CN1510097A - 冷冻装置 - Google Patents
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Abstract
一种冷冻装置，其中压缩机、气体冷却器、膨胀机构及蒸发器以冷媒管路依序连接，并且使用可燃性自然冷媒与二氧化碳冷媒混合而成的混合冷媒。前述混合冷媒中的二氧化碳的含量是在20至50质量％。或者，前述可燃性自然冷媒的最大填充量为150g。借此，冷冻装置具有高绩效系数与高冷冻能力，且其安全性也高于仅使用碳化氢系冷媒的情形。
Description
技术领域
本发明是有关于一种冷冻装置，且特别是有关于一种使用含有二氧化碳冷媒的混合冷媒的冷冻装置。
背景技术
在冰箱、自动贩卖机及展示柜用的冷冻机中，传统上大部分使用例如二氯氟甲烷(R-12)的氟氯化碳冷媒，或者是例如氯二氟甲烷(R-22)等氢氟氯化碳冷媒来作为冷媒。此些冷媒若释放到大气中而到达地球上空的臭氧层后，会有破坏臭氧层的问题，故截至目前为止对于使用于冷冻机中的氯氟化碳冷媒与氢氯氟化碳冷媒等便被禁止使用或限制使用。
为此，便使用如CH2FCF3(R-134a)等的氢氟化碳冷媒来替代上述冷媒。但是，就算是HFC冷媒，在地球环境问题另一课题的地球温室效应的影响中，也有与公知HCFC冷媒的R22有相同程度的问题。
最近，为了避免上述问题，将碳化氢系冷媒(HC冷媒)，如丙烷(propane)或异丁烷(isobutane)等，实际应用于冷冻装置中的冷媒。但是，因为HC冷媒具有可燃性，故当从冷媒回路漏出时，会有着火或爆炸的危险。特别是在家用冰箱的场合，因为往往靠近各种热源，可燃性冷媒的泄漏会有造成重大事故的危险性在。
此外，从上述安全性的理由，可燃性冷媒的填充量以150克(g)左右为上限。但在实际上，在考虑余度的情形下，必须抑制到约100g左右(在冰箱为50g)。因此，使用可燃性冷媒的情形时，会发生冷冻能力与适用系统的用途被限制的问题。
另一方面，也有人提出使用二氧化碳来作为冷冻装置的冷媒(例如，特开2002-106989号公报或特开2002-188872号公报)。二氧化碳的臭氧破坏系数为0，且温室效应系数也小，故从环保观念来看是非常优异的。
然而，若与上述知碳化氢系冷媒来比较，作为冷媒知绝对能力或许便很差。此外，材料方面与机械方面知可靠性是比目前为止所使用的冷媒更差。
发明内容
因此，有鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种冷冻装置，其具有很好的绩效系数(coefficient of performance)，安全性比仅使用碳化氢系冷媒时还高，且冷冻能力很高。
为达成上述与其它目的，本发明提出一种冷冻装置，其中压缩机、气体冷却器、膨胀机构及蒸发器以冷媒管路依序连接，并且使用混合可燃性自然冷媒与二氧化碳冷媒的混合冷媒。前述混合冷媒中，二氧化碳的含量在20至50质量％。
此外，本发明更提出一种冷冻装置，其中压缩机、气体冷却器、膨胀机构及蒸发器以冷媒管路依序连接，并且使用混合可燃性自然冷媒与二氧化碳冷媒的混合冷媒。上述可燃性自然冷媒的最大填充量为150g。
附图说明
图1为混合冷媒中的冷媒混合比率与绩效系数的关系。
图2为适用于本发明的冷冻装置的冷冻循环范例概念图。
具体实施方式
接着详细说明本发明的使用混合冷媒的冷冻装置。
<混合冷媒>
首先，说明混合冷媒。使用于本发明冷冻装置的混合冷媒至少将二氧化碳与二氧化碳以外的一种以上的可燃性自然冷媒加以混合的冷媒。
因为二氧化碳为如前所述的低温室效应系数与无毒，故从环保与安全性的观点来看是非常优异的冷媒。
但是，仅以二氧化碳作为冷媒是无法得到高绩效系数(以下称为COP)。
在本发明中，使二氧化碳含有20至50质量％，并混合用来提升COP系数的可燃性自然冷媒。若不到20质量％，并无法充分地发挥对可燃性自然冷媒(如碳化氢等)所具有的可燃性的消火效果，在安全性确保上是很困难。若超过50质量％，具有比二氧化碳高的COP的冷媒比率便会降低，而使得提升整体COP系数变得不可能，也变成无法适用于具有高冷冻能力的冷冻装置。
图1为二氧化碳以及丙稀混合冷媒中的二氧化碳的混合比率与COP系数间的关系。并参见表1。
表1
| CO2冷媒比率 | ||||||
| 100 | 70 | 50 | 30 | 10 | 0 | |
| COP | 2.98 | 3.11 | 3.55 | 3.73 | 3.74 | 3.89 |
| 凝缩压力(kPa) | 6376 | 4591 | 3340 | 2410 | 1580 | 1156 |
| 蒸发压力(kPa) | 1681 | 1105 | 782 | 517 | 320 | 255 |
| 压缩比 | 3.79 | 4.15 | 4.27 | 4.66 | 4.94 | 4.53 |
| HC冷媒wt％ | 0 | 30 | 50 | 70 | 90 | 100 |
仿真条件：(蒸发能力10kW)
CO2(R744)与丙稀(R1270)
蒸发温度：-25℃
凝缩温度：25℃，SH：10℃，SC：5℃，压缩效率100％
从图1可以看出，相对于在冷媒仅为二氧化碳的情形且而COP为2.98，随着丙烯混合比率的升高，可以确认COP系数的增加。在丙烯比率为50质量％以上时，可以得到接近仅有丙烯时的COP系数。
上述的特性并不局限于丙烯，通过各种碳化氢的自然冷媒的混合，也可以却确认出有此特性。
通过有此特性，在具有比二氧化碳高的COP系数高的自然冷媒中，即使混合一定量(20至50质量％)的二氧化碳也不会降低其COP系数。因此，利用混合将碳化氢等类的使用量预先限制的冷媒，便可以成为混合冷媒，使之适用于仅含碳化氢冷媒的无法适用的高绝对能力系统。
此外如前所述，仅使用像丙烯等的碳化氢冷媒会产生安全面上的种种问题。另一方面，二氧化碳不仅是无毒，也具有消火性。因此，可以减轻碳化氢的可燃性。
因此，仅通过添加二氧化碳冷媒，可以一边维持高COP系数，且可以一边充分地减轻碳化氢冷媒的可燃性。
作为与二氧化碳混合的自然冷媒，可以例如是乙烷、丙烷、丙烯、丁烷、异丁烷与戊烷等的碳化氢，或是氨等。其中，较好是含有碳化氢。
上述自然冷媒因具有较小的温室效应系数，故在考虑地球环境问题时，是非常好的。
特别是，二氧化碳与碳化氢的组合因为是无毒或低毒性，在安装性是非常优异。
此外，虽然上述碳化氢为可燃性，但是利用混合入不可燃性的二氧化碳，可以提高安全性。
二氧化碳以外所混合的冷媒，也可以使包含一种以上的可燃性自然冷媒以外的各种冷媒(人工冷媒)。但是，从环保的观点来看，较好是仅由可燃性自然冷媒来构成。
<冷冻循环以及冷冻装置>
接着，说明本发明冷冻装置所适用的冷冻循环。此冷冻循环包含压缩机、气体冷却器、膨胀机构以及蒸发器，此些构件经由冷媒配管依序连接，而上述的混合冷媒便在其中循环。
图2为冷冻循环的一个例子。如图2所示，该冷冻循环包括压缩机100、气体冷却器120、膨胀机构140以及蒸发器160，四方阀180与干燥装置200，而该些构件以实线所示的冷媒配管来连接。此外，在图2中，实线与虚线的箭号分别表示冷媒的流动方向，其中实线一般表示在冷却的情形，而虚线表示在进行除霜或是暖房的情形。在图2中，干燥装置200配设在膨胀机构140与气体冷却器120之间。但是，干燥装置200的配设装置位置并非限制在此，也可以依据条件来设置在低压侧的位置。
例如，在冷却库内(室内)时，被压缩机100压缩的高温高压冷媒气体通过四方阀180，被气体冷却器120冷却，而成为低温高压冷媒液体。此冷媒液体在膨胀机构140(例如，毛细管、温度式膨胀阀等)被减压，而成为仅含少量气体的低温低压液体，之后再到达蒸发器160。之后，从室内空气取得热而蒸发，在通过四方阀180而到达压缩机100，把室内冷却。
在蒸发器进行除霜或暖房时，切换四方阀180使冷媒通过虚线，冷媒的流向变成与冷房时反向。通过将冷媒流向切换成反向，蒸发器160与气体冷却器120切换，而可以进行除霜或暖房。
本发明的冷冻装置具备上述的冷冻循环。本发明知冷冻装置因为使用高绩效系数的混合冷媒，故可以适用较大的冷冻装置。
换句话说，若混合冷媒中的可燃性自然冷媒的最大填充量为150g的话，可以一方面维持该自然冷媒的高绩效系数，而一方面可以同时达到确保安全性。
在此情形，从维持高绩效系数的观点来看，可燃性自然冷媒的填充量下限最好要至少50g，而85g则更好。
本发明的冷冻装置所适用的具体例子如下，二氧化碳加热泵浦的热水供应器的加热泵浦单元，二氧化碳加热泵浦热水供应与暖气机用的加热泵浦单元，二氧化碳自动贩卖机的冷冻循环，二氧化碳冷媒冷冻机器用的冷冻循环，二氧化碳直接膨胀式暖气机，二氧化碳直接膨胀式冷气机等。
本发明冷冻装置在上述的构造下(前述混合冷媒与冷冻循环)，可以使用其它各种公知的手段。
例如，使用于压缩机1200的冷冻机油，在作为密封入压缩机100中的润滑油是相当重要的。
使用于本发明的冷冻装置的冷冻机油可以使用例如一般矿物系油、醚(ether)系合成油、酯系合成油或氟素系合成油等。矿物系油可以使用煤油(paraffin oil)、环烷油(naphthene oil)等。此外，醚系合成油可以是聚乙烯醚或聚烷二醇等。酯系合成油可以是多元醇酯系油或碳酸酯等。
酯系合成油较佳可以使用从多元醇与多元羧酸反应而得的聚酯。其中，最好使用从脂肪酸与多元醇反应而得的多元醇酯系油，多元醇则是选自于五丁四醇(PET)、三甲醇戊烷(TMP)与新戊二醇(NPG)。
在使用碳化氢冷媒的情形时，最好使用前述矿物油作为冷冻机油。此外，一种或二种以上的冷冻机油可以混合成单一冷冻机由来使用。
在前述冷冻机油中，最好是可以添加包括消泡剂、抗氧化剂、水分及/或酸清除剂(water and/or acid scavenger)、极压添加剂(extremepressure additive)、耐摩增进剂、金属去活性剂、特别是铜去活性剂等的添加剂等，来防止冷冻机油的变性(分解、氧化劣化、产生沉淀物等)或是冷冻循环的材料变性(腐蚀)。其它的耐热增进剂、抗腐蚀剂与防锈剂等也可以适当地添加。
如上所述，依据本发明的话，可以提供一种冷冻装置，其具有良好的绩效系数，且安全性比单纯使用碳化氢系冷媒还高，并且具备高冷冻能力(可适用于较大的冷冻装置)。
Claims (2)
1.一种冷冻装置，其特征在于：压缩机、气体冷却器、膨胀机构及蒸发器以冷媒管路依序连接，并且使用可燃性自然冷媒与二氧化碳冷媒混合而成的混合冷媒，前述混合冷媒中的二氧化碳的含量在20至50质量％。
2.一种冷冻装置，其特征在于：压缩机、气体冷却器、膨胀机构及蒸发器以冷媒管路依序连接，并且使用可燃性自然冷媒与二氧化碳冷媒混合而成的混合冷媒，前述可燃性自然冷媒的最大填充量为150g。
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