード25a,25bは、先端部を平面視で半円状になるように形
成しており、それぞれ対向する第1,第2のシリンダ室18a,19aに突出して第1,
第2の偏心ローラ23a,23b周壁に、この回転角度にかかわらず線接触できる。各偏
心ローラ23a,23bが偏心回転したとき、各ブレード25a,25b先端は各偏心ロ
ーラ23a,23b周壁に摺接する。
そして、密閉型圧縮機2は、密閉ケース9の上端部に、吐出管26を配設している。吐
出管26は、冷媒配管7の一端に接続され、この冷媒配管7の他端は、アキュムレータ6
の上端部に接続される。アキュムレータ6は圧縮機1に、第1,第2の吸込み管27a,
27bを介して接続される。これにより、冷凍サイクル8が構成される。
第1,第2の吸込み管27a,27bは圧縮機2の密閉ケース9を貫通して、第1,第
2のシリンダ室18a,19aの吸込口に連通される。
これら第1,第2のシリンダ室18a,19a内で圧縮された冷媒は、その圧力により
各吐出弁18b,19bを開弁させて各吐出口を開口させる。これにより、圧縮された冷
媒は各吐出口から密閉ケース9内にそれぞれ吐出され、密閉ケース9内に充満される。こ
の密閉ケース9内に充満した冷媒ガスは、吐出管26から冷媒配管7を通してパラレルフ
ロー型熱交換器よりなる凝縮器3側へ吐出される。
また、図3,図4に示すように、パラレルフロー型熱交換器よりなる凝縮器3は、その
ほぼ全体がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、図中左右方向に所要の間隔を
置いて対向配置された一対のヘッダーパイプ3a,3bを備えている。また、これらヘッ
ダーパイプ3a,3b間には、水平方向に架設(連結)される扁平状の熱交換チューブの
複数本3c,3c,…を図中上下方向に所要の間隔を置いてほぼ平行に並設し、これら複
数本の熱交換チューブ3c,3c,…間には複数のコルゲートフィン3d,3d,…が介
在され、熱交換チューブ3c、3c…にろう付けされている。
図4に示すように各熱交換チューブ3cには複数に区画された熱媒体流路3ca,…が
形成されている。また、上下端のコルゲートフィン3dの上部外方側および下部外方側に
は、それぞれサイドプレート3e,3e,…がろう付けされている。さらに、ヘッダーパ
イプ3a,3bの軸方向上下両開口端にはエンドキャップ3fがそれぞれろう付けされて
いる。
そして、この冷凍サイクル8には、冷媒として、R32冷媒が冷凍サイクル8の冷凍能
力1kW当り70g以上で115g以下の範囲で封入されている。
次に、このように構成された冷凍サイクル装置1の作用を説明する。
図示省略の制御部はインバータ15に圧縮機2を運転させるための制御信号を与える。
インバータ15は、この制御信号により指令された運転周波数で圧縮機2を運転する。
これにより、電動機部10の回転軸16が回転駆動され、第1,第2の偏心ローラ23
a,23bが第1,第2の各シリンダ室18a,19a内で偏心回転する。
第1のシリンダ18では、第1のブレード25aがばね部材によって第1の偏心ローラ
23a側へ常に弾性的に押圧付勢されているので、この第1のブレード25aの先端縁が
第1の偏心ローラ23aの外周壁に摺接して第1のシリンダ室18a内を、吸込み室と圧
縮室に二分する。
第1の偏心ローラ23aのシリンダ室18a内周面転接位置と第1のブレード25aの
収納溝が一致し、第1のブレード25aが最も後退した状態で、第1のシリンダ室18a
の空間容量が最大となる。このために、冷媒ガスはアキュムレータ6から第1の吸込管2
7aを介して第1のシリンダ室18aに吸込まれ充満する。ここで、第1の偏心ローラ2
3aの偏心回転に伴って、第1のシリンダ室18a内周面に対する転接位置が移動し、こ
の第1のシリンダ室18aの区画された圧縮室の容積が減少する。すなわち、第1のシリ
ンダ室18a内に導入され冷媒ガスが徐々に圧縮される。
さらに、回転軸16が継続して回転され、第1のシリンダ室18aの圧縮室の容量がさ
らに減少して冷媒ガスが圧縮され、所定圧まで上昇すると、その圧力により第1の吐出弁
18bが開弁し、吐出口が開口する。このために、高圧ガスはバルブカバーを介して密閉
ケース9内へ吐出される。
一方、第2のシリンダ19側も上記第1のシリンダ18とほぼ同様の作用により、第2
のシリンダ室19aで圧縮された高圧の冷媒ガスが第2の吐出口から密閉ケース9内へ吐
出され充満される。
そして、密閉ケース9内に充満した高圧ガスは、吐出管26と冷媒配管7を介してパラ
レルフロー型の凝縮器3へ導入され、ここで凝縮液化し、さらに、膨張装置4で断熱膨張
し、蒸発器5で蒸発して熱交換空気から蒸発潜熱を奪って冷却する。蒸発した後の冷媒は
アキュムレータ6に導入されて、ここで気液分離され、再び第1,第2の吸込み管27a
,27bから圧縮機構部11に吸込まれて上述の作用が繰り返され、冷媒が冷凍サイクル
8を循環する。
図1は、HFO−1234yf冷媒を使用した冷凍サイクル装置のLCCP(Life
Cycle Clmate Performance:製品寿命気候負荷)とR32冷
媒を使用した冷凍サイクル装置のLCCPとの比であるLCCP比と、R32冷媒の充填
量との相対関係を曲線Aにより示しており、LCCP比が1より小さい場合は、R32冷
媒を使用した冷凍サイクル装置のLCCPの方がHFO−1234yf冷媒を使用した冷
凍サイクル装置のLCCPよりも小さくなり、地球温暖化防止に有効であることを示して
いる。
LCCPは、地球温暖化防止を考えた場合の指数であり、TEWI(Total Eq
uivalent Warming Impact:総等価温暖化影響)に、使用温室効
果ガス製造時のエネルギ消費(間接影響)と外気への漏洩(直接影響)を追加した数値で
あって、単位はkg−CO2である。TEWIは、所要の数式によりそれぞれ算出される
直接影響と間接影響とを加算したものである。
LCCPは下記の関係式により算出される。
[数1]
LCCP=GWPRM×W+GWP×W×(1−R)+N×Q×A
ここで、GWPRM:冷媒製造に関わる温暖化効果、W:冷媒充填量、R:機器廃棄時
の冷媒回収量、N:機器使用期間(年)、Q:CO2排出原単位、A:年間消費電力量で
あり、本実施形態では、(1−R)=0.7、N=12[年]、Q=0.378[kgC
O2/kWh]、として試算した。
この冷凍サイクル装置1では、凝縮器3としてパラレルフロー型熱交換器を用いると共
に、冷媒としてR32冷媒を用い、かつ、その充填量(封入量)を冷凍能力1kW当り7
0g以上で115g以下の範囲内にしているので、図1に示すようにHFO−1234y
f冷媒を使用した冷凍サイクル装置のLCCPに対するLCCP比(R32/HFO−1
234yf)を1よりも小さくできる。すなわち、R32冷媒を使用した本実施形態の冷
凍サイクル装置1の方がHFO−1234yf冷媒を使用した冷凍サイクル装置よりもL
CCPを小さくすることができ、地球温暖化防止に有効であることが分かる。
なお、HFO−1234yfを使用した冷凍サイクル装置のLCCPは、現時点で考えら
れる最も高いシステム効率を用いて試算したときの結果を用いている。
本発明者は、ODP=0、低毒性で、GWPが極めて低くR32冷媒の代替の可能性
があるHFO−1234yf(GWP=4)を用いてLCCPを改善する研究開発を行っ
た。
しかし、R32冷媒よりも熱搬送能力の低いHFO−1234yfを冷媒として用いる場
合は、サイクル効率が低いので、サイクル効率を上げるためには、流量を増やすために配
管径を大きくする必要があるなどさらなるコストの上昇を招いていた。
一方で、パラレルフロー型熱交換器を凝縮器3として用いる場合、一般的なクロスフィ
ン型熱交換器よりも熱通過率が高く、通風抵抗が低いので、熱交換器内容積をコンパクト
にしながら冷凍能力の拡大が可能である。したがって、単位冷凍能力当りの封入冷媒充填
量を小さくできる。このため、GWPが若干高いR32冷媒を用いても、サイクル効率の
低いHFO−1234yf冷媒を用いる場合よりも、LCCPを低く抑えることができる
ことが分かった。
また、R32冷媒を使用した冷凍サイクル装置のLCCPは、充填量が少な過ぎると、
冷媒不足に起因するサイクル効率の悪化によりLCCPが大きくなり、さらに、充填量が
多過ぎるとGWPの影響が高くなり、LCCPが大きくなる。これに対して、上記70g
〜115g/kWの範囲内に収めることにより、R32冷媒を用いてもHFO−1234
yf冷媒を用いる場合よりもLCCPを低く抑えることができ、地球温暖化防止に有効で
あるうえに、コストが低くかつ安全である冷凍サイクル装置が得られる。
そして、凝縮器3であるパラレルフロー型熱交換器が、そのほぼ全体がアルミニウムま
たはアルミニウム合金からなるオールアルミニウム製であるので、凝縮性能を犠牲にせず
に凝縮器3の内容積を減少させて一層の小型軽量化を図ることができる。
そして、この冷凍サイクル装置1は、この冷凍サイクル装置1が定格能力を発揮すると
きの密閉型圧縮機2の運転周波数が商用電源周波数(例えば50/60Hz)よりも高い
周波数(例えば約90Hz程度)になるようにされているので、密閉型圧縮機2の電動機
部10の回転軸16の1回転当りのモータトルクを小さくできる。このために、電動機部
10の小径化による小型軽量化を図ることができる。さらに、そのために密閉ケース9内
の内容積の減少を図ることができるので、さらに冷媒充填量を低減できる。
また、この冷凍サイクル装置1によれば、永久磁石型の電動機部10のロータ13の永
久磁石として、磁力の強いネオジウムやサマリウム等を含む希土類磁石を用いているので
、小型化かつ高出力化が可能である。このために、電動機部10の小型化を図ることが可
能であると共に、この電動機部10を収容する密閉ケース9の内容積の減少を図ることが
できるので、冷媒封入量(充填量)の減少を図ることができる。
そして、一般に、圧縮機構11がロータリ式の場合、冷凍サイクル装置1が定格能力を
発揮するときの密閉型圧縮機の運転周波数を高くすると、偏心ローラ23a,23bとブ
レード25a,25bの摺接面において摺動性が悪化し、特に偏心ローラ23a,23b
の外周部において摩耗が進行し易くなる。
図5は、圧縮機構部11を、電源周波数よりも高い90Hz〜120Hzの運転周波数
により運転したときの第1,第2の偏心ローラ23a,23bの外周部の摩耗量と運転時
間との相対関係について、本実施形態と比較例とを比較して示している。
この図5中、比較例は、第1,第2のブレード25a,25bを、基材のステンレス鋼
に窒化処理を施すことにより形成する一方、第1,第2の偏心ローラ23a,23bを硬
度HRC50のモニクロ鋳鉄により構成した場合を示す。
また、本実施形態は、第1,第2のブレード25a,25bを、基材硬度HRC60以
上の高速度工具鋼にDLCコーティング処理を施すことにより形成する一方、第1,第2
の偏心ローラ23a,23bを硬度HRC50のモニクロ鋳鉄により構成した場合を示す

さらに、他の実施形態は、第1,第2のブレード25a,25bを上記比較例と同様に
形成する一方、第1,第2の偏心ローラ23a,23bを硬度HRC53(54±1)以
上のモニクロ鋳鉄により形成した場合を示す。
なお、図5中、直線Bは、圧縮機構部11としての特性を確保し得る摩耗限界を示して
おり、第1,第2の偏心ローラ23a,23bの外周部摩耗量がこの摩耗限界Bよりも小
さいことが必要である。
そして、図5に示すように上記比較例では、第1,第2の偏心ローラ23a,23bの
外周部摩耗量が大きく、運転時間の経過に伴って摩耗限界Bよりも大きく上回り、その摩
耗限界Bを満たすことができない。
これに対し、上記実施形態によれば、第1,第2の偏心ローラ23a,23bの外周部
摩耗量が摩耗限界Bよりも下回り、その摩耗量が少ない。
すなわち、上記実施形態によれば、電源周波数よりも高い運転周波数(例えば90Hz
〜120Hz)により圧縮機構部11を運転した場合でも、第1,第2の偏心ローラ23
a,23bの外周部摩耗量を摩耗限界B未満に抑制することができ、冷凍サイクル装置と
しての信頼性の向上を図ることができる。
また、他の実施形態によれば、第1,第2のブレード25a,25bを、比較例と同様
の組成により構成する一方、第1,第2の偏心ローラ23a,23bのモニクロ鋳鉄の硬
度を、HRC50からHRC53またはそれ以上にすることにより、第1,第2のブレー
ド25a,25bにDLCコーティング等の高価な表面処理を施すことなく、第1,第2
の偏心ローラ23a,23bの外周部の摩耗量の低減を図ることができ、摩耗限界Bを充
足させることが可能である。
以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したもので
あり、本発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他
の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の
省略、置換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、本発明の範囲や
要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる
1…冷凍サイクル装置、2…密閉型圧縮機、3…凝縮器、4…膨張装置、5…蒸発器、
7…冷媒配管、8…冷凍サイクル、9…密閉ケース、10…電動機部、11…圧縮機構部
、13…ロータ(回転子)、18…第1のシリンダ、18a…第1のシリンダ室、19…
第2のシリンダ、19a…第2のシリンダ室、23a,23b…第1,第2の偏心ローラ
、25a,25b…第1,第2のブレード。

Claims (5)

  1. 密閉型圧縮機、凝縮器、膨張装置および蒸発器を冷媒配管により連結してなり、R32冷
    媒を封入した冷凍サイクルを備えた冷凍サイクル装置において、
    上記凝縮器をパラレルフロー型熱交換器で形成すると共に、上記R32冷媒の封入量を
    冷凍能力1kW当り70g以上で115g以下の範囲にしたことを特徴とする冷凍サイク
    ル装置。
  2. 定格能力を発揮するときの密閉型圧縮機の運転周波数を商用電源周波数よりも高くするこ
    とを特徴とする請求項1記載の冷凍サイクル装置。
  3. 上記密閉型圧縮機は、その電動機回転子の永久磁石として希土類磁石を用いていることを
    特徴とする請求項1または2記載の冷凍サイクル装置。
  4. 上記密閉型圧縮機は、シリンダ室内を回動するローラと、このローラの外周面に摺動可能
    に当接してシリンダ室内を冷媒吸入室と圧縮室とに仕切るブレードとを有するロータリ式
    圧縮機であって、
    上記ブレードの材質が基材硬度HRC60以上かつDLCコーディングを施したもので
    あることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項記載の冷凍サイクル装置。
  5. 上記密閉型圧縮機は、シリンダ室内を回動するローラと、このローラの外周面に摺動可能
    に当接してシリンダ室内を冷媒吸入室と圧縮室とに仕切るブレードとを有するロータリ式
    圧縮機であって、
    上記ローラの材質が硬度HRC53以上のNi−Cr−Mo系片状黒鉛合金鋳鉄であるこ
    とを特徴とする請求項1ないし4記載の冷凍サイクル装置。
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