JP2004060952A - 冷凍装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】スラッジの発生が少なく、信頼性の高い冷凍装置を提供することができる。
【解決手段】冷媒と冷凍機油を密封し、圧縮機と凝縮器と乾燥剤と膨張機構と蒸発器とを備えるとともに、冷媒は−９０℃から０℃の沸点を有する少なくとも１種類の飽和炭化水素であり、かつ不純物として含有する不飽和炭化水素を０．０１重量％以下にしたことで、信頼性の高い冷凍装置を提供することができる。
【選択図】 図１
【解決手段】冷媒と冷凍機油を密封し、圧縮機と凝縮器と乾燥剤と膨張機構と蒸発器とを備えるとともに、冷媒は−９０℃から０℃の沸点を有する少なくとも１種類の飽和炭化水素であり、かつ不純物として含有する不飽和炭化水素を０．０１重量％以下にしたことで、信頼性の高い冷凍装置を提供することができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば冷凍冷蔵庫や空気調和機などに組込まれる冷凍装置の特に冷媒、冷凍機油、乾燥剤に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球温暖化を含めた環境問題は、地球規模での対応が強く求められている。
【０００３】
図８は家庭用冷蔵庫を例とした冷凍装置である。
【０００４】
図８において、冷媒は圧縮機構である圧縮機１により圧縮され、凝縮器である受台パイプ２、放熱パイプ３、クリーンパイプ４を通り冷却され、膨張機構である毛細管、一般的にはキャピラリチューブ５を通り膨張し、蒸発機構であり蒸発器６において蒸発し、冷蔵庫７内を冷却する。その後再び圧縮機１で圧縮される。なお、８は乾燥剤を収容する乾燥器を示す。
【０００５】
また、図９は、従来の冷凍装置における圧縮機の縦断面図である。ステータ９とロータ１０とで構成されるモータ機構１１と、このモータ機構１１の下方にシャフト１２を介して圧縮機構１３とが密閉されたシェル１４に冷凍機油１５と共に収容されている。
【０００６】
ここで、冷凍装置に使用される冷媒は、ジフルオロメタン（ＨＦＣ−３２）、ペンタフルオロメタン（ＨＦＣ−１２５）、１、１、１、２−テトラフルオロエタン（ＨＦＣ−１３４ａ）、１、１、１−トリフルオロエタン（ＨＦＣ−１４３ａ）などの単体あるいは混合物のＨＦＣ系のフロンガスが従来から使用されており、冷凍機油としては、ＨＦＣ系の冷媒と相溶性が高いポリエステル系合成油、ポリアルキレングリコール系合成油、ポリエーテル系合成油、フッ素系合成油等や、相溶性が低いアルキルベンゼン系合成油、低粘度鉱油などが使用されている。
【０００７】
しかしながら、ＨＦＣ系の冷媒は地球温暖化係数（ＧＷＰ）が高く、温室効果ガス作用があるとの問題がある。そのため、気候変動枠組条約で、ＨＦＣ系冷媒は温室効果ガスの規制対象ガスに指定されて、将来的には排出の抑制、及び使用量削減の数値目標が設定される見込みである。
【０００８】
このため、ＨＦＣ系の冷媒の代替として、特開平８−２００２２４に示されるような炭化水素冷媒物質が検討されている。
【０００９】
冷媒として使用が可能な炭化水素系物質、例えばエタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）やイソブタン（Ｃ４Ｈ１０）などは、炭化水素を形成する炭素骨格の原子価が全て水素原子で飽和された飽和炭化水素であり、特性は、沸点が−９０℃から０℃の間にあり、ＨＦＣ系の冷媒に比べ同等以下である。さらに蒸発潜熱、熱伝導率は十分に高いことから、冷凍装置の代替冷媒とし使用することができる。また、安定性の指標である結合エネルギーは約８３ｋｃａｌ／ｍｏｌであり、ＨＦＣ系の冷媒とほぼ同等程度であることから、化学的にも安定している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
こういった飽和炭化水素は、一般に自然界に存在する石油や天然ガス等の有機化合物を単離精製することで製造される。炭化水素系冷媒として使用される飽和炭化水素の純度を向上させるためには、蒸留、昇華、再結晶、元素添加、吸着、あるいは分配クロマトグラフといった種々の単離精製方法が採用されている
ところが、有機化学の基礎（高橋詢著、廣川書店、昭和４８年改稿）のＰ．９に示されるように、有機化合物を純粋に単離精製することは無機化合物の場合と異なり、概して困難である。その結果、炭化水素系冷媒にはどうしてもエチレン結合（または二重結合）、あるいはアセチレン結合（または三重結合）を有する不飽和炭化水素、例えば、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）、ブテン（Ｃ４Ｈ６）、ブチン（Ｃ４Ｈ６）等が不純物として残留してしまう。
【００１１】
そして、このような不飽和炭化水素の残留量が多い冷媒を冷蔵装置に用いると、不飽和炭化水素に含まれる二重結合あるいは三重結合を構成するπ電子が関与して、圧縮機を構成する摺動部品から生成される摩耗粉や摺動発熱による冷凍機油の劣化物と吸着、あるいは重合結合することにより、固形物（スラッジ）が生成される。このスラッジは冷凍装置内を冷媒と共に循環する過程で、特に細径であるキャピラリチューブ内等に堆積して冷媒の循環阻害を招き、その結果、冷凍装置が鈍冷、不冷現象を起こすといった問題が発生する。
【００１２】
本発明は従来の課題を解決するもので、スラッジの発生が少なく、信頼性の高い冷凍装置を提供することを目的とする。
【００１３】
また、冷媒として使用する炭化水素系物質は、自然資源を単離精製して取出されるが、自然資源中には非凝縮性ガスが含まれる。
【００１４】
ここで、非凝縮性ガスとは、対象冷媒に対して液化凝縮させるために必要な圧力値が遥かに高いガスのことを言い、一般的に、メタン（ＣＨ４）、空気（Ｏ２、Ｎ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）などが挙げられる。
【００１５】
非凝縮性ガスが混入した冷凍装置では、運転される間に冷凍装置内の凝縮器内に溜まった非凝縮性ガスが凝縮器内で滞留している部分の伝熱面を覆い、熱交換阻害を起こす。その結果、圧縮機より吐出された高温高圧の冷媒蒸気が凝縮液化され難くなり、蒸気ガスの状態でキャピラリチューブ内に流入した場合に、キャピラリチューブ内での流体抵抗が増加し、冷媒流量が減少するため、冷凍装置の鈍冷、不冷の要因となる。
【００１６】
加えて、上記した凝縮温度の上昇によって、圧縮機の吐出ガス圧力は、凝縮温度の上昇分に相当する凝縮圧力の上昇に加え、非凝縮性ガスの分圧だけ高くなり、軸動力が増大して発熱を増大させると共に、吐出ガス温度の上昇に伴って、冷媒や冷凍機油が熱分解され、新たに非凝縮性ガスが発生することで、さらに吐出ガス温度が上昇するといった悪循環を起こし、圧縮機の信頼性を十分に確保できなくなることがある。
【００１７】
本発明の他の目的はキャピラリチューブ内の冷媒流量が減少しにくく、また吐出ガス温度の上昇が少なく信頼性の高い冷凍装置を提供することを目的とする。
【００１８】
さらに、炭化水素系の冷媒は強燃性という性質を持っており、安全確保の観点から、その使用量を規制する検討が進んでいる。
【００１９】
使用量に関係する安全規格としては、家庭用冷蔵庫に関する国際規格ＩＥＣ３３５−２−２４（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ ３３５−２−２４）や、家庭用冷蔵庫及び冷凍庫に関する米国規格ＵＬ２５０（Ｕｎｄｅｒｗｒｉｔｅｒｓ’ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｉｎｃ ２５０）が代表的である。ここでは、ＩＥＣ規格で封入される炭化水素系冷媒量を１５０ｇ以下とすること、また、ＵＬ規格で炭化水素系冷媒の漏洩量を５０ｇ以下とすることが規定されている。
【００２０】
一方、日本においても、日本電気工業会ＪＥＭＡ（Ｊａｐａｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ’ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）において、炭化水素系冷媒の封入量の自主基準が策定されており、ＪＩＳ Ｃ ９６０７に規定する冷気強制循環方式冷蔵庫に限り１００ｇ以下、冷気自然対流方式冷蔵庫は１５０ｇ以下とされている。
【００２１】
本発明の他の目的は冷媒の使用量が少なく安全性の高い冷凍装置を提供することを目的とする。
【００２２】
一方、炭化水素系冷媒はＨＦＣ系の冷媒に比べて水分の溶解度が小さいため、炭化水素系物質を冷媒に用いた場合、同じ水分量が混入した場合、遊離水分量は多くなる。溶解度の限度を越えると遊離して存在するが、この水分はキャピラリチューブの低温部分で氷結し、キャピラリチューブを閉塞させたり、炭化水素系冷媒の電気絶縁性能を劣化させ、圧縮機の電動機の信頼性確保が困難になるといった課題があった。
【００２３】
本発明の他の目的は遊離水分量が少なく、信頼性の高い冷凍装置を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の発明は、冷媒と冷凍機油を密封し、圧縮機と凝縮器と乾燥器と膨張機構と蒸発器とを備えるとともに、前記冷媒は−９０℃から０℃の沸点を有する少なくとも１種類の飽和炭化水素であり、かつ含有する不飽和炭化水素を０．０１重量％以下にしたものであり、従来のＨＦＣ系冷媒の特性を維持することができると共に、不飽和炭化水素が、圧縮機を構成する摺動部品の摩耗粉や摺動摩擦による冷凍機油の劣化物と吸着、あるいは重合結合して生成されるスラッジの量を抑制するという作用を有する。
【００２５】
本発明の請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明に、さらに含有する非凝縮性ガスを０．０５重量％以下にしたものであり、非凝縮性ガスによる凝縮温度、圧力の上昇を抑制し、キャピラリチューブ内の冷媒流量を維持できるという作用を有する。
【００２６】
本発明の請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、さらに冷媒は、エタン、プロパンのいずれか１種としたものであり、小気筒容積にて冷凍能力を導出することができるので、圧縮機のコンパクト化が可能という作用を有する。
【００２７】
本発明の請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、さらにエタンとプロパンの混合体としたものであり、使用対象機器によって最適な混合冷媒を使用して省エネを向上することが可能という作用を有する。
【００２８】
本発明の請求項５記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発明に、さらに、圧縮機の運転時の内圧は蒸発圧力であり、冷凍機油は、ナフテン系鉱油、パラフィン系鉱油、及びアルキルベンゼン系合成油からなる群より選択される少なくとも１種としたものであり、圧縮機内圧を低い圧力に維持することができ、圧縮機底部に収容している冷凍機油への炭化水素系冷媒の溶解量を低減できるため、冷凍装置内に封入する冷媒量を少なくすることが可能という作用を有する。さらに、炭化水素系冷媒と冷凍機油との相溶性が高く、圧縮機外に吐出された冷凍機油が圧縮機内に戻り易いという作用を有する。
【００２９】
本発明の請求項６記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発明に、さらに、圧縮機の運転時の内圧は凝縮圧力であり、冷凍機油は、ポリエステル油、ポリアルキレングリコール油、ポリビニルエーテル油及びふっ素系油からなる群より選択される少なくとも１種としたものであり、これにより、圧縮機内圧が高い圧縮機を使用した場合であっても、炭化水素系冷媒と相溶性が低いために、圧縮機底部に収容している冷凍機油への炭化水素系冷媒の溶解量を低減できるという作用を有する。
【００３０】
本発明の請求項７記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の発明に、さらに、乾燥剤は、細孔径が３．５オングストローム以下で、Ｎａ・Ｋ型アルミノけい酸塩を含有するＡ型合成ゼオライトであり、冷凍装置内の水分を吸着するという作用を有する。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下本発明による冷凍装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による冷凍装置を示したもので、家庭用冷蔵庫を例にしている。冷凍装置は、代表的な圧縮機である往復式圧縮機１０１と凝縮器を構成する受台パイプ１０２、放熱パイプ１０３、クリーンパイプ１０４、膨張機構であるキャピラリチューブ１０５、蒸発器１０６から構成されており、冷媒（図示せず）が封入されている。また、キャピラリチューブ１０５と凝縮器との間に乾燥器１０８が備わっている。
【００３３】
冷媒は沸点が−４２．２℃であり、飽和炭化水素であるプロパン（Ｃ３Ｈ８）からなり、不純物であるプロピレン（Ｃ３Ｈ６）、ブテン（Ｃ４Ｈ６）等の不飽和炭化水素を０．００５重量％に管理し、メタン（ＣＨ４）等の非凝縮性ガスを０．０２重量％に管理してある。
【００３４】
図２は、本実施の形態における冷凍装置の往復式圧縮機１０１の縦断面図である。ステータ１０９とロータ１１０とで構成されるモータ機構１１１と、このモータ機構１１１の下方にシャフト１１２を介してシリンダ１１３とピストン１１４とで圧縮室１１５を形成する圧縮機構１１６とが冷凍機油１１７とともに密閉されたシェル１１８に収容されており、運転時のシェル１１８内の圧力が蒸発圧力となるものである。冷凍機油１１７はナフテン系鉱油（粘度グレード：２２ｍｍ２／ｓ）を封入した。
【００３５】
図３は、本実施の形態における冷凍装置の乾燥器１０８の縦断面図である。乾燥器１０８内にはゼオライト１０８ａからなる乾燥剤が収容されており、この乾燥剤は、細孔径が３．５オングストローム以下で、Ｎａ・Ｋ型アルミノけい酸塩を含有するＡ型合成ゼオライトからなっている。
【００３６】
以上のように構成された冷凍装置において、以下その動作を説明する。
【００３７】
往復式圧縮機１０１によって冷媒は圧縮され、凝縮器を構成する受台パイプ１０２、放熱パイプ１０３、クリーンパイプ１０４を通る間に放熱、冷却され、液化する。そして膨張機構であるキャピラリチューブ１０５を通ることで膨張し、蒸発器１０６の中で蒸発し、熱を奪うことで冷蔵庫１０７内を冷却し、その後再び往復式圧縮機１０１に戻って冷媒は圧縮される。
【００３８】
発明者らは上述の冷凍装置を有する家庭用冷蔵庫を運転した結果、長時間に亘って庫内温度を−３０℃程度まで冷却することができ、冷凍能力の低下も確認されなかった。
【００３９】
次に、冷凍装置内に不飽和炭化水素、及び非凝縮性ガスを混入し、冷凍能力の低下、および時系列での冷凍装置の信頼性に関し、試験評価した結果について説明する。
【００４０】
図４は、図１に示す家庭用冷蔵庫の冷凍装置内に、不飽和炭化水素であるプロピレン（Ｃ３Ｈ６）やブテン（Ｃ４Ｈ６）、ブチン（Ｃ４Ｈ６）等のうち、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）を追加投入して不飽和炭化水素の総量を０．００５〜０．０５重量％の間で調整した複数の冷凍装置を準備し、これをある期間、運転させた後の冷凍性能の低下を試験的に確認した結果である。
【００４１】
尚、図４に示す試験においては、有効内容積が４００リッタークラスの家庭用冷蔵庫を用い、不飽和炭化水素の混入による悪影響を加速評価するために、比較的低い外気温度のもと、ドアを半開きにして加速させた試験である。なお、非凝縮性ガスの混入量は０．０１重量％以下に管理してある。
【００４２】
一般に、図１に示すキャピラリチューブ１０５内にスラッジ等が堆積し、冷媒の循環阻害が生じると、キャピラリチューブ１０５出口付近において、圧力が急激に低下してキャピラリチューブ１０５の入口（凝縮器側）と出口（蒸発器側）における圧力差が開き、それに伴いキャピラリチューブ出口付近の温度が下がることが知られている。そこで本試験においては、横軸に不飽和炭化水素の総量をパラメータとして示し、縦軸にキャピラリチューブ１０５の出口温度１１９ａと蒸発器１０６の入口温度１１９ｂの実測値を指標として示した。
【００４３】
図４の結果から、不飽和炭化水素の混入量が０．０１重量％程度を越えた辺りから、急激にキャピラリチューブ１０５出口と蒸発器１０６入口の温度が低くなることが判る。さらに、本試験でキャピラリチューブ１０５出口温度、及び蒸発器１０６温度が最も低い結果となった冷凍装置のキャピラリチューブ１０５内部の状態分析を行った結果、キャピラリチューブ１０５内部には、粘着性の黒色物質の付着が観察された。これを採取しＥＰＭＡ分析した結果、不飽和炭化水素を核とした金属との反応物（例えばカルボン酸塩）が検出された。このことは不飽和炭化水素を起点として、不飽和炭化水素に含まれる二重結合あるいは三重結合を構成するπ電子が関与し、圧縮機を構成する摺動部品から生成される摩耗粉や摺動発熱による冷凍機油の劣化物と吸着、あるいは重合結合することにより、固形物（スラッジ）が生成したことを示している。
【００４４】
以上の結果から、不飽和炭化水素の含有量は０．０１重量％以下程度であれば実用上問題無いレベルまでにスラッジの生成を抑制することができることが分かった。
【００４５】
図５は、図１に示す家庭用冷蔵庫の冷凍システム内に、メタン（ＣＨ４）、空気（Ｏ２、Ｎ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）等の非凝縮性ガスのうち、メタン（ＣＨ４）の投入量を振って冷凍性能の低下を試験的に確認した結果である。
【００４６】
本試験では、非凝縮性ガスの総混入量を０．０１〜０．２重量％の間で振った複数の冷凍装置内を準備し、これをある期間、運転させた後の冷凍性能の低下を試験的に確認した結果である。
【００４７】
非凝縮性ガスが冷凍装置の中に混入すると、熱交換阻害を起こし、冷媒は凝縮液化しにくくなる。完全に液化していない冷媒が蒸気ガスの状態でキャピラリチューブ内に流入した場合には、非凝縮性ガスを起点とした冷媒の循環阻害を極めて誘発しやすくなり、キャピラリチューブ１０５の入口（凝縮器側）と出口（蒸発器側）における圧力差が非常に大きくなり、それに伴いキャピラリチューブ出口付近の温度が大きく下がることが知られている。そこで図５においては、横軸に非凝縮性ガスの総混入量をパラメータとして示し、縦軸にキャピラリチューブ出口温度１２０ａと蒸発器入口温度１２０ｂの実測値を指標として示した。
【００４８】
尚、図５に示す試験においては、有効内容積が４００リッタークラスの家庭用冷蔵庫を用い、不飽和炭化水素の混入による悪影響を加速評価するために、比較的低い外気温度のもと、ドアを半開きにして加速させた試験である。なお、不飽和炭化水素の初期混入量は０．０１重量％以下に管理してある。
【００４９】
図５の結果から、非凝縮性ガスの総量が０．０５重量％程度を越えた辺りから、キャピラリチューブ１０５出口と蒸発器１０６入口の温度が極端に低くなることが判った。
【００５０】
以上の結果から、本実施例においては、不純物としてメタン（ＣＨ４）、空気（Ｏ２、Ｎ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）等の非凝縮性ガスの含有量を０．０５重量％以下程度であれば冷媒の循環阻害を引き起こすこと無く、冷凍装置の長期信頼性を確保できることが分かった。
【００５１】
また、本実施例においては、家庭用冷蔵庫の冷凍装置の冷媒として、飽和炭化水素であるプロパン（Ｃ３Ｈ８）単体物を使用しているが、エタン（Ｃ２Ｈ６）単体物、あるいはエタンとプロパンの混合物を使用しても同様な効果が得られる。
【００５２】
また、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、エタン（Ｃ２Ｈ６）からなる冷媒単体物、あるいは混合物は、イソブタン（Ｃ４Ｈ１０）や１、１、１、２−テトラフルオロエタン（ＨＦＣ−１３４ａ）に比べて沸点が低く、圧縮室１５を小型化して小気筒容積にて冷凍能力を導出することができるので、圧縮機のコンパクト化が可能である。
【００５３】
さらに、家庭用冷蔵庫やエアコンなどの使用対象機器によって、求められる能力が異なるため、最適な単体冷媒、混合冷媒を使用して省エネを向上することが望ましい。
【００５４】
また、本実施例においては、運転時の内圧が蒸発圧力である往復式圧縮機内の摺動部の潤滑性を維持するためにナフテン系鉱油を用いているが、パラフィン系鉱油、及びアルキルベンゼン系合成油を用いても同様な効果が得られる。
【００５５】
さらに、冷凍機油に、極圧添加剤として、硫黄系、塩素系、よう素系、りん系、またはモリブデンなどの有機金属系化合物を用いると圧縮機内の摺動部の耐摩耗性を向上することができる。具体的にはトリクレジルフォスフェート（ＴＣＰ）、あるいはトリフェニルフォスフェート（ＴＰＰ）を０．１〜１．０重量％含有すれば、冷凍機油の粘度グレードを２２ｍｍ２／ｓ未満としても、摺動部の耐摩耗性の十分な確保と共に、低粘度化による圧縮機の冷凍効率が向上して、冷凍装置の省エネにも寄与することが可能である。
【００５６】
加えて、冷凍機油に、酸化防止剤、酸捕捉剤、金属不活性剤、及び油性剤、消泡剤を添加することも、圧縮機の摺動部の耐摩耗性向上、油の安定性向上、オイルスラッジの発生抑制、冷凍装置全体の信頼性向上の観点から望ましい。
【００５７】
また、本実施例における細孔径が３．５オングストローム以下で、Ｎａ・Ｋ型アルミノけい酸塩を含有するＡ型合成ゼオライトからなる乾燥剤により、冷凍装置への水分吸着を防止が可能である。炭化水素系冷媒の成分である飽和炭化水素の分子径は殆ど３．５オングストローム以上であるために、水を吸着する３．５オングストローム以下のＡ型の合成ゼオライトには吸着され難い。故に冷媒の分解は起り難い。従って、冷凍装置内に、細孔径が３．５オングストローム以下で、Ｎａ・Ｋ型アルミノけい酸塩を含有するＡ型合成ゼオライトを装着すると、内部の水分を十分に吸着し、冷凍性能低下を起こさないので、冷凍装置の信頼性を確保することが可能である。さらに、ゼオライトの破壊強度を５．０ｋｇ以上で、摩耗強度を０．１重量％以下とすることが望ましく、ゼオライト粉の発生による冷凍装置、及び圧縮機への悪影響も無くなる。
【００５８】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２による冷凍装置を示したもので、家庭用冷蔵庫を例にしている。冷凍装置は、代表的な圧縮機であるロータリー圧縮機２０１と凝縮器を構成する受台パイプ１０２、放熱パイプ１０３、クリーンパイプ１０４、膨張機構であるキャピラリチューブ１０５、蒸発器１０６から構成されており、冷媒（図示せず）が封入されている。また、キャピラリチューブ１０５と凝縮器との間には、ゼオライト（図示せず）からなる乾燥剤を収容した乾燥器１０８が備わっている。
【００５９】
封入された冷媒は沸点が−４２．２℃であり、飽和炭化水素であるプロパン（Ｃ３Ｈ８）からなり、不純物であるプロピレン（Ｃ３Ｈ６）、ブテン（Ｃ４Ｈ６）等の不飽和炭化水素を０．０１重量％に管理し、メタン（ＣＨ４）等の非凝縮性ガスを０．０５重量％に管理してある。
【００６０】
図７は、本実施の形態における圧縮機の縦断面図である。圧縮機２０１はロータリー式で、ステータ２０２とロータ２０３とで構成されるモータ機構２０４と、このモータ機構２０４の隣にシャフト２０５を介してシリンダ２０６とローラ２０７とベーン２０８とで圧縮室（図示せず）を構成する圧縮機構２０９とが冷凍機油２１０とともに密閉されたシェル２１１に収容されており、運転時のシェル２１１内の圧力は凝縮圧力となるものである。冷凍機油２１０はポリエステル油（粘度グレード：３２ｍｍ２／ｓ）を封入した。
【００６１】
以上のように構成された冷凍装置において、以下その動作を説明する。
【００６２】
ロータリー圧縮機２０１によって冷媒は圧縮され、凝縮器を構成する受台パイプ１０２、放熱パイプ１０３、クリーンパイプ１０４を通る間に放熱、冷却され、液化する。そして膨張機構であるキャピラリチューブ１０５を通ることで膨張し、蒸発器１０６の中で蒸発し、熱を奪うことで冷蔵庫１０７内を冷却し、その後再びロータリー圧縮機２０１に戻って冷媒は圧縮される。
【００６３】
上述の冷凍装置を有する家庭用冷蔵庫は、長時間に亘って庫内温度を−３０℃程度まで冷却することができ、冷凍能力の低下も確認されなかった。
【００６４】
ここで、運転時の圧縮機のシェル内圧が凝縮圧力となるので、比較的高圧であり、冷凍機油中への冷媒溶解量が増加する傾向にある。しかしながら、冷凍機油として使用するポリエステル油への炭化水素系冷媒の溶解量は、ナフテン系鉱油、パラフィン系鉱油、及びアルキルベンゼン系合成油に比べて小さい。例えば、家庭用冷蔵庫４００リッタークラスの冷凍装置にあっては、全封入冷媒量を１００％とした際に、相溶性のある冷凍機油の場合には炭化水素系冷媒は約２０％溶け込むことになる。従って、２０％余分に冷媒封入量を増やす必要があるが、本実施例の場合では、冷媒溶解量が半分以下となるため、単純計算で約１０％以上も封入量が少なくて済むことになる。従って、使用対象機器によって、圧縮機のシェル内の圧力が比較的高圧となるロータリー式の圧縮機などを使用せざるを得ない状況下においても、本実施例で示される冷凍機油を使用すれば、冷凍装置内に封入する冷媒量を抑制することが可能となる。
【００６５】
尚、本実施例では、ポリエステル油を使用したが、ポリアルキレングリコール油、ポリビニルエーテル油及びふっ素系油も同様に、炭化水素系冷媒との相溶性が低く、同様な効果が得られる。
【００６６】
さらに、冷凍機油に、極圧添加剤として、硫黄系、塩素系、よう素系、りん系、またはモリブデンなどの有機金属系化合物を用いると圧縮機内の摺動部の耐摩耗性を向上することができる。具体的にはトリクレジルフォスフェート（ＴＣＰ）、あるいはトリフェニルフォスフェート（ＴＰＰ）を０．１〜１．０重量％含有すれば、圧縮機の耐摩耗性が向上し、冷凍機油の粘度グレードを３２ｍｍ２／ｓ未満としても、耐摩耗性を維持できると共に、低粘度化による圧縮機の冷凍性能も向上し、冷凍装置の省エネに寄与することが可能である。
【００６７】
加えて、冷凍機油に、酸化防止剤、酸捕捉剤、金属不活性剤、及び油性剤、消泡剤を添加すれば、圧縮機の摺動部の耐摩耗性向上、油の安定性向上、オイルスラッジの発生抑制、冷凍装置全体の信頼性維持の観点から望ましい。
【００６８】
また、本実施例においては、家庭用冷蔵庫の冷凍装置の冷媒として、飽和炭化水素であるプロパン（Ｃ３Ｈ８）単体物を使用しているが、エタン（Ｃ２Ｈ６）単体物、あるいはエタンとプロパンの混合物を使用しても同様な効果が得られる。
【００６９】
また、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、エタン（Ｃ２Ｈ６）からなる冷媒単体物、あるいは混合物は、イソブタン（Ｃ４Ｈ１０）や１、１、１、２−テトラフルオロエタン（ＨＦＣ−１３４ａ）に比べて沸点が低く、圧縮室を小型化して小気筒容積にて冷凍能力を導出することができるので、往復式と同様に圧縮機のコンパクト化が可能である。さらに、家庭用冷蔵庫やエアコンなどの使用対象機器によって、求められる能力が異なるため、最適な単体冷媒、混合冷媒を使用して省エネを向上することが望ましい。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に記載の発明は、スラッジの発生が少なく、信頼性の高い冷凍装置を提供することができる。
【００７１】
また、請求項２に記載の発明は、キャピラリチューブ内の冷媒流量が減少しにくく、また吐出ガス温度の上昇が少なく信頼性の高い冷凍装置を提供することができる。
【００７２】
また、請求項３に記載の発明は、沸点が低く、圧縮室を小型化して小気筒容積にて冷凍能力を導出するので、圧縮機のコンパクト化ができる。
【００７３】
また、請求項４記載の発明は、使用対象機器によって最適な混合冷媒を使用して省エネを向上することができる。
【００７４】
また、請求項５に記載の発明は、冷媒の使用量が少なく安全性の高い冷凍装置を提供することができる。さらに、炭化水素系冷媒と冷凍機油との相溶性が向上して、圧縮機外に吐出された冷凍機油の圧縮機の摺動部への戻りが維持されて、摺動部の長期信頼性の確保ができる。
【００７５】
また、請求項６に記載の発明は、圧縮機のシェル内圧が高い圧縮機を使用した場合であっても、冷媒の使用量が少なく安全性の高い冷凍装置を提供することができる。
【００７６】
また、請求項７に記載の発明は、遊離水分量が少なく、信頼性の高い冷凍装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による冷蔵庫の冷凍装置を示す図
【図２】同実施の形態による圧縮機の縦断面図
【図３】同実施の形態による乾燥器の縦断面図
【図４】家庭用冷蔵庫の冷凍装置内の不飽和炭化水素混入量とキャピラリチューブ出口、及び蒸発器入口温度の実験結果図
【図５】家庭用冷蔵庫の冷凍装置内の非凝縮性ガス混入量とキャピラリチューブ出口、及び蒸発器入口温度の実験結果図
【図６】本発明の実施の形態２による冷蔵庫の冷凍装置を示す図
【図７】同実施の形態による圧縮機の縦断面図
【図８】従来例の冷蔵庫の冷凍装置を示す図
【図９】従来例の往復式圧縮機の縦断面図
【符号の説明】
１０１ 往復式圧縮機
１０２ 受台パイプ
１０３ 放熱パイプ
１０４ クリーンパイプ
１０５ キャピラリチューブ
１０６ 蒸発器
１０７ 冷蔵庫
１０８ 乾燥器
１０８ａ ゼオライト
１０９ ステータ
１１０ ロータ
１１１ モータ機構
１１２ シャフト
１１３ シリンダ
１１４ ピストン
１１５ 圧縮室
１１６ 圧縮機構
１１７ 冷凍機油
１１８ シェル
１１９ａ キャピラリチューブ出口温度
１１９ｂ 蒸発器入口温度
１２０ａ キャピラリチューブ出口温度
１２０ｂ 蒸発器入口温度
２０１ ロータリー圧縮機
２０２ ステータ
２０３ ロータ
２０４ モータ機構
２０５ シャフト
２０６ シリンダ
２０７ ローラ
２０８ ベーン
２０９ 圧縮機構
２１０ 冷凍機油
２１１ シェル
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば冷凍冷蔵庫や空気調和機などに組込まれる冷凍装置の特に冷媒、冷凍機油、乾燥剤に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球温暖化を含めた環境問題は、地球規模での対応が強く求められている。
【０００３】
図８は家庭用冷蔵庫を例とした冷凍装置である。
【０００４】
図８において、冷媒は圧縮機構である圧縮機１により圧縮され、凝縮器である受台パイプ２、放熱パイプ３、クリーンパイプ４を通り冷却され、膨張機構である毛細管、一般的にはキャピラリチューブ５を通り膨張し、蒸発機構であり蒸発器６において蒸発し、冷蔵庫７内を冷却する。その後再び圧縮機１で圧縮される。なお、８は乾燥剤を収容する乾燥器を示す。
【０００５】
また、図９は、従来の冷凍装置における圧縮機の縦断面図である。ステータ９とロータ１０とで構成されるモータ機構１１と、このモータ機構１１の下方にシャフト１２を介して圧縮機構１３とが密閉されたシェル１４に冷凍機油１５と共に収容されている。
【０００６】
ここで、冷凍装置に使用される冷媒は、ジフルオロメタン（ＨＦＣ−３２）、ペンタフルオロメタン（ＨＦＣ−１２５）、１、１、１、２−テトラフルオロエタン（ＨＦＣ−１３４ａ）、１、１、１−トリフルオロエタン（ＨＦＣ−１４３ａ）などの単体あるいは混合物のＨＦＣ系のフロンガスが従来から使用されており、冷凍機油としては、ＨＦＣ系の冷媒と相溶性が高いポリエステル系合成油、ポリアルキレングリコール系合成油、ポリエーテル系合成油、フッ素系合成油等や、相溶性が低いアルキルベンゼン系合成油、低粘度鉱油などが使用されている。
【０００７】
しかしながら、ＨＦＣ系の冷媒は地球温暖化係数（ＧＷＰ）が高く、温室効果ガス作用があるとの問題がある。そのため、気候変動枠組条約で、ＨＦＣ系冷媒は温室効果ガスの規制対象ガスに指定されて、将来的には排出の抑制、及び使用量削減の数値目標が設定される見込みである。
【０００８】
このため、ＨＦＣ系の冷媒の代替として、特開平８−２００２２４に示されるような炭化水素冷媒物質が検討されている。
【０００９】
冷媒として使用が可能な炭化水素系物質、例えばエタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）やイソブタン（Ｃ４Ｈ１０）などは、炭化水素を形成する炭素骨格の原子価が全て水素原子で飽和された飽和炭化水素であり、特性は、沸点が−９０℃から０℃の間にあり、ＨＦＣ系の冷媒に比べ同等以下である。さらに蒸発潜熱、熱伝導率は十分に高いことから、冷凍装置の代替冷媒とし使用することができる。また、安定性の指標である結合エネルギーは約８３ｋｃａｌ／ｍｏｌであり、ＨＦＣ系の冷媒とほぼ同等程度であることから、化学的にも安定している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
こういった飽和炭化水素は、一般に自然界に存在する石油や天然ガス等の有機化合物を単離精製することで製造される。炭化水素系冷媒として使用される飽和炭化水素の純度を向上させるためには、蒸留、昇華、再結晶、元素添加、吸着、あるいは分配クロマトグラフといった種々の単離精製方法が採用されている
ところが、有機化学の基礎（高橋詢著、廣川書店、昭和４８年改稿）のＰ．９に示されるように、有機化合物を純粋に単離精製することは無機化合物の場合と異なり、概して困難である。その結果、炭化水素系冷媒にはどうしてもエチレン結合（または二重結合）、あるいはアセチレン結合（または三重結合）を有する不飽和炭化水素、例えば、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）、ブテン（Ｃ４Ｈ６）、ブチン（Ｃ４Ｈ６）等が不純物として残留してしまう。
【００１１】
そして、このような不飽和炭化水素の残留量が多い冷媒を冷蔵装置に用いると、不飽和炭化水素に含まれる二重結合あるいは三重結合を構成するπ電子が関与して、圧縮機を構成する摺動部品から生成される摩耗粉や摺動発熱による冷凍機油の劣化物と吸着、あるいは重合結合することにより、固形物（スラッジ）が生成される。このスラッジは冷凍装置内を冷媒と共に循環する過程で、特に細径であるキャピラリチューブ内等に堆積して冷媒の循環阻害を招き、その結果、冷凍装置が鈍冷、不冷現象を起こすといった問題が発生する。
【００１２】
本発明は従来の課題を解決するもので、スラッジの発生が少なく、信頼性の高い冷凍装置を提供することを目的とする。
【００１３】
また、冷媒として使用する炭化水素系物質は、自然資源を単離精製して取出されるが、自然資源中には非凝縮性ガスが含まれる。
【００１４】
ここで、非凝縮性ガスとは、対象冷媒に対して液化凝縮させるために必要な圧力値が遥かに高いガスのことを言い、一般的に、メタン（ＣＨ４）、空気（Ｏ２、Ｎ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）などが挙げられる。
【００１５】
非凝縮性ガスが混入した冷凍装置では、運転される間に冷凍装置内の凝縮器内に溜まった非凝縮性ガスが凝縮器内で滞留している部分の伝熱面を覆い、熱交換阻害を起こす。その結果、圧縮機より吐出された高温高圧の冷媒蒸気が凝縮液化され難くなり、蒸気ガスの状態でキャピラリチューブ内に流入した場合に、キャピラリチューブ内での流体抵抗が増加し、冷媒流量が減少するため、冷凍装置の鈍冷、不冷の要因となる。
【００１６】
加えて、上記した凝縮温度の上昇によって、圧縮機の吐出ガス圧力は、凝縮温度の上昇分に相当する凝縮圧力の上昇に加え、非凝縮性ガスの分圧だけ高くなり、軸動力が増大して発熱を増大させると共に、吐出ガス温度の上昇に伴って、冷媒や冷凍機油が熱分解され、新たに非凝縮性ガスが発生することで、さらに吐出ガス温度が上昇するといった悪循環を起こし、圧縮機の信頼性を十分に確保できなくなることがある。
【００１７】
本発明の他の目的はキャピラリチューブ内の冷媒流量が減少しにくく、また吐出ガス温度の上昇が少なく信頼性の高い冷凍装置を提供することを目的とする。
【００１８】
さらに、炭化水素系の冷媒は強燃性という性質を持っており、安全確保の観点から、その使用量を規制する検討が進んでいる。
【００１９】
使用量に関係する安全規格としては、家庭用冷蔵庫に関する国際規格ＩＥＣ３３５−２−２４（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ ３３５−２−２４）や、家庭用冷蔵庫及び冷凍庫に関する米国規格ＵＬ２５０（Ｕｎｄｅｒｗｒｉｔｅｒｓ’ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｉｎｃ ２５０）が代表的である。ここでは、ＩＥＣ規格で封入される炭化水素系冷媒量を１５０ｇ以下とすること、また、ＵＬ規格で炭化水素系冷媒の漏洩量を５０ｇ以下とすることが規定されている。
【００２０】
一方、日本においても、日本電気工業会ＪＥＭＡ（Ｊａｐａｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ’ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）において、炭化水素系冷媒の封入量の自主基準が策定されており、ＪＩＳ Ｃ ９６０７に規定する冷気強制循環方式冷蔵庫に限り１００ｇ以下、冷気自然対流方式冷蔵庫は１５０ｇ以下とされている。
【００２１】
本発明の他の目的は冷媒の使用量が少なく安全性の高い冷凍装置を提供することを目的とする。
【００２２】
一方、炭化水素系冷媒はＨＦＣ系の冷媒に比べて水分の溶解度が小さいため、炭化水素系物質を冷媒に用いた場合、同じ水分量が混入した場合、遊離水分量は多くなる。溶解度の限度を越えると遊離して存在するが、この水分はキャピラリチューブの低温部分で氷結し、キャピラリチューブを閉塞させたり、炭化水素系冷媒の電気絶縁性能を劣化させ、圧縮機の電動機の信頼性確保が困難になるといった課題があった。
【００２３】
本発明の他の目的は遊離水分量が少なく、信頼性の高い冷凍装置を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の発明は、冷媒と冷凍機油を密封し、圧縮機と凝縮器と乾燥器と膨張機構と蒸発器とを備えるとともに、前記冷媒は−９０℃から０℃の沸点を有する少なくとも１種類の飽和炭化水素であり、かつ含有する不飽和炭化水素を０．０１重量％以下にしたものであり、従来のＨＦＣ系冷媒の特性を維持することができると共に、不飽和炭化水素が、圧縮機を構成する摺動部品の摩耗粉や摺動摩擦による冷凍機油の劣化物と吸着、あるいは重合結合して生成されるスラッジの量を抑制するという作用を有する。
【００２５】
本発明の請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明に、さらに含有する非凝縮性ガスを０．０５重量％以下にしたものであり、非凝縮性ガスによる凝縮温度、圧力の上昇を抑制し、キャピラリチューブ内の冷媒流量を維持できるという作用を有する。
【００２６】
本発明の請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、さらに冷媒は、エタン、プロパンのいずれか１種としたものであり、小気筒容積にて冷凍能力を導出することができるので、圧縮機のコンパクト化が可能という作用を有する。
【００２７】
本発明の請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、さらにエタンとプロパンの混合体としたものであり、使用対象機器によって最適な混合冷媒を使用して省エネを向上することが可能という作用を有する。
【００２８】
本発明の請求項５記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発明に、さらに、圧縮機の運転時の内圧は蒸発圧力であり、冷凍機油は、ナフテン系鉱油、パラフィン系鉱油、及びアルキルベンゼン系合成油からなる群より選択される少なくとも１種としたものであり、圧縮機内圧を低い圧力に維持することができ、圧縮機底部に収容している冷凍機油への炭化水素系冷媒の溶解量を低減できるため、冷凍装置内に封入する冷媒量を少なくすることが可能という作用を有する。さらに、炭化水素系冷媒と冷凍機油との相溶性が高く、圧縮機外に吐出された冷凍機油が圧縮機内に戻り易いという作用を有する。
【００２９】
本発明の請求項６記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発明に、さらに、圧縮機の運転時の内圧は凝縮圧力であり、冷凍機油は、ポリエステル油、ポリアルキレングリコール油、ポリビニルエーテル油及びふっ素系油からなる群より選択される少なくとも１種としたものであり、これにより、圧縮機内圧が高い圧縮機を使用した場合であっても、炭化水素系冷媒と相溶性が低いために、圧縮機底部に収容している冷凍機油への炭化水素系冷媒の溶解量を低減できるという作用を有する。
【００３０】
本発明の請求項７記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の発明に、さらに、乾燥剤は、細孔径が３．５オングストローム以下で、Ｎａ・Ｋ型アルミノけい酸塩を含有するＡ型合成ゼオライトであり、冷凍装置内の水分を吸着するという作用を有する。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下本発明による冷凍装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による冷凍装置を示したもので、家庭用冷蔵庫を例にしている。冷凍装置は、代表的な圧縮機である往復式圧縮機１０１と凝縮器を構成する受台パイプ１０２、放熱パイプ１０３、クリーンパイプ１０４、膨張機構であるキャピラリチューブ１０５、蒸発器１０６から構成されており、冷媒（図示せず）が封入されている。また、キャピラリチューブ１０５と凝縮器との間に乾燥器１０８が備わっている。
【００３３】
冷媒は沸点が−４２．２℃であり、飽和炭化水素であるプロパン（Ｃ３Ｈ８）からなり、不純物であるプロピレン（Ｃ３Ｈ６）、ブテン（Ｃ４Ｈ６）等の不飽和炭化水素を０．００５重量％に管理し、メタン（ＣＨ４）等の非凝縮性ガスを０．０２重量％に管理してある。
【００３４】
図２は、本実施の形態における冷凍装置の往復式圧縮機１０１の縦断面図である。ステータ１０９とロータ１１０とで構成されるモータ機構１１１と、このモータ機構１１１の下方にシャフト１１２を介してシリンダ１１３とピストン１１４とで圧縮室１１５を形成する圧縮機構１１６とが冷凍機油１１７とともに密閉されたシェル１１８に収容されており、運転時のシェル１１８内の圧力が蒸発圧力となるものである。冷凍機油１１７はナフテン系鉱油（粘度グレード：２２ｍｍ２／ｓ）を封入した。
【００３５】
図３は、本実施の形態における冷凍装置の乾燥器１０８の縦断面図である。乾燥器１０８内にはゼオライト１０８ａからなる乾燥剤が収容されており、この乾燥剤は、細孔径が３．５オングストローム以下で、Ｎａ・Ｋ型アルミノけい酸塩を含有するＡ型合成ゼオライトからなっている。
【００３６】
以上のように構成された冷凍装置において、以下その動作を説明する。
【００３７】
往復式圧縮機１０１によって冷媒は圧縮され、凝縮器を構成する受台パイプ１０２、放熱パイプ１０３、クリーンパイプ１０４を通る間に放熱、冷却され、液化する。そして膨張機構であるキャピラリチューブ１０５を通ることで膨張し、蒸発器１０６の中で蒸発し、熱を奪うことで冷蔵庫１０７内を冷却し、その後再び往復式圧縮機１０１に戻って冷媒は圧縮される。
【００３８】
発明者らは上述の冷凍装置を有する家庭用冷蔵庫を運転した結果、長時間に亘って庫内温度を−３０℃程度まで冷却することができ、冷凍能力の低下も確認されなかった。
【００３９】
次に、冷凍装置内に不飽和炭化水素、及び非凝縮性ガスを混入し、冷凍能力の低下、および時系列での冷凍装置の信頼性に関し、試験評価した結果について説明する。
【００４０】
図４は、図１に示す家庭用冷蔵庫の冷凍装置内に、不飽和炭化水素であるプロピレン（Ｃ３Ｈ６）やブテン（Ｃ４Ｈ６）、ブチン（Ｃ４Ｈ６）等のうち、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）を追加投入して不飽和炭化水素の総量を０．００５〜０．０５重量％の間で調整した複数の冷凍装置を準備し、これをある期間、運転させた後の冷凍性能の低下を試験的に確認した結果である。
【００４１】
尚、図４に示す試験においては、有効内容積が４００リッタークラスの家庭用冷蔵庫を用い、不飽和炭化水素の混入による悪影響を加速評価するために、比較的低い外気温度のもと、ドアを半開きにして加速させた試験である。なお、非凝縮性ガスの混入量は０．０１重量％以下に管理してある。
【００４２】
一般に、図１に示すキャピラリチューブ１０５内にスラッジ等が堆積し、冷媒の循環阻害が生じると、キャピラリチューブ１０５出口付近において、圧力が急激に低下してキャピラリチューブ１０５の入口（凝縮器側）と出口（蒸発器側）における圧力差が開き、それに伴いキャピラリチューブ出口付近の温度が下がることが知られている。そこで本試験においては、横軸に不飽和炭化水素の総量をパラメータとして示し、縦軸にキャピラリチューブ１０５の出口温度１１９ａと蒸発器１０６の入口温度１１９ｂの実測値を指標として示した。
【００４３】
図４の結果から、不飽和炭化水素の混入量が０．０１重量％程度を越えた辺りから、急激にキャピラリチューブ１０５出口と蒸発器１０６入口の温度が低くなることが判る。さらに、本試験でキャピラリチューブ１０５出口温度、及び蒸発器１０６温度が最も低い結果となった冷凍装置のキャピラリチューブ１０５内部の状態分析を行った結果、キャピラリチューブ１０５内部には、粘着性の黒色物質の付着が観察された。これを採取しＥＰＭＡ分析した結果、不飽和炭化水素を核とした金属との反応物（例えばカルボン酸塩）が検出された。このことは不飽和炭化水素を起点として、不飽和炭化水素に含まれる二重結合あるいは三重結合を構成するπ電子が関与し、圧縮機を構成する摺動部品から生成される摩耗粉や摺動発熱による冷凍機油の劣化物と吸着、あるいは重合結合することにより、固形物（スラッジ）が生成したことを示している。
【００４４】
以上の結果から、不飽和炭化水素の含有量は０．０１重量％以下程度であれば実用上問題無いレベルまでにスラッジの生成を抑制することができることが分かった。
【００４５】
図５は、図１に示す家庭用冷蔵庫の冷凍システム内に、メタン（ＣＨ４）、空気（Ｏ２、Ｎ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）等の非凝縮性ガスのうち、メタン（ＣＨ４）の投入量を振って冷凍性能の低下を試験的に確認した結果である。
【００４６】
本試験では、非凝縮性ガスの総混入量を０．０１〜０．２重量％の間で振った複数の冷凍装置内を準備し、これをある期間、運転させた後の冷凍性能の低下を試験的に確認した結果である。
【００４７】
非凝縮性ガスが冷凍装置の中に混入すると、熱交換阻害を起こし、冷媒は凝縮液化しにくくなる。完全に液化していない冷媒が蒸気ガスの状態でキャピラリチューブ内に流入した場合には、非凝縮性ガスを起点とした冷媒の循環阻害を極めて誘発しやすくなり、キャピラリチューブ１０５の入口（凝縮器側）と出口（蒸発器側）における圧力差が非常に大きくなり、それに伴いキャピラリチューブ出口付近の温度が大きく下がることが知られている。そこで図５においては、横軸に非凝縮性ガスの総混入量をパラメータとして示し、縦軸にキャピラリチューブ出口温度１２０ａと蒸発器入口温度１２０ｂの実測値を指標として示した。
【００４８】
尚、図５に示す試験においては、有効内容積が４００リッタークラスの家庭用冷蔵庫を用い、不飽和炭化水素の混入による悪影響を加速評価するために、比較的低い外気温度のもと、ドアを半開きにして加速させた試験である。なお、不飽和炭化水素の初期混入量は０．０１重量％以下に管理してある。
【００４９】
図５の結果から、非凝縮性ガスの総量が０．０５重量％程度を越えた辺りから、キャピラリチューブ１０５出口と蒸発器１０６入口の温度が極端に低くなることが判った。
【００５０】
以上の結果から、本実施例においては、不純物としてメタン（ＣＨ４）、空気（Ｏ２、Ｎ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）等の非凝縮性ガスの含有量を０．０５重量％以下程度であれば冷媒の循環阻害を引き起こすこと無く、冷凍装置の長期信頼性を確保できることが分かった。
【００５１】
また、本実施例においては、家庭用冷蔵庫の冷凍装置の冷媒として、飽和炭化水素であるプロパン（Ｃ３Ｈ８）単体物を使用しているが、エタン（Ｃ２Ｈ６）単体物、あるいはエタンとプロパンの混合物を使用しても同様な効果が得られる。
【００５２】
また、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、エタン（Ｃ２Ｈ６）からなる冷媒単体物、あるいは混合物は、イソブタン（Ｃ４Ｈ１０）や１、１、１、２−テトラフルオロエタン（ＨＦＣ−１３４ａ）に比べて沸点が低く、圧縮室１５を小型化して小気筒容積にて冷凍能力を導出することができるので、圧縮機のコンパクト化が可能である。
【００５３】
さらに、家庭用冷蔵庫やエアコンなどの使用対象機器によって、求められる能力が異なるため、最適な単体冷媒、混合冷媒を使用して省エネを向上することが望ましい。
【００５４】
また、本実施例においては、運転時の内圧が蒸発圧力である往復式圧縮機内の摺動部の潤滑性を維持するためにナフテン系鉱油を用いているが、パラフィン系鉱油、及びアルキルベンゼン系合成油を用いても同様な効果が得られる。
【００５５】
さらに、冷凍機油に、極圧添加剤として、硫黄系、塩素系、よう素系、りん系、またはモリブデンなどの有機金属系化合物を用いると圧縮機内の摺動部の耐摩耗性を向上することができる。具体的にはトリクレジルフォスフェート（ＴＣＰ）、あるいはトリフェニルフォスフェート（ＴＰＰ）を０．１〜１．０重量％含有すれば、冷凍機油の粘度グレードを２２ｍｍ２／ｓ未満としても、摺動部の耐摩耗性の十分な確保と共に、低粘度化による圧縮機の冷凍効率が向上して、冷凍装置の省エネにも寄与することが可能である。
【００５６】
加えて、冷凍機油に、酸化防止剤、酸捕捉剤、金属不活性剤、及び油性剤、消泡剤を添加することも、圧縮機の摺動部の耐摩耗性向上、油の安定性向上、オイルスラッジの発生抑制、冷凍装置全体の信頼性向上の観点から望ましい。
【００５７】
また、本実施例における細孔径が３．５オングストローム以下で、Ｎａ・Ｋ型アルミノけい酸塩を含有するＡ型合成ゼオライトからなる乾燥剤により、冷凍装置への水分吸着を防止が可能である。炭化水素系冷媒の成分である飽和炭化水素の分子径は殆ど３．５オングストローム以上であるために、水を吸着する３．５オングストローム以下のＡ型の合成ゼオライトには吸着され難い。故に冷媒の分解は起り難い。従って、冷凍装置内に、細孔径が３．５オングストローム以下で、Ｎａ・Ｋ型アルミノけい酸塩を含有するＡ型合成ゼオライトを装着すると、内部の水分を十分に吸着し、冷凍性能低下を起こさないので、冷凍装置の信頼性を確保することが可能である。さらに、ゼオライトの破壊強度を５．０ｋｇ以上で、摩耗強度を０．１重量％以下とすることが望ましく、ゼオライト粉の発生による冷凍装置、及び圧縮機への悪影響も無くなる。
【００５８】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２による冷凍装置を示したもので、家庭用冷蔵庫を例にしている。冷凍装置は、代表的な圧縮機であるロータリー圧縮機２０１と凝縮器を構成する受台パイプ１０２、放熱パイプ１０３、クリーンパイプ１０４、膨張機構であるキャピラリチューブ１０５、蒸発器１０６から構成されており、冷媒（図示せず）が封入されている。また、キャピラリチューブ１０５と凝縮器との間には、ゼオライト（図示せず）からなる乾燥剤を収容した乾燥器１０８が備わっている。
【００５９】
封入された冷媒は沸点が−４２．２℃であり、飽和炭化水素であるプロパン（Ｃ３Ｈ８）からなり、不純物であるプロピレン（Ｃ３Ｈ６）、ブテン（Ｃ４Ｈ６）等の不飽和炭化水素を０．０１重量％に管理し、メタン（ＣＨ４）等の非凝縮性ガスを０．０５重量％に管理してある。
【００６０】
図７は、本実施の形態における圧縮機の縦断面図である。圧縮機２０１はロータリー式で、ステータ２０２とロータ２０３とで構成されるモータ機構２０４と、このモータ機構２０４の隣にシャフト２０５を介してシリンダ２０６とローラ２０７とベーン２０８とで圧縮室（図示せず）を構成する圧縮機構２０９とが冷凍機油２１０とともに密閉されたシェル２１１に収容されており、運転時のシェル２１１内の圧力は凝縮圧力となるものである。冷凍機油２１０はポリエステル油（粘度グレード：３２ｍｍ２／ｓ）を封入した。
【００６１】
以上のように構成された冷凍装置において、以下その動作を説明する。
【００６２】
ロータリー圧縮機２０１によって冷媒は圧縮され、凝縮器を構成する受台パイプ１０２、放熱パイプ１０３、クリーンパイプ１０４を通る間に放熱、冷却され、液化する。そして膨張機構であるキャピラリチューブ１０５を通ることで膨張し、蒸発器１０６の中で蒸発し、熱を奪うことで冷蔵庫１０７内を冷却し、その後再びロータリー圧縮機２０１に戻って冷媒は圧縮される。
【００６３】
上述の冷凍装置を有する家庭用冷蔵庫は、長時間に亘って庫内温度を−３０℃程度まで冷却することができ、冷凍能力の低下も確認されなかった。
【００６４】
ここで、運転時の圧縮機のシェル内圧が凝縮圧力となるので、比較的高圧であり、冷凍機油中への冷媒溶解量が増加する傾向にある。しかしながら、冷凍機油として使用するポリエステル油への炭化水素系冷媒の溶解量は、ナフテン系鉱油、パラフィン系鉱油、及びアルキルベンゼン系合成油に比べて小さい。例えば、家庭用冷蔵庫４００リッタークラスの冷凍装置にあっては、全封入冷媒量を１００％とした際に、相溶性のある冷凍機油の場合には炭化水素系冷媒は約２０％溶け込むことになる。従って、２０％余分に冷媒封入量を増やす必要があるが、本実施例の場合では、冷媒溶解量が半分以下となるため、単純計算で約１０％以上も封入量が少なくて済むことになる。従って、使用対象機器によって、圧縮機のシェル内の圧力が比較的高圧となるロータリー式の圧縮機などを使用せざるを得ない状況下においても、本実施例で示される冷凍機油を使用すれば、冷凍装置内に封入する冷媒量を抑制することが可能となる。
【００６５】
尚、本実施例では、ポリエステル油を使用したが、ポリアルキレングリコール油、ポリビニルエーテル油及びふっ素系油も同様に、炭化水素系冷媒との相溶性が低く、同様な効果が得られる。
【００６６】
さらに、冷凍機油に、極圧添加剤として、硫黄系、塩素系、よう素系、りん系、またはモリブデンなどの有機金属系化合物を用いると圧縮機内の摺動部の耐摩耗性を向上することができる。具体的にはトリクレジルフォスフェート（ＴＣＰ）、あるいはトリフェニルフォスフェート（ＴＰＰ）を０．１〜１．０重量％含有すれば、圧縮機の耐摩耗性が向上し、冷凍機油の粘度グレードを３２ｍｍ２／ｓ未満としても、耐摩耗性を維持できると共に、低粘度化による圧縮機の冷凍性能も向上し、冷凍装置の省エネに寄与することが可能である。
【００６７】
加えて、冷凍機油に、酸化防止剤、酸捕捉剤、金属不活性剤、及び油性剤、消泡剤を添加すれば、圧縮機の摺動部の耐摩耗性向上、油の安定性向上、オイルスラッジの発生抑制、冷凍装置全体の信頼性維持の観点から望ましい。
【００６８】
また、本実施例においては、家庭用冷蔵庫の冷凍装置の冷媒として、飽和炭化水素であるプロパン（Ｃ３Ｈ８）単体物を使用しているが、エタン（Ｃ２Ｈ６）単体物、あるいはエタンとプロパンの混合物を使用しても同様な効果が得られる。
【００６９】
また、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、エタン（Ｃ２Ｈ６）からなる冷媒単体物、あるいは混合物は、イソブタン（Ｃ４Ｈ１０）や１、１、１、２−テトラフルオロエタン（ＨＦＣ−１３４ａ）に比べて沸点が低く、圧縮室を小型化して小気筒容積にて冷凍能力を導出することができるので、往復式と同様に圧縮機のコンパクト化が可能である。さらに、家庭用冷蔵庫やエアコンなどの使用対象機器によって、求められる能力が異なるため、最適な単体冷媒、混合冷媒を使用して省エネを向上することが望ましい。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に記載の発明は、スラッジの発生が少なく、信頼性の高い冷凍装置を提供することができる。
【００７１】
また、請求項２に記載の発明は、キャピラリチューブ内の冷媒流量が減少しにくく、また吐出ガス温度の上昇が少なく信頼性の高い冷凍装置を提供することができる。
【００７２】
また、請求項３に記載の発明は、沸点が低く、圧縮室を小型化して小気筒容積にて冷凍能力を導出するので、圧縮機のコンパクト化ができる。
【００７３】
また、請求項４記載の発明は、使用対象機器によって最適な混合冷媒を使用して省エネを向上することができる。
【００７４】
また、請求項５に記載の発明は、冷媒の使用量が少なく安全性の高い冷凍装置を提供することができる。さらに、炭化水素系冷媒と冷凍機油との相溶性が向上して、圧縮機外に吐出された冷凍機油の圧縮機の摺動部への戻りが維持されて、摺動部の長期信頼性の確保ができる。
【００７５】
また、請求項６に記載の発明は、圧縮機のシェル内圧が高い圧縮機を使用した場合であっても、冷媒の使用量が少なく安全性の高い冷凍装置を提供することができる。
【００７６】
また、請求項７に記載の発明は、遊離水分量が少なく、信頼性の高い冷凍装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による冷蔵庫の冷凍装置を示す図
【図２】同実施の形態による圧縮機の縦断面図
【図３】同実施の形態による乾燥器の縦断面図
【図４】家庭用冷蔵庫の冷凍装置内の不飽和炭化水素混入量とキャピラリチューブ出口、及び蒸発器入口温度の実験結果図
【図５】家庭用冷蔵庫の冷凍装置内の非凝縮性ガス混入量とキャピラリチューブ出口、及び蒸発器入口温度の実験結果図
【図６】本発明の実施の形態２による冷蔵庫の冷凍装置を示す図
【図７】同実施の形態による圧縮機の縦断面図
【図８】従来例の冷蔵庫の冷凍装置を示す図
【図９】従来例の往復式圧縮機の縦断面図
【符号の説明】
１０１ 往復式圧縮機
１０２ 受台パイプ
１０３ 放熱パイプ
１０４ クリーンパイプ
１０５ キャピラリチューブ
１０６ 蒸発器
１０７ 冷蔵庫
１０８ 乾燥器
１０８ａ ゼオライト
１０９ ステータ
１１０ ロータ
１１１ モータ機構
１１２ シャフト
１１３ シリンダ
１１４ ピストン
１１５ 圧縮室
１１６ 圧縮機構
１１７ 冷凍機油
１１８ シェル
１１９ａ キャピラリチューブ出口温度
１１９ｂ 蒸発器入口温度
１２０ａ キャピラリチューブ出口温度
１２０ｂ 蒸発器入口温度
２０１ ロータリー圧縮機
２０２ ステータ
２０３ ロータ
２０４ モータ機構
２０５ シャフト
２０６ シリンダ
２０７ ローラ
２０８ ベーン
２０９ 圧縮機構
２１０ 冷凍機油
２１１ シェル
Claims (7)
- 冷媒と冷凍機油を密封し、圧縮機と凝縮器と乾燥器と膨張機構と蒸発器とを備えるとともに、前記冷媒は−９０℃から０℃の沸点を有する少なくとも１種類の飽和炭化水素であり、かつ含有する不飽和炭化水素を０．０１重量％以下にした冷凍装置。
- 前記冷媒に含有する非凝縮性ガスを０．０５重量％以下にした請求項１記載の冷凍装置。
- 前記冷媒は、エタン、プロパンのいずれか１種である請求項１または２記載の冷凍装置。
- 前記冷媒は、エタンとプロパンの混合体である請求項１または２記載の冷凍装置。
- 圧縮機の運転時のシェル内圧が蒸発圧力であり、冷凍機油は、ナフテン系鉱油、パラフィン系鉱油、及びアルキルベンゼン系合成油からなる群より選択される少なくとも１種である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の冷凍装置。
- 圧縮機の運転時のシェル内圧が凝縮圧力であり、冷凍機油は、ポリエステル油、ポリアルキレングリコール油、ポリビニルエーテル油及びふっ素系油からなる群より選択される少なくとも１種である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の冷凍装置。
- 前記乾燥器内に収容する乾燥剤は、細孔径が３．５オングストローム以下で、Ｎａ・Ｋ型アルミノけい酸塩を含有するＡ型合成ゼオライトからなる請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の冷凍装置。
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2002
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