(57)【要約】  冷凍装置は、冷媒、潤滑油及びオイルキャリアの混合物が循環する冷媒回路を構成する圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器を備え、前記オイルキャリアは、分子構造中に、炭素二重結合と、前記炭素二重結合を構成する一方の炭素原子に結合されている塩素原子とを含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒、潤滑油及びオイルキャリアの混合物が循環する冷媒回路を構成する圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器を備え、
前記オイルキャリアは、分子構造中に、炭素二重結合と、前記炭素二重結合を構成する一方の炭素原子に結合されている塩素原子とを含む、
冷凍装置。
【請求項２】
前記分子構造の炭素数は３である、
請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記冷媒の沸点は、０℃以下である、
請求項１又は２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記冷媒の沸点は、−４０℃以下である、
請求項３に記載の冷凍装置。
【請求項５】
前記冷媒の沸点は、−８０℃以下である、
請求項４に記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器等から構成される冷媒回路を備える冷凍装置が用いられている。この冷媒回路中を、目的の温度に応じて選択された冷媒と、主に圧縮機の摺動部における潤滑に用いられる潤滑油との混合物が循環する。【０００３】
冷媒と潤滑油の組み合わせよっては互いの相溶性が十分ではない場合がある。この場合、冷媒は潤滑油を運搬する能力に欠ける。よって、冷媒回路中を循環する混合物には、冷媒及び潤滑油に加えて、オイルキャリアも含まれる。オイルキャリアとして、例えばペンタン又はプロパン等が用いられている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１５８４７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ペンタン及びプロパンは、地球温暖化係数が小さい、可燃性の物質である。これらの混合率を適切なものとすることにより、混合物の燃焼性を十分に小さくすることができる。一方、燃焼性がより小さい混合物に対するニーズも存在する。【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みなされたものであり、燃焼性がより小さい混合物を循環させる冷凍装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る冷凍装置は、冷媒、潤滑油及びオイルキャリアの混合物が循環する冷媒回路を構成する圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器を備え、前記オイルキャリアは、分子構造中に、炭素二重結合と、前記炭素二重結合を構成する一方の炭素原子に結合されている塩素原子とを含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃焼性がより小さい混合物を循環させる冷凍装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路。
【図２】冷却後の潤滑油とオイルキャリアの相溶性を示す写真。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は一例であり、本発明はこの実施形態により限定されるものではない。
【００１１】
図１は、本発明に係る冷凍装置が備える冷媒回路の一例を示している。冷媒回路１は、例えば、収納庫の内部温度が−８０℃以下となる超低温フリーザのような冷凍装置に備え付けられている。
【００１２】
冷媒回路１は、互いに独立して冷媒が循環する高温側冷媒回路１０及び低温側冷媒回路２０を有する二元冷凍回路である。
【００１３】
高温側冷媒回路１０は、高温側圧縮機１１と、高温側凝縮器１２と、高温側減圧器１３及び高温側蒸発器１４とを備える。
【００１４】
高温側蒸発器１４は、後に説明するカスケードコンデンサ３０の内管である。
【００１５】
高温側圧縮機１１から吐出された冷媒等からなる混合物が再び高温側圧縮機１１に戻るように上記各機器が所定の配管（高温側配管）で接続されている。混合物は、図１中の矢印の方向に循環する。
【００１６】
高温側冷媒回路１０内を循環する混合物は、蒸発温度が−４０℃以下の冷媒と、鉱物油等の潤滑油と、オイルキャリアとからなる。冷媒としては、沸点が−４０℃以下の冷媒、例えば、Ｒ２９０、Ｒ２２又はＲ４０４Ａが用いられる。オイルキャリアについては、後に詳細に説明する。
【００１７】
低温側冷媒回路２０は、低温側圧縮機２１と、第１熱交換器２２と、第２熱交換器２３と、低温側減圧器２４及び低温側蒸発器２５とを備える。
【００１８】
第１熱交換器２２は、その内部を通過する冷媒を気相のまま冷却する。なお、第１熱交換器２２は、その内部を通過する冷媒を凝縮させる凝縮器であってもよい。
【００１９】
第２熱交換器２３は、カスケードコンデンサ３０の外管である。すなわち、外管である第２熱交換器２３が、内管である高温側蒸発器１４を取り囲んでおり、高温側蒸発器１４内を通過する低温の混合物と、第２熱交換器２３内を通過する高温の混合物とが熱交換する。このとき、第２熱交換器２３内を通過する高温の混合物は、凝縮する。なお、第１熱交換器２２が凝縮器である場合、第２熱交換器２３は、その内部を通過する液相の混合物を冷却する。
【００２０】
低温側圧縮機２１から吐出された冷媒等からなる混合物が再び低温側圧縮機２１に戻るように上記各機器が所定の配管（低温側配管）で接続されている。混合物は、図１中の矢印の方向に循環する。
【００２１】
低温側冷媒回路２０内を循環する混合物は、蒸発温度が−８０以下の冷媒と、鉱物油等の潤滑油と、オイルキャリアとからなる。冷媒としては、沸点が−８０℃以下の冷媒、例えば、Ｒ１７０又はＲ５０８Ｂが用いられる。オイルキャリアについては、後に詳細に説明する。
【００２２】
高温側冷媒回路１０及び低温側冷媒回路２０は、それぞれ、例えばオイルセパレータのような、図示されていない補機を有していても良い。
【００２３】
以下、高温側冷媒回路１０内を循環する混合物及び低温側冷媒回路２０内を循環する混合物を、それぞれ、高温側混合物及び低温側混合物と記載する。また、高温側混合物に含まれる冷媒及び低温側混合物に含まれる冷媒を、それぞれ、高温側冷媒及び低温側冷媒と記載する。
【００２４】
高温側冷媒回路１０において、高温側冷媒は次のように温度変化しながら循環する。
【００２５】
まず、ガス状の高温側冷媒は、高温側圧縮機１１に吸い込まれ、圧縮される。このとき、高温側冷媒の温度は上昇する。高温側圧縮機１１から吐出された高温側冷媒は、高温側凝縮器１２で冷却され、凝縮する。
【００２６】
続いて、高温側冷媒は、高温側減圧器１３に流入し、断熱膨張する。このとき、高温側冷媒の温度は低下し、気化する。続いて、高温側冷媒は、高温側蒸発器１４に流入し、第２熱交換器２３内の低温側冷媒と熱交換する。よって、高温側冷媒は加熱され、気化する。
【００２７】
高温側蒸発器１４を通過した高温側冷媒は、再び高温側圧縮機１１に吸い込まれ、圧縮される。
【００２８】
また、低温側冷媒回路２０において、低温側冷媒は次のように温度変化しながら循環する。
【００２９】
まず、ガス状の低温側冷媒は、低温側圧縮機２１に吸い込まれ、圧縮される。このとき、低温側冷媒の温度は上昇する。低温側圧縮機２１から吐出された低温側冷媒は、第１熱交換器２２及び第２熱交換器２３で冷却される。この冷却過程において、低温側冷媒は凝縮する。
【００３０】
続いて、低温側冷媒は、低温側減圧器２４に流入し、断熱膨張する。このとき、低温側冷媒の温度は低下し、気化する。続いて、低温側冷媒は、低温側蒸発器２５に流入し、低温側蒸発器２５の周囲と熱交換する。よって、低温側冷媒は加熱され、気化する。このとき、低温側蒸発器２５の周囲が冷却されるので、冷媒回路１を備える冷凍装置は、庫内等の冷却対象部を冷却することができる。
【００３１】
低温側蒸発器２５を通過した低温側冷媒は、再び低温側圧縮機２１に吸い込まれ、圧縮される。
【００３２】
以上のような冷媒回路１中を循環する混合物に含まれるオイルキャリアとして、どのような物質を用いることができるか、本発明者は試行錯誤を繰り返した。その結果、意外なことに、分子構造中に、炭素二重結合と、この炭素二重結合を構成する一方の炭素原子に結合されている塩素原子とを含む物質が、オイルキャリアとして好適に用いることができることを見出した。
【００３３】
このような物質は、潤滑油との相溶性が良く、しかも、不燃性であるため、オイルキャリアとして好適に用いることができる。
【００３４】
このような物質としては、例えば、１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペン、又は、（Ｚ）−１−クロロ−２，３，３，３−テトラフルオロプロペン等が挙げられる。また、１，２−ジクロロエチレンと（Ｚ）−１，１，１，４，４，４−ヘキサフルオロ−２−ブテンの混合物であってもよい。これらの物質は、地球温暖化係数が低いという利点も有している。
【００３５】
（実験１）
続いて、冷媒回路１を備える超低温フリーザを用いて行われた実験１について説明する。実験１では、以下に説明する高温側混合物及び低温側混合物を用いて、低温側蒸発器２５の出入口における低温側混合物の各温度、及び、収納庫内の温度を測定した。
【００３６】
実験１に用いられた高温側混合物は、高温側冷媒としてＲ４０４Ａを含む。
【００３７】
実験１では、低温側混合物として８種類のものを用いた。これら低温側混合物１〜８は、いずれも、低温側冷媒としてのＲ５０８Ｂ、及び、潤滑油を含んでいる。
【００３８】
また、低温側混合物１は、対照であり、オイルキャリアとして、ｎ−ペンタンを含んでいる。なお、ｎ−ペンタンは、従来、オイルキャリアとして広く用いられている物質である。
【００３９】
低温側混合物２〜８は、それぞれ、オイルキャリアとして、１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンを含んでいる。
【００４０】
低温側混合物１〜８が含むオイルキャリアの混合比（＝オイルキャリア重量／（オイルキャリア重量＋冷媒重量））、及び、実験結果を表１に示す。なお、実験時における超低温フリーザ周囲の気温は、３０℃であった。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
表１中、庫内温度の欄は、低温側混合物１（対照）を用いた場合との差である。
【００４３】
対照と比較して庫内温度が等しいかより低い混合物は、特に優れている。このような混合物の評価欄には「優」と記載してある。対照と比較すると庫内温度が高いものの、低温側蒸発器２５出口温度が−８５℃以下であり、庫内を十分に冷却することができた混合物は、優れている。このような混合物の評価欄には「良」と記載してある。低温側蒸発器２５出口温度が−８５℃よりも高いものの、庫内温度を−８５℃よりも低くすることができた混合物は、十分な冷却性能を有している。このような混合物の評価欄には「可」と記載してある。なお、庫内温度を−８５℃よりも低くすることができなかった混合物があった場合、当該混合物の評価欄には「不可」と記載される。ただし、本実験で用いた混合物の中には、そのような混合物はなかった。
【００４４】
表１に示されるとおり、オイルキャリアとして１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンを用いれば、その混合比に関わらず、少なくとも混合比３０％以下の場合、ｎ−ペンタンを用いた場合と比較して遜色のない冷却性能が得られた。
【００４５】
（実験２）
続いて、１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンの潤滑油との相溶性を確認すべく、実験２を行った。実験２は、次のような手順で行われた。
【００４６】
まず、潤滑油の１つであるアルキルベンゼンのみ（対照）を入れたＰＥＴ材製容器と、アルキルベンゼンとｎ−ペンタンとを入れたＰＥＴ材製容器と、アルキルベンゼンと１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンとを入れたＰＥＴ材製容器を用意した。次に、これらのＰＥＴ材製容器を−９０℃以下で所定時間保存した。続いて、これらのＰＥＴ材製容器を室温環境下で天地を逆にした。天地を逆にしてから１分後に、これらのＰＥＴ材製容器の内部の様子を観察した。このときの写真を図２に示す。
【００４７】
図２中、左側のＰＥＴ材製容器が、対照が入っているＰＥＴ材製容器である。中央のＰＥＴ材製容器が、アルキルベンゼンとｎ−ペンタンとが入っているＰＥＴ材製容器である。右側のＰＥＴ材製容器が、アルキルベンゼンと１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンとが入っているＰＥＴ材製容器である。
【００４８】
図２に示されるとおり、アルキルベンゼン単独の場合、冷却によって流動性が著しく低下し、アルキルベンゼンがＰＥＴ材製容器の底に張り付いてしまっている。一方、アルキルベンゼンとｎ−ペンタンの混合物の場合、アルキルベンゼンは、ｎ−ペンタンの中に混ざり、天地を逆にしたＰＥＴ材製容器の内部で下方に流下している。アルキルベンゼンと１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンの混合物の場合も、アルキルベンゼンは、１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペン中に混ざり、天地を逆にしたＰＥＴ材製容器の内部で下方に流下している。
【００４９】
すなわち、実験２の結果から、１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンが、ｎ−ペンタンと比較して遜色のない潤滑油に対する相溶性を有していることが判明した。
【００５０】
以上の実験１及び実験２で用いられた１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンは、その分子構造中に、炭素二重結合と、この炭素二重結合を構成する一方の炭素原子に結合されている塩素原子とを含む。また、その分子構造中の炭素数は３である。１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンは、このような分子構造であるが故に、例えば、不燃性であり、且つ、オイルとの相溶性が良好であるという、オイルキャリアとしての優れた性質を有しているものと考えられる。
【００５１】
逆に言えば、その分子構造中に、炭素二重結合と、この炭素二重結合を構成する一方の炭素原子に結合されている塩素原子とを含む物質、特に、炭素数が３である物質は、オイルキャリアとしての優れた性質を有している。このような物質としては、１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンの他に、例えば、（Ｚ）−１−クロロ−２，３，３，３−テトラフルオロプロペンが挙げられる。
【００５２】
（実験３）
次に、冷媒回路１を備える超低温フリーザを用いて行われた他の実験である実験３について説明する。実験３では、高温側冷媒回路１０のみを作動させた。すなわち、実験３は、冷媒回路１を備える超低温フリーザを、単元冷媒回路を備える冷凍装置として作動させて行われた実験とも言えるものである。なお、実験時における超低温フリーザ周囲の気温は、５℃であった。
【００５３】
実験３では、高温側冷媒回路１０中を循環させる混合物を、徐々に変更させた。すなわち、実験開始当初は、冷媒としてのＲ４０４Ａと、潤滑油としてのアルキルベンゼンとからなる混合物を循環させた。以下、この条件で混合物の循環を開始してから２日後の状態を「状態１」とする。なお、状態１は、庫内温度が十分に冷えた状態である。また、この条件での混合物循環を開始してから約５日後の状態を「状態２」とする。
【００５４】
また、状態２となった後、混合物にオイルキャリアとしての１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンを添加し、さらに約１日混合物を循環させた後の状態を「状態３」とする。なお、状態３において、オイルキャリア重量と冷媒重量の合計に対するオイルキャリア重量の比（以下、「重量比」）は、１．４重量％である。また、「状態３」となった後、重量比が３．９重量％となるように、１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンを追加し、さらに約１日混合物を循環させた後の状態を「状態４」とする。
【００５５】
状態１〜状態４における、高温側蒸発器１４の入口及び出口、高温側圧縮機１１吸込口、並びに、フリーザ庫内の各温度を、表２に示す。なお、実験３では、状態１を基準状態（対照）とした。高温側圧縮機１１吸込口、及び、フリーザ庫内の各温度は、状態１からの変化量を示している。また、表２には、各状態におけるオイルキャリアの重量比も示す。
【００５６】
【表２】
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【００５７】
状態１と状態２を比べると明らかなように、オイルキャリアとしての１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンが混合物に混合されていない場合、時間の経過とともに冷凍装置の性能は悪化した。具体的には、高温側蒸発器１４の入口及び出口の各温度が上昇し、しかも、それらの温度差、すなわち、温度勾配が大きくなった。また、高温側圧縮機１１の入口温度が０℃未満となった。これは、高温側蒸発器１４での過熱度が適切な値に保つことができていないことを示している。さらに、庫内温度が上昇した。状態２は「不可」と評価される。
【００５８】
このような性能の悪化は、運転時間が長くなるにつれ、高温側圧縮機１１へ戻ってくる潤滑油の量が減少すること、つまり、混合物中にオイルキャリアが含まれていないことが原因であると考えられる。
【００５９】
一方、オイルキャリアとしての１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンが重量比で１．４ｗｔ％混合されている状態３では、状態２と比較して、各数値が改善した。具体的には、高温側蒸発器１４の入口及び出口の各温度が低下し、しかも、それらの温度差が小さくなった。さらに、庫内温度が低下し、状態１と比較しても低い値となった。すなわち、状態３では、冷凍装置の性能が回復した。状態３は「良」と評価される。
【００６０】
また、オイルキャリアとしての１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンが重量比で３．９ｗｔ％混合されている状態４では、状態３と比較して、各数値がさらに改善した。具体的には、高温側蒸発器１４の入口及び出口の各温度がさらに低下し、しかも、それらの温度差がさらに小さくなった。また、高温側圧縮機１１の入口温度が０℃以上となった。これは、高温側蒸発器１４での過熱度が適切な値に回復したことを示している。しかも、庫内温度がさらに低下し、状態３と比較しても低い値となった。すなわち、状態４では、冷凍装置の性能がさらに回復した。状態４は「優」と評価される。
【００６１】
状態３及び状態４での性能の回復の理由は、オイルキャリアとしての１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンの混合物への添加量が増えるにつれ、高温側圧縮機１１へ戻ってくる潤滑油の量が増加することであると考えられる。
【００６２】
実験３から、１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンを、冷媒と潤滑油の混合物に混合することにより、オイル戻りが良くなり、冷凍装置の性能が向上することが確認できた。
【００６３】
なお、オイルキャリアのオイル運搬性能は、オイルキャリアが気相である場合よりも液相である場合の方が高い。また、高温側圧縮機１１吸込口における混合物の温度は、蒸発器における過熱度にも依存するものの、外気温により依存する。よって、高温側圧縮機１１吸込口においてオイルキャリアが液相で存在できるので、オイルキャリアの沸点は、外気温よりも高い方が有利である。すなわち、分子構造中に、炭素二重結合と、炭素二重結合を構成する一方の炭素原子に結合されている塩素原子とを含み、例えば５℃という外気温と同等またはそれよりも高い沸点を有する物質が、オイルキャリアとして有利である。
【００６４】
また、本発明が、先に説明された実施形態には限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形や応用が可能であることは言うまでもない。
【００６５】
例えば、本発明に係る冷凍装置は、超低温フリーザには限られず、バイオメディカルフリーザ、ショーケース、冷凍冷蔵倉庫、保冷車又は製氷機等の冷凍装置であってもよい。また、得られる冷却温度は、例えば、沸点が０℃以下、−４０℃以下、又は、−８０℃以下である冷媒を選択することにより、０℃以下、−４０℃以下、又は、−８０℃以下とすることができる。さらに、得られる冷却温度は、−８０℃以下のうち、−１５０℃以下という極低温であってもよい。
【００６６】
また、本発明に係る冷凍装置が備える冷媒回路は、図１に示される冷媒回路１には限られず、例えば、高温側冷媒回路１０のみを備えていても良い。この場合、高温側蒸発器１４は、カスケードコンデンサ３０を構成することなく、収納庫等を冷却する。
【００６７】
２０１８年２月２０日出願の特願２０１８−０２８２４３の日本出願に含まれる明細書、特許請求の範囲、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、冷凍装置として好適に利用される。
【符号の説明】
【００６９】
１  冷媒回路
１０  高温側冷媒回路
１１  高温側圧縮機
１２  高温側凝縮器
１３  高温側減圧器
１４  高温側蒸発器
２０  低温側冷媒回路
２１  低温側圧縮機
２２  第１熱交換器
２３  第２熱交換器
２４  低温側減圧器
２５  低温側蒸発器
３０  カスケードコンデンサ
【図１】
2019163663.tif 000005
【図２】
2019163663.tif 000006
【国際調査報告】
2019163663.tif 000007
2019163663.tif 000008
2019163663.tif 000009
2019163663.tif 000010