JPWO2015136980A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Abstract

エチレン系フッ化炭化水素を含有する冷媒が循環する冷媒回路(11a)には、圧縮機(12)と、四方弁(13)と、室外熱交換器(14)と、膨張弁(15)と、室内熱交換器(16)とが接続されている。エチレン系フッ化炭化水素としては、例えば、1,1,2−トリフルオロエチレン(HFO−1123)が使用される。圧縮機(12)の冷凍機油の冷媒溶解度は、20%以下である。冷媒回路(11a)における冷凍機油の循環率は、1%未満である。

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関するものである。
近年、地球温暖化防止の観点より、温室効果ガスの削減が求められている。空気調和機等の冷凍サイクル装置に用いられている冷媒についても、地球温暖化係数(GWP)のより低いものが検討されている。現在、空気調和機用として広く用いられているR410AのGWPは2088と非常に大きい値である。近年導入され始めているジフルオロメタン(R32)のGWPも675とかなり大きい値になっている。
GWPの低い冷媒としては、二酸化炭素(R744:GWP=1)、アンモニア(R717:GWP=0)、プロパン(R290:GWP=6)、2,3,3,3−テトラフルオロプロペン(R1234yf:GWP=4)、1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(R1234ze:GWP=6)等がある。
これらの低GWP冷媒は、下記の課題があるため、一般的な空気調和機に適用することは困難である。
・R744:動作圧力が非常に高いため、耐圧確保の課題がある。また、臨界温度が31℃と低いため、空気調和機用途での性能の確保が課題となる。
・R717:高毒性であるため、安全確保の課題がある。
・R290:強燃性であるため、安全確保の課題がある。
・R1234yf/R1234ze:低動作圧で体積流量が大きくなるため、圧力損失増大による性能低下の課題がある。
上記の課題を解決する冷媒として、1,1,2−トリフルオロエチレン(HFO−1123)がある(例えば、特許文献1参照)。この冷媒には、特に、以下の利点がある。
・動作圧力が高く、冷媒の体積流量が小さいため、圧力損失が小さく、性能を確保しやすい。
・GWPが1未満であり、地球温暖化対策として優位性が高い。
国際公開第2012/157764号
Andrew E. Feiring, Jon D. Hulburt, "Trifluoroethylene deflagration", Chemical & Engineering News (22 Dec 1997) Vol. 75, No. 51, pp. 6
HFO−1123には、下記の課題がある。
(1)高温、高圧の状態において、着火エネルギーが加わると、爆発が発生する(例えば、非特許文献1参照)。
(2)大気寿命が2日未満と非常に小さい。冷凍サイクル系の化学的安定性の低下が懸念される。
HFO−1123を冷凍サイクル装置に適用するには、上記の課題を解決する必要がある。
(1)の課題については、不均化反応の連鎖によって爆発が発生することが明らかになった。この現象が発生する条件は、下記の2点である。
(1a)冷凍サイクル装置(特に、圧縮機)の内部に着火エネルギー(高温部)が発生し、不均化反応が起こる。
(1b)高温、高圧の状態において、不均化反応が連鎖して拡散する。
(2)の課題については、冷凍サイクル系の化学的安定性を確保する必要がある。なお、(2)の課題は、HFO−1123以外のエチレン系フッ化炭化水素にも存在する。
本発明は、例えば、エチレン系フッ化炭化水素を含有する冷媒を使用する冷凍サイクル装置の化学的安定性を確保することを目的とする。
本発明の一の態様に係る冷凍サイクル装置は、
圧縮機と、第1熱交換器と、膨張機構と、第2熱交換器とが接続され、エチレン系フッ化炭化水素を含有する冷媒が循環する冷媒回路を備え、
前記圧縮機の冷凍機油の冷媒溶解度が20%以下であり、
前記冷媒回路における前記冷凍機油の循環率が1%未満である。
本発明では、エチレン系フッ化炭化水素を含有する冷媒を冷凍サイクル装置に適用している。冷凍サイクル装置の冷媒回路に接続された圧縮機の冷凍機油の冷媒溶解度は、20%以下である。冷媒回路における冷凍機油の循環率は、1%未満である。このため、冷媒分解物による冷凍機油の劣化を防止するとともに、冷媒分解物と冷凍機油との化学反応生成物による冷媒回路の詰まりを抑制することができる。これにより、冷凍サイクル装置の化学的安定性を確保することができる。
実施の形態1に係る冷凍サイクル装置(冷房時)の回路図。 実施の形態1に係る冷凍サイクル装置(暖房時)の回路図。 実施の形態1に係る圧縮機の縦断面図。
以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
実施の形態1.
図1及び図2は、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置10の回路図である。図1は、冷房時の冷媒回路11aを示している。図2は、暖房時の冷媒回路11bを示している。
本実施の形態において、冷凍サイクル装置10は、空気調和機である。なお、冷凍サイクル装置10が空気調和機以外の機器(例えば、ヒートポンプサイクル装置)であっても、本実施の形態を適用することができる。
図1及び図2において、冷凍サイクル装置10は、冷媒が循環する冷媒回路11a,11bを備える。
冷媒回路11a,11bには、圧縮機12と、四方弁13と、室外熱交換器14と、膨張弁15と、室内熱交換器16とが接続されている。圧縮機12は、冷媒を圧縮する。四方弁13は、冷房時と暖房時とで冷媒の流れる方向を切り換える。室外熱交換器14は、第1熱交換器の例である。室外熱交換器14は、冷房時には凝縮器として動作し、圧縮機12により圧縮された冷媒を放熱させる。室外熱交換器14は、暖房時には蒸発器として動作し、室外空気と膨張弁15で膨張した冷媒との間で熱交換を行って冷媒を加熱する。膨張弁15は、膨張機構の例である。膨張弁15は、凝縮器で放熱した冷媒を膨張させる。室内熱交換器16は、第2熱交換器の例である。室内熱交換器16は、暖房時には凝縮器として動作し、圧縮機12により圧縮された冷媒を放熱させる。室内熱交換器16は、冷房時には蒸発器として動作し、室内空気と膨張弁15で膨張した冷媒との間で熱交換を行って冷媒を加熱する。
冷凍サイクル装置10は、さらに、制御装置17を備える。
制御装置17は、例えば、マイクロコンピュータである。図では、制御装置17と圧縮機12との接続しか示していないが、制御装置17は、圧縮機12だけでなく、冷媒回路11a,11bに接続された各要素に接続されている。制御装置17は、各要素の状態を監視したり、制御したりする。
本実施の形態において、冷媒回路11a,11bを循環する冷媒としては、1,1,2−トリフルオロエチレン(HFO−1123)を含有する冷媒が使用される。この冷媒は、HFO−1123単体であってもよいし、HFO−1123を1%以上含有する混合物であってもよい。即ち、冷凍サイクル装置10に使用される冷媒がHFO−1123を1〜100%含有していれば、本実施の形態を適用することができ、後述する効果を得ることができる。
好適な冷媒として、HFO−1123とジフルオロメタン(R32)との混合物を使用することができる。例えば、HFO−1123を40wt%、R32を60wt%含有する混合物を使用することができる。この混合物のHFO−1123とR32とのいずれか一方又は両方を別の物質に置き換えても構わない。HFO−1123は、HFO−1123と、他のエチレン系フッ化炭化水素との混合物に置き換えても構わない。他のエチレン系フッ化炭化水素としては、フルオロエチレン(HFO−1141)、1,1−ジフルオロエチレン(HFO−1132a)、トランス−1,2−ジフルオロエチレン(HFO−1132(E))、シス−1,2−ジフルオロエチレン(HFO−1132(Z))を使用することができる。R32は、2,3,3,3−テトラフルオロプロペン(R1234yf)、トランス−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(R1234ze(E))、シス−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(R1234ze(Z))、1,1,1,2−テトラフルオロエタン(R134a)、1,1,1,2,2−ペンタフルオロエタン(R125)のいずれかに置き換えても構わない。あるいは、R32は、R32、R1234yf、R1234ze(E)、R1234ze(Z)、R134a、R125のうち、いずれか2種類以上からなる混合物に置き換えても構わない。
なお、本実施の形態において、冷媒回路11a,11bを循環する冷媒としては、HFO−1123を含有せず、前述した他のエチレン系フッ化炭化水素(例えば、HFO−1141、HFO−1132a、HFO−1132(E)、HFO−1132(Z))を含有する冷媒が使用されてもよい。即ち、冷凍サイクル装置10に使用される冷媒は、HFO−1123以外のエチレン系フッ化炭化水素単体であってもよいし、HFO−1123の代わりに他のエチレン系フッ化炭化水素を1%以上含有する混合物であってもよい。
いずれの冷媒を使用する際にも、前述した(2)の課題を考慮する必要がある。即ち、冷凍サイクル装置10の化学的安定性を確保する必要がある。
図3は、圧縮機12の縦断面図である。なお、この図では、断面を表すハッチングを省略している。
本実施の形態において、圧縮機12は、1気筒のロータリ圧縮機である。なお、圧縮機12が多気筒のロータリ圧縮機、あるいは、スクロール圧縮機であっても、本実施の形態を適用することができる。
図3において、圧縮機12は、密閉容器20と、圧縮要素30と、電動要素40と、軸50とを備える。
密閉容器20は、容器の例である。密閉容器20には、冷媒を吸入するための吸入管21と、冷媒を吐出するための吐出管22とが取り付けられている。
圧縮要素30は、密閉容器20の中に収納される。具体的には、圧縮要素30は、密閉容器20の内側下部に設置される。圧縮要素30は、吸入管21に吸入された冷媒を圧縮する。
電動要素40も、密閉容器20の中に収納される。具体的には、電動要素40は、密閉容器20の中で、圧縮要素30により圧縮された冷媒が吐出管22から吐出される前に通過する位置に設置される。即ち、電動要素40は、密閉容器20の内側で、圧縮要素30の上方に設置される。電動要素40は、圧縮要素30を駆動する。電動要素40は、集中巻のモータである。
密閉容器20の底部には、圧縮要素30の摺動部を潤滑する冷凍機油が貯留されている。
以下では、圧縮要素30の詳細について説明する。
圧縮要素30は、シリンダ31と、ローリングピストン32と、ベーン(図示していない)と、主軸受33と、副軸受34とを備える。
シリンダ31の外周は、平面視略円形である。シリンダ31の内部には、平面視略円形の空間であるシリンダ室が形成される。シリンダ31は、軸方向両端が開口している。
シリンダ31には、シリンダ室に連通し、半径方向に延びるベーン溝(図示していない)が設けられる。ベーン溝の外側には、ベーン溝に連通する平面視略円形の空間である背圧室が形成される。
シリンダ31には、冷媒回路11a,11bからガス冷媒が吸入される吸入ポート(図示していない)が設けられる。吸入ポートは、シリンダ31の外周面からシリンダ室に貫通している。
シリンダ31には、シリンダ室から圧縮された冷媒が吐出される吐出ポート(図示していない)が設けられる。吐出ポートは、シリンダ31の上端面を切り欠いて形成されている。
ローリングピストン32は、リング状である。ローリングピストン32は、シリンダ室内で偏心運動する。ローリングピストン32は、軸50の偏心軸部51に摺動自在に嵌合する。
ベーンの形状は、平坦な略直方体である。ベーンは、シリンダ31のベーン溝内に設置される。ベーンは、背圧室に設けられるベーンスプリングによって常にローリングピストン32に押し付けられている。密閉容器20内が高圧であるため、圧縮機12の運転が開始すると、ベーンの背面(即ち、背圧室側の面)に密閉容器20内の圧力とシリンダ室内の圧力との差による力が作用する。このため、ベーンスプリングは、主に圧縮機12の起動時(密閉容器20内とシリンダ室内の圧力に差がないとき)に、ベーンをローリングピストン32に押し付ける目的で使用される。
主軸受33は、側面視略逆T字状である。主軸受33は、軸50の偏心軸部51よりも上の部分である主軸部52に摺動自在に嵌合する。主軸受33は、シリンダ31のシリンダ室及びベーン溝の上側を閉塞する。
副軸受34は、側面視略T字状である。副軸受34は、軸50の偏心軸部51よりも下の部分である副軸部53に摺動自在に嵌合する。副軸受34は、シリンダ31のシリンダ室及びベーン溝の下側を閉塞する。
主軸受33は、吐出弁(図示していない)を備える。主軸受33の外側には、吐出マフラ35が取り付けられる。吐出弁を介して吐出される高温・高圧のガス冷媒は、一旦吐出マフラ35に入り、その後吐出マフラ35から密閉容器20内の空間に放出される。なお、吐出弁及び吐出マフラ35は、副軸受34、あるいは、主軸受33と副軸受34との両方に設けられてもよい。
シリンダ31、主軸受33、副軸受34の材質は、ねずみ鋳鉄、焼結鋼、炭素鋼等である。ローリングピストン32の材質は、例えば、クロム等を含有する合金鋼である。ベーンの材質は、例えば、高速度工具鋼である。
密閉容器20の横には、吸入マフラ23が設けられる。吸入マフラ23は、冷媒回路11a,11bから低圧のガス冷媒を吸入する。吸入マフラ23は、液冷媒が戻る場合に液冷媒が直接シリンダ31のシリンダ室に入り込むことを抑制する。吸入マフラ23は、シリンダ31の吸入ポートに吸入管21を介して接続される。吸入マフラ23の本体は、溶接等により密閉容器20の側面に固定される。
以下では、電動要素40の詳細について説明する。
本実施の形態において、電動要素40は、ブラシレスDC(Direct・Current)モータである。なお、電動要素40がブラシレスDCモータ以外のモータ(例えば、誘導電動機)であっても、本実施の形態を適用することができる。
電動要素40は、固定子41と、回転子42とを備える。
固定子41は、密閉容器20の内周面に当接して固定される。回転子42は、固定子41の内側に0.3〜1mm程度の空隙を介して設置される。
固定子41は、固定子鉄心43と、固定子巻線44とを備える。固定子鉄心43は、厚さが0.1〜1.5mmの複数枚の電磁鋼板を所定の形状に打ち抜き、軸方向に積層し、カシメや溶接等により固定して製作される。固定子巻線44は、固定子鉄心43に絶縁部材48を介して集中巻で巻回される。絶縁部材48の材質は、例えば、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)、FEP(テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体)、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、LCP(液晶ポリマー)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、フェノール樹脂である。固定子巻線44には、リード線45が接続されている。
固定子鉄心43の外周には、周方向に略等間隔に複数の切欠が形成されている。それぞれの切欠は、吐出マフラ35から密閉容器20内の空間へ放出されるガス冷媒の通路の1つとなる。それぞれの切欠は、電動要素40の上から密閉容器20の底部に戻る冷凍機油の通路にもなる。
回転子42は、回転子鉄心46と、永久磁石(図示していない)とを備える。回転子鉄心46は、固定子鉄心43と同様に、厚さが0.1〜1.5mmの複数枚の電磁鋼板を所定の形状に打ち抜き、軸方向に積層し、カシメや溶接等により固定して製作される。永久磁石は、回転子鉄心46に形成される複数の挿入孔に挿入される。永久磁石としては、例えば、フェライト磁石、希土類磁石が使用される。
回転子鉄心46には、略軸方向に貫通する複数の貫通孔が形成されている。それぞれの貫通孔は、固定子鉄心43の切欠と同様に、吐出マフラ35から密閉容器20内の空間へ放出されるガス冷媒の通路の1つとなる。
密閉容器20の頂部には、外部電源と接続する電源端子24(例えば、ガラス端子)が取り付けられている。電源端子24は、例えば、溶接により密閉容器20に固定されている。電源端子24には、電動要素40からのリード線45が接続される。
密閉容器20の頂部には、軸方向両端が開口した吐出管22が取り付けられている。圧縮要素30から吐出されるガス冷媒は、密閉容器20内の空間から吐出管22を通って外部の冷媒回路11a,11bへ吐出される。
以下では、圧縮機12の動作について説明する。
電源端子24からリード線45を介して電動要素40の固定子41に電力が供給される。これにより、電動要素40の回転子42が回転する。回転子42の回転によって、回転子42に固定された軸50が回転する。軸50の回転に伴い、圧縮要素30のローリングピストン32が圧縮要素30のシリンダ31のシリンダ室内で偏心回転する。シリンダ31とローリングピストン32との間の空間は、圧縮要素30のベーンによって2つに分割されている。軸50の回転に伴い、それらの2つの空間の容積が変化する。一方の空間では、徐々に容積が拡大することにより、吸入マフラ23から冷媒が吸入される。他方の空間では、徐々に容積が縮小することにより、中のガス冷媒が圧縮される。圧縮されたガス冷媒は、吐出マフラ35から密閉容器20内の空間に一度吐出される。吐出されたガス冷媒は、電動要素40を通過して密閉容器20の頂部にある吐出管22から密閉容器20の外へ吐出される。
本実施の形態では、エチレン系フッ化炭化水素を含有する冷媒を冷凍サイクル装置10に適用している。エチレン系フッ化炭化水素は、安定性に劣る。例えば、HFO−1123の大気寿命は、1.6日である。温度が高いと、エチレン系フッ化炭化水素の分解が促進される。圧縮機12の摺動部は高温になりやすいため、摺動部付近では冷媒が分解する可能性が高い。冷凍機油に溶け込んでいる冷媒の量が多い場合、冷媒分解物(特に、フッ化水素(HF))が冷凍機油又はその添加剤と化学的に反応しやすい。冷媒分解物が反応すると、冷凍機油が劣化してしまう。そのため、本実施の形態では、冷凍機油として、冷媒溶解度が20%以下の冷凍機油を使用する。これにより、冷凍機油に溶け込んでいる冷媒が分解する確率が低くなる。その結果、冷媒分解物が冷凍機油又はその添加剤と反応する確率を低減することができる。即ち、冷媒分解物による冷凍機油の劣化を防止することができる。
冷媒分解物と冷凍機油又はその添加剤との化学反応生成物は、冷媒回路11a,11b内で固体化して(即ち、スラッジになって)、冷媒回路11a,11bを詰まらせる可能性がある。冷媒溶解度が低い冷凍機油は、一般的に液冷媒への冷凍機油の溶解量が少ない。よって、冷凍機油が圧縮機12から冷媒回路11a,11bへ吐出されると、圧縮機12に戻りにくい。そのため、本実施の形態では、冷媒回路11a,11bにおける冷凍機油の循環率を1%未満にする。これにより、冷媒溶解度が低い冷凍機油の圧縮機12に戻りにくいという課題に対処する。その結果、冷媒回路11a,11b内での化学反応生成物の固体化を防止することができる。即ち、化学反応生成物による冷媒回路11a,11bの詰まりを抑制することができる。
上記のように、本実施の形態では、冷凍機油の冷媒溶解度を20%以下にし、かつ、冷媒回路11a,11bにおける冷凍機油の循環率を1%未満にする。これにより、冷凍サイクル装置10の化学的安定性を確保することができる。
水分があると、エチレン系フッ化炭化水素の分解が促進される。そのため、本実施の形態では、さらに、冷媒回路11a,11bにおける水分量を300ppm以下にする。また、冷凍機油に溶け込んだ冷媒の分解を防止するため、冷凍機油として、飽和水分量が300ppm以下の冷凍機油を使用する。これにより、冷凍サイクル装置10の化学的安定性が向上する。
圧縮機12の密閉容器20内に液冷媒が溜まって、電動要素40の下部が液冷媒に浸かる場合がある。この場合に、電動要素40の下部にて通電部(即ち、電流が流れる部分)が露出していると、通電部の近傍で冷媒が重合反応を起こす可能性がある。そのため、本実施の形態では、電動要素40の通電部を電動要素40の上下方向の中央よりも下側に露出させないことが望ましい。つまり、電動要素40の通電部に露出している部分が存在するのであれば、当該部分を電動要素40の上下方向の中央よりも上側のみに設けることが望ましい。また、通電部から冷凍機油を介して冷媒に電流が流れて、冷媒が重合する可能性もある。そのため、本実施の形態では、冷凍機油として、体積抵抗率が1012Ωm以上であり、かつ、密閉容器20内に液冷媒が溜まりやすい低温時(例えば、0℃)における密度が液冷媒の密度よりも小さい冷凍機油を使用することが望ましい。冷媒の重合を防止することで、冷凍サイクル装置10の化学的安定性を向上させることができる。
上記のような冷媒溶解度、飽和水分量、体積抵抗率、密度の要件を全て満たす冷凍機油としては、例えば、AB(アルキルベンゼン)を使用することができる。ABには、LAB(リニアアルキルベンゼン)と、BAB(ブランチアルキルベンゼン)とがある。LABは、BABに比べて、冷媒溶解度が低い。そのため、冷凍機油としてLABを用いれば、冷媒分解物による冷凍機油の劣化を防止する効果がより一層高まる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この実施の形態を部分的に実施しても構わない。例えば、各図において符号を付した要素のうち、いずれか1つ又はいくつかを省略したり、別の要素に置き換えたりしてもよい。なお、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。
10 冷凍サイクル装置、11a,11b 冷媒回路、12 圧縮機、13 四方弁、14 室外熱交換器、15 膨張弁、16 室内熱交換器、17 制御装置、20 密閉容器、21 吸入管、22 吐出管、23 吸入マフラ、24 電源端子、30 圧縮要素、31 シリンダ、32 ローリングピストン、33 主軸受、34 副軸受、35 吐出マフラ、40 電動要素、41 固定子、42 回転子、43 固定子鉄心、44 固定子巻線、45 リード線、46 回転子鉄心、48 絶縁部材、50 軸、51 偏心軸部、52 主軸部、53 副軸部。

Claims (10)

  1. 圧縮機と、第1熱交換器と、膨張機構と、第2熱交換器とが接続され、エチレン系フッ化炭化水素を含有する冷媒が循環する冷媒回路を備える冷凍サイクル装置であって、
    前記圧縮機の冷凍機油の冷媒溶解度が20%以下であり、
    前記冷媒回路における前記冷凍機油の循環率が1%未満であることを特徴とする冷凍サイクル装置。
  2. 前記冷媒回路における水分量が300ppm以下であることを特徴とする請求項1の冷凍サイクル装置。
  3. 前記冷凍機油の飽和水分量が300ppm以下であることを特徴とする請求項1又は2の冷凍サイクル装置。
  4. 前記圧縮機の電動要素の通電部が当該電動要素の上下方向の中央よりも下側に露出していないことを特徴とする請求項1から3のいずれかの冷凍サイクル装置。
  5. 前記冷凍機油の体積抵抗率が1012Ωm以上であり、
    前記冷凍機油の密度が前記冷媒の密度よりも小さいことを特徴とする請求項1から4のいずれかの冷凍サイクル装置。
  6. 前記冷凍機油がアルキルベンゼンであることを特徴とする請求項1から5のいずれかの冷凍サイクル装置。
  7. 前記冷凍機油がリニアアルキルベンゼンであることを特徴とする請求項6の冷凍サイクル装置。
  8. 前記冷媒に含有されるエチレン系フッ化炭化水素が1,1,2−トリフルオロエチレンであることを特徴とする請求項1から7のいずれかの冷凍サイクル装置。
  9. 前記冷媒が1,1,2−トリフルオロエチレンであることを特徴とする請求項8の冷凍サイクル装置。
  10. 前記冷媒が1,1,2−トリフルオロエチレンを1%以上含有する混合物であることを特徴とする請求項8の冷凍サイクル装置。
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