JP2020112285A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】炭化水素冷媒の漏洩を嗅覚で知覚でき、かつ、この際に添加した付臭剤による冷媒流路で使用される銅の硫黄腐食を抑制できるとともに、冷凍機油と炭化水素冷媒とベンゾトリアゾール系の金属不活性化剤とを同時に用いた場合に、金属不活性化剤の析出を抑制でき、ひいては、冷媒流路の狭窄、閉塞等の発生を抑制できる冷凍サイクル装置を提供する。【解決手段】この発明に係る冷凍サイクル装置は、金属不活性化剤が添加された冷凍機油と付臭剤が添加された炭化水素冷媒とが内部を流通する循環流路が形成される。循環流路の内壁の少なくとも一部は銅を含む。付臭剤は硫黄化合物を含む。金属不活性化剤はベンゾトリアゾール系化合物である。そして、冷凍機油はポリアルキレングリコール油である。【選択図】図１

Description

この発明は、冷凍サイクル装置に関するものである。

冷凍サイクル装置においては、モノエステル及びポリオールエステルを含む冷凍機油と、エタン、プロパン、ブタン、またはイソブタンから選ばれた少なくとも１種の炭化水素冷媒とを含有し、加水分解安定性を向上させるためにベンゾトリアゾールの構造を有する金属不活性化剤を冷凍機油に添加した冷凍機用作動流体を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−０６５１９０号公報

特許文献１に示されるような冷凍サイクル装置においては、プロパン等の可燃性の炭化水素冷媒を使用している。しかし、例えばプロパンは常温で無色無臭の気体であって、冷媒が漏洩した場合に使用者が視覚及び嗅覚等で知覚することは困難である。そこで、都市ガス、プロパンガス等と同様に、（有機）硫黄化合物を含む付臭剤（着臭剤）を炭化水素冷媒に添加することが考えられる。

だが、冷凍サイクル装置で使用される冷媒配管は、一般に銅管であることが多い。冷媒に硫黄化合物を添加すると、銅管が硫黄により腐食されてしまう懸念が生じる。そこで、特許文献１に示されるようなベンゾトリアゾール系の金属不活性化剤を冷凍機油に添加することで、銅管の内壁表面に保護被膜を形成し、硫黄による銅管の腐食を防止することが考えられる。

ところが、特許文献１に示されるような冷凍サイクル装置においては、ポリオールエステルを含む冷凍機油と、特にプロパン、ブタン等の炭素数が３から４の炭化水素冷媒とが相溶し、その結果としてベンゾトリアゾール系の金属不活性化剤が析出しやすい。そして、冷凍サイクルを構成する冷媒流路中で析出した金属不活性化剤により、冷媒流路の狭窄、閉塞等が生じるおそれがある。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものである。その目的は、炭化水素冷媒の漏洩を嗅覚で知覚でき、かつ、この際に添加した付臭剤による冷媒流路で使用される銅の硫黄腐食を抑制できるとともに、冷凍機油と炭化水素冷媒とベンゾトリアゾール系の金属不活性化剤とを同時に用いた場合に、金属不活性化剤の析出を抑制でき、ひいては、冷媒流路の狭窄、閉塞等の発生を抑制できる冷凍サイクル装置を提供することにある。

この発明に係る冷凍サイクル装置は、金属不活性化剤が添加された冷凍機油と付臭剤が添加された炭化水素冷媒とが内部を流通する循環流路が形成され、前記循環流路の内壁の少なくとも一部は、銅を含み、前記付臭剤は、硫黄化合物を含み、前記金属不活性化剤は、ベンゾトリアゾール系化合物であり、前記冷凍機油は、ポリアルキレングリコール油である。

この発明に係る冷凍サイクル装置によれば、炭化水素冷媒の漏洩を嗅覚で知覚でき、かつ、この際に添加した付臭剤による冷媒流路で使用される銅の硫黄腐食を抑制できるとともに、冷凍機油と炭化水素冷媒とベンゾトリアゾール系の金属不活性化剤とを同時に用いた場合に、金属不活性化剤の析出を抑制でき、ひいては、冷媒流路の狭窄、閉塞等の発生を抑制できるという効果を奏する。

この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の全体構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置が備える圧縮機の構成を模式的に示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒に添加される付臭剤の化学式の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒に添加される付臭剤の化学式の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒に添加される付臭剤の化学式の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒に添加される付臭剤の化学式の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷凍機油の化学式を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷凍機油に添加される金属不活性化剤の化学式の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷凍機油に添加される金属不活性化剤の化学式の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の要部を拡大した模式図である。 比較例の模式図である。

この発明を実施するための形態について添付の図面を参照しながら説明する。各図において、同一又は相当する部分には同一の符号を付して、重複する説明は適宜に簡略化又は省略する。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。

実施の形態１．
図１から図１１は、この発明の実施の形態１に係るものである。図１は冷凍サイクル装置の全体構成を示す図である。図２は冷凍サイクル装置が備える圧縮機の構成を模式的に示す断面図である。図３から図６は冷凍サイクル装置の冷媒に添加される付臭剤の化学式の一例を示す図である。図７は冷凍サイクル装置の冷凍機油の化学式を示す図である。図８及び図９は冷凍サイクル装置の冷凍機油に添加される金属不活性化剤の化学式の一例を示す図である。図１０は冷凍サイクル装置の要部を拡大した模式図である。そして、図１１は比較例の模式図である。

この実施の形態に係る冷凍サイクル装置１は、具体的に例えば、空気調和機、給湯器、ショーケース、冷蔵庫等に搭載される。この実施の形態に係る冷凍サイクル装置１は、図１に示す冷媒回路を備えている。同図に示すように、冷媒回路は、圧縮機１０、凝縮器２、膨張弁３及び蒸発器４が、この順序で循環的に冷媒配管２０により接続されて構成されている。

冷媒回路には冷媒が充填されている。冷媒回路に充填される冷媒は、炭化水素冷媒であり可燃性である。冷媒として、具体的に例えば、プロパン（Ｃ３Ｈ８：Ｒ２９０）、プロピレン（Ｃ３Ｈ６：Ｒ１２７０）、ノルマルブタン（Ｃ４Ｈ１０：Ｒ６００）、イソブタン（Ｃ４Ｈ６：Ｒ６００ａ）の中から選ばれる１つ以上の冷媒を含む（混合）冷媒を用いることができる。以下においては、炭化水素冷媒のことを単に冷媒とも呼ぶことがある。

圧縮機１０は、冷媒を圧縮して当該冷媒の圧力及び温度を高める機器である。図２を参照しながら、圧縮機１０の構成の一例について説明する。圧縮機１０は、同図に示すように、筐体１１を備えている。筐体１１は、電動機部１２と圧縮機構部１３とを内部に収容している。筐体１１は、例えば鋼鉄製の中空の密閉容器である。筐体１１には、吸入管１８及び吐出管１９が接続されている。吸入管１８には、吸入マフラー１８ａが取り付けられている。

圧縮機構部１３は、吸入管１８から筐体１１内に吸引された気体を圧縮するためのものである。圧縮機構部１３が圧縮する対象となる気体は、ここでは冷媒である。筐体１１に収容される圧縮機構部１３は、周知の気体圧縮機構の一部又は全部である。周知の気体圧縮機構としては、具体的に例えばレシプロ式、スクロール式、ロータリー式等の気体圧縮機構が挙げられる。同図では、その一例として圧縮機構部１３がロータリー式の気体圧縮機構である場合の構成を示している。

電動機部１２は、圧縮機構部１３を駆動するためのものである。電動機部１２は、例えば同期電動機である。電動機部１２は、固定子１４、回転子１５及びシャフト１６を備えている。電動機部１２が備える、固定子１４、回転子１５及びシャフト１６等の構成は、周知のものを採用することができる。すなわち、一例として、以下のように構成される。

回転子１５には永久磁石が埋め込まれている。回転子１５の中心にシャフト１６が固定されている。電動機部１２のシャフト１６は、圧縮機構部１３に接続されている。固定子１４は回転子１５の周囲を包囲するように配置されている。固定子１４は回転子１５に作用する磁力を発生させるためのものである。固定子１４は固定子鉄心を備えている。固定子鉄心は複数の鉄の板材を積層して形成されている。固定子１４は固定子鉄心にコイルを巻回することで構成される。

筐体１１内の底部は、油溜まり１７になっている。油溜まり１７には、冷凍機油が貯留されている。冷凍機油は、圧縮機構部１３の摺動部分及び可動部分等を潤滑する。

圧縮機構部１３で圧縮された冷媒は、圧縮機１０の吐出管１９から吐出される。凝縮器２は、圧縮機１０から吐出された冷媒と周囲の空気等との間で熱交換させ、冷媒を放熱させて凝縮させる。膨張弁３は、凝縮器２で凝縮された冷媒を膨張させ、当該冷媒を減圧する。膨張弁３は、例えばリニア電子膨張弁（ＬＥＶ：Ｌｉｎｅａｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ Ｖａｌｖｅ）である。蒸発器４は、膨張弁３で減圧された冷媒と周囲の空気等との間で熱交換させ、冷媒に吸熱させて蒸発させる。以上のように構成された冷媒回路を冷媒が循環することで冷凍サイクルが実現され、蒸発器４側と凝縮器２側との間で熱を移動させるヒートポンプとして働く。

圧縮機１０内の冷凍機油は冷媒と混合される。そして、冷媒と冷凍機油とは、混合された状態で冷媒回路内を循環する。このようにして、凝縮器２、膨張弁３、蒸発器４、圧縮機１０及び冷媒配管２０により、冷凍機油と炭化水素冷媒とが内部を流通する循環流路が形成されている。この循環流路の内壁の少なくとも一部は、銅を含んでいる。具体的に例えば、冷媒配管２０は銅管である。

炭化水素冷媒には、付臭剤が添加されている。付臭剤は、人が嗅覚で冷媒漏洩を感知できるように、冷媒に臭いを付加するためのものである。付臭剤は、（有機）硫黄化合物を含んでいる。付臭剤として用いられる硫黄化合物の具体例の構造式を図３から図６に示す。付臭剤は、具体的に例えば、ジメチルスルフィド（図３）、テトラヒドロチオフェン（図４）、エチルメルカプタン（図５）及びｔｅｒｔ−ブチルメルカプタン（図６）から選ばれる少なくとも１種、又は、これらから選ばれる少なくとも１種を主成分とする混合物である。

冷凍機油は、ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）油である。図７にポリアルキレングリコール油の構造式を示す。同図の構造式において、Ｒ１及びＲ２は、それぞれアルキル基である。ｎ及びｍは、それぞれ１以上の整数である。

冷凍機油には、金属不活性化剤が添加されている。金属不活性化剤は、ベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）系化合物である。金属不活性化剤として用いるベンゾトリアゾール系化合物の炭素数は、６以上２４以下である。金属不活性化剤として用いられるベンゾトリアゾール系化合物の具体例の構造式を図８及び図９に示す。金属不活性化剤は、具体的に例えば、１，２，３−ベンゾトリアゾール（図８）、又は、Ｎ，Ｎ−ビス（２−エチルヘキシル）−４−メチル−１Ｈ−ベンゾトリアゾール−１−メタンアミン（図９）である。図８に示す１，２，３−ベンゾトリアゾールは、炭素数が６のベンゾトリアゾール系化合物である。図９に示すＮ，Ｎ−ビス（２−エチルヘキシル）−４−メチル−１Ｈ−ベンゾトリアゾール−１−メタンアミンは、炭素数が２４のベンゾトリアゾール系化合物の一例である。

以上のように構成された冷凍サイクル装置１においては、前述したように、冷媒回路の循環流路内を炭化水素冷媒と冷凍機油とが混合された状態で循環している。そして、冷凍機油には、金属不活性化剤としてベンゾトリアゾール系化合物が添加されている。したがって、冷媒回路の循環流路の内部には、冷凍機油とともに金属不活性化剤が行き渡る。そして、図１０に示すように、金属不活性化剤であるベンゾトリアゾール系化合物は、循環流路の内壁、例えば冷媒配管２０の配管内壁２１の表面に付着して、配管内壁２１の表面に保護皮膜２２を形成する。

一方、比較例として挙げた図１１に示すように、冷凍機油に金属不活性化剤が添加されていないと、配管内壁２１の表面に保護皮膜が形成されない。このため、冷媒４０中の付臭剤４１に含まれる硫黄と配管内壁２１の銅が反応して硫化銅５０（同図に示すように例えば硫化第一銅）となり、配管内壁２１が腐食されてしまう。

これに対し、この実施の形態に係る冷凍サイクル装置１においては、図１０に示すように、配管内壁２１の表面に形成された保護皮膜２２により、冷媒４０中の付臭剤４１に含まれる硫黄による配管内壁２１の腐食を抑制できる。

以上のように構成された冷凍サイクル装置１によれば、冷媒に付臭剤を添加したことで、可燃性の炭化水素冷媒の漏洩を人の嗅覚で感知できる。この際の付臭剤として（有機）硫黄化合物を含むものを使用することで、また、既に都市ガス、プロパンガス等で使用されており、一般に馴染みのある臭いを付加できるため、冷媒（ガス）漏れであることを一般の使用者に気付かせやすくできる。

そして、冷凍機油に金属不活性化剤としてベンゾトリアゾール系化合物を添加することで、冷媒配管２０の配管内壁２１に保護皮膜２２を形成し、付臭剤に含まれる硫黄による配管内壁２１の銅の腐食を抑制できる。

この際、冷凍機油に冷媒が過度に溶け込むと冷凍サイクルとしての性能が低下してしまうため、必要な冷凍サイクル性能を確保するために冷媒充填量を多くしなくてはならなくなる。この実施の形態の冷凍サイクル装置１で用いているポリアルキレングリコール油は、他の油種（例えば、鉱油、ポリオールエステル油等）と比較して、炭化水素冷媒、特に炭素数が３から４のプロパン、プロピレン、ノルマルブタン、イソブタンとの相溶性が低い。このため、冷凍機油に相溶する炭化水素冷媒の量が少なくなり、より少ない冷媒充填量で必要な冷凍サイクル性能を確保できる。また、冷媒充填量を少なくすることで、冷媒が漏洩した際の冷媒漏洩量も少なくできる。

さらに、炭化水素冷媒と冷凍機油との相溶性が低いため、ベンゾトリアゾール系の金属不活性化剤の析出が抑制できる。すなわち、この実施の形態によれば、冷凍機油とともに炭化水素冷媒とベンゾトリアゾール系の金属不活性化剤とを同時に用い、かつ、金属不活性化剤の析出を抑制できる。このため、析出した金属不活性化剤による冷媒流路の狭窄、閉塞等の発生を抑制することが可能である。

ここで、ベンゾトリアゾール系の金属不活性化剤の炭素数を少なくすると、冷媒回路内の流体の粘度を低くでき、流動性の向上による熱交換効率向上及び冷媒回路閉塞の可能性の低減を図ることが可能である一方、炭化水素冷媒に対する金属不活性化剤の溶解性が低くなり、金属不活性化剤が析出しやすくなってしまう。逆に、ベンゾトリアゾール系の金属不活性化剤の炭素数を多くすると、炭化水素冷媒に対する金属不活性化剤の溶解性が高くなり、金属不活性化剤が析出しにくくできる一方、冷媒回路内の流体の粘度が高くなり、流動性の低下による熱交換効率が低下したり、冷媒回路が閉塞しやすくなったりしてしまう。

そこで、この実施の形態の冷凍サイクル装置１では、前述したように、金属不活性化剤として用いるベンゾトリアゾール系化合物の炭素数を６以上２４以下にしている。このようにすることで、炭化水素冷媒に対する金属不活性化剤の溶解性と、冷媒回路内の流体の流動性の両立を図ることができる。

１ 冷凍サイクル装置
２ 凝縮器
３ 膨張弁
４ 蒸発器
１０ 圧縮機
１１ 筐体
１２ 電動機部
１３ 圧縮機構部
１４ 固定子
１５ 回転子
１６ シャフト
１７ 油溜まり
１８ 吸入管
１８ａ 吸入マフラー
１９ 吐出管
２０ 冷媒配管
２１ 配管内壁
２２ 保護皮膜
４０ 冷媒
４１ 付臭剤
５０ 硫化銅

Claims (3)

1. 金属不活性化剤が添加された冷凍機油と付臭剤が添加された炭化水素冷媒とが内部を流通する循環流路が形成され、
   前記循環流路の内壁の少なくとも一部は、銅を含み、
   前記付臭剤は、硫黄化合物を含み、
   前記金属不活性化剤は、ベンゾトリアゾール系化合物であり、
   前記冷凍機油は、ポリアルキレングリコール油である冷凍サイクル装置。
2. 前記ベンゾトリアゾール系化合物の炭素数は、６以上２４以下である請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記炭化水素冷媒は、プロパン、プロピレン、ノルマルブタン及びイソブタンから選ばれる１種、又は、プロパン、プロピレン、ノルマルブタン及びイソブタンから選ばれる１種以上を含む混合冷媒である請求項１又は請求項２に記載の冷凍サイクル装置。

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