JPWO2017145278A1

JPWO2017145278A1 - 冷凍装置

Info

Publication number: JPWO2017145278A1
Application number: JP2018501462A
Authority: JP
Inventors: 幹一朗杉浦
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2018-10-11
Also published as: KR102103225B1; KR20180099850A; CZ309434B6; CN108700339A; CZ2018419A3; WO2017145278A1

Abstract

冷凍装置は、圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器を冷媒配管で接続して冷媒を循環させる冷媒回路を備えている。冷媒は、ＨＦＯ系冷媒を少なくとも１０重量％以上と、ＨＦＣ系冷媒を少なくとも５０重量％以上とを含み、圧縮機の摺動部を潤滑する冷凍機油には、添加量が０．１重量％から１．０重量％である酸捕捉剤が配合されている。

Description

本発明は、冷凍サイクルを循環する冷媒をプロピレン系フッ化炭化水素、またはプロピレン系フッ化炭化水素を含む混合物とした冷凍装置に関するものである。

従来、空気調和装置等の冷凍装置に用いられる冷凍機油には、冷媒の分解により発生するフッ酸等の酸による冷凍機油の劣化および膨張弁の腐食を抑制するための物質が含有されている。例えば、下記特許文献１には、冷凍機油に添加量が０．００５〜１０．０重量％である酸捕捉剤を配合した冷凍機用潤滑油組成物が開示されている。

また、従来、空気調和装置等の冷凍装置の冷凍サイクルを循環する冷媒は、単一冷媒であるＲ３２、混合冷媒であるＲ４１０ＡおよびＲ４０７Ｃ等のフッ素系冷媒が使用されている。しかし、これらのフッ素系冷媒は、塩素を含まないのでオゾン層を破壊する影響は小さいが、温室効果により地球温暖化への影響が大きい問題がある。そこで、近年、地球温暖化係数が小さく地球温暖化への影響が小さいプロピレン系フッ化炭化水素冷媒として、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ冷媒、ＨＦＯ−１２３４ｚｅ（Ｅ）冷媒等が注目されている。

特開２０１１−２０２０３１号公報

プロピレン系フッ化炭化水素冷媒は、Ｒ３２、Ｒ４１０Ａ等の他のフッ素系冷媒と比べて、安定性が低く、高温環境下にさらされたり、空気および水が混入したりすることで分解しやすく、分解によるフッ酸等の酸の発生量も多い。冷媒の分解により発生する酸は、冷凍装置に用いられる冷凍機油を劣化させ、膨張弁等の部品を腐食させるおそれや、冷凍機油劣化物と空気調和装置内を構成する圧縮機の摺動摩耗粉が結合し夾雑物(以下、スラッジと云う。)となり、膨張弁等の冷媒回路部品を詰まらせるおそれがある。また、上記特許文献１に開示された冷凍機用潤滑油組成物に基づいて、酸捕捉剤を１０重量％添加した場合には、フッ素の発生量を抑制することはできるが、スラッジの異常発生を抑制することはできない。

また、プロピレン系フッ化炭化水素冷媒は、他のフッ素系冷媒と比べて、冷凍機油との相溶性が良く、圧縮機の摺動部に冷媒が溶け込んだ粘度の低い冷凍機油が供給されることにより、圧縮機の摺動部が金属接触し異常発熱して、冷媒の分解による酸の発生が促進される。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、冷凍機油の劣化および膨張弁の腐食及びスラッジ異常発生を抑制し、信頼性の高い冷凍装置を提供することを目的とする。

本発明に係る冷凍装置は、圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器を冷媒配管で接続して冷媒を循環させる冷媒回路を備えた冷凍装置であって、前記冷媒は、ＨＦＯ系冷媒を少なくとも１０重量％以上と、ＨＦＣ系冷媒を少なくとも５０重量％以上とを含み、前記圧縮機の摺動部を潤滑する冷凍機油には、添加量が０．１重量％から１．０重量％である酸捕捉剤が配合されているものである。

本発明の冷凍装置は、冷媒として、プロピレン系フッ化炭素水素、またはプロピレン系フッ化炭素水素を含む混合物を用い、圧縮要素内に封入された冷凍機油に、冷媒分解によるフッ酸等の酸を捕捉するのに効果的な量の酸捕捉剤を配合した構成なので、冷凍機油の劣化および膨張弁の腐食、スラッジの異常発生を抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る冷凍装置の冷媒回路を概略的に示した模式図である。

実施の形態．
以下に、本発明に係る冷凍装置の構成及び動作を図示した実施の形態に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る冷凍装置の冷媒回路を概略的に示した模式図である。本実施の形態の冷凍装置１は、図１に示すように、圧縮機２、四方切替弁３、室外熱交換器４、膨張機構５及び室内熱交換器６を、順次冷媒配管で接続されて冷媒を循環させる冷媒回路を備えており、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行うことによって、屋内の冷暖房に使用される。

圧縮機２は、吸入した冷媒を圧縮し、高温高圧の状態にして吐出するものであり、冷媒吐出側が四方切替弁３に接続され、冷媒吸入側がアキュムレータ９に接続されている。圧縮機２は、一例として、運転容量（周波数）を可変させることが可能とした構成であり、例えばインバータにより制御されるモータ（図示することは省略）によって駆動される容積式圧縮機を使用する。

四方切替弁３は、冷媒の流路を切り替える機能を有するものである。四方切替弁３は、冷房運転時には、図１の実線の矢印で示すように、圧縮機２の冷媒吐出側と室外熱交換器４のガス側とを接続するとともに、圧縮機２の冷媒吸入側と室内熱交換器６のガス側とを接続するように冷媒流路を切り替える。一方、四方切替弁３は、暖房運転時には、図１の破線の矢印で示すように、圧縮機２の冷媒吐出側と室内熱交換器６のガス側とを接続するとともに、圧縮機２の冷媒吸入側と室外熱交換器４のガス側とを接続するように冷媒流路を切り替える。

室外熱交換器４は、冷房運転時には凝縮器として機能し、圧縮機２から吐出された冷媒と空気との間で熱交換を行わせるものである。また、室外熱交換器４は、暖房運転時には蒸発器として機能し、膨張機構５から流出した冷媒と空気との間で熱交換を行わせるものである。室外熱交換器４は、室外送風機７によって室外空気を吸入し、冷媒との間で熱交換した空気を室外に排出する。室外熱交換器４は、ガス側が四方切替弁３に接続され、液側が膨張機構５に接続されている。

膨張機構５は、冷媒回路内を流れる冷媒を減圧して膨張させるものであり、一例として開度が可変に制御される電子膨張弁で構成される。膨張機構５は、一方が室外熱交換器４に接続され、他方が室内熱交換器６に接続されている。

室内熱交換器６は、冷房運転時には蒸発器として機能し、膨張機構５から流出した冷媒と空気との間で熱交換を行わせるものである。また、室内熱交換器６は、暖房運転時には凝縮器として機能し、圧縮機２から吐出された冷媒と空気との間で熱交換を行わせるものである。室内熱交換器６は、室内送風機８によって室内空気を吸入し、冷媒との間で熱交換した空気を室内に供給する。室内熱交換器６は、ガス側が四方切替弁３に接続され、液側が膨張機構５に接続されている。

次に、冷房運転時における冷凍装置１の動作について説明する。
圧縮機２は、低圧のガス冷媒を圧縮して、高温、高圧のガス冷媒を吐出する。圧縮機２から吐出された冷媒は、四方切替弁３を通過して、室外熱交換器４に供給される。室外熱交換器４を冷媒が通過することで、高温、高圧のガス冷媒が凝縮され、高圧の液冷媒となる。室外熱交換器４を通過した液冷媒は、膨張機構５の膨張弁を通過して低圧の気液混合冷媒となり、室内熱交換器６に供給される。室内熱交換器６を通過した冷媒は、低圧の気液混合状態から、低温、低圧のガス冷媒となる。室内熱交換器６を通過した冷媒は、圧縮機２に供給される。

冷房運転時では、室外熱交換器４は凝縮器として機能し、室内熱交換器６は蒸発器として機能する。すなわち、室内熱交換器６で発生する冷媒の蒸発潜熱によって、室内が冷却さえる。一方、暖房運転時では、四方切替弁３を切り替えることで、室外熱交換器４は蒸発器として機能し、室内熱交換器６は凝縮器として機能する。すなわち、室外熱交換器４で発生する冷媒の凝縮潜熱によって、室内が過熱される。

本実施の形態では、冷凍装置１の冷媒回路を循環する冷媒として、プロピレン系フッ化炭素水素冷媒であるＨＦＯ系冷媒が用いられる。具体的には、ＨＦＯ系冷媒は、ＨＦＯ単体、または、Ｒ３２を含む混合冷媒である。ＨＦＯ冷媒を含む混合冷媒は、ＨＦＯ冷媒を少なくとも１０重量％以上含み、ＨＦＣ系冷媒としてＲ３２冷媒を少なくとも５０重量％以上含む混合冷媒である。ＨＦＯ冷媒は、ＨＦＯ−１２３４ｙｆおよびＨＦＯ−１２３４ｚｅ（Ｅ）等が好ましい。また、混合冷媒としての地球温暖化係数は、好ましくは１０００以下であり、より好ましくは、５００以下である。

ＨＦＯ系冷媒は、他の単一冷媒であるＲ３２、混合冷媒であるＲ４１０ＡおよびＲ４０７Ｃ等のフッ素系冷媒に比べて、地球温暖化に与える影響が小さいが、安定性が低いため、分解によるフッ化水素（フッ酸）、ギ酸および酢酸等の酸の発生量が多い。冷媒の分解により発生する酸は、冷媒および冷凍機油に含まれる水に溶解して冷媒回路を循環し、冷凍機油を劣化させ、更に膨張機構５の膨張弁に酸が付着すると、膨張弁の金属部品が腐食して、膨張機構５の不具合の原因となる。また、酸によって劣化された冷凍機油と圧縮機２の摺動摩耗粉が結合してスラッジとなり、膨張弁等の冷媒回路部品を詰まらせるおそれがある。

次に、ＨＦＯ冷媒の分解が発生しやすい、冷凍装置１の運転モードの例を挙げる。圧縮機２から吐出される高圧のガス冷媒の温度が、例えば１２０℃を超える運転の場合、圧縮機２内部の摺動部の温度が、局部的に高温になることがあり、ＨＦＯ冷媒が熱分解するおそれがある。また、冷凍装置１の起動時に大量の液冷媒が圧縮機２に戻った場合、圧縮機２の冷凍機油に液冷媒が溶解し、低粘度の冷凍機油が圧縮機２の摺動部に供給された状態で行われる運転がある。この場合、圧縮機２の摺動部が金属接触を起こし、摺動部の異常な発熱によってＨＦＯ冷媒が熱分解するおそれがある。

そこで、本実施の形態の冷凍装置１で使用される冷凍機油には、酸捕捉剤が０．１重量％から１．０重量％配合されている。冷凍機油は、圧縮機２の摺動部における摩耗および焼き付きの防止のために用いられる潤滑油である。圧縮機２の摺動部は、例えば、圧縮機２がロータリ圧縮機の場合、ベーンとローラとの間の摺動面、および、クランク軸と軸受との間の摺動面等である。酸捕捉剤は、ＨＦＯ系冷媒の分解によって発生するフッ酸等の酸を捕捉するために用いられる添加剤である。

次に、本実施の形態で使用される冷凍機油の組成について説明する。冷凍機油は、主に、基油、酸捕捉剤、極圧剤および酸化防止剤からなる。

基油は、鉱油または合成油が用いられる。基油は、冷凍装置１に使用されるＨＦＯ系冷媒との相溶性が良いが、圧縮機２の摺動部において流体潤滑可能となる粘度の冷凍機油が適宜に選択される。鉱油は、例えば、ナフテン系鉱油、パラフィン系鉱油である。合成油は、例えば、ポリビニルエーテル、ポリオールエステル、ポリアルキレングリコール、アルキルベンゼン等が挙げられる。本実施の形態では、基油として、ポリビニルエーテル、ポリオールエステル等の合成油を用いることが好ましい。なお、基油として、上記の鉱油または合成油を２種以上組み合わせた混合物を用いてもよい。

酸捕捉剤は、ＨＦＯ系冷媒の分解によって発生したフッ酸等の酸と反応することにより、酸による冷凍機油の劣化を抑制するために用いられる添加剤である。酸捕捉剤は、冷凍機油に０．１重量％から１．０重量％含まれている。酸捕捉剤は、例えば、エポキシ化合物、カルボジイミド化合物、テンペン系化合物である。

極圧剤は、圧縮機２等の摺動部における摩耗および焼き付きを防止するために用いられる添加剤である。冷凍機油は、摺動部において互いに摺動する部材表面の間に油膜を形成することで、摺動部材同士の接触を防止する。しかし、冷凍機油は、基油粘度が低い場合や、冷媒が大量に溶解して低粘度化した場合、或いは摺動部材にかかる圧力が高い場合には、摺動部材同士が金属接触しやすくなる。極圧剤は、上記した場合であっても、摺動部において互いに摺動する部材表面と反応して被膜を形成することで、摩耗および焼き付きの発生を抑制する。極圧剤は、例えば、リン酸エステル、亜リン酸エステル、チオリン酸塩、硫化エステル等であり、具体例としては、トリクレジルホスフェート（ＴＣＰ）、トリフェニルフォスフェート（ＴＰＰ）、トリフェニルホスホロチオエート（ＴＰＰＴ）等が挙げられる。

酸化防止剤は、冷凍機油の酸化を防止するために用いられる添加剤である。酸化防止剤の具体例としては、ジチオリン酸亜鉛、有機硫黄化合物、２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ブチル−４−メチルフェノール、２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ブチル−４−エチルフェノール、２，２’−メチレンビス（４−メチル−６−ｔｅｒｔ−ブチルフェノール）等のフェノール系、フェニル−α−ナフチルアミン、Ｎ，Ｎ’−ジ−フェニル−ｐ−フェニレンジアミン等のアミン系の酸化防止剤、Ｎ，Ｎ’‐ジサリシリデン‐１，２‐ジアミノプロパン等が挙げられる。

次に、本実施の形態の冷凍装置に用いる冷凍機油が、冷凍装置１に与える影響について、下記の表１に基づいて説明する。本出願人は、製品実機試験を行い、冷凍機油が冷凍装置１に与える影響を分析した。

製品実機試験の試験条件は、圧縮機２から吐出される冷媒ガスの温度が１４０℃であり、冷凍装置１の運転時間が５００時間であり、冷凍装置１の運転圧力が適宜設定された値であった。冷凍機油の基油として、ポリビニルエーテル油を用いた。冷凍機油に、酸捕捉剤の添加量を０．００５重量％、０．０５重量％、０．１重量％、１．０重量％、６．０重量％、１０．０重量％と変更させて配合し、冷凍装置１を稼働させて、冷凍装置１の膨張機構５の膨張弁の状態を確認した。具体的には、試験後の膨張弁をＸ線装置で元素分析して、冷媒分解物であるフッ素の量と、膨張弁に付着したスラッジ量を確認した。下記の表１は、製品実機試験の試験結果を表している。

冷凍機油が、合格か不合格であるか否かの判定基準として、Ｒ４１０Ａ冷媒での評価結果を参考とし、フッ素検出量５重量％以下、かつ、スラッジ発生量１重量％以下の場合を合格、それ以外を不合格とした。

表１において、酸捕捉剤の添加量が０．００５〜０．０５重量％である「Ｉ」、「ＩＩ」のケースにおいては、フッ素検出量が５重量％よりも高く、膨張弁の腐食が確認されたため不合格と判定した。また、酸捕捉剤の添加量が６〜１０重量％である「Ｖ」、「ＶＩ」のケースにおいては、スラッジの発生量が１重量％以上であり、スラッジの大量発生を確認されたため不合格と判定した。一方、酸捕捉剤の添加量が０．１〜１．０重量％である「ＩＩＩ」、「ＩＶ」のケースにおいて、フッ素検出量、及びスラッジの発生量は、共に問題ないことが確認されたため合格と判定した。

表１より、ＨＦＯ系冷媒を使用する冷凍装置では、冷凍機油の酸捕捉剤の添加量が０．１から１．０重量％の場合に、膨張弁の腐食及びスラッジ異常発生が抑制された。

さらに、酸捕捉剤の添加量を０．２から１．０重量％の場合に、フッ素検出量が著しく低下し、膨張弁の耐腐食効果が向上することが確認できた。

したがって、本実施の形態に冷凍装置１では、ＨＦＯ系冷媒の分解によって発生するフッ酸等の酸は、冷凍機油に０．１重量％から１．０重量％含まれる酸捕捉剤によって、より好ましくは０．２重量％から１．０重量％含まれる酸捕捉剤によって捕捉される。これにより、ＨＦＯ系冷媒の分解によって発生する酸に起因する冷凍機油の劣化および膨張機構５の膨張弁の腐食及びスラッジの異常発生が抑制される。従って、冷凍装置１の信頼性を向上させることができる。

以上に本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施の形態の構成に限定されるものではない。例えば、冷媒の流路構成（配管接続）、圧縮機２、四方切替弁３、室外熱交換器４、膨張機構５、室内熱交換器６等の冷媒回路要素の構成等の内容は、実施の形態で説明した内容に限定されるものではなく、本発明の技術の範囲内で適宜変更が可能である。要するに、いわゆる当業者が必要に応じてなす種々なる変更、応用、利用の範囲をも本発明の要旨（技術的範囲）に含むことを念のため申し添える。

１冷凍装置、２圧縮機、３四方切替弁、４室外熱交換器、５膨張機構、６室内熱交換器、７室外送風機、８室内送風機、９アキュムレータ。

Claims

圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器を冷媒配管で接続して冷媒を循環させる冷媒回路を備えた冷凍装置であって、
前記冷媒は、ＨＦＯ系冷媒を少なくとも１０重量％以上と、ＨＦＣ系冷媒を少なくとも５０重量％以上とを含み、
前記圧縮機の摺動部を潤滑する冷凍機油には、添加量が０．１重量％から１．０重量％である酸捕捉剤が配合されている冷凍装置。
前記酸捕捉剤は、添加量が０．２重量％以上である請求項１に記載の冷凍装置。
前記冷凍機油には、極圧剤が配合されている請求項１又は２に記載の冷凍装置。
前記冷凍機油には、酸化防止剤が配合されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷凍装置。
前記冷凍機油には、ポリビニルエーテル油が含まれている請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷凍装置。
前記冷凍機油には、ポリオールエステル油が含まれている請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷凍装置。
前記冷凍機油には、アルキルベンゼン油が含まれている請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷凍装置。
前記ＨＦＯ系冷媒は、少なくともＨＦＯ−１２３４ｙｆ、またはＨＦＯ−１２３４ｚｅ（Ｅ）である請求項１〜７のいずれか一項に記載の冷凍装置。
前記ＨＦＣ系冷媒は、Ｒ３２である請求項１〜８のいずれか一項に記載の冷凍装置。
前記冷媒は、地球温暖化係数が１０００以下である請求項１〜９のいずれか一項に記載の冷凍装置。