JPWO2002095302A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒を圧縮するための圧縮機と、前記圧縮機で昇圧された冷媒を冷却する放熱器と、前記放熱器よりも冷媒下流側に配され、冷却された冷媒を減圧膨張する減圧器と、前記減圧器で減圧された冷媒を加熱する蒸発器とを備え、前記放熱器および／または前記蒸発器の冷媒流路は１ｍｍ以下の細管であり、前記ＣＯ２冷媒と相溶する有極性油を主たる組成とする冷凍機油が用いられる冷凍サイクル装置。

Description

技術分野
本発明は、二酸化炭素（以下ＣＯ_２と記す）を主たる冷媒として用いた冷凍機や空調機などの冷凍サイクル装置に関する。
背景技術
現在、エアコン、冷蔵庫、冷凍庫、自販機、ヒートポンプ給湯機等の冷凍サイクル装置の冷媒には、物性が安定し、扱いやすい点から、塩素を含み水素を含まないフッ化炭素類（以下ＣＦＣと記す）や塩素と水素を含むフッ化炭化水素類（以下ＨＣＦＣと記す）が使用されている。
しかし、ＣＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒は、オゾン層破壊を促進する性質があるため、分子構造中に塩素を含まず、水素を含むフッ化炭化水素類（以下ＨＦＣと記す）の代替冷媒としての採用が提案されている。また、ＣＦＣ冷媒、ＨＣＦＣ冷媒、ＨＦＣ冷媒は、地球温暖化を促進する性質があるため、地球温暖化への影響が極めて少ない自然冷媒の代替冷媒としての採用が提案されている。
しかし、自然冷媒でも、炭化水素類（以下ＨＣと記す）は強可燃性があるため、引火、爆発する危険性があり、また、アンモニア冷媒は毒性があるため、漏洩時に危険を生じる問題があることから、不燃性で毒性もなく、かつ安価なＣＯ_２冷媒の採用が検討されている。
このようなＣＯ_２冷媒を用いた冷凍サイクル装置は、ＣＯ_２冷媒の臨界温度が３１℃であることから、高圧側ラインが超臨界領域で用いられる構成となっており、一般的な冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮し昇圧する圧縮機、必要に応じて四方弁、冷媒を冷却する放熱器、冷媒を減圧するキャピラリーチューブや膨張弁等の減圧器、冷媒を蒸発させ気化する蒸発器、等を配管接続して構成し、その内部に冷媒を循環させることにより、冷却または加熱作用を行っている。
ＣＯ_２冷媒を用いた冷凍サイクル装置の放熱器および蒸発器に用いる熱交換器としては、マイクロチューブ熱交換器と呼ばれる熱交換器が用いられている。マイクロチューブ熱交換器は、内部に複数の貫通小孔（冷媒流路）が形成された扁平チューブと、この扁平チューブ間に配され外部流体（例えば空気）との伝熱面積を増加させるためのフィンから構成されている。貫通小孔は断面形状が円形であり孔径は１ｍｍ程度である。
また、ＣＯ_２冷媒用の冷凍機油としては、潤滑性に優れるという観点から鉱物油が用いられることが多かった（文献参照：Ｂ．Ｅ．Ｆａｇｅｒｌｉ著「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ａ Ｈｅｒｍｅｔｉｃ ＣＯ_２ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ」Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ １９９６ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｔ Ｐｕｒｄｕｅ，２２９−２３４．）。
ところで、鉱物油は非極性油であるため、ＣＯ_２冷媒とは非相溶となり、圧縮機から冷媒とともにサイクル中に吐出された冷凍機油は、放熱器および蒸発器の冷媒流路中を、油滴状あるいは管内壁を環状に油膜として覆い流動する。このため、熱伝達の阻害および圧力損失の増大を招き、そのため熱交換器の寸法増大や効率の低下の原因となっていた。特に、超臨界領域でない蒸発器において冷凍機油による熱伝達の低下が顕著であった。
また、マイクロチューブ熱交換器の場合、冷媒流路は孔径１ｍｍ程度の非常に細い伝熱管であるため、従来のＨＦＣ冷媒に対して用いていた管径５ｍｍ程度の大きな断面積を有する冷媒流路と比較して、管内壁に形成される油膜および油滴による熱伝達阻害および圧力損失の増大の効果が大きいこと本願発明者は発見した。その内容を次に詳述する。
図６および図７はそれぞれ、相当直径１．２ｍｍのマイクロチューブを冷媒流路とする扁平チューブを用いた蒸発器における蒸発能力および圧力損失の特性図である。冷凍機油にはＣＯ_２冷媒に対して非相溶の非極性油である鉱物油を用いている。横軸はオイル（冷凍機油）循環量を冷媒循環量で割ったオイル循環率である。非相溶油の場合、オイル循環率の増加により熱伝達率は著しく低下し、圧力損失は著しく増加することが解る。
図６および図７に示したデータを含む様々な実験データから求めた次に述べる相関式による計算値は、オイルとＣＯ_２冷媒が循環する場合の扁平チューブの蒸発熱伝達率と圧力損失の値に良好に一致する。
すなわち、蒸発熱伝達率については、管内蒸発熱伝達率の相関式として一般的に知られたＬｉｕ−Ｗｉｎｔｅｒｔｏｎの相関式を、核沸騰熱伝達率に及ぼすオイル混合の影響を考慮したパラメータＫｆｈで修正し、強制対流熱伝達率については、液の物性値を冷媒とオイルとの混合物の値に変える修正を行った。

ここで、ｈは蒸発熱伝達率、ａは定数、ｈ１は液層のみが流れるとみなした場合の強制対流熱伝達率、ｈｐｏｏｌはプール沸騰熱伝達率、Ｅ、Ｓはそれぞれ強制対流、核沸騰の程度を表すパラメータである。
また、圧力損失については、二相流圧力損失の相関式として一般的に知られたＬｏｃｋｈａｒｔ−Ｍａｒｔｉｎｅｌｌｉの相関式に、液の物性値を冷媒とオイルとの混合物の値に変える修正を行った。

ここで、φはＭａｒｔｉｎｅｌｌｉのパラメータ、△Ｐｆは液相のみが流れるとみなした場合の圧力損失、Ｋｆｐは修正パラメータである。
図８は、上記の相関式により求めたＣＯ_２冷媒の蒸発熱伝達率と圧力損失の特性図（代表例）である。横軸はオイル循環量を冷媒循環量で割ったオイル循環率である。また、縦軸はオイル循環率が０％の時の熱伝達率を１００とした熱伝達率の比を、オイル循環率が０％の時の圧力損失を１００とした圧力損失の比で除した値の百分率である。すなわち、オイル循環率が０％の場合に１００となり、オイル循環率の増加により熱伝達率の低下が大きく、かつ／または圧力損失の増加が大きいほど、１００より小さな値となる。
また、図８は水力相当直径Ｄｅが異なる細管についての特性をも示しており、水力相当直径Ｄｅが小さいほど、熱伝達率の低下が大きく、かつ／または圧力損失の増加が大きくなることを示している。
そこで、より詳細に検討するため、図９に、オイル循環率が０％から４％に増加した場合の（熱伝達率／圧力損失）減少率と、水力相当直径Ｄｅの関係を示す。水力相当直径Ｄｅが１ｍｍ程度からさらに減少すると、（熱伝達率／圧力損失）減少率が急激に増大することが解る。すなわち、水力相当直径Ｄｅを１ｍｍ程度からさらに細くすると、非相溶のオイルの影響により管内壁に油膜が形成あるいは管内を油滴が飛散するため熱伝達率の低下が大きく、かつ／または圧力損失の増加が大きくなることを示している。
発明の開示
本発明は、このような従来の冷凍サイクルの課題を解決するものであり、小型、高効率なＣＯ_２冷媒を用いた冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
第１の本発明は、二酸化炭素（ＣＯ_２）冷媒を圧縮するための圧縮機と、前記圧縮機で昇圧された冷媒を冷却する放熱器と、前記放熱器よりも冷媒下流側に配され、冷却された冷媒を減圧膨張する減圧器と、前記減圧器で減圧された冷媒を加熱する蒸発器とを備え、
前記放熱器および／または前記蒸発器の冷媒流路は１ｍｍ以下の細管であり、
前記ＣＯ_２冷媒と相溶する有極性油を主たる組成とする冷凍機油が用いられる冷凍サイクル装置である。
第２の本発明は、前記冷媒流路が、扁平チューブに形成された複数個の貫通小孔である第１の本発明の冷凍サイクル装置である。
第３の本発明は、前記冷凍機油として、エステル油、エーテル油、ポリアルキレングリコール油、ポリカーボネート油、あるいはこれらの混合油を用いた第１の本発明の冷凍サイクル装置である。
第４の本発明は、前記冷凍機油中に含まれる水分量は１００ｐｐｍ以下である第１の本発明の冷凍サイクル装置である。
第５の本発明は、前記貫通小孔が、内面に溝が形成された内面溝付き小孔である第２の本発明の冷凍サイクル装置である。
第６の本発明は、前記内面溝付き小孔の溝形状は台形状である第５の本発明の冷凍サイクル装置である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の概略構成を示したものである。また、図２は放熱器および蒸発器に用いる熱交換器の構成図、図３は上記熱交換器に用いる伝熱管の構成図である。
図１から図３において、１１は圧縮機、１２は扁平チューブ１に形成された複数の貫通小孔２を冷媒流路として有する放熱器、１３は減圧器、１４は扁平チューブ１に形成された複数の貫通小孔２を冷媒流路として有する蒸発器であり、これらを配管接続することにより閉回路を形成し、図中矢印の方向にＣＯ２冷媒が循環する冷凍サイクルを構成する。
さらに、放熱器１２の出口から減圧器１３の入口までの冷媒流路である放熱側冷媒流路と、蒸発器１４の出口から圧縮機１１の吸入部までの冷媒流路である蒸発側冷媒流路とで熱交換を行う補助熱交換器１６を備えている。
また、圧縮機１１と放熱器１２との間に油分離器１５を備えている。油分離器１５で分離される冷凍機油は、副減圧器１７を介して、圧縮機１１に配管接続された補助経路１８により、圧縮機１１に帰還される構成となっている。なお、油分離器１５で分離されなかった冷凍機油は、冷媒とともに冷凍サイクルの放熱器１２および蒸発器１４を流れることになる。
また、図２および図３に示すように、放熱器および蒸発器に用いる熱交換器３は、長さ方向に貫通された複数の貫通小孔２を有する板状の扁平チューブ１（伝熱管）を、板状の厚み方向にほぼ所定の間隔で複数積層し、板状の長さ方向の両端を、一対のヘッダーパイプ４、５内に挿入している。超臨界状態の高圧に対応するため、また管内の熱伝達率を向上させるため貫通小孔２の孔径は約１ｍｍと細径化し、かつその断面形状を円形としている。
また、一対のヘッダーパイプ４、５には、内部をヘッダーパイプの長さ方向に複数に分割する仕切り板６が設けられている。また、熱交換器３に冷媒を導入するための冷媒入口７が、一対のヘッダーパイプ４、５のいずれかに設けられており、熱交換器３から冷媒を流出させる冷媒出口８が、一対のヘッダーパイプ４、５のいずれかに設けられている。板状の複数の扁平チューブ１は、厚み方向にほぼ等間隔で設置され、扁平チューブ１の間には、外部流体（例えば空気）との伝熱面積を増やすためのフィン（波状フィン）９を備えている。
そして、冷媒にはＣＯ_２冷媒を、冷凍機油には有極性油であるポリアルキレングリコール油（ＰＡＧ油）を用いており、その油中水分量は１００ｐｐｍ以下に調整している。
次に、以上のような構成を有する冷凍サイクル装置の動作について説明する。
圧縮機１１で圧縮されたＣＯ_２冷媒は高温高圧状態となり、放熱器１２へ導入される。放熱器１２では、ＣＯ_２冷媒が超臨界状態である場合には、気液二相状態とはならずに、空気や水などの媒体に放熱して、補助熱交換器１６の放熱器１２の出口から減圧器１３の入口までの放熱側冷媒流路においてさらに冷却される。減圧器１３では減圧されて、低圧の気液二相状態となり蒸発器１４へ導入される。蒸発器１４では、空気などから吸熱して、補助熱交換器１６の蒸発器１４の出口から圧縮機１１の吸入部までの蒸発側冷媒流路においてガス状態となり、再び圧縮機１１に吸入される。
このようなサイクルを繰り返すことにより、放熱器１２で放熱による加熱作用、蒸発器１４で吸熱による冷却作用を行う。ここで、補助熱交換器１６では、放熱器１２を出て減圧器１３に向かう比較的高温のＣＯ_２冷媒と、蒸発器１４を出て圧縮機１１に向かう比較的低温のＣＯ_２冷媒とで熱交換が行われる。このため、放熱器１２を出たＣＯ_２冷媒がさらに冷却されて減圧器１３で減圧されるため、蒸発器１４の入口エンタルピが減少して、蒸発器１４の入口と出口でのエンタルピ差が大きくなり、吸熱能力（冷却能力）が増大する。
さらに、放熱器１２として作用する熱交換器３の動作を詳述する。冷媒は、図２における実線矢印で示すように、超臨界状態で冷媒入口７からヘッダーパイプ４内の仕切り板６上部の空間に流入し、（１）ヘッダーパイプ４内の仕切り板６上部の空間に挿入された複数の扁平チューブ１の貫通小孔２を経てヘッダーパイプ５内の上部に流入し、（２）ヘッダーパイプ５内上部から中部（仕切り板６より上部の空間）を経て折り返し、（３）扁平チューブ１の貫通小孔２を経てヘッダーパイプ４内中部に流入し、（４）ヘッダーパイプ４内中部から下部を経て再び折り返し、（５）扁平チューブ１内の貫通小孔２を経てヘッダーパイプ５内下部（仕切り板６より下部の空間）に流入して、冷媒出口８から低温で流出する。
本実施の形態では、有極性油であるポリアルキレングリコール油（ＰＡＧ油）を用いているため、圧縮機からＣＯ_２冷媒とともにサイクル中に吐出された冷凍機油は、ＣＯ_２冷媒に対して溶解する。その結果、冷媒流路を１ｍｍ以下の細管にした場合でも放熱器の冷媒流路を構成する扁平チューブ１の貫通小孔２の管内壁面上に熱抵抗となる油膜が形成され伝熱性能が低下することはなく、超臨界状態のＣＯ_２冷媒が持つ高い熱伝達率を有効に利用することができる。また、貫通小孔２の管内壁面上に油膜が形成されず、かつ油滴として流動することがないため、圧力損失の増大を招くこともない。このため、管内熱伝達率が非常に高く、かつ圧力損失による性能の低下を押さえることができ、小型で高性能な放熱器とすることができる。
蒸発器の場合にも、低圧の気液二相状態となったＣＯ_２冷媒は、冷凍機油とともに、蒸発器の冷媒流路を構成する扁平チューブ１の貫通小孔２内に流入し、空気などから吸熱して蒸発しながら環状噴霧流となり流動する。このため、伝熱管内壁面上の熱伝達率が非常に全体性能に影響するが、本実施の形態では、放熱器の場合と同様に、ＣＯ_２冷媒に溶解するポリアルキレングリコール油（ＰＡＧ油）を用いているため、冷媒流路を１ｍｍ以下の細管にした場合でも扁平チューブ１の貫通小孔２の管内壁面上に熱抵抗となる油膜が形成されることはない。したがって、蒸発器で熱伝達の低下や圧力損失の増大を招くことはなく、蒸発器を小型、高効率にすることが可能となる。
なお、以上の説明では、有極性油としてポリアルキレングリコール油（ＰＡＧ油）を用いて説明したが、その他のポリオールエステル油、ポリビニルエーテル油、ポリカーボネート油、あるいはこれら混合油を有極性油として用いても、ＣＯ_２冷媒に対する溶解度が高いため、同様の効果を得ることができる。
また、本実施の形態では、冷凍機油中に含まれる水分量を１００ｐｐｍ以下に調整しているため、有極性油を用いた場合に加水分解して冷凍機油が劣化し信頼性を損ねることはない。
また、冷凍機油に含まれる水分量を１００ｐｐｍ以下に調整することにより、冷凍サイクル中に浸入する水分量を１００ｐｐｍ以下に調整することが可能になるため、次に述べるような作用が生じる。
本願の発明者は、上記のような手段によって得られる新事実、作用を以下に述べる実験に基づき確認した。オートクレーブ容器内にＣＯ_２冷媒とＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂フィルムと水分２００ｐｐｍを含んだ冷凍機油を封入し、温度１４０℃、圧力８ＭＰａおよび１１ＭＰａ、試験時間５００時間のオートクレーブ試験を実施した。ＰＥＴ樹脂はＲ１３４ａ冷媒に対する圧縮機の絶縁フィルムとして市場実績のある樹脂である。試験後のＰＥＴ樹脂の引張強度、伸びの特性をそれぞれ図１０及び図１１に示す。試験前の初期特性に比べ、高圧のＣＯ_２冷媒に曝したＰＥＴ樹脂の引張強度、および伸びの特性が著しく劣化していることが解る。そして、冷凍機油に含まれる水分量を１００ｐｐｍ以下に調整した場合には、ＰＥＴ樹脂の引張強度、および伸びの特性は初期特性に比べ殆ど劣化しないことも明らかとなった。もちろん、Ｒ１３４ａ冷媒中ではＰＥＴ樹脂は劣化しないことは市場実績から明らかであることから、この樹脂の水分による劣化現象はＣＯ_２冷媒特有の特徴である。
以上の実験結果から、冷凍サイクル中に含まれる水分量が１００ｐｐｍを越えた場合には冷凍サイクル中のＰＥＴ樹脂などの絶縁フィルムが劣化するが、１００ｐｐｍ以下では殆ど劣化しないことが解った。そのため、本実施の形態では、冷凍機油に含まれる水分量を１００ｐｐｍ以下に調整することにより、冷凍サイクル中に浸入する水分量を１００ｐｐｍ以下に調整することが可能になるため冷凍サイクルの樹脂の劣化が無くなり、信頼性を高めることが可能となる。
また、本実施の形態では、油分離器１５を設置した冷凍サイクルで説明したが、本発明は冷媒に溶解する有極性油を用いるため、油分離器１５がない場合に特にその効果を発揮することは言うまでもない。
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置について図面を参照しながら説明する。
図４は、実施の形態２の冷凍サイクル装置に用いる熱交換器の伝熱管の要部拡大構成図である。実施の形態１と異なるのは、放熱器および蒸発器の冷媒流路である扁平チューブ３１内に形成した複数の貫通小孔を、内表面に多数の小さな三角形状の溝を設けた内面溝付き小孔３２とした点である。内面溝付き小孔３２の外径（溝底部を結ぶ仮想径）１ｍｍ、溝深さ０．１ｍｍとしている。そして、冷凍機油には有極性油であるポリオールエステル油（ＰＯＥ油）を用いており、その油中水分量は１００ｐｐｍ以下に調整している。
このように、熱交換器の冷媒流路である貫通小孔を、その内表面に多数の小さな三角形状の溝を設けた内面溝付き小孔３２としたため、冷媒流路の伝熱面積が増大すると共に、微小な溝による冷媒の攪拌作用などのため、冷媒の熱伝達率が飛躍的に向上する。
なお、本実施の形態では、有極性油であるポリオールエステル油（ＰＯＥ油）を用いているため、圧縮機からＣＯ_２冷媒とともにサイクル中に吐出された冷凍機油は、ＣＯ_２冷媒に対して溶解する。その結果、放熱器および蒸発器の冷媒流路を構成する扁平チューブ３１の内面溝付き小孔３２の管内壁面上に熱抵抗となる油膜が形成され伝熱性能が低下することはなく、ＣＯ_２冷媒が持つ高い熱伝達率を有効に利用することができる。
また、内面溝付き小孔３２の管内壁面上に油膜が形成されず、かつ油滴として流動することがないため、圧力損失の増大を招くこともない。このため、管内熱伝達率が非常に高く、かつ圧力損失による性能の低下を押さえることができ、小型で高性能な熱交換器とすることができる。
なお、以上の説明では、有極性油としてポリオールエステル油（ＰＯＥ油）を用いて説明したが、その他の有極性油を用いても、ＣＯ_２冷媒に対する溶解度が高いため、同様の効果を得ることができる。
また、本実施の形態では、冷凍機油中に含まれる水分量を１００ｐｐｍ以下に調整しているため、有極性油を用いた場合に加水分解して冷凍機油が劣化し信頼性を損ねることはない。
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置について図面を参照しながら説明する。
図５は、実施の形態３の冷凍サイクル装置に用いる熱交換器の伝熱管の要部拡大構成図である。実施の形態２と異なるのは、放熱器および蒸発器の冷媒流路である扁平チューブ４１内に形成した複数の内面溝付き小孔の溝形状を台形状にした台形内面溝付き小孔４２とした点である。なお、内面溝付き小孔４２の外径（溝底部を結ぶ仮想径）１ｍｍ、溝深さ０．１ｍｍ、および溝数は上記実施の形態２の三角形溝（図５における点線４３）の場合と同一であり、その溝形状が台形状となっている。そして、冷凍機油には有極性油であるポリビニルエーテル油（ＰＶＥ油）を用いており、その油中水分量は１００ｐｐｍ以下に調整している。
このように、熱交換器の冷媒流路である貫通小孔を、その内表面に多数の小さな台形状の溝を設けた内面溝付き小孔４２としたため、同一溝深さ、同一溝数の三角形状の溝を有する上記実施の形態２の伝熱管に比べて、冷媒流路の伝熱面積が増大すると共に、冷媒流路の濡れ縁長さが増大し相当直径が減少するため、また微小な溝による冷媒の攪拌作用などが加わるため、また溝内での冷媒の保持能力が増加するため環状流の場合に液膜厚さが均一化するため等により、冷媒の熱伝達率が飛躍的に向上する。なお、上記実施の形態２では高い熱伝達率が実現できるが、その溝の存在によって油膜形成が促進されるという不都合が生じる可能性があるが、本実施の形態３においては台形状であるため、油膜形成がより少なくなるといえる。
なお、本実施の形態では、有極性油であるポリビニルエーテル油（ＰＶＥ油）を用いているため、圧縮機からＣＯ_２冷媒とともにサイクル中に吐出された冷凍機油は、ＣＯ_２冷媒に対して溶解する。その結果、放熱器および蒸発器の冷媒流路を構成する扁平チューブ４１の内面溝付き小孔４２の管内壁面上に熱抵抗となる油膜が形成され伝熱性能が低下することはなく、ＣＯ_２冷媒が持つ高い熱伝達率を有効に利用することができる。
また、内面溝付き小孔４２の管内壁面上に油膜が形成されず、かつ油滴として流動することがないため、圧力損失の増大を招くこともない。このため、管内熱伝達率が非常に高く、かつ圧力損失による性能の低下を押さえることができ、小型で高性能な熱交換器とすることができる。
なお、以上の説明では、有極性油としてポリビニルエーテル油（ＰＶＥ油）を用いて説明したが、その他の有極性油を用いても、ＣＯ_２冷媒に対する溶解度が高いため、同様の効果を得ることができる。
また、本実施の形態では、冷凍機油中に含まれる水分量を１００ｐｐｍ以下に調整しているため、有極性油を用いた場合に加水分解して冷凍機油が劣化し信頼性を損ねることはない。
産業上の利用可能性
以上述べたところから明らかなように本発明によれば、ＣＯ_２冷媒に対する熱交換器の冷媒流路を扁平チューブに形成された複数の貫通小孔とし、有極性油を主たる組成とする冷凍機油を用いたことにより、貫通小孔の管内壁面上に熱抵抗および流動抵抗となる油膜が形成されることがないため、熱交換器における熱伝達率の低下および圧力損失の増大を押さえることができ、小型、高効率なＣＯ_２冷媒を用いた冷凍サイクル装置を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の概略構成図である。
図２は、本発明の実施の形態１に用いる熱交換器の構成図である。
図３は、本発明の実施の形態１の熱交換器に用いる伝熱管の構成図である。
図４は、本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置に用いる熱交換器の伝熱管の要部拡大構成図である。
図５は、本発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置に用いる熱交換器の伝熱管の要部拡大構成図である。
図６は、相当直径１．２ｍｍのマイクロチューブを冷媒流路とする扁平チューブを用いた蒸発器における、オイル循環率に対する蒸発能力の特性図である。
図７は、相当直径１．２ｍｍのマイクロチューブを冷媒流路とする扁平チューブを用いた蒸発器における、オイル循環率に対する圧力損失の特性図である。
図８は、水力相当直径Ｄｅが異なる細管についての特性図である。
図９は、オイル循環率が０％から４％に増加した場合の（熱伝達率／圧力損失）減少率と、水力相当直径Ｄｅの関係を示す図である。
図１０は、オートクレーブ試験を実施した場合の試験後のＰＥＴ樹脂の引張強度特性図である。
図１１は、オートクレーブ試験を実施した場合の試験後のＰＥＴ樹脂の伸びの特性図である。
（符号の説明）
１，３１，４１ 扁平チューブ
２ 貫通小孔
３ 熱交換器
９ フィン
１１ 圧縮機
１２ 放熱器
１３ 減圧器
１４ 蒸発器
１５ 油分離器
１６ 補助熱交換器
１７ 副減圧器
３２，４２ 内面溝付き小孔

【００１１】
なお、以上の説明では、有極性油としてポリアルキレングリコール油（ＰＡＧ油）を用いて説明したが、その他のポリオールエステル油、ポリビニルエーテル油、ポリカーボネート油、あるいはこれら混合油を有極性油として用いても、ＣＯ_２冷媒に対する溶解度が高いため、同様の効果を得ることができる。
なお、運転条件によっては、有極性油を用いた場合でも、ＣＯ２冷媒に冷凍機油が完全には相溶しきれず、冷凍機油として冷凍サイクル中を流動する場合がある。しかしながら、冷凍機油中にもＣＯ２冷媒が溶解しやすいため、冷凍機油の粘度が著しく低下し、流動性が良くなる。そのため、従来の非極性油である鉱物油を用いた場合に比べて、伝熱性能の低下および圧力損失の増加が僅かとなり、高性能な熱交換器を実現することが可能となる。
また、本実施の形態では、冷凍機油中に含まれる水分量を１００ｐｐｍ以下に調整しているため、有極性油を用いた場合に加水分解して冷凍機油が劣化し信頼性を損ねることはない。
また、冷凍機油に含まれる水分量を１００ｐｐｍ以下に調整することにより、冷凍サイクル中に浸入する水分量を１００ｐｐｍ以下に調整することが可能になるため、次に述べるような作用が生じる。
本願の発明者は、上記のような手段によって得られる新事実、作用を以下に述べる実験に基づき確認した。オートクレーブ容器内にＣＯ_２冷媒とＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂フィルムと水分２００ｐｐｍを含んだ冷凍機油を封入し、温度１４０℃、圧力８ＭＰａおよび１１ＭＰａ、試験時間５００時間のオートクレーブ試験を実施した。ＰＥＴ樹脂はＲ１３４ａ冷媒に対する圧縮機の絶縁フィルムとして市場実績のある樹脂である。試験後のＰＥＴ樹脂の引張強度、伸びの特性をそれぞれ図１０及び図１１に示す。試験前の初期特性に比べ、高圧のＣＯ_２冷媒に曝したＰＥＴ樹脂の引張強度、および伸びの特性が著しく劣化していることが解る。そして、冷凍機油に含まれる水分量を１００ｐｐｍ以下に調整した場合には、ＰＥＴ樹脂の引張強度、および伸びの特性は初期特性に比べ殆ど劣化しないことも明らかとなった。もちろん、Ｒ１３４ａ冷媒中ではＰＥＴ樹脂は劣化しないことは市場実績から明らかであることから、この樹脂の水分による劣化

【００１３】
、冷媒の熱伝達率が飛躍的に向上する。
なお、本実施の形態では、有極性油であるポリオールエステル油（ＰＯＥ油）を用いているため、圧縮機からＣＯ_２冷媒とともにサイクル中に吐出された冷凍機油は、ＣＯ_２冷媒に対して溶解する。その結果、放熱器および蒸発器の冷媒流路を構成する扁平チューブ３１の内面溝付き小孔３２の管内壁面上に熱抵抗となる油膜が形成され伝熱性能が低下することはなく、ＣＯ_２冷媒が持つ高い熱伝達率を有効に利用することができる。
また、内面溝付き小孔３２の管内壁面上に油膜が形成されず、かつ油滴として流動することがないため、圧力損失の増大を招くこともない。このため、管内熱伝達率が非常に高く、かつ圧力損失による性能の低下を押さえることができ、小型で高性能な熱交換器とすることができる。
なお、有極性油であるポリオールエステル油（ＰＯＥ油）を冷凍機油に用いた場合でも、放熱器および蒸発器における温度条件が高く、冷凍機油の重量割合が多い場合には、ＣＯ２冷媒と冷凍機油は完全には相溶しきれず、放熱器および蒸発器の冷媒流路を構成する伝熱管内壁面上には僅かに油膜が形成される場合がある。この場合、冷媒流路を１ｍｍ以下の細管にすると背景技術で述べたように伝熱性能が低下しやすいが、本実施の形態では、管内壁面上に溝を設けた内面溝付き小孔３２としたため、伝熱面積が増大するとともに溝による攪拌効果が生じるため、管内壁面全域が油膜で覆われることは無くなる。さらに、ＣＯ２冷媒は非常に高圧であるため、冷凍機油自身へのＣＯ２溶解量も多くなり、冷凍機油の粘度が低下し、流動性が良くなる。したがって、圧力損失の増加も僅かとなる。このように、ＣＯ２冷媒と有極性油が流れる貫通小孔を内面溝付き小孔３２としたことにより、油膜が形成

【００１４】
されやすい運転条件においても、伝熱性能の低下および圧力損失の増加を防ぐことが可能となり、高性能な熱交換器を実現することができる。
なお、以上の説明では、有極性油としてポリオールエステル油（ＰＯＥ油）を用いて説明したが、その他の有極性油を用いても、ＣＯ_２冷媒に対する溶解度が高いため、同様の効果を得ることができる。
また、本実施の形態では、冷凍機油中に含まれる水分量を１００ｐｐｍ以下に調整しているため、有極性油を用いた場合に加水分解して冷凍機油が劣化し信頼性を損ねることはない。
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置について図面を参照しながら説明する。
図５は、実施の形態３の冷凍サイクル装置に用いる熱交換器の伝熱管の要部拡大構成図である。実施の形態２と異なるのは、放熱器および蒸発器の冷媒流路である扁平チューブ４１内に形成した複数の内面溝付き小孔の溝形状を台形状にした台形内面溝付き小孔４２とした点である。なお、内面溝付き小孔４２の外径（溝底部を結ぶ仮想径）１ｍｍ、溝深さ０．１ｍｍ、および溝数は上記実施の形態２の三角形溝（図５における点線４３）の場合と同一であり、その溝形状が台形状となっている。そして、冷凍機油には有極性油であるポリビニルエーテル油（ＰＶＥ油）を用いており、その油中水分量は１００ｐｐｍ以下に調整している。
このように、熱交換器の冷媒流路である貫通小孔を、その内表面に多数の小さな台形状の溝を設けた内面溝付き小孔４２としたため、同一溝深さ、同一溝数の三角形状の溝を有する上記実施の形態２の伝熱管に比べて、冷媒流路の伝熱面積が増大すると共に、冷媒流路の濡れ縁長さが増大し相当直径が減少するため、また微小な溝による冷媒の攪拌作用などが加わるため、また溝内での冷媒の保持能力が増加するため環状流の場合に液膜厚さが均一化するため等により、冷媒の熱伝達率が飛躍的に向上する。なお、上記実施の形態２では高い熱伝達率が実現できるが、その溝の存在によって溝底部に油膜が溜まりやすいという不都合が生じる場合があるが、本実施の形態３においては台形状であるため、溝の断面積が大きくなり溝底部に油膜が溜まりにくいといえる。
なお、本実施の形態では、有極性油であるポリビニルエーテル油（ＰＶＥ油）を用いているため、圧縮機からＣＯ_２冷媒とともにサイクル中に吐出された冷凍機油は、ＣＯ_２冷媒に対して溶解する。その結果、放熱器および蒸発器の冷媒流路を構成する扁平チューブ４１の内面溝付き小孔４２の管内壁面上に熱抵抗となる油膜が形成され伝熱性能が低下することはなく、ＣＯ_２冷媒が持つ高い熱伝達率を有効に利用することができる。
また、内面溝付き小孔４２の管内壁面上に油膜が形成されず、かつ油滴として流動することがないため、圧力損失の増大を招くこともない。このため、管内熱伝達率が非常に高く、かつ圧力損失による性能の低下を押さえることができ、小型で高性能な熱交換器とすることができる。
なお、有極性油であるポリビニルエーテル油（ＰＶＥ油）を冷凍機油に用いた場合でも、放熱器および蒸発器における温度条件が高く、冷凍機油の重量割合が多い場合には、ＣＯ２冷媒と冷凍機油は完全には相溶しきれず、放熱器および蒸発器の冷媒流路を構成する伝熱管内壁面上には僅かに油膜が形成される場合がある。この場合、冷媒流路を１ｍｍ以下の細管にすると背景技術で述べたように伝熱性能が低下しやすいが、本実施の形態では、管内壁面上に台形状の溝を設けた内面溝付き小孔４２としたため、実施の形態２に比べ、さらに伝熱面積が増大するとともに溝による攪拌効果が生じるため、管内壁面全域が油膜で覆われることは無くなる。さらに、ＣＯ２冷媒は非常に高圧であるため、冷凍機油自身へのＣＯ２溶解量も多くなり、冷凍機油の粘度が低下し、流動性が良くなる。したがって、圧力損失の増加も僅かとなる。このように、ＣＯ２冷媒と有極性油が流れる貫通小孔を内面溝付き小孔４２としたことにより、油膜が形成されやすい運転条件においても、伝熱性能の低下および圧力損失の増加を防ぐことが可能となり、高性能な熱交換器を実現することができる。

Claims (6)

1. 二酸化炭素（ＣＯ_２）冷媒を圧縮するための圧縮機と、前記圧縮機で昇圧された冷媒を冷却する放熱器と、前記放熱器よりも冷媒下流側に配され、冷却された冷媒を減圧膨張する減圧器と、前記減圧器で減圧された冷媒を加熱する蒸発器とを備え、
   前記放熱器および／または前記蒸発器の冷媒流路は１ｍｍ以下の細管であり、
   前記ＣＯ_２冷媒と相溶する有極性油を主たる組成とする冷凍機油が用いられる冷凍サイクル装置。
2. 前記冷媒流路が、扁平チューブに形成された複数個の貫通小孔である請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記冷凍機油として、エステル油、エーテル油、ポリアルキレングリコール油、ポリカーボネート油、あるい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装置。
4. 前記冷凍機油中に含まれる水分量は１００ｐｐｍ以下である請求項１記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記貫通小孔が、内面に溝が形成された内面溝付き小孔である請求項２記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記内面溝付き小孔の溝形状は台形状である請求項５記載の冷凍サイクル装置。

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