JPH07190518A - 冷凍サイクル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】コンプレッサ性能を向上させ、摩耗や焼付きを
防止して信頼性の高い冷凍サイクルを提供することにあ
る。 【構成】この冷凍サイクル１０は、コンプレッサ１１を
備えたものにおいて、コンプレッサ用冷媒にＨＦＣ冷媒
またはその混合冷媒を採用し、この冷媒と非相溶性でそ
の液冷媒より比重の大きな冷凍機油をコンプレッサ用潤
滑油としたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はコンプレッサ用冷媒にＨ
ＦＣあるいはその混合冷媒を用いた冷凍サイクルに係
り、特にコンプレッサの性能を向上させ、信頼性を高め
た冷凍サイクルに関する。

【０００２】

【従来の技術】室内を冷暖房する空気調和機や冷蔵庫に
は冷凍サイクルが組み込まれている。冷凍サイクルはコ
ンプレッサ，コンデンサ，キャピラリチューブ等の膨脹
機構，エバポレータを順次接続して閉じた冷媒循環回路
を構成している。冷凍サイクルに用いられる冷媒にはＣ
ＦＣ（クロロフルオロカーボン）１２（以下、Ｒ１２と
いう。）やＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボ
ン）２２（以下、Ｒ２２という。）が使用され、Ｒ２２
冷媒やＲ１２冷媒と相溶性のある冷凍機油がコンプレッ
サ用潤滑油として用いられる。例えばＲ２２冷媒に鉱油
が用いられる。

【０００３】冷凍機油に冷媒との相溶性がある鉱油が選
択されると、コンプレッサの駆動により、コンプレッサ
内の鉱油が冷媒に溶解し、冷媒とともにコンプレッサか
ら冷凍サイクルに吐出される。冷凍サイクルに吐出され
た冷凍機油は、冷媒との溶解性が良好のため、冷媒に希
釈されて油粘度が低下し、冷媒の流れと共に、冷凍サイ
クル内を循環してコンプレッサに還流される。

【０００４】一方、最近では、Ｒ１２やＲ２２冷媒に代
わり、大気圏でＨＣＦＣ冷媒より安定で環境に優しいＨ
ＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）がコンプレッサ用冷
媒として開発されており、このＨＦＣ冷媒を採用した冷
凍サイクルにも、従来のＲ１２冷媒やＲ２２冷媒を採用
した冷凍サイクルと同じ考え方が適用されている。ＨＦ
Ｃ冷媒として例えばＨＣＦＣ１３４ａ（以下、Ｒ１３４
ａという。）を採用した冷凍サイクルでは、Ｒ１３４ａ
冷媒と相溶性のあるポリアルキレングリコール油，ポリ
オールエステル油，炭酸エステル油等の冷凍機油が用い
られる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】冷凍サイクルのコンプ
レッサ潤滑用冷凍機油に冷媒との相溶性のある潤滑油を
採用した場合、冷媒が冷凍機油に溶解すると、希釈化さ
れて冷凍機油の油粘度が低下するため、オイルシール性
の悪化を招き、コンプレッサで圧縮された高圧冷媒ガス
の一部が低圧側にリークし、コンプレッサ性能が低下す
る問題があったり、冷凍機油が冷媒に溶解して冷媒とと
もに冷凍サイクルに持ち出されるため、コンプレッサ内
の油面が下がり、油切れのおそれがあった。

【０００６】また、冷凍機油に冷媒が溶解して希釈化さ
れ、油粘度が低下するため、冷凍機油の潤滑性が低下
し、コンプレッサの摺動部品に摩耗が生じるおそれがあ
った。冷凍サイクルにＨＣＦＣ冷媒を用いた場合には、
分子構造中に存在する塩素原子は冷凍機油に溶解して塩
素系極圧添加剤として作用するため摩耗や損耗を防止す
るので問題ないが、ＨＦＣ冷媒では塩素原子が存在せ
ず、冷媒が冷凍機油の単なる油希釈剤としてしか機能し
ないため、コンプレッサ摺動部品の摩耗や損耗を生じさ
せることが問題になっていた。

【０００７】さらに、冷凍サイクルに組み込まれるコン
プレッサを長時間停止させておくと、冷凍機油と液冷媒
が２層に分離する現象が、冬期などの気温が低い時によ
く生じる。このとき、液冷媒は冷凍機油より重いので下
層側に滞留される。この状態でコンプレッサを起動させ
ると、モータ出力シャフトに取り付けられたオイルポン
プは下層の液冷媒を吸い込んで油潤滑部に送り込むた
め、潤滑不良が生じ、コンプレッサの焼付き等の機能低
下を招くおそれがあった。

【０００８】本発明は上述した事情を考慮してなされも
ので、コンプレッサ性能を向上させ、摩耗や焼付きを防
止して信頼性の高い冷凍サイクルを提供することを目的
とする。

【０００９】本発明の他の目的は、冷媒が冷凍機油に溶
解するのを防止して油粘度の低下を防ぎ、オイルシール
性に優れ、コンプレッサ性能を向上させた冷凍サイクル
を提供するにある。

【００１０】また、本発明の他の目的は、冷凍機油の希
釈化を防止して潤滑性能を向上させ、コンプレッサの摩
耗や損耗を小さくした冷凍サイクルを提供するにある。

【００１１】さらに、本発明の他の目的は、冷凍機油へ
の冷媒の溶解を防止し、冷凍機油のサイクルへの持出し
を防ぎ、コンプレッサ内での油面低下を効果的に防止し
て油切れを発生させないようにした冷凍サイクルを提供
するにある。

【００１２】本発明の別の目的は、冷凍機油の比重を液
冷媒より大きくしてコンプレッサ再起動時に、液冷媒の
コンプレッサ摺動部への送り込みを防止し、コンプレッ
サの焼付きや損傷を有効的に防止する冷凍サイクルを提
供するにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係る冷凍サイク
ルは、上述した課題を解決するために、請求項１に記載
したように、コンプレッサを備えた冷凍サイクルにおい
て、コンプレッサ用冷媒にＨＦＣ冷媒またはその混合冷
媒を採用し、この冷媒と非相溶性でその液冷媒より比重
の大きな冷凍機油をコンプレッサ用潤滑油としたもので
ある。

【００１４】また、上述した課題を解決するために、本
発明に係る冷凍サイクルは、請求項１の記載内容に加え
て請求項２に記載したように、冷凍サイクルに油分離器
を設け、冷凍機油をコンプレッサ用冷媒から分離させた
り、さらに、請求項３に記載したように、冷凍機油にポ
リフェニルエーテル，シリコンオイル，トリクレジルフ
ォスフェート，トリフェニルフォスフェート，フタル酸
ジメチル，クロロフルオロカーボンまたはパーフルオロ
アルキルポリエーテルもしくはこれらの混合油を用いた
り、さらにまた、請求項４に記載したように冷凍機油に
二硫化モリブデン，二硫化タングステン，フッ化黒鉛，
ポリテトラフルオロエチレン等の固体潤滑添加剤を添加
したものである。

【００１５】

【作用】本発明に係る冷凍サイクルは、コンプレッサ用
冷媒として環境に優しいＨＦＣ冷媒またはＨＦＣ混合冷
媒を使用し、コンプレッサ用潤滑油に冷媒と非相溶性
（相溶性がないこと）で液冷媒より比重の大きな冷凍機
油を採用したので、冷凍機油に冷媒が溶解するのを未然
にかつ確実に防止し、希釈化による油粘度の低下を防い
でオイルシール性やコンプレッサ性能を向上させ、摩耗
や焼付きを防止して信頼性の高い冷凍サイクルを提供で
きる。

【００１６】また、冷凍機油は冷媒と非相溶性に保持さ
れるので、冷凍機油の希釈化を防止し、潤滑性能を向上
させることができる。

【００１７】さらに、冷凍機油への冷媒の溶解を防止し
たので、冷凍機油が冷凍サイクルへ持ち出されるのを有
効的に防止し、コンプレッサ内での油面低下を防いで油
切れの発生を防ぐことができる。冷凍サイクルに油分離
器を設けると、コンプレッサから吐出される微量の冷凍
機油をもこの油分離器で回収することができ、回収され
た冷凍機油をコンプレッサ吸込側に案内することで、コ
ンプレッサ内の油面はより一層安定化する。

【００１８】さらにまた、冷凍機油はＨＦＣ冷凍やＨＦ
Ｃ混合冷媒とは非相溶性で、ＨＦＣ冷媒等の液冷媒より
比重が大きいので、コンプレッサの再起動時に、オイル
ポンプで冷凍機油をコンプレッサ潤滑部にスムーズに案
内することができ、コンプレッサの焼付きや損傷を有効
的に防止できる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明に係る冷凍サイクルの一実施例
について添付図面を参照して説明する。

【００２０】この冷凍サイクルは室内を冷暖房する空気
調和機や冷蔵庫等の冷凍機に組み込まれる。図１はこの
冷凍サイクルの代表例を示す。冷凍サイクル１０はコン
プレッサ１１，コンデンサ１２，キャピラリチューブ１
３等の膨脹機構１４およびエバポレータ１５を順次接続
して閉じた冷媒循環回路を構成している。

【００２１】冷凍サイクル１０はコンプレッサ１１の吐
出側に油分離器１６が設置される一方、コンプレッサ１
１の吸込側にアキュムレータ１７が設置される。油分離
器１６にてコンプレッサ１１の吐出冷媒に伴って持ち出
された冷凍機油が分離されるようになっている。油分離
器１６にて分離された冷凍機油は、油戻しライン１８を
通ってコンプレッサ１１の吸込側、例えばアキュムレー
タ１７に送り込まれるようになっているる 油分離器１６は図２に示すように構成され、密閉ケース
２０内に仕切り部材を兼ねるリテーナ２１が収容され、
コンプレッサ１１の吐出管２２を通って膨脹室兼用のセ
パレータ室２３に吐出された吐出冷媒がリテーナ２１で
遠心力が付与されてリテーナ２１や密閉ケース２０の周
壁に衝突し、比重差を利用して冷凍機油分が取り除かれ
る。冷凍機油を分離除去した吐出冷媒は、リテーナ２１
のパンチング孔（図示せず）から第２膨脹室を兼ねるク
リーナ室２４で圧力脈動が抑制された後、吐出パイプ２
５からコンデンサ１２側に案内される。

【００２２】一方、油分離器１６で分離された冷凍機油
は密閉ケース２０の底部に貯溜される。貯溜された冷凍
機油は底部のオイルポート１８ａを経て油戻しライン１
８に案内され、コンプレッサ１１の吸込側に送られる。

【００２３】ところで、冷凍サイクル１０内を循環する
コンプレッサ用冷媒には、大気圏でＨＣＦＣ冷媒より安
定で、オゾン層を破壊することのない環境に優しいＨＦ
Ｃ（ハイドロフルオロカーボン）冷媒あるいはＨＦＣ混
合冷媒が用いられる。このＨＦＣ冷媒には、ＨＦＣ−３
２（以下、Ｒ３２という。）やＨＦＣ−１２５（以下、
Ｒ１２５という。），ＨＦＣ−１３４ａ（以下、Ｒ１３
４ａという。），等の冷媒があり、ＨＦＣ混合冷媒とし
ては、Ｒ３２とＲ１３４ａの混合冷媒，Ｒ３２とＲ１２
５とＲ１３４ａの混合冷媒，Ｒ１２５とＨＦＣ１４３ａ
（以下、Ｒ１４３ａという。）とＲ１３４ａの混合冷媒
がある。

【００２４】ＨＦＣ混合冷媒としてのＲ３２／Ｒ１２５
の混合冷媒は、混合比率が重量パーセント（ｗｔ％）
で、例えば、Ｒ３２：Ｒ１２５＝６０ｗｔ％〜４０ｗｔ
％：４０ｗｔ％〜６０ｗｔ％の範囲で用いられ、好まし
くはＨＦＣ混合冷媒は、図３に示す冷媒が代表的に用い
られる。図３に示す冷媒の比重はＨＦＣ冷媒やＨＦＣ混
合冷媒の液冷媒の比重である。

【００２５】また、冷凍サイクル１０のコンプレッサ１
１を潤滑するために、図３の一覧リストで示す冷凍機油
が用いられる。これらの冷凍機油はＨＦＣ冷媒やＨＦＣ
混合冷媒とは非相溶性（相溶性のないこと）を有する。
冷凍機油を選択する基準は、冷凍サイクル１０に用いら
れるＨＦＣ冷媒あるいはＨＦＣ混合冷媒より、比重が大
きなものである。相溶性とは、２種類以上の物質が互い
に親和性を持っており、混合したとき、溶液または均質
の混合物を形成する性質をいう。

【００２６】冷凍機油としては、ポリフェニルエーテ
ル，シリコンオイル，トリクレジルフォスフェート，ト
リフェニルフォスフェート，フタル酸ジメチル，クロロ
フルオロカーボンもしくはパーフルオロアルキルポリエ
ーテルまたはこれらの混合油が用いられる。

【００２７】具体的にはＲ３２（６０ｗｔ％）／Ｒ１２
５（４０ｗｔ％）の混合冷媒に対しては、冷凍機油とし
て、ポリフェニルエーテル，フェニル変性（エポキシ変
性またはフッ素変性でもよい。）のシリコンオイル，ト
リクレジルフォスフェート，トリフェニルフォスフェー
ト，フタル酸ジメチル，クロロフルオロカーボン，パー
フルオロアルキルポリエーテルまたはこれらの混合油が
選定される。この冷凍機油は冷媒との相溶性がなく（非
相溶性）、液冷媒より比重が大きい。他の冷媒に対して
も、同じ基準で冷凍機油が選定される。

【００２８】一方、冷凍機油には、従来から用いられて
いるリン系摩耗防止剤等を用いてもよいが、冷凍機油と
冷媒との溶解性が悪い場合も考えられるので、冷凍機油
に潤滑膜の向上を目的とする添加剤として固体潤滑添加
剤を添加してもよい。固体潤滑添加剤には、二硫化モリ
ブデン，二硫化タングステン，フッ化黒鉛，ポリテトラ
フルオロエチレン等がある。

【００２９】次に、冷凍サイクルの作用を説明する。

【００３０】冷凍サイクル１０のコンプレッサ１１の駆
動により、コンプレッサ１１で圧縮された高温・高圧の
吐出冷媒は油分離器１６を通ってコンデンサ１２に吐出
される。吐出冷媒はコンデンサ１２で放熱して凝縮さ
れ、液冷媒となる。この液冷媒は膨脹機構１４で減圧さ
れて膨脹した後、エバポレータ１５に案内され、ここで
吸熱して蒸発せしめられる。エバポレータ１５で吸熱し
た冷媒はアキュムレータ１７にて充分に気液分離され、
液冷媒が取り除かれてコンプレッサ１１に還流される。

【００３１】この冷凍サイクル１０には、コンプレッサ
１１潤滑用の冷凍機油にＨＦＣ冷媒あるいはＨＦＣ混合
冷媒と相溶性のない潤滑油（非相溶性油）が用いられる
ので、冷媒と相溶性のない冷凍機油はコンプレッサ１１
からの吐出冷媒とともに冷凍サイクル１０に持ち出され
ることは殆どない。したがって、コンプレッサ１１内に
貯溜された冷凍機油の油面低下を防止でき、充分な潤滑
性能を維持できる。

【００３２】とはいっても、コンプレッサ１１の駆動に
より、冷凍機油は吐出冷媒とともに微量持ち出される。
この場合、コンプレッサ１１の吐出側に油分離器１６を
設置したので、吐出冷媒とともに持ち出された微量の冷
凍機油は、油分離器１６に収容されたリテーナ２１で遠
心力が与えられ、リテーナ２１や油分離器１６の周壁に
衝突し、吐出冷媒との比重差で冷凍機油は分離され、油
分離機１６の底部に貯溜される。冷凍機油は冷媒との相
溶性がなく（非相溶性）、比重が大きいため、従来の溶
解性に優れた冷凍機油に比べ、油分離性能は各段に優れ
ている。

【００３３】一方、油分離器１６の下部に溜った冷凍機
油は油戻しライン１８を通ってコンプレッサ１１の吸込
側からコンプレッサ１１に戻される。したがって、油分
離器１６を設置し、この油分離器１６で回収された冷凍
機油をコンプレッサ１１に戻すことにより、冷凍機油が
冷凍サイクル１０内を循環することがなく、コンプレッ
サ１１に迅速に回収されるので、コンプレッサ１１での
油切れを確実かつ有効的に防止できる。

【００３４】また、冷凍サイクル１０を長期間運転停止
させておくと、コンプレッサ１１内に貯溜される冷凍機
油と液冷媒は比重差により２層に分離されて貯溜され
る。しかし、液冷媒より比重の大きな冷凍機油は下層側
に貯溜されるので、長期間運転停止後にコンプレッサ１
１を再起動させても、下層側の冷凍機油がモータ出力軸
に取り付けられたオイルポンプ（図示せず）によりコン
プレッサ潤滑部にスムーズに案内される。したがって、
コンプレッサ再起動時の潤滑性能を損うことがない。

【００３５】さらに、冷凍機油としてエポキシ変性シリ
コンオイルを選定すると、エポキシ環とフッ酸が反応し
て安定な化合物を生成するので、フッ酸が引き起こす悪
影響を防止することができる。ＨＦＣ冷媒を使用した冷
凍サイクル１０を長期間運転すると、ＨＦＣ冷媒の一部
が化学的に分解してフッ酸が発生する。フッ酸が発生す
ると、コンプレッサ１１内のモータ巻線（マグネットワ
イヤ）のエナメルとフッ酸が反応し、絶縁性能を劣化さ
せたり、膨脹機構としてのキャピラリチューブ１３内に
異物を堆積させ、膨脹（減圧）性能を劣化させる等の種
々の悪影響を及ぼす。

【００３６】しかし、エポキシ変性シリコンオイルを選
択して冷凍機油として用いると、ＨＦＣ冷媒やＨＦＣ混
合冷媒を使用した冷凍サイクル１０を長期間運転するこ
とにより、ＨＦＣ冷媒が分解してフッ酸が生じても、図
４に示すようにエポキシ環がフッ酸と反応して安定した
化合物を生成するので、モータ巻線の絶縁性能の劣化や
膨脹機構の性能劣化を確実に防止することができる。

【００３７】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明に係る冷凍
サイクルにおいては、コンプレッサ用冷媒として環境に
優しいＨＦＣ冷媒またはＨＦＣ混合冷媒を使用し、コン
プレッサ用潤滑油に冷媒と非相溶性で液冷媒より比重の
大きな冷凍機油を採用したので、冷凍機油に冷媒が溶解
するのを未然にかつ確実に防止でき、希釈化による油粘
度の低下を防いでオイルシール性やコンプレッサ性能を
向上させ、摩耗や焼付きを防止して信頼性の高い冷凍サ
イクルを提供できる。

【００３８】また、冷凍機は冷媒と非相溶性に保持され
るので、冷凍機油の希釈化を防止し、油粘性を維持して
潤滑性能を向上させることができる。

【００３９】さらに、冷凍機油は冷媒と非相溶性のコン
プレッサ潤滑油を採用したので、冷凍機油が吐出冷媒に
溶解して冷凍サイクルへ持ち出されるのを有効的に防止
でき、コンプレッサ内での油面低下を防いで油切れの発
生を防ぐことができる。冷凍サイクルに油分離器を設け
ると、コンプレッサから吐出冷媒とともに極微量持ち出
される冷凍機油をこの油分離器で分離回収することがで
きる。分離回収された冷凍機油をコンプレッサ吸込側に
案内することで、コンプレッサ内の油面はより一層安定
化し、コンプレッサの潤滑機能を長期間に亘り、充分に
維持できる。

【００４０】さらにまた、冷凍機油はＨＦＣ冷凍やＨＦ
Ｃ混合冷媒とは非相溶性で、ＨＦＣ冷媒等の液冷媒より
比重が大きいので、コンプレッサの再起動時に、オイル
ポンプで冷凍機油をコンプレッサ潤滑部にスムーズに案
内することができ、コンプレッサの焼付きや損傷を有効
的に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る冷凍サイクルの一実施例を示すサ
イクル図。

【図２】図１の冷凍サイクルに組み込まれる油分離器の
断面図。

【図３】本発明の冷凍サイクルに用いられる冷媒と冷凍
機油とをそれぞれ示す図。

【図４】冷凍機油にエポキシ変性シリコンオイルを選択
した場合の反応式を示す図。

【符号の説明】

１０ 冷凍サイクル １１ コンプレッサ １２ コンデンサ １４ 膨脹機構 １５ エバポレータ １６ 油分離器 １７ アキュムレータ １８ 油戻しライン ２０ 密閉ケース ２１ リテーナ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コンプレッサを備えた冷凍サイクルにお
   いて、コンプレッサ用冷媒にＨＦＣ冷媒またはその混合
   冷媒を採用し、この冷媒と非相溶性でその液冷媒より比
   重の大きな冷凍機油をコンプレッサ用潤滑油としたこと
   を特徴とする冷凍サイクル。
2. 【請求項２】 冷凍サイクルには油分離器を設け、冷凍
   機油をコンプレッサ用冷媒から分離させた請求項１記載
   の冷凍サイクル。
3. 【請求項３】 冷凍機油にポリフェニルエーテル，シリ
   コンオイル，トリクレジルフォスフェート，トリフェニ
   ルフォスフェート，フタル酸ジメチル，クロロフルオロ
   カーボンもしくはパーフルオロアルキルポリエーテルま
   たはこれらの混合油を用いた請求項１記載の冷凍サイク
   ル。
4. 【請求項４】 冷凍機油に二硫化モリブデン，二硫化タ
   ングステン，フッ化黒鉛，ポリテトラフルオロエチレン
   等の固体潤滑添加剤を添加した請求項１記載の冷凍サイ
   クル。