KR101309325B1 - 냉동 사이클 장치 - Google Patents

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KR101309325B1
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

냉매로 탄화 수소를 사용한 때에, 고압셸형의 압축기의 내부에서, 냉동기유에 대한 냉매 용해성이 필요 이상으로 커지지 않고, 냉동기유의 대폭적인 점도 저하를 방지할 수 있는 냉동기유를 사용한 냉동 사이클 장치를 제공한다.
고압셸형의 압축기를 이용하고, 냉매로서, 탄화 수소를 사용하고, 냉동기유로서, 폴리·알킬렌·글리콜을 사용하고, 폴리·알킬렌·글리콜은, 그 공중합 성분인 프로필렌·옥사이드와 에틸렌·옥사이드의 성분비를, 냉매와 냉동기유가 냉동 사이클 중의 응축온도부터 증발온도까지의 전 온도 범위에서 2층 분리 상태가 되는 성분비중, 에틸렌·옥사이드 비율이 가장 적은 성분비를 중심으로 하여, 소정의 범위의 성분비로 설정한다.

Description

냉동 사이클 장치{REFRIGERATION CYCLE APPARATUS}
본 발명은, 공조기, 냉동기, 히트 펌프 등의 냉동 사이클 장치에 관한 것으로, 특히 냉매로서 탄화 수소를 사용한 냉동 사이클 장치에 사용하는 냉동기유에 관한 것이다.
종래 기술로서, 냉매로서 탄화 수소를 사용하고, 밀폐 용기 내가 토출 압력이 되는(고압셸형) 압축기를 이용한 냉동 사이클 장치에 있어서, 냉매와의 상용성을 갖는 오일을 사용하는 예가 알려져 있다. 이 종래 기술에서는, 광물유중에는 탄화 수소가 다량 용해하여 냉동기유의 점도가 대폭적으로 저하되는 문제를 지적하고, 그 계(系)에 있어서 압축기의 활주 내력(또는 윤활 성능)을 확보하기 위해 점도가 40℃에서 46cSt 이상의 냉동기유를 사용하는 것이 나타나 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
또한, 이 문헌에는, 탄화 수소와 상용성을 나타내는 냉동기유로서, 파라핀계 탄화 수소, 나프텐계 탄화 수소, 카보네이트 오일, 알킬벤젠, 알킬렌글리콜의 단품이나 그들의 혼합유라고 기술되어 있지만, 오일의 점도가 46cSt 이상 필요한 것의 근거를 나타내는 데이터는, 광물유(파라핀계 탄화 수소, 또는, 나프텐계 탄화 수소)를 사용한 것이고, 그 밖의 냉동기유와 탄화 수소와의 조합에 있어서의 구체적인 기술은 없다.
또한, 알킬렌글리콜이, 후술하는 폴리·알킬렌·글리콜과 동등한 물질을 나타내는 것이라면, 하이드로카본의 폴리·알킬렌·글리콜에 대한 용해성은 종래 사용하고 있던 CFC/HCFC에 비하여 작기 때문에, 발명이 해결하고자 하는 과제에 열거되어 있는, 「냉매의 냉동기유에의 용입이 많아져서 냉동기유의 점도가 저하되고, 압축기의 기계적인 윤활성이 저하됨에 의해 기기의 신뢰성이 저하된다」는 기술은 들어맞지 않는다. 또한, 오일 점도의 46cSt의 값 자체는, 예를 들면, HCFC 냉매의 일반적인 공조기용 고압셸형 압축기에 사용되고 있는 상용성의 냉동기유의 점도가, 56cSt 정도인 것을 고려하면, 「윤활성 확보를 위해서는 사용하는 냉동기유는 어느 정도 높은 점도로 조정할 필요가 있다」는 취지와 반하는 수치 설정인 것을 부가하여 둔다.
다른 종래 기술에 있어서, 탄화 수소계 냉매와 상호 용해하지 않는 케톤 화합물을 포함하는 냉동기유를 사용함에 의해, 냉동기유 중에 용해하는 냉매량을 억제하고, 가연성인 탄화 수소 냉매의 양을 저감하는 내용이 나타나 있다(예를 들면, 특허 문헌 2 참조).
이하의 종래예는, 냉매나 냉동기유에 관한 일반적 사항의 보충 설명을 더하여 기재한다.
우선, 본 발명의 설명 중에서 사용된 「상용성」에 관해, 일반적으로는 「2종류 또는 많은 종류의 물질이 상호 친화성을 가지며, 용액 또는 혼화물을 형성하는 성질」로 정의된다. 냉매와 냉동기유의 관계에 있어서, 냉매는 냉동기유 중에 일정량 용해하고, 또한, 냉동기유는 액냉매 중에 일정량 용해한다. 그 때문에, 냉매와 냉동기유의 혼합비, 온도나 압력에 의해, 상기한 「상용성」의 정의에 상당하는 혼화물을 형성하는 경우와, 전량이 완전히 혼화물이 될 수 없고, 2층으로 분리하는 경우가 있다. 일반적으로 상호의 용해량이 충분히 크고, 냉매와 냉동기유의 혼합비, 온도나 압력에 의하지 않고서 2층 분리하지 않는, 또는 2층 분리하기 어려운 거동을 나타내는 냉매와 냉동기유의 조합을 「상용」이라고 부르고, 상호간에는 용해하기 어렵고, 냉매와 냉동기유의 혼합비, 온도나 압력의 대부분의 조합 범위에서 2층 분리하는 것을 「비상용」 또는 「약상용」이라고 부른다(이후 「비상용」으로 대표한다). 「비상용」의 경우, 냉매는 냉동기유 중에 어느 정도 용해하지만, 냉동기유는 액냉매 중에는 근소한 양밖에 용해하지 않는다. 상기한 「상용」, 「비상용」에 관해서는, 명확한 경계를 정의하는 것은 곤란하다가, 현재의 상태에서 「비상용」으로 되어 있는 것은, 「상용」과는 분명히 상호 용해하기 어려운 것이다.
「비상용」의 예로서는, HFC 냉매와 알킬벤젠유이나 폴리알파올레핀유의 조합이 나타나 있다(예를 들면, 특허 문헌 3 참조). 특히, HFC 냉매와 알킬벤젠유의 조합에 관해서는, 냉장고나 룸 에어컨 등에서 제품화된 실적이 있다.
「비상용」에서의 실제의 용해도는 문헌으로부터는 발견할 수 없지만, 실제로 제품화되어 있는 HFC 냉매와 알킬벤젠유의 조합에서는, 냉동기유 중에의 냉매 용해도는 최대 20 내지 30% 정도이고, 액냉매 중에의 냉동기유 용해도는 1% 정도이다.
특허 문헌 3에는, 액냉매보다도 밀도가 작고, 냉매라고 상용하지 않는 오일(「비상용유」)을 사용한 냉동 사이클에 있어서, 어큐뮬레이터 내에서 냉매와 분리된 냉동기유를 압축기로 되돌리는 기술이 개시되어 있다.
종래 사용되어 온, R410A, R407C나 R134a 등의 HFC 냉매에서는, 일반적으로 공조용 등에서 이용되는 운전 조건의 범위에서, 액냉매의 쪽이 냉동기유보다도 밀도가 크고, 오일의 하측에 잠기는 특성을 갖기 때문에, 비상용유를 사용한 경우에는, 오일의 하측에 액냉매층이 형성되고, 압축기의 하부에 마련된 급유 구멍으로부터의 급유를 저해하는 문제가 있다. 이에 대해, 압축기의 하부의 급유 구멍부에서 오일을 교반하여, 급유 구멍에 오일을 유도하는 기술이 개시되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 4 참조).
특허 문헌 1 : 일본 특개평9-264619호 공보 특허 문헌 2 : 일본 특개평11-302675호 공보 특허 문헌 3 : 일본 특허 제2803451호 공보 특허 문헌 4 : 일본 특개평10-082392호 공보
종래의 탄화 수소 냉매용의 냉동기유는, 그 대부분이 특허 문헌 1에 나타나 있는 바와 같이, 냉매와의 상용성이 높고, 냉동기유 중에의 냉매 용해량이 크기 때문에, 압축기 내에서는 냉동기유 중에 용해한 냉매에 의해 오일의 점도가 대폭적으로 저하되어 버린다. 그 때문에, 압축기 내에서 냉매가 녹아 들어간 상태에서 충분한 활주 내력(또는 윤활 성능)을 갖기 위해서는, 기본 오일의 점도를 조금 높게 설정할 필요가 있다. 예를 들면, 고압셸 압축기용으로 사용되고 있는 상용성 냉동기유가 일반적인 기본 오일(냉매가 녹아 들어가지 않은 상태)의 점도는, HCFC(R22) 냉매계의 경우, 40℃에서의 동점도로 56㎟/s(=56cSt)정도, R410A 냉매계의 경우, 46 내지 74㎟/s 정도가 되는 것에 대해, 예를 들면, 프로판(R290)과 파라핀계 광유의 조합에서는 상용성이 높고, 냉동기유 중에 냉매 용해량이 크기 때문에, 동등한 점도를 실현하기 위해서는, 40℃에서의 동점도로 100㎟/s 이상이 필요해진다. 또한, 이하의 설명에서, 「점도」는 동점도를 나타낸다.
상기한 바와 같이, 종래의 탄화 수소용의 냉동기유에서는, 압축기 운전시(냉매 용해시)의 오일의 점도와 기본 오일의 점도의 차가 크기 때문에, 압력이나 온도가 변화하면, 냉동기유에의 냉매 용해량의 변화에 의해, 오일의 용해점도(냉동기유 중에 냉매가 용해한 상태에서의 혼화물의 동점도)가 대폭적으로 변화한다. 구체적으로는, 냉매 용해량이 비교적 적은 압축기 내의 냉매 가스의 과열도(과열 증기 온도의 비등점과의 차)가 큰 조건에서는 오일의 점도가 너무 높고, 냉매 용해량이 많은 압축기 내의 냉매 가스의 과열도가 작은 조건에서는 오일의 점도가 너무 낮은 상태가 발생한다는 과제가 있다.
또한, 탄화 수소 냉매에 사용되는 상용성의 냉동기유는, 압축기 내에서의 용해점도를 확보하기 위해, 기본 오일의 점도를 조금 높게 설정할 필요가 있기 때문에, 압축기에 오일을 봉입할 때에, 오일의 유동성이 나빠, 봉입량에 편차가 나타나기 쉽다는 과제가 있다.
또한, 비상용의 냉동기유를 사용한 경우, 냉동 회로 내에서 액냉매와 오일이 분리하기 때문에, 냉동 회로로부터 압축기에의 오일되돌림성을 확보하기 위해, 특허 문헌 3에 나타나는 바와 같은 특별한 기술이 필요하고, 냉동 회로의 설계가 복잡화한다는 과제가 있다.
또한, 압축기 내에서 액냉매와 냉동기유가 분리한 경우, 밀도가 큰 액냉매가 냉동기유의 하측에 가라앉아 버리기 때문에, 특허 문헌 4에 나타난 바와 같다, 급유 구멍에 오일을 흡입하기 위한 특별한 기술이 필요하고, 부품 갯수 증가에 수반하는 비용 증가의 과제가 있다.
본 발명은, 상기한 바와 같이 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 제 1의 목적은, 냉매에 탄화 수소를 사용한 때에, 압축기의 내부에서, 냉동기유에 대한 냉매 용해성이 필요 이상으로 커지지 않고, 냉동기유의 대폭적인 점도 저하를 방지할 수 있는 냉동기유를 사용한 냉동 사이클 장치를 얻는 것이다.
본 발명의 제 2의 목적은, 냉동 회로 내에서 액냉매가 적당한 냉매 용해성을 가지며, 통상의 사용에 있어서, 냉동 회로 내의 액냉매 중에 냉동기유가 분리하지 않고 용해할 수 있는 냉동기유를 사용한 냉동 사이클 장치를 얻는 것이다.
본 발명에 관한 냉동 사이클 장치는, 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 배관으로 접속하여 구성된 냉동 회로와,
상기 냉동 회로에 봉입되고 상기 냉동 회로 내를 압축, 응축, 팽창, 증발을 반복하여 순환하는 탄화 수소로 구성된 냉매와,
상기 냉매와 함께 봉입되고 프로필렌·옥사이드와 에틸렌·옥사이드가 공중합한 폴리·알킬렌·글리콜로 구성된 냉동기유를 구비하고,
상기 폴리·알킬렌·글리콜은, 상기 냉매가 순환할 때의 응축온도로부터 증발온도까지의 전 온도 범위에서 상기 냉매와 상기 냉동기유가 2층 분리 상태가 되고, 또한 에틸렌·옥사이드의 성분비가 가장 적은 상기 프로필렌·옥사이드와 상기 에틸렌·옥사이드의 성분비로 구성된 것이다.
본 발명의 냉동 사이클 장치는, 냉동 회로에 봉입되는 냉매로서, 탄화 수소를 사용하고, 냉동기유로서, 프로필렌·옥사이드(PO)와 에틸렌·옥사이드(EO)가 공중합한 폴리·알킬렌·글리콜(PAG)을 사용하고, 상기 PAG는, 냉동 사이클에서 사용하는 응축온도로부터 증발온도까지의 전 온도 범위에서, 냉매와 냉동기유가 2층 분리 상태가 되고, 또한 EO의 성분비가 가장 적은 PO와 EO의 성분비(가장 상용에 가까운 상태)로 구성된 것이기 때문에, 냉동기유에의 냉매 용해성을 작게 할 수 있음과 함께, 액냉매 중에 냉동기유의 용해량을 일정 레벨 이상으로 유지할 수 있기 때문에, 압력이나 온도 조건에 의한 냉동기유의 용해점도 변화를 작게 할 수 있고, 활주부의 신뢰성을 높일 수 있다는 효과가 있다.
또한, 액냉매 중의 일정량 용해한 냉동기유에 의해, 냉동 회로로부터의 오일되돌림량을 확보할 수 있고, 특허 문헌 3에 나타내는 바와 같은 비상용유를 사용한 때에 필요해지는 냉동 사이클로부터 냉동기유를 압축기에 되돌리기 위한 궁리도 불필요하게 되는 효과가 있다.
더욱 냉동기유 중의 냉매 용해성을 낮게 할 수 있기 때문에, 냉동기유의 기본 오일의 점도를 광유 등을 사용하는 경우에 비하여 조금 낮게 할 수 있고, 냉동기유의 봉입성을 개선할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 냉동 사이클 장치의 한 예를 도시하는 냉동 회로도.
도 2는 본 발명의 실시의 형태 1에서의 고압셸형 압축기의 한 예로서 도시하는 로터리 압축기의 단면도.
도 3은 상용유계에 있어서의 온도에 의한 냉동기유 중에 냉매 용해량 특성을 도시하는 도면으로, 비교를 위해 비상용유의 냉매 용해량 특성도 도시하고 있다.
도 4는 상용유계에 있어서의 냉매 분률에 의한 오일 점도 특성을 도시하는 도면.
도 5는 냉매와 냉동기유의 상용성이 변화한 때의 2층 분리 온도 곡선을 도시하는 도면.
도 6은 상용유와 비상용유의 득실 비교를 도시하는 도면.
도 7은 각종 냉매의 포화액 밀도와 냉동기유의 밀도의 온도에 의한 변화를 도시하는 도면.
도 8은 냉매/냉동기유 혼합비와 냉동기유의 점도와의 관계를 도시하는 도면.
도 9는 냉매의 과열도에 대응하는 냉동기유의 용해점도를 도시하는 도면.
이하, 본 발명의 실시의 형태를 도면에 의거하여 설명한다.
실시의 형태 1.
도 1은, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 냉동 사이클 장치(10)의 한 예를 도시하는 냉동 회로도이다.
이 실시의 형태 1에 관한 냉동 사이클 장치(10)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 압축기(1), 응축기(2), 팽창밸브(3), 증발기(4), 어큐뮬레이터(5)를 순서로 배관(6)으로 접속하고, 후술하는 냉매 및 냉동기유가 봉입되어 냉동 회로를 형성하고 있다. 냉동 회로 내의 냉매는, 압축기(1)에서 고온 고압의 냉매로 압축되고, 응축기(2)에 보내진다. 응축기(2)에 보내진 고온 고압 냉매는 응축기(2)에서, 예를 들면 공기 등의 매체와 열교환하여 응축되고, 온도 강하한 냉매가 팽창밸브(3)에 보내진다. 팽창밸브(3)에 보내진 냉매는 팽창밸브에서 팽창(감압)되어 저온 저압의 냉매가 되고, 증발기(4)에 보내진다. 증발기(4)에 보내진 저온 저압 냉매는 증발기(4)에서, 예를 들면 공기 등의 매체와 열교환하여 증발하고, 가열된 냉매가 어큐뮬레이터(5)를 통하여, 재차, 압축기로 되돌아와, 압축된다. 즉, 냉동 회로에서는, 도시한 화살표와 같이 냉매가 냉동 회로 내를 순환함과 함께, 냉매가 압축, 응축, 감압, 증발을 반복하는 냉동 사이클을 행하고 있다. 이와 같은 냉동 사이클 장치(10)를, 예를 들면, 공조기에 적용함에 의해, 냉방 운전이나 난방 운전을 행할 수가 있다. 또한, 이 때, 냉매와 함께 봉입한 냉동기유도, 냉매에 섞이고, 또는 녹아 들어가 냉동 회로 내를 순환하고 있다.
도 2는, 본 발명의 실시의 형태 1에서의 고압셸형 압축기의 한 예로서 도시하는 로터리 압축기의 단면도이다.
고압셸형의 압축기(1)의 한 예인 로터리 압축기는, 밀폐 용기(11)의 내부에, 냉매를 압축하는 압축 기구부(101)와, 압축 기구부(101)를 구동하는 전동 기구부(102)를 구비하고 있다. 압축 기구부(101)와 전동 기구부(102)는 구동축(12)을 통하여 동축으로 연결되어 있다. 밀폐 용기(11)의 저부에는 냉동기유(13)가 저장되어 있고, 냉동기유(13)는 구동축(12)에 마련된 급유 경로(14)를 통하여 펌프 작용에 의해 압축 기구부(101)에 공급되고, 압축 기구부(101)의 활주부(축받이부를 포함한다)를 윤활하도록 되어 있다. 구동축(12)의 하단부는 냉동기유(13)중에 침지되어 있고, 급유 경로(14)는 구동축(12) 하단의 급유 구멍(15)으로부터 축방향에 늘어나는 통로와, 이 통로로부터 윤활을 필요로 하는 각각의 부위로 통하는 분기로로 구성되어 있다.
냉매 가스는, 흡입관(16)으로부터 어큐뮬레이터(5)를 경유하여 상기 압축 기구부(101)에 흡입된다. 흡입된 냉매 가스는 압축 기구부(101)에서 압축되고, 고온 고압으로 된 냉매 가스가 일단 압축 기구부(101)로부터 밀폐 용기(11) 내로 토출된다. 또한, 밀폐 용기(11) 내의 고온 고압의 냉매 가스는, 토출관(17)에 토출되어, 도 1의 응축기(2)에 유입한다.
또한, 본 실시의 형태에서는, 냉매로서, R290(프로판)을 사용하고 있고, 냉동기유(13)는, 후술하는 폴리·알킬렌·글리콜을 사용하고 있다.
본 발명의 기술 내용을 설명하기 전에, 우선, 냉매와 냉동기유의 상용성에 관해 일반적인 기술을 해설한다.
도 3은, 압력 일정하게 한 때의 냉매 및 냉동기유의 혼합물의 과열도에 대한 냉동기유 중에의 냉매의 용해성에 관해 도시하는 특성도이고, 상용유(완전 상용)와 비상용유의 특성을 나타내고 있다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 오일중에의 냉매 용해성은 과열도가 작을수록 커지는 경향은 어느 쪽도 마찬가지이지만, 일반적으로 상용유보다 비상용유의 쪽이 냉매 용해성은 작다. 또한, 상용유의 경우는, 오일과 냉매가 분리하지 않기 때문에, 오일에 냉매가 녹아 들어가 있는 상태와 냉매에 오일이 녹아 들어가 있는 상태가 연속하여 나타나는 것에 대해, 비상용유에서는, 오일중에 냉매는 일정량 이상 용해하지 않기 때문에, 오일 주체의 층과 냉매 주체의 층으로 분리한다. 즉, 2층 분리한다.
도 4는, 상용유계에 있어서의 냉매 분률(分率)에 의한 오일 점도를 나타내는 특성을 도시하는 도면이다. 냉매 분률 0%는 오일 100%를 나타내다. 또한, 도 4의 종축은 이중 대수축(二重對數軸)이다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 오일중의 냉매 분률이 높아짐에 따라 오일의 점도는 저하되는 경향이 있다. 비상용유의 경우는, 냉매 분률이 일정 비율 이상으로 됨에 의해 2층 분리하여 버리기 때문에, 냉매 분률 전역(全域)을 잇는 선은 그릴 수가 없게 된다.
도 5는, 냉매와 냉동기유의 상용성에 의한 2층 분리 특성을 도시하는 도면이다. 도 5의 종축은 냉매와 냉동기유의 혼합물의 온도를 나타내고, 횡축은 혼합물중의 냉동기유의 비율인 유분률(油分率)을 나타내고 있다. 즉, 도 5는 유분률이 0wt%일 때는 혼합물중의 냉매가 100wt%이고, 유분률이 100wt%일 때는 혼합물중의 냉매가 0wt%인 것을 나타내고 있다. 그리고, 냉동기유에 냉매가 녹아 들어가는 또는 냉매에 냉동기유가 녹아 들어가는 경우는, 유분률이 작은 때는 액냉매 주체의 용해역(溶解域)이 되고, 냉매에 냉동기유가 녹아 들어가는 상태를 나타내고, 유분률이 큰 때는 냉동기유 주체의 용해역이 되고, 냉동기유에 냉매가 녹아 들어가는 상태를 나타내고 있다. 또한, 도 5의 (a)부터 (h)는, (a)의 상태로부터 (h)의 상태에 걸쳐서 냉동기유의 성분비 등을 변화시켜서 상용성이 서서히 저하되어 가는 상태를 나타낸다. (a)는 완전 상용의 상태이고 사용되는 냉동 사이클 중의 응축온도부터 증발온도까지의 온도 범위에서 2층 분리 영역을 갖지 않는다. (h)는 비상용 또는 약상용이라고 불리고 있는 오일의 2층 분리 곡선을 나타내고 있고, 냉동 사이클에서 사용하는 최고 응축온도부터 최저 증발온도까지의 전 온도 범위에서 2층 분리하는 것에 더하여, 종래 사용되고 있던 HFC 냉매와 알킬벤젠의 조합에서는, 유분률이 큰 오일 주체의 용해역일 때, 즉 도면의 우측에서는 20 내지 30% 정도의 냉매 용해량, 유분률이 작은 액냉매 주체의 용해역일 때, 즉 도면의 좌측에서는 1% 정도의 오일 용해량이 된다.
(a)부터 (h)의 사이에는 중간적인 영역이 존재한다. (a)부터 (h)를 향하여 차례로 변화를 설명하면, 우선, 고온역 및 저온역에 2층 분리하는 영역이 나오기 시작하고(b), 상용성의 저하와 함께 상기 2개의 2층 분리하는 영역은 중온역을 향하여 넓어지는 경향이 된다(c 내지 e). 그 후, 고온측 및 저온측의 2층 분리 영역이 이어지고, 2층 분리 영역을 끼우고 유분률이 커지는 방향이라고 작아지는 방향 즉 도면의 좌우에 용해역이 생긴다(f). 유분률이 작은 영역 즉 도면의 좌측이 액냉매 주체의 용해역이고 유분률이 큰 영역 즉 도면의 우측이 오일 주체의 용해역이다. 더욱 상용성이 저하되면, 좌우의 용해역은 서서히 좁아지는 경향을 나타낸다(g 내지 h).
종래, HFC 냉매를 사용한 룸 에어컨 등에서는, 상용유와 비상용유의 양자가 사용되고 있고, 각각에 장점 및 단점이 있다. 냉동 회로에서의 오일의 상용성의 영향은, 주로 이하에 나타내는 냉동기유에서 구하여지는 3항목에 대한 특성에 대해 나타난다.
1) 압축기 내에서 적정한 오일 점도를 유지한다
2) 압축기 하부의 급유 구멍으로부터 항상 오일을 흡입 가능
3)냉동 회로에 방출된 오일이 압축기로 되돌아온다
도 6에 상기 3항목에 대한 상용유와 비상용유의 득실을 ○ 및 △로 나타낸다. 또한, 도 6에는, 후술하는 본 발명의 중간 상용유의 예에 관해서도 병기하고 있다.
상기한 각 항목에 관해 설명한다. 우선, 1)의 압축기 내에서 적정한 오일 점도를 유지하는 것에 대해서는, 냉매의 용해량이 적은 비상용유의 쪽이 상용유보다 우수하다. 특히, 토출 가스의 과열도가 작은 조건에서, 비상용유는 냉매 용해량이 적기 때문에 오일의 점도가 저하되기 어렵고, 또한, 일정량 이상 냉매가 용해하지 않기 때문에, 냉매량이 증가하면 2층으로 분리함으로써 오일의 점도를 유지할 수 있다. 이에 대해, 상용유에서는 제한 없이 냉매를 용해할 수 있기 때문에(도중에서 냉매중에 오일이 녹아 들어간 상태가 된다), 오일이 희석되어 대폭적인 점도 저하를 일으킬 가능성이 있다. 오일의 점도가 저하됨에 의해, 압축기 내의 활주부나 축받이부에서 적정한 유막을 형성할 수가 없게 되어, 압축기의 신뢰성 저하를 일으킬 가능성이 있다.
다음에, 2)의 압축기 하부의 급유 구멍으로부터 항상 오일을 흡입 가능, 즉 압축기 하부의 급유 구멍부에 오일이 존재하는 것에 관해서는, 상용유의 쪽이 비상용유보다 우수하다. 전술한 바와 같이, 토출 가스의 과열도가 작아지고, 압축기 내의 액냉매량이 증가한 때에 비상용유의 경우는 액냉매와 오일이 분리한다. 액냉매와 오일이 분리한 경우, HFC 냉매에서는, 밀도가 큰 액냉매가 아래에 잠기고, 오일이 그 위에 뜨는 경향으로 된다. 그 때문에, 압축기의 하부에 위치하는 급유 구멍으로부터는, 오일 대신에 점도가 매우 작은 액냉매가 흡입될 가능성이 있고, 압축기의 신뢰성 저하를 일으킬 가능성이 있다.
최후로, 3)의 냉동 회로에 방출된 오일이 압축기로 되돌아오는 것에 관해서는, 상용유의 쪽이 비상용유보다 우수하다. 상용유에서는, 액냉매 중에 다량의 오일을 용해할 수 있기 때문에, 냉동 회로중에서도 오일은 액냉매 중에 용해한 상태로 운반되게 된다. 그에 대해, 비상용유에서는, 액냉매 중에 오일은 미량밖에 용해하지 않기 때문에, 압축기로부터의 오일 토출량이 일정량을 초과하면, 냉동 회로로부터 오일이 압축기로 되돌아오지 않게 될 가능성이 있다.
상기한 바와 같이, 상용유와 비상용유는 일장일단이 있는데, 양자의 중간적인 위치매김의 오일에 관해서는, 액냉매와 오일이 2층 분리하고, 액냉매가 오일의 하측에 가라앉아 버리는 과제를, 압축기측에서의 대책(예를 들면, 특허 문헌 4에 나타나는 급유 구멍의 주위에 복수의 크기가 다른 구멍을 갖는 칸막이판을 마련한 등의 대책)이나 냉동 회로의 제어에 의해 리커버할 필요가 있기 때문에, 메리트가 그다지 없고, 사용례도 눈에 띄지 않는다.
냉매로서, 프로판이나 프로필렌을 사용한 경우, 상기한 사고방식이 일부 바뀌여 온다. 도 7에, 각종 냉매의 포화 액냉매 밀도와 냉동기유의 온도에 대한 각각의 밀도의 변화를 나타낸다. 종래 사용되고 있던 HFC계의 냉매에 대해, 프로판이나 프로필렌의 밀도는 작고, 냉동기유의 밀도보다도 작다. 즉, 냉매와 오일이 2층 분리하는 경우에도, 냉동기유의 쪽이 액냉매의 아래에 잠기기 때문에, 상기한 2)의 문제는 자연히 해결되게 된다.
프로판이나 프로필렌에 대해서는, 종래 사용되어 온, 광유, POE유, PVE유, 알킬벤젠 등의 대부분의 오일은 상용이면서 용해성이 너무 커서 오일의 점도가 대폭적으로 저하된 문제가 있지만, 그 문제를 해결 가능한 오일이 존재한다. 즉, 본 발명에서는, 폴리·알킬렌·글리콜을 냉동기유로서 사용함으로써, 오일중에의 냉매 용해성을 저감하는 것이 가능해졌다.
폴리·알킬렌·글리콜은, 프로필렌·옥사이드와 에틸렌·옥사이드의 공중합체이고, 하기한 구조식으로 정의된다.
Figure 112012017237928-pat00001
(1)식 중의, CH2-CH(CH3)-O는, 프로필렌·옥사이드 성분을 나타내고, CH2-CH2-O는, 에틸렌·옥사이드 성분을 나타낸다. 또한, n, m은, 프로필렌·옥사이드와 에틸렌·옥사이드의 비율을 나타낸다. 또한, R1, R2는 메틸기가 바람직하지만, 수산기나 카르본산 등이라도 좋다.
이하, 본 발명이 특징적인 부분에 관해 설명한다.
폴리·알킬렌·글리콜유 중의 프로필렌·옥사이드 및, 에틸렌·옥사이드의, 공중합 비율을 변화시킴으로써, 프로판이나 프로필렌에 대해, 상용성을 조정한다. 따라서 상용부터 비상용까지의 넓은 범위의 특성을 만들 수 있다.
프로판이나 프로필렌 등의 탄화 수소 냉매는, 상술한 바와 같이 2층 분리한 때에도 액냉매가 냉동기유의 위에 뜨고, 압축기의 급유에의 문제가 없기 때문에, 오일의 상용성에 관해서는, 상술한 상용성, 비상용성에 수반하는 과제(상술한 1), 3))의 양자에 대해, 가장 문제가 적은 용해도를 선택하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 냉동기유의 냉매에 의한 제한 없는 희석을 방지하기 위해, 2층 분리하는 것이 바람직하다. 또한, 액냉매 중의 냉동기유 용해성을 가능한한 크게 할 수 있는 쪽이 바람직하다. 즉, 프로필렌·옥사이드와 에틸렌·옥사이드의 성분비가, 냉동 사이클에서 사용하는 최고 응축온도부터 최저 증발온도까지의 전 온도 범위에서, 각각 액냉매와 냉동기유가 2층 분리하는 혼합비를 갖는(비상용에 가까운 상태) 성분비중, 에틸렌·옥사이드 비율이 최소(가장 상용에 가까운 상태)가 되는 성분비(상용과 비상용의 중간적인 성질을 나타내는 성분비), 즉, 도 5의 (f)의 상태가 바람직한 상태가 된다. 이 상태는 「상용」과 「비상용」의 중간적인 위치매김이 되기 때문에, 이후, 「중간상용」이라고 기술(記述)한다.
이하, 중간상용의 구체적인 범위에 관해 설명한다.
중간상용의 상태를 실현할 수 있는 에틸렌·옥사이드 비율(프로필렌·옥사이드와 에틸렌·옥사이드와의 성분비)는, 냉매가 프로판인 경우, 폴리·알킬렌·글리콜유의 점도 그레이드 ISO VG32에서는, 에틸렌·옥사이드 비율이 20%, 점도 그레이드 ISO VG46에서는, 에틸렌·옥사이드 비율이 15%, 점도 그레이드 ISO VG68에서는, 에틸렌·옥사이드 비율이 10% 정도가 된다.
폴리·알킬렌·글리콜유(PAG유)의 프로필렌·옥사이드와 에틸렌·옥사이드의 공중합 성분비를 상기한 중간상용 상태로 설정함에 의해, 종래의 상용유, 및 비상용유에서의 과제를 해결할 수 있다. 구체적으로는, 냉동 사이클에서 사용하는 최고 응축온도부터 최저 증발온도까지의 전 온도 범위에서, 각각 액냉매와 냉동기유가 2층 분리하는 혼합비를 갖기 때문에, 냉동기유의 냉매에 의한 제한 없는 희석을 방지하고, 냉동기유의 점도가 일정 이하로 저하되는 것을 방지하고, 압축기의 활주부의 신뢰성을 확보할 수 있음과 함께, 그중에서도 가장 에틸렌·옥사이드의 비율이 작은 성분비로 함으로써, 액냉매 중에 용해 가능한 냉동기유의 양을 최대로 할 수 있고, 냉동 사이클로부터의 오일되돌림성을 비상용유에 비하여 개선할 수 있다.
상술한 설명에서는, 본 발명의 이상적인 상태로서, 중간상용 상태가 되는 1점에 관해 그 성분비 및 효과를 설명하였지만, 상술한 효과가 부분적으로 얻어지는 성분비라도 좋다. 그 범위로서, 이하를 정의한다. 우선, 에틸렌·옥사이드 비율(프로필렌·옥사이드와 에틸렌·옥사이드의 성분비)의 하한에 관해서는 다음과 같이 된다. 압축기의 각 활주부에 걸리는 부하는, 고압(응축)측의 압력이 높은 쪽이 커지는 경향이 있다. 그 때문에, 실제로 이용된 냉동 사이클의 최대 고압(응축측) 조건 부근에 2층 분리 영역이 존재하면 본 발명의 효과를 얻을 수 있기 때문에, 도 5(c)의 상태와 같이 고온측의 2층 분리 영역이 냉동 사이클중의 최고 응축온도(최고 포화 온도)에 걸리기 시작하는, 즉, 최고 응축온도에서 2층 분리 상태가 발생하는 에틸렌·옥사이드 비율을 하한으로 한다. 또한, 최고 응축온도는, 공조기에서는 65℃ 정도, 급탕기에서는 80℃ 정도이고, 본 발명의 설명에서는, 80℃로 하여 이하의 에틸렌·옥사이드 비율(프로필렌·옥사이드와 에틸렌·옥사이드와의 성분비)을 정의한다.
다음에, 에틸렌·옥사이드 비율(프로필렌·옥사이드와 에틸렌·옥사이드와의 성분비)의 상한에 관해서는 다음과 같이 된다. 즉, 냉매 회로로부터의 충분한 오일되돌림성을 확보할 수 있으면 좋다. 통상의 고압셸형 압축기의 오일 토출량은, 오일 토출량이 큰 것에서도 2% 정도라고 생각되기 때문에, 액냉매 중에 2% 정도의 냉동기유가 용해하고 있으면 충분하다. 액냉매 중의 냉동기유 용해량은, 저온이 될수록 작아지는 경향이기 때문에, 냉동 사이클 중의 최저 증발온도(최저 포화 온도)에서, 액냉매 중에 2% 이상의 냉동기유가 용해할 수 있다면 좋다. 즉, 도 5(g)중에 나타내는 A점의 냉동기유 용해량이 2% 이상이 되는 에틸렌·옥사이드 비율을 상한으로 한다. 또한, 최저 응축 증발온도는, 공조기, 급탕기에서 -10℃ 내지 -30℃ 정도이고, 본 발명의 설명에서는, -30℃로 하여 이하의 에틸렌·옥사이드 비율(프로필렌·옥사이드와 에틸렌·옥사이드와의 성분비)을 정의한다.
상기의 하한, 상한의 정의를 실현 가능한 에틸렌·옥사이드의 성분비는, 대강 상술한 중간상용이 되는 성분비에 대해, ±10%의 범위가 된다. 즉, 냉매로서 프로판을 사용한 경우, 폴리·알킬렌·글리콜유의 점도 그레이드 ISO VG32에서는, 에틸렌·옥사이드 비율이 10 내지 30%, 점도 그레이드 ISO VG46에서는, 에틸렌·옥사이드 비율이 5 내지 25%, 점도 그레이드 ISO VG68에서는, 에틸렌·옥사이드 비율이 0 내지 20% 정도가 된다. 상기한 사이 점도의 냉동기유에서는, 점도 그레이드 ISO VG32, 46, 68의 데이터를 잇은 곡선으로 보완한 성분비를 적용하면 좋다.
도 8은, 냉매/냉동기유 혼합비와 냉동기유의 점도와의 관계를 도시하는 도면으로, 액냉매(냉매 과열도 0이다)와 유가 혼재한 때의 오일의 거동을 나타내는 것이다.
도면에 도시하는 바와 같이, 2층 분리하지 않는 상용유(광유 등)는, 냉매 비율의 증가와 함께 제한 없이 오일의 점도는 저하되지만, 본 발명의 오일은, 2층 분리하기 때문에, 오일측의 점도는 일정치 이하로는 저하되지 않는다.
도 9는, 냉매의 과열도에 대응하는 냉동기유의 용해점도를 도시하는 도면으로, 가열 냉매(가스)가 오일에 용해한 상태에서의 오일 점도를 나타내고 있다.
도 9에 도시하는 바와 같이, 과열 냉매의 오일중에의 용해량은, 과열도에 의해 변화한다. 즉, 과열도가 작을수록 오일이 녹기 쉽다. 또한, 냉매의 녹아 들어감이 많을수록, 오일의 점도는 저하된다. 광유는 녹기 쉽기 때문에, 용해량은 좀많고, 그 만큼 점도의 저하가 크다.
이에 대해, 본 발명의 오일은, 냉매의 과열도가 작은 때에도 오일중에 냉매가 녹기 어렵고, 용해점도를 조금 높게 유지할 수 있다.
또한, 상술에서는, 냉매가 프로판일 때의 특성을 나타냈지만, 냉매는 프로필렌이라도 좋다. 냉매가 프로필렌인 경우는, 중간상용의 상태 실현 가능한 구체적인 에틸렌·옥사이드 비율은 분명하지 않지만, 프로판에 대한 것보다도 에틸렌·옥사이드 비율이 높은 때에, 도 5의 (f)의 상태를 실현 가능하고, 대강 에틸렌·옥사이드 비율이 50% 정도라고 추정된다.
다음에 동작에 관해 설명한다. 우선, 냉동 회로 내의 냉매 및 오일의 상태에 관해 설명한다.
압축기(1)는, 흡입관(16)에서 저압의 냉매 가스를 흡입하고, 압축 기구부(101)에서 냉매 가스를 고압으로 압축 후, 밀폐 용기(11) 내로 한 번 토출되고, 그 후, 밀폐 용기(11) 내에 개구하고 있는 토출관(17)에서 밀폐 용기(11) 밖으로 토출된다. 이 때, 압축기(1) 내의 윤활에 사용된 냉동기유(13)도 냉매 가스와 함께 소량 토출된다. 고압셸 방식의 압축기에서는, 통상의 운전 조건에서, 냉매 가스와 함께 토출된 냉동기유의 양은, 최대 2% 정도이다. 압축기(1)로부터 토출된 고압의 냉매 가스 및 소량의 냉동기유는, 도 1의 응축기(2)에 들어가 냉매 가스는 응축되어 액화하여, 액냉매가 되어 팽창밸브(3)에 이동한다.
또한, 그 액냉매 중에도 압축기(1)로부터 토출된 양과 동량의 냉동기유(13)가 포함되게 되는데, 냉동기유(13)는 상술한 바와 같이, 액냉매를 2% 이상 용해 가능하기 때문에, 냉동기유(13)는 분리되는 일 없이 액냉매와 함께 팽창밸브(3)에 이동한다.
팽창밸브(3)에 의해 액냉매는 감압되여 기액 2상(相) 상태가 되고, 증발기(4)에 이동한다. 증발기(4)에서도, 냉동기유(13)는 액상중에 용해하여 있는 상태이다. 증발기(4) 내에서 냉매는 기화되고, 그에 수반하여, 냉동기유(13)는 서서히 석출하고, 액냉매가 완전히 가스화되면 냉매와 오일은 분리한 상태가 된다. 또한, 저압 공간에서의 오일중에의 냉매 용해량은 적기 때문에, 오일의 점도는 증가하는 경향이 되지만, 기본 오일의 점도 그레이드가 ISO VG32 내지 68 정도로 약간 낮게 설정되어 있기 때문에, 오일은 냉매 가스와 함께 문제 없이 이동하고, 압축기(1)로 되돌아올 수가 있다.
상기한 바와 같이, 탄화 수소 냉매에 대해, 중간상용의 특성을 갖는 냉동기유를 선택함에 의해, 냉동기유에서 구해지는 상기 3항목의 특성 전부에 대해 양호한 특성을 나타낸다.
1) 압축기 내에서 적정한 오일 점도를 유지한다
·냉동기유 중에의 냉매 용해량이 상대적으로 적고, 또한, 냉동기유와 액냉매는 분리하기 때문에, 냉동기유 중의 냉매량은 일정 비율 이상으로는 증가하지 않고, 적정한 오일의 점도가 유지된다.
2) 압축기 하부의 급유 구멍으로부터 항상 오일을 흡입 가능
·냉동기유와 액냉매가 밀폐 용기 내에서 분리한 경우에도, 탄화 수소 냉매는 냉동기유보다도 밀도가 작기 때문에, 냉동기유는, 어느 압력·온도 조건에서도 탄화 수소 냉매의 하측에 잠기고, 압축기 하부의 급유 구멍부에, 항상 냉동기유를 유지할 수 있다.
3) 냉동 회로에 방출된 오일이 압축기로 되돌아온다
·액냉매 중에 녹아 들어간 냉동기유의 양이 2% 이상 있기 때문에, 통상의 압축기로부터 방출되는 오일의 양(2% 이하)에 대해서는, 액냉매 중에 녹아 들어간 채로 냉동 회로 내를 순환할 수 있기 때문에, 충분한 오일되돌림성을 확보할 수 있다.
또한, 이 냉동기유는 냉동 회로에서 사용하는 응축온도의 범위의 전부/또는 일부에서 2층 분리하기 때문에, 냉동기유 중에 용해한 냉매량은 2층 분리 농도면 이상으로는 증가하지 않고, 냉동기유의 제한 없는 희석을 방지하고, 압축기의 활주부의 신뢰성을 높일 수 있다는 효과가 있다.
또한, 액냉매와 냉동기유가 2층 분리한 때, 프로판이나 프로필렌의 액냉매 밀도는 냉동기유보다도 작기 때문에, 오일이 냉동기유의 하측에 잠기고, 압축기의 급유 구멍 부근은 항상 냉동기유층으로 되기 때문에, 종래예에 있는 바와 같은 액냉매의 상측에 들든 냉동기유를 압축기의 급유 구멍에 공급하기 위한 특별한 궁리는 필요없고, 염가의 냉동 사이클 장치를 얻을 수 있다는 효과가 있다.
또한, 냉동 회로 내에서, 액냉매 중에는 2% 이상의 냉동기유가 용해 가능하기 때문에, 통상의 운전 상태에서, 압축기로부터 냉매와 함께 토출되는 냉동기유는 액냉매 중에 용해할 수 있고, 충분한 오일되돌림성을 확보할 수 있다는 효과가 있다.
그리고, 본 발명의 실시의 형태에서 압축기를 도시하는 도 2에는, 고압셸형의 로터리 압축기를 나타냈지만, 압축기의 타입으로서, 특히, 고압셸형, 저압셸형을 불문한다. 또한, 스크롤 압축기 등의 다른 압축 형식이라도 좋다. 또한, 압축 기구부와 전동 기구부의 위치 관계에 대해서도, 도 2에는, 압축 기구부가 하측에 배치된 형태를 나타냈지만, 냉동기유(13)가 압축기의 하측에 저장되고, 급유 구멍(15)이, 압축기의 하측의 냉동기유 저장부에 개구한 구성이 되어 있으면, 압축 기구부가 상측에 배치된 것이라도 같은 효과를 나타낸다.
1 : 압축기 2 : 응축기
3 : 팽창밸브 4 : 증발기
5 : 어큐뮬레이터 6 : 배관
10 : 냉동 사이클 장치 11 : 밀폐 용기
12 : 구동축 13 : 냉동기유
14 : 급유 경로 15 : 급유 구멍
16 : 흡입관 17 : 토출관
101 : 압축 기구부 102 : 전동 기구부

Claims (9)

  1. 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 배관으로 접속하여 구성된 냉동 회로와,
    상기 냉동 회로에 봉입되어 상기 냉동 회로 내를 압축, 응축, 팽창, 증발을 반복하고 순환하는 탄화 수소로 구성된 냉매와,
    상기 냉매와 함께 봉입되고 프로필렌·옥사이드와 에틸렌·옥사이드가 공중합한 폴리·알킬렌·글리콜로 구성된 냉동기유를 구비하고,
    상기 폴리·알킬렌·글리콜은, 상기 냉매가 순환할 때의 응축온도부터 증발온도까지의 전 온도 범위에서 상기 냉매와 상기 냉동기유가 2층 분리 상태가 되고, 또한 에틸렌·옥사이드의 성분비가 가장 적은 상기 프로필렌·옥사이드와 상기 에틸렌·옥사이드의 성분비로 구성된 것을 특징으로 하는 냉동 사이클 장치.
  2. 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 배관으로 접속하여 구성된 냉동 회로와,
    상기 냉동 회로에 봉입되어 상기 냉동 회로 내를 압축, 응축, 팽창, 증발을 반복하고 순환한 탄화 수소로 구성된 냉매와,
    상기 냉매와 함께 봉입되고 프로필렌·옥사이드와 에틸렌·옥사이드가 공중합한 폴리·알킬렌·글리콜에 구성된 냉동기유를 구비하고,
    상기 폴리·알킬렌·글리콜은, 상기 냉매가 순환할 때의 응축온도부터 증발온도까지의 전 온도 범위에서 상기 냉매와 상기 냉동기유가 2층 분리 상태가 되고, 또한 에틸렌·옥사이드의 성분비가 가장 적은 상기 프로필렌·옥사이드와 상기 에틸렌·옥사이드의 성분비를 포함하는 소정의 범위의 성분비로 구성된 것을 특징으로 하는 냉동 사이클 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 폴리·알킬렌·글리콜의 상기 에틸렌·옥사이드의 성분비의 하한은, 해당 냉동 사이클에서 사용하는 최고 응축온도에서, 상기 냉매와 상기 냉동기유가 2층 분리하는 성분비로 하는 것을 특징으로 하는 냉동 사이클 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 폴리·알킬렌·글리콜의 상기 에틸렌·옥사이드의 성분비의 상한은, 해당 냉동 사이클로 사용하는 최저 증발온도에서, 상기 냉매중에 상기 냉동기유가 2% 이상 용해하는 성분비로 하는 것을 특징으로 하는 냉동 사이클 장치.
  5. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매로서, 프로판을 사용하고, 상기 냉동기유로서, 점도 그레이드 ISO VG32의 폴리·알킬렌·글리콜을 사용하고, 상기 폴리·알킬렌·글리콜중의 상기 에틸렌·옥사이드의 성분비를, 10 내지 30%로 하는 것을 특징으로 하는 냉동 사이클 장치.
  6. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매로서, 프로판을 사용하고, 상기 냉동기유로서, 점도 그레이드 ISO VG46의 폴리·알킬렌·글리콜을 사용하고, 상기 폴리·알킬렌·글리콜중의 에틸렌·옥사이드의 성분비를, 5 내지 25%로 하는 것을 특징으로 하는 냉동 사이클 장치.
  7. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매로서, 프로판을 사용하고, 상기 냉동기유로서, 점도 그레이드 ISO VG68의 폴리·알킬렌·글리콜을 사용하고, 상기 폴리·알킬렌·글리콜중의 상기 에틸렌·옥사이드의 성분비를, 0 내지 20%로 하는 것을 특징으로 하는 냉동 사이클 장치.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 냉매로서, 프로판을 사용하고, 상기 냉동기유로서, 점도 그레이드 ISO VG32 내지 68의 폴리·알킬렌·글리콜을 사용하고, 상기 폴리·알킬렌·글리콜중의 상기 에틸렌·옥사이드의 성분비를, 점도 그레이드의 ISO VG32, VG46, VG68에 대해 나타낸 값을 잇는 곡선으로 보완되는 범위로 하는 것을 특징으로 하는 냉동 사이클 장치.
  9. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매로서, 프로필렌을 사용하고, 상기 냉동기유로서, 폴리·알킬렌·글리콜을 사용하는 것을 특징으로 하는 냉동 사이클 장치.
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