(57)【要約】ＣＯ２を冷媒として用いるとともに高圧側の圧力が冷媒の臨界点を超える超臨界冷凍サイクルにおいて、当該超臨界冷凍サイクルは、冷媒とともに潤滑オイルの一部を循環するものであり、潤滑オイルとしては、エポキシ系酸補足剤、又は、高圧側において熱分解されてその分解成分が化学反応をして冷媒に対する溶解性の低い化合物を生成する添加剤、を含まないものを採用することにより、冷媒が減圧される部位における析出物の発生を未然に防止するようにした構成の超臨界冷凍サイクルである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＯ２を冷媒として用いるとともに高圧側の圧力が前記冷媒の臨界点を超える超臨界冷凍サイクルにおいて、
当該超臨界冷凍サイクルは、前記冷媒とともに潤滑オイルの一部を循環するものであり、
前記潤滑オイルとしては、エポキシ系酸補足剤を含まないものを採用することにより、前記冷媒が減圧される部位における析出物の発生を未然に防止するようにしたことを特徴とする超臨界冷凍サイクル。
【請求項２】
ＣＯ２を冷媒として用いるとともに高圧側の圧力が前記冷媒の臨界点を超える超臨界冷凍サイクルにおいて、
当該超臨界冷凍サイクルは、前記冷媒とともに潤滑オイルの一部を循環するものであり、
前記潤滑オイルとしては、前記高圧側において熱分解されてその分解成分が化学反応をして前記冷媒に対する溶解性の低い化合物を生成する添加剤、を含まないものを採用することにより、前記冷媒が減圧される部位における析出物の発生を未然に防止するようにしたことを特徴とする超臨界冷凍サイクル。
【請求項３】
前記潤滑オイルは、ポリアルキレングリコールを主成分とすることを特徴とする請求項１又は２記載の超臨界冷凍サイクル。
【請求項４】
前記潤滑オイルは、ポリアルファーオレフィンを主成分とすることを特徴とする請求項１又は２記載の超臨界冷凍サイクル。
【請求項５】
前記潤滑オイルは、ポリビニールエーテルを主成分とすることを特徴とする請求項１又は２記載の超臨界冷凍サイクル。
【請求項６】
前記潤滑オイルは、ポリオールエステルを主成分とすることを特徴とする請求項１又は２記載の超臨界冷凍サイクル。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、ＣＯ２を冷媒として用いるとともに高圧側の圧力が冷媒の臨界点を超える超臨界冷凍サイクルに関する。
背景技術
冷凍サイクルの冷媒としては、これまで代替フロンを含めフロン系の冷媒が広く採用されてきた。ところが、近年では地球環境に配慮して、これをＣＯ２に変更する傾向にある。
ＣＯ２を冷媒とする冷凍サイクルは、フロン系の冷媒を用いた冷凍サイクルと比較すると、内部の圧力が極めて高く、とりわけ高圧側の圧力は、気温等の使用条件によって、冷媒の臨界点を超えることがある。
臨界点とは、気層と液層が共存する状態の高圧側の限界（つまり高温側の限界）であり、蒸気圧曲線の一方での終点である。臨界点での圧力、温度、密度は、それぞれ臨界圧力、臨界温度、臨界密度となる。特に、冷凍サイクルの放熱器においては、圧力が冷媒の臨界点を上まわると、冷媒が凝縮することはない。
ところで、冷凍サイクルは、冷媒とともに潤滑オイルの一部を循環するのが一般的であり、冷媒と潤滑オイルとの相溶性等が極めて重要な問題とされる。
フロン系の冷媒に対応した潤滑オイルについては、例えば特開平３−１４８９４号公報、特開平３−１８５０９３号公報、特開平５−９８２７５号公報、特開平５−５９３８６号公報、特開平５−２９５３８４号公報、特開平８−３３７７８６号公報、特開平１１−３１０７７５号公報等にも記載されているように、これまでに各種のものが提案されてきた。そして近年では、例えば特開平１０−４６１６８号公報、特開平１０−４６１６９号公報、特開平２０００−１６９８６８号公報、特開平２００１−１１４８０号公報等にも記載されているように、ＣＯ２冷媒に対応した潤滑オイルも多数提案されている。
また、これらの公報からも解かるように、ＣＯ２冷媒に対応した潤滑オイルは、基本的には従来の潤滑オイルと共通する点も多く、その製造については、既存のプラントや技術が応用されている。
つまり、冷媒の変更に伴い従来の潤滑オイルに適宜改良を加えることにより、これを満足に利用することが可能である。或いは、ＣＯ２冷媒を用いる冷凍サイクルであっても、所定の条件を満たす従来の潤滑オイルを選択すれば、これを満足に利用することも可能である。この点については、主成分が全く異なるような新規の潤滑オイルを開発製造する場合と比較すると、所要のコストを確実に低廉化することができる。
さて、本願の発明者は、こうした事情を踏まえつつ、ポリアルキレングリコールを主成分とする既存の潤滑オイルを用いて、ＣＯ２冷媒を用いた超臨界冷凍サイクルの作動実験を行った。その結果、冷媒が減圧される部位（具体的には膨張弁、並びに多少の減圧が生じるコンプレッサのコントロールバルブとその近傍のオリフィス等。）には、何らかの析出物が発生していることが確認された。こうした析出物は、冷媒及び潤滑オイルの循環に悪影響を及ぼすので、実用化にむけては、これを解消する必要がある。
析出物の発生原因としては、潤滑オイルに含まれる酸化防止剤、油性剤、極圧剤、消泡剤、酸捕捉剤等の添加剤のいずれかが深く関与するものと考えられる。しかし、特に超臨界状態において、各添加剤がどのように作用するかは、概ね解明されていないのが現状である。
しかして、超臨界冷凍サイクルの製造者にとっては、このような析出物の有無に関わる潤滑オイルの見極めが非常に重要な課題となっている。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、潤滑オイルに起因する析出物の発生を可及的に回避し得る超臨界冷凍サイクルを提供することである。
発明の開示
本発明は、ＣＯ２を冷媒として用いるとともに高圧側の圧力が前記冷媒の臨界点を超える超臨界冷凍サイクルにおいて、当該超臨界冷凍サイクルは、前記冷媒とともに潤滑オイルの一部を循環するものであり、前記潤滑オイルとしては、「エポキシ系酸補足剤」、又は、「前記高圧側において熱分解されてその分解成分が化学反応をして、前記冷媒に対する溶解性の低い化合物を生成する添加剤」、を含まないものを採用することにより、前記冷媒が減圧される部位における析出物の発生を未然に防止するようにした構成の超臨界冷凍サイクルである。
このような構成によると、潤滑オイルに起因する析出物の発生を可及的に回避することが可能である。以下に、本発明に至る過程を説明する。
既存の潤滑オイルを用いた超臨界冷凍サイクルの作動実験によれば、冷媒が減圧される部位には、何らかの析出物が発生した。ついては、この析出物にクロロホルムを加え、その不溶分を熱分解ガスクロマトグラフ／質量分析（熱分解ＧＣ／ＭＳ解析）したところ、クレゾール、ベンゼン、トルエン、フェノール、安息香酸等の芳香族化合物が検出された。
従って、超臨界冷凍サイクの高圧側においては、潤滑オイルの添加剤が熱分解することにより、冷媒中に芳香族成分（芳香族化合物の成分）が生成されたと考えられる。つまり、高圧側において生成した添加剤の分解成分たる芳香族成分が、冷媒の減圧とともに何らかの化学反応を起して析出し、かかる部位に付着した可能性が高いと思われる。
潤滑オイルが含む添加剤について検討したところ、複数の添加剤のうちの一つは、エポキシ系の酸捕捉剤であり、これを熱分解ＧＣ／ＭＳ解析した結果、芳香族成分を生成することが判明した。超臨界サイクルにおいては、この酸捕捉剤が高温高圧雰囲気下で熱分解をしていると考えられる。
そこで、エポキシ系の酸捕捉剤を除いた潤滑オイルを用いて同様の作動実験を行ったところ、析出物はほぼ完全に解消された。
尚、ここで実際に用いた潤滑オイルは、フェノール系の酸化防止剤が添加されたものである。このフェノール系酸化防止剤は、芳香族化合物からなるものの、冷媒に対する溶解性は満足に確保されおり、同実験においては、これが析出物の発生原因になることなかなった。
すなわち、エポキシ系酸補足剤は、「高圧側において熱分解されてその分解成分が化学反応をして、冷媒に対する溶解性の低い化合物を生成する添加剤」であり、超臨界冷凍サイクルにおいては、これが析出物を発生する原因となる。
従って、本発明は、このような添加剤を含まない潤滑オイルを採用することにより、析出物の発生を回避し、冷媒及び潤滑オイルの循環を良好に確保する構成となっている。
また、ＣＯ２冷媒を用いた超臨界冷凍サイクルの潤滑オイルとしては、ポリアルキレングリコール、ポリアルファーオレフィン、及びポリビニールエーテルのいずれかを主成分とするものを好適に利用することが可能である。とりわけ従来の冷凍サイクルには、この種の潤滑オイルが広く採用されており、その製造については、既存のプラントや技術を応用することが可能である。従って、このような潤滑オイルを採用すれば、コスト面において有利となる利点がある。
発明を実施するための最良の形態
以下に、本発明の具体例を説明する。図１に示すように、本例の超臨界冷凍サイクル１は、自動車に搭載される車内空調用の冷凍サイクルであり、冷媒を圧縮するコンプレッサ２と、コンプレッサ２で圧縮された冷媒を冷却する放熱器３と、放熱器３で冷却された冷媒を減圧して膨張する膨張弁４と、膨張弁４で減圧された冷媒を蒸発するエバポレータ５と、エバポレータ５から流出する冷媒を気層と液層に分離して気層の冷媒をコンプレッサ２へ送るアキュムレータ６と、高圧側の冷媒と低圧側の冷媒とを熱交換することによってサイクルの効率を向上する内部熱交換器７とを備えたものである。
コンプレッサ２は、冷媒の吐出量を制御するコントロールバルブ２１を備えている。冷媒としてはＣＯ２を用いており、当該超臨界冷凍サイクル１の高圧側の圧力は、気温等の使用条件により、冷媒の臨界点を上まわる。冷媒の圧力は、膨張弁４において減圧される。また、コントロールバルブ２１においても、ある程度の減圧現象が発生する。
尚、図中の白矢印は、冷媒の循環方向を示す。また、コンプレッサ２の駆動を円滑化する潤滑オイルの一部は、冷媒とともに循環される。
本例の潤滑オイルは、主成分となるポリアルキレングリコールに所要の添加剤を添加してなるものである。但し、エポキシ系酸捕捉剤のように、「高圧側において熱分解されてその分解成分が化学反応をして、冷媒に対する溶解性の低い化合物を生成する添加剤」は含まれていない。
尚、酸捕捉剤は、内系の酸性物質と反応して全酸化の上昇を抑えるものであり、これを必要とする場合は、エポキシ系以外の酸捕捉剤であって、冷媒に対する溶解性の低い化合物が生成され得ないものを添加する。
このような構成によると、冷媒が減圧される部位における析出物の発生が未然に防止される。すなわち、本例で採用した潤滑オイルによれば、膨張弁４に析出物が付着することはなかった。また、コントロールバルブ２１に析出物が付着することもなかった。更に、コントロールバルブ２１の近傍には、コンプレッサ２のクランク室に潤滑オイルを戻すオリフィスが設けられており、これに析出物が付着することもなかった。
尚、潤滑オイルとしては、ポリアルキレングリコールを主成分とするもののほかに、ポリアルキレングリコール、ポリアルファーオレフィン、及びポリビニールエーテルのいずれかを主成分とするものを採用することが可能である。その場合も、「高圧側において熱分解されてその分解成分が化学反応をして、冷媒に対する溶解性の低い化合物を生成する添加剤」は含まないものとする。
以上のように、本例の超臨界冷凍サイクルは、潤滑オイルの条件を特定して析出物の発生を可及的に回避することにより、冷媒及び潤滑オイルの循環を良好に確保するという顕著な効果を達成したものである。このような超臨界冷凍サイクルは、自動車に搭載される車内空調用の冷凍サイクルとして、極めて好適に利用することができる。勿論、本例の構成は、室内エアコンや冷蔵庫等、その他各種の冷凍サイクルに応用することも可能である。
産業上の利用可能性
本発明は、ＣＯ２を冷媒として用いて、高圧側の圧力がこの冷媒の臨界点を超える超臨界冷凍サイクルであって、潤滑オイルに起因する析出物の発生を可及的に回避することができるので、例えば、室内エアコンや冷蔵庫、とりわけ自動車に搭載される冷凍サイクルに適している。
【図面の簡単な説明】
図１  本発明の具体例に係り、超臨界冷凍サイクルを示す概要図である。
【図１】
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【国際調査報告】
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