(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒の圧縮工程に高圧型圧縮機を用いて冷凍サイクルを構成するものであって、冷媒としてハイドロカーボン（ＨＣ）を主成分とする冷媒を用い、冷凍機油として、パラフィン系炭化水素、ナフテン系炭化水素、カーボネイトオイル、アルキルベンゼン、アルキルグルコールの単品、あるいはそれらの混合油であって、冷媒に対して相溶性を有するとともに、粘度が４０℃における動粘性係数で４６ｃＳｔ以上となる冷凍機油を用い、冷凍機油は、冷媒の圧縮工程を担う圧縮機内における使用最高温度での粘度が動粘性係数で１ｃＳｔ以上となることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
冷媒の圧縮工程に低圧型圧縮機を用いて冷凍サイクルを構成するものであって、冷媒としてハイドロカーボン（ＨＣ）を主成分とする冷媒を用い、冷凍機油として、パラフィン系炭化水素、ナフテン系炭化水素、カーボネイトオイル、アルキルベンゼン、アルキルグルコールの単品、あるいはそれらの混合油であって、冷媒に対して相溶性を有するとともに、粘度が４０℃における動粘性係数で１５ｃＳｔ以上となる冷凍機油を用い、冷凍機油は、冷媒の圧縮工程を担う圧縮機内における使用最高温度での粘度が動粘性係数で１ｃＳｔ以上となることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項３】
冷凍サイクルの冷媒としてハイドロカーボン（ＨＣ）を主成分とする冷媒を用い、冷凍機油として、パラフィン系炭化水素、ナフテン系炭化水素、カーボネイトオイル、アルキルベンゼン、アルキルグルコールの単品、あるいはそれらの混合油であって、冷媒の蒸発工程を担う熱交換器の使用最低蒸発温度での粘度が動粘性係数で２２００ｃＳｔ以下となることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項４】
冷凍サイクルの冷媒としてハイドロカーボン（ＨＣ）を主成分とする冷媒を用い、冷凍機油として、パラフィン系炭化水素、ナフテン系炭化水素、カーボネイトオイル、アルキルベンゼン、アルキルグルコールの単品、あるいはそれらの混合油であって、装置停止時の装置周囲温度下で冷媒に相溶する状態における粘度が動粘性係数で４０ｃＳｔ以下となる冷凍機油を用いることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項５】
冷凍機油は、冷媒の蒸発工程を担う熱交換器の使用最低蒸発温度での粘度が動粘性係数で２２００ｃＳｔ以下となることを特徴とする請求項１又は２記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
冷凍機油は、装置停止時の装置周囲温度下で冷媒に相溶する状態における粘度が動粘性係数で４０ｃＳｔ以下となることを特徴とする請求項１又は２記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として空気調和機、除湿装置、冷蔵装置などに用いる冷凍サイクル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来において、この種の冷凍装置においては、冷媒としてクロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）であるＲ１２冷媒等や、ハイドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）であるＲ２２冷媒等を使用し、冷凍機油として鉱物油を使用していた。
【０００３】
また、例えば特開平５−１５７３７９号公報に記載する技術においては、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）であるＲ１３４ａ冷媒を用いて冷凍装置を構成し、圧縮機の冷凍機油として、冷媒に対して相互溶解性がないハードアルキルベンゼン油（非相溶系）を使用することにより、冷凍機油の粘度を規定して圧縮機の潤滑性を確保している。
【０００４】
ところで、ＣＦＣやＨＣＦＣはオゾン破壊係数（ＯＤＰ）の値が０以上であるために、１９９５年モントリオール議定書改定に基づき、ＣＦＣは１９９５年末に全廃し、ＨＣＦＣも１９９６年から規制を開始し、２０２０年に全廃することが規定されており、ＣＦＣ／ＨＣＦＣの代替冷媒としてＨＦＣが注目されている。しかし、ＨＦＣは地球温暖化係数（ＧＷＰ）の値が大きく、地球環境保護のため、将来的に規制される可能がある。そこで、ＨＦＣの次世代冷媒としては、ＯＤＰ＝０であるばかりでなく、ＧＷＰ≒Ｏであるプロパンやブタン等のハイドロカーボン（ＨＣ）が有力候補の一つである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ハイドロカーボン（ＨＣ）は分子極性が小さいために、冷凍機油としての鉱物油に対する相溶性が、従来使用していたＣＦＣ／ＨＣＦＣに比べて、大きい性状を有しており、圧縮機内のように、冷媒と冷凍機油が共存する状態においては、冷媒の冷凍機油への溶け込みが多くなって冷凍機油の粘度が低下し、圧縮機の機械的な潤滑性が低下することによって機器の信頼性が低下する。
【０００６】
一方、冷凍機油として粘度の高い油を使用すると、蒸発器などの低温部において温度条件によっては冷凍機油の粘度が高くなり過ぎることがある。このために、冷凍機油が冷媒と共に冷凍サイクル内に吐出されると、蒸発器などの低温部で冷凍機油の粘度が高くなり過ぎて、圧縮機に戻って来ない可能性が考えられる。結果として、圧縮機内の冷凍機油が不足し、圧縮機の機械的な潤滑性が損なわれるに伴って摩耗が進行し、あるいは熱交換器内に滞留した冷凍機油が伝熱を阻害して伝熱効率が低下することが考えられる。
【０００７】
また、冷凍サイクルを長時間低温環境下に放置すると、圧縮機内の温度も低温になり、オイル粘度が上昇するために、始動時に大きな始動トルクが必要となり、モータに過大トルクがかかり、運転できなくなる恐れがある。
【０００８】
本発明は上記した課題を解決するものであり、冷媒としてハイドロカーボン（ＨＣ）を使用しながら冷凍機油との相溶性を考慮して適度な粘度を維持することにより、地球環境に優しく、かつ機器としての信頼性が高い冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するために、本発明の請求項１に記載する冷凍サイクル装置は、冷媒の圧縮工程に高圧型圧縮機を用いて冷凍サイクルを構成するものであって、冷媒としてハイドロカーボン（ＨＣ）を主成分とする冷媒を用い、冷凍機油として、冷媒に対して相溶性を有するとともに、粘度が４０℃における動粘性係数で４６ｃＳｔ以上となる冷凍機油を用いる構成としたものである。
【００１０】
冷凍サイクル装置の圧縮機において、信頼性を確保するためには、機械的な摩耗ならびに高温の発生を抑制することが必要であり、摩耗ならびに高温発生を抑制するためには冷凍機油によって潤滑性を保って金属部材相互間の円滑な接触運動を維持する必要がある。冷凍機油の粘度が低下すると金属部材の表面において形成する油膜厚が減少するので、冷凍機油の粘度の低下は金属部材の円滑な接触運動を損なわせる因子として作用する。
【００１１】
ところで、冷凍機油はハイドロカーボン（ＨＣ）系の冷媒に対して相溶性を有し、相溶性は圧力と温度によって変化し、一般に圧力が高い程に相溶性（溶解度）が大きくなり、また、温度が高い程に相溶性が小さくなる。一方で、冷凍機油の粘度は温度と相溶性（溶解度）によって変化し、温度が高い程に粘度が低くなり、相溶性（溶解度）が大きい程に粘度が低くなる。
【００１２】
したがって、圧力隔壁（シェル）内に吐出圧力が作用し、冷凍機油が高温・高圧下で、冷媒と共存する高圧型圧縮機においては、冷媒の冷凍機油への溶け込みが多くなって冷凍機油の粘度が低下する傾向にあるので、使用する冷凍機油はある程度高い粘度に調質する必要がある。
【００１３】
この冷凍機油の粘度の適値を実験的に求めると、４０℃における動粘性係数で４６ｃＳｔ以上となり、この値以上の粘度グレードにおいては金属部材の接触運動面における摩耗量が、従来の経験則における許容摩耗限界である２０μｍ以下となり、圧縮機の信頼性が向上する。
【００１４】
ここで、冷凍機油としては、パラフィン系炭化水素、ナフテン系炭化水素、カーボネイトオイル、アルキルベンゼン、アルキレングリコールの単品あるいはそれらの混合油、等々を使用する。
【００１５】
本発明の請求項２に記載する冷凍サイクル装置は、冷媒の圧縮工程に低圧型圧縮機を用いて冷凍サイクルを構成するものであって、冷媒としてハイドロカーボン（ＨＣ）を主成分とする冷媒を用い、冷凍機油として、冷媒に対して相溶性を有するとともに、粘度が４０℃における動粘性係数で１５ｃＳｔ以上となる冷凍機油を用いる構成としたものである。
【００１６】
圧力隔壁（シェル）内に吸入圧力が作用する低圧型圧縮機においては、冷凍機油が高圧型圧縮機に比べて低温・低圧下に存在するので、高圧型圧縮機に比して冷凍機油の粘度が低い値でも圧縮機内では十分な潤滑性を保つことができる。
【００１７】
この冷凍機油の粘度の適値を実験的に求めると、４０℃における動粘性係数で１５ｃＳｔ以上となり、この値以上の粘度グレードにおいては金属部材の接触運動面における摩耗量が、従来の経験則における許容摩耗限界である２０μｍ以下となり、圧縮機の信頼性が向上する。
【００１８】
また、冷凍機油は、圧縮機内における使用最高温度での粘度が動粘性係数で１ｃＳｔ以上となるように調質する。この値以上の粘度グレードにおいては金属部材の接触運動面における摩耗量が、従来の経験則における使用最高温度下での許容摩耗限界である３μｍ以下となり、圧縮機の信頼性が向上する。ここで、使用最高温度とは圧縮機から吐出する冷媒の吐出温度が最も高くなる温度であり、最高で約１２５℃程度である。
【００１９】
また、冷凍機油は、冷媒の蒸発工程を担う熱交換器の使用最低蒸発温度での粘度が動粘性係数で２２００ｃＳｔ以下となるように調質する。この値以下の粘度グレードにおいては、冷凍機油が蒸発器内に滞留することなく円滑に圧縮機に戻ることにより、低温下においても圧縮機における冷凍機油の不足を防止できる。さらに、熱交換器において、冷凍機油の滞留に起因して伝熱効率が阻害されることを防止できる。
【００２０】
また、冷凍機油は、装置停止時の装置周囲温度下で冷媒に相溶する状態における粘度が動粘性係数で４０ｃＳｔ以下となるように調質する。冷凍サイクル装置を長時間にわたって低温環境下に放置する、所謂「寝込み」状態では、圧縮機内の温度も低温になり、冷凍機油の粘度が上昇する。この場合に、冷凍機油に冷媒がいくらか溶け込んでいるが、圧縮機起動時に粘度が高すぎると、圧縮機の寝込み始動時の始動トルクが大きくなり、場合によっては過大なトルクが作用して運転できなくなる。しかし、装置停止時の装置周囲温度下で冷媒に相溶する状態における粘度を、動粘性係数で４０ｃＳｔ以下に調質することにより、寝込み始動時においても、速やかに圧縮機の始動を行うことができる。
【００２１】
また、高圧型圧縮機における冷凍機油として、４０℃において４６ｃＳｔ以上の動粘性係数を有し、熱交換器の使用最低蒸発温度において２２００ｃＳｔ以下の動粘性係数を有するように調質することにより、あるいは低圧型圧縮機における冷凍機油として、４０℃において１５ｃＳｔ以上の動粘性係数を有し、熱交換器の使用最低蒸発温度において２２００ｃＳｔ以下の動粘性係数を有するように調質することにより、稼働時の圧縮機の信頼性が向上するとともに、冷凍機油が蒸発器内に滞留することなく円滑に圧縮機に戻ることにより、低温下においても圧縮機における冷凍機油の不足を防止でき、さらには、熱交換器において冷凍機油の滞留に起因して伝熱効率が阻害されることを防止でき、冷凍サイクルの装置全体としての信頼性が向上する。
【００２２】
また、高圧型圧縮機における冷凍機油として、４０℃において４６ｃＳｔ以上の動粘性係数を有し、装置停止時の装置周囲温度下で４０ｃＳｔ以下の動粘性係数を有するように調質することにより、あるいは低圧型圧縮機における冷凍機油として、４０℃において１５ｃＳｔ以上の動粘性係数を有し、装置停止時の装置周囲温度下で４０ｃＳｔ以下の動粘性係数を有するように調質することにより、圧縮機の稼働中および始動時において不具合がなく、また装置としての信頼性が向上する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１において、冷凍サイクル装置１の冷房運転時には、実線で示すように、圧縮機２から吐出する高温・高圧の冷媒ガスが四方弁３を経て凝縮器（放熱器）をなす室外熱交換器４に流入し、凝縮（放熱）により液相となる。この液相となった冷媒は、減圧部５を通って蒸発器（吸熱器）をなす室内熱交換器６に流入し、蒸発（吸熱）により気相となる。この気相となった冷媒ガスは、四方弁３およびアキュームレータ７を経て再び圧縮機２へ流入する。
【００２４】
暖房運転時は、波線で示すように、四方弁３が切り換わり、室内熱交換器６が凝縮器（放熱器）となり、室外熱交換器４が蒸発器（吸熱器）となる。
一方、圧縮機２には高圧型と低圧型があり、高圧型は圧力隔壁（シェル）内に吐出圧力が作用し、冷凍機油４が高温・高圧下に滞留するもので、低圧型は圧力隔壁（シェル）内に吸入圧力が作用し、冷凍機油が吸入圧下に滞留するものである。
【００２５】
図２に高圧型の圧縮機２の一例を示す。図２において、冷媒ガスはアキュームレータ７へ流入し、その後に圧縮部２１に流入する。圧縮部２１では、モータ２２によって駆動するピストンにより冷媒を圧縮し、シェル２３で形成する内部空間内へ圧縮した高温・高圧の冷媒ガスを吐出する。この高温・高圧の冷媒ガスは、シェル２３の内部に滞留した後に、吐出管２４から冷凍サイクル内へ吐出される。
【００２６】
このとき、シェル２３に滞留する冷凍機油２５を回転軸２６の回転に伴って圧縮部２１に汲み上げる一方で、冷凍サイクル内を冷媒に溶解して循環してきた冷凍機油２５がアキュームレータ７から冷媒ガスとともにシリンダ室内に流入し、冷凍機油２５が圧縮部２１におけるシリンダとピストンの間の潤滑性を保って両者の円滑な接触運動を維持し、さらには他の軸受部等の摺接部における潤滑性を確保する。
【００２７】
図３に低圧型の圧縮機２の一例を示す。図３において、冷媒ガスは、シェル３１で形成する内部空間内へ流入し、吸入圧下において滞留する。シェル３１の内部に滞留する冷媒ガスは、圧縮部３２を構成する固定スクロールと旋回スクロールの間に流入し、モータ３３によって旋回スクロールが旋回することより圧縮され、吐出チャンバ３４を通って吐出管３５から冷凍サイクル内へ吐出される。
【００２８】
このとき、シェル３１の下方に滞留する冷凍機油３６が回転軸３７の回転にともなってオイルポンプ等により圧縮部３２に汲み上げられ、冷凍機油３６が固定スクロールと旋回スクロールの間の潤滑性を保って両者の円滑な接触運動を維持し、さらには他の軸受部等の摺接部における潤滑性を確保する。
【００２９】
ところで、冷凍機油は粘度が低下すると金属部材の表面において形成する油膜厚が減少するので、冷凍機油の粘度の低下は金属部材の円滑な接触運動を損なわせる因子として作用する。
【００３０】
このために、図２に示した圧縮工程に高圧型圧縮機を用いた冷凍サイクルにおいては、冷媒としてプロパン等のハイドロカーボン（ＨＣ）を主成分とする冷媒を用いており、冷凍機油２５として、冷媒に対して相溶性を有するとともに、粘度が４０℃における動粘性係数で４６ｃＳｔ以上となる冷凍機油２５を用いている。
【００３１】
冷凍機油２５はハイドロカーボン（ＨＣ）系の冷媒に対して相溶性を有しており、図４に示すように、一般に相溶性は圧力と温度によって変化し、圧力が高い程に相溶性（溶解度）が大きくなり、温度が高い程に相溶性が小さくなる。一方で、図５に示すように、冷凍機油２５の粘度は温度と相溶性（溶解度）によって変化し、温度が高い程に粘度が低くなり、相溶性（溶解度）が大きい程に粘度が低くなる。したがって、シェル２３の内部に吐出圧力が作用し、冷凍機油２５が高温・高圧下に曝される高圧型圧縮機においては、温度が高く、相溶性も大きいために、冷凍機油２５の粘度が低下する傾向にあるので、潤滑性確保のためには使用する冷凍機油２５はある程度高い粘度に調質する必要がある。
【００３２】
この冷凍機油２５の粘度の適値を実験的に求めると、４０℃における動粘性係数で４６ｃＳｔ以上となる。図６に、冷媒にプロパン（Ｒ２９０）を使用し、冷凍機油２５に鉱物油を使用した場合における摩耗量と純粋な冷凍機油の粘度グレード（動粘度）との相関を示す。図６に示すように、４６ｃＳｔ以上の粘度グレードにおいては金属部材の接触運動面における摩耗量が、従来の経験則における許容摩耗限界である２０μｍ以下となり、圧縮機の信頼性が向上する。この冷凍機油としては、例えばパラフィン系炭化水素、ナフテン系炭化水素、カーボネイトオイル、アルキルベンゼン、アルキレングリコールの単品、あるいはそれらの混合油、等々がある。
【００３３】
一方、図３に示したように、シェル３１の内部に吸入圧力が作用する低圧型圧縮機においては、冷凍機油３６が、高圧型圧縮機の場合に比べて、低温・低圧下に存在するので、上述の高圧型圧縮機に比して冷凍機油３６の粘度グレードが低くても必要な粘性を保つことができる。このために、冷凍機油３６として、冷媒に対して相溶性を有するとともに、粘度が４０℃における動粘性係数で１５ｃＳｔ以上となるものを使用している。この値は実験的に求めたものであり、図７に、冷媒にプロパン（Ｒ２９０）を使用し、冷凍機油３６に鉱物油を使用した場合における摩耗量と純粋な冷凍機油の粘度グレード（動粘度）との相関を示す。図７に示すように、低圧型圧縮機の場合、１５ｃＳｔ以上の粘度グレードにおいては金属部材の接触運動面における摩耗量が従来の経験則における許容摩耗限界である２０μｍ以下となり、圧縮機の信頼性が向上する。
【００３４】
また、冷凍機油２５，３６は圧縮機２の内部における使用最高温度での粘度が動粘性係数で１ｃＳｔ以上となるように調質する。ここで、使用最高温度とは圧縮機２の内部に吐出する冷媒の吐出温度である。例えば、室内温度４０℃（湿度６０％）以上、室外温度４０℃の実験条件下では、使用最高温度が１２５℃となる。図８に、冷媒にプロパン（Ｒ２９０）を使用し、冷凍機油４に鉱物油を使用し、冷房過負荷条件として室内機周囲温度４０℃（湿度６０％）、室外機周囲温度（乾球）４０℃で一定時間連続運転した場合における摩耗量と純粋な冷凍機油の粘度グレード（動粘度）の相関を示す。図８において、１ｃＳｔ以上の粘度グレードにおいては金属部材の接触運動面における摩耗量が、使用最高温度下における従来の経験則における許容摩耗限界である３μｍ以下となり、圧縮機２の信頼性が向上する。
【００３５】
また、冷凍機油２５，３６は、冷媒の蒸発工程を担う熱交換器の使用最低蒸発温度での粘度が動粘性係数で２２００ｃＳｔ以下となるように調質する。図９に、冷媒にプロパン（Ｒ２９０）を使用し、冷凍機油２５，３６に鉱物油を使用し、最低蒸発温度−２３℃で運転した場合におけるオイル戻り時間と最低蒸発温度相当の動粘度の相関を示す。ここでオイル戻り時間は圧縮機２の吐出側おいて冷凍サイクル内に冷凍機油２５，３６を注入し、この冷凍機油２５，３６が圧縮機２内に返流され、その油面が一定の高さで安定する、すなわち油全量が回収されるまでの時間を計測したものである。図９において、２２００ｃＳｔ以下の粘度グレードにおいては、冷凍機油２５，３６が円滑に圧縮機２に戻ることにより、低温下においても圧縮機２における冷凍機油２５，３６の不足を防止できるとともに、熱交換器における冷媒の滞留に起因して伝熱効率が阻害されることを防止できる。
【００３６】
また、冷凍機油４は、装置停止時の装置周囲温度下で冷媒に相溶する状態における粘度が動粘性係数で４０ｃＳｔ以下となるように調質する。「寝込み」状態では、圧縮機内の温度も低温になり、冷凍機油４の粘度が上昇する。このため、圧縮機２の寝込み始動時の始動トルクが大きくなり、場合によっては過大なトルクが作用して運転できなくなるが、冷凍機油４の粘度を、装置停止時の装置周囲温度下で冷媒に相溶する状態において動粘性係数で４０ｃＳｔ以下に調質することにより、寝込み始動時においても、速やかに圧縮機の始動を行える。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、高圧型圧縮機を使用する冷凍サイクルにおいて、冷媒としてハイドロカーボン（ＨＣ）を主成分とする冷媒を用い、粘度が４０℃における動粘性係数で４６ｃＳｔ以上となる冷凍機油を使用することによって、金属部材の接触運動面における摩耗量を許容摩耗限界以下に抑制し、潤滑性を維持して圧縮機の信頼性の向上を図ることができる。
【００３８】
低圧型圧縮機においては、冷凍機油の粘度を４０℃における動粘性係数で１５ｃＳｔ以上とすることにより、圧縮機の信頼性の向上を図ることができる。
また、冷凍機油は、使用最高温度での粘度を動粘性係数で１ｃＳｔ以上となるように調質することにより、圧縮機の信頼性が向上する。
【００３９】
また、冷凍機油は、使用最低蒸発温度での冷凍機油の粘度が動粘性係数で２２００ｃＳｔ以下となるように調質することにより、熱交換器の伝熱面に付着する冷凍機油の油膜厚が過剰に肥大せず、熱交換を阻害することがなく、冷凍機油が円滑に圧縮機に戻ることにより、低温下においても圧縮機における冷凍機油の不足を防止できる。
【００４０】
また、冷凍機油は、装置停止時の装置周囲温度下で冷媒に相溶する状態において粘度を動粘性係数で４０ｃＳｔ以下に調質することにより、寝込み始動時においても、速やかに圧縮機の始動を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における冷凍サイクルを示す概念図である。
【図２】同実施形態における高圧型圧縮機の構成を示す断面図である。
【図３】同実施形態における低圧型圧縮機の構成を示す断面図である。
【図４】同実施形態における冷凍機油の溶解度と圧力の相関図である。
【図５】同実施形態における冷凍機油の温度と粘度の相関図である。
【図６】同実施形態における動粘度と摩耗量の相関図である。
【図７】同実施形態における動粘度と摩耗量の相関図である。
【図８】同実施形態における動粘度と摩耗量の相関図である。
【図９】同実施形態における最低蒸発温度相当の動粘度とオイル戻り時間動粘度との相関図である。
【符号の説明】
１  冷凍サイクル装置
２  圧縮機
３  四方弁
４  室外熱交換器
５  減圧部
６  室内熱交換器
７  アキュームレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003654702.tif 000008
【図８】
0003654702.tif 000009
【図９】
0003654702.tif 000010