(57)【要約】【課題】二酸化炭素冷媒が充填される冷媒回路を備える冷凍装置において、膨張機構の閉塞を抑制することができる冷凍装置の提供。【解決手段】空気調和装置１は、圧縮機１１と、室内熱交換器３１と、室外熱交換器１３と、第１キャピラリ１５と、第２キャピラリ１７とが接続されている冷媒回路２を備えている。また、冷媒回路２には二酸化炭素冷媒が充填されている。そして、主に圧縮機１１には潤滑油が充填されている。さらに、親油基を含む分散剤が潤滑油に混入されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（１１）と、利用側熱交換器（３１）と、熱源側熱交換器（１３）と、膨張機構（１５，１７）とが接続されている冷媒回路（２）と、
前記冷媒回路（２）に充填される二酸化炭素冷媒と、
主に前記圧縮機（１１）に充填される潤滑油と、
前記潤滑油に混入され、親油基を含む分散剤と、
を備える冷凍装置（１）。
【請求項２】
前記分散剤は、コハク酸イミド系、フェノール系、エステル系およびポリイソブチレン／ポリエーテルアミン系よりなる群から選択される少なくとも１つの分散剤である、
請求項１に記載の冷凍装置（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膨張機構の閉塞を抑制することができる冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ハイドロフルオロカーボン系冷媒が用いられる空気調和装置において、ハイドロフルオロカーボン系冷媒使用時に発生する物質によるキャピラリならびに膨張弁の閉塞を防止する試みがなされている。例えば、特許文献１に開示される空気調和装置では、圧縮機の潤滑油であるポリビニルエーテルに、ポリアルキレングリコールが添加されている。ポリアルキレングリコールは、ハイドロフルオロカーボン系冷媒と相溶性を有するとともにハイドロフルオロカーボン系冷媒使用時に発生するキャピラリ閉塞の原因となる物質との相溶性をも有している。これによって、キャピラリや膨張弁の閉塞を抑制している。
【０００３】
また、ＨＦＣ系冷媒が用いられる空気調和装置において、圧縮機の潤滑油としてエステル系合成油が用いられる場合がある。エステル系合成油は、加水分解反応により生成されるカルボン酸がキャピラリや膨張弁の閉塞の原因となる。そこで、特許文献２に開示される空気調和装置では、エステル系合成油に、エステル系合成油よりも優先的に加水分解反応を起こすモノカーボネート化合物が添加されている。このため、カルボン酸の生成が抑制され、キャピラリや膨張弁の閉塞を抑制している。
【０００４】
さらに、特許文献３で開示される空気調和装置では、ハイドロフルオロカーボン系冷媒のかわりに二酸化炭素冷媒が用いられており、圧縮機の潤滑油に水分捕捉剤としてエポキシ化合物が添加されている。このため、エポキシ化合物が冷媒回路中の水分と水和反応することでアルコールに転化され、冷媒中に存在する水分が除去されることで冷媒回路における各種機器の故障を防止している。また、水分捕捉剤であるエポキシ化合物の反応生成物はアルコールであるため、キャピラリや膨張弁の閉塞を抑制している。
【特許文献１】特開平１０−１７３３２３号公報
【特許文献２】特開２０００−２９０６７４号公報
【特許文献３】特開２００２−７１２３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
冷凍装置の冷媒として二酸化炭素冷媒が用いられる場合、冷媒は圧縮機において超臨界状態となる。このとき、冷媒によって、圧縮機内のモータの絶縁材料中に含有されるワニス等の樹脂成分からオリゴマー成分が溶出され、このオリゴマー成分がキャピラリ及び膨張弁を閉塞させるおそれがある。
【０００６】
このような問題に対し、特許文献１及び特許文献２に開示される添加剤を利用することが考えられるが、冷媒として二酸化炭素冷媒が用いられる場合、キャピラリ及び膨張弁の閉塞を抑制できないおそれがある。
【０００７】
また、特許文献３には、二酸化炭素冷媒が用いられる空気調和装置における発明が記載されている。しかしながら、この発明は冷媒回路内の水分除去を目的とした発明であり、このような物質を添加しても、絶縁材料の樹脂成分から溶出されるオリゴマー成分によるキャピラリ及び膨張弁の閉塞を抑制できないおそれがある。
【０００８】
本発明の課題は、二酸化炭素冷媒が充填される冷媒回路を備える冷凍装置において、膨張機構の閉塞を抑制することができる冷凍装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１発明に係る冷凍装置は、圧縮機と、利用側熱交換器と、熱源側熱交換器と、膨張機構とが接続されている冷媒回路を備えている。また、冷媒回路には二酸化炭素冷媒が充填されている。そして、主に圧縮機には潤滑油が充填されている。さらに、親油基を含む分散剤が潤滑油に混入されている。
【００１０】
二酸化炭素冷媒を用いる冷凍装置では、超臨界状態となる二酸化炭素冷媒によって、圧縮機内のモータの絶縁材料に含有されている樹脂成分のオリゴマー成分が溶出する場合がある。この樹脂成分のオリゴマー成分は、オリゴマー成分同士で凝集し、冷凍装置が備えている膨張機構に堆積する。このため、膨張機構が閉塞するおそれがある。
【００１１】
そこで、第１発明に係る冷凍装置では、冷媒回路に接続されている圧縮機には分散剤が混入されている潤滑油が充填されている。このため、樹脂成分のオリゴマー成分が有する極性基と分散剤の極性基とが静電的な結合をすることによって、オリゴマー成分同士が凝集する可能性を減らすことができる。
【００１２】
これによって、キャピラリ及び膨張弁の閉塞を抑制することができる。
【００１３】
第２発明に係る冷凍装置は、第１発明の冷凍装置であって、分散剤は、コハク酸イミド系、フェノール系、エステル系及びポリイソブチレン／ポリエーテルアミン系よりなる群から選択される少なくとも１つの分散剤である。
【００１４】
第２発明に係る冷凍装置では、分散剤は、コハク酸イミド系、フェノール系、エステル系及びポリイソブチレン／ポリエーテルアミン系からなる群から選択される少なくとも１つの分散剤であり、親油基であるポリイソブチレンを有している。ポリイソブチレンは、高温時及び低温時に関わらず潤滑油への溶解度が安定しているという性質を持っている。このため、コハク酸イミド系、フェノール系、エステル系及びポリイソブチレン／ポリエーテルアミン系が分散剤に適している。
【００１５】
これによって、さらにオリゴマー成分同士が凝集する可能性を減らすことができる。
【発明の効果】
【００１６】
第１発明に係る冷凍装置では、キャピラリ及び膨張弁の閉塞を抑制することができる。
【００１７】
第２発明に係る冷凍装置では、さらにオリゴマー成分同士が凝集する可能性を減らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
〈空気調和装置の構成〉
本発明の実施形態に係る空気調和装置１の概略冷媒回路２を図１に示す。
【００１９】
この空気調和装置１は、冷房運転及び暖房運転が可能な空気調和装置であって、主に、冷媒回路２及び送風ファン２６，３２等から構成されている。なお、この冷媒回路には、二酸化炭素冷媒が充填されている。
【００２０】
冷媒回路２には、主に、圧縮機１１、四路切換弁１２、室外熱交換器１３、内部熱交換器１４、第１キャピラリ１５、受液器１６、第２キャピラリ１７及び室内熱交換器３１が配備されており、各装置は、図１に示されるように、冷媒配管を介して接続されている。
【００２１】
そして、本実施形態において、空気調和装置は１、分離型の空気調和装置であって、室内熱交換器３１及び室内ファン３２を主に有する室内ユニット３０と、圧縮機１１、四路切換弁１２、室外熱交換器１３、内部熱交換器１４、第１キャピラリ１５、受液器１６及び第２キャピラリ１７を主に有する室外ユニット１０と、室内ユニット３０の冷媒液配管３３と室外ユニット１０の冷媒液配管２０とを接続する第１連絡配管４１と、室内ユニット３０の冷媒ガス配管３４と室外ユニット１０の冷媒ガス配管２１とを接続する第２連絡配管４２とから構成されている。なお、室外ユニット１０の冷媒液配管２０と第１連絡配管４１とは室外ユニット１０の第１閉鎖弁１８を介して、室外ユニット１０の冷媒ガス配管２１と第２連絡配管４２とは室外ユニット１０の第２閉鎖弁１９を介してそれぞれ接続されている。
【００２２】
（１）室内ユニット
室内ユニット３０は、主に、室内熱交換器３１及び室内ファン３２等を有している。
【００２３】
室内熱交換器３１は、空調室内の空気である室内空気と冷媒との間で熱交換をさせるため熱交換器である。
【００２４】
室内ファン３２は、室内ユニット３０内に空調室内の空気を取り込み、室内熱交換器３１を介して冷媒と熱交換した後の空気である調和空気を再び空調室内へ送り出すためのファンである。
【００２５】
そして、この室内ユニット３０は、このような構成を採用することによって、冷房運転時には室内ファン３２により内部に取り込んだ室内空気と室内熱交換器３１を流れる液冷媒とを熱交換させて調和空気（冷気）を生成し、暖房運転時には室内ファン３２により内部に取り込んだ室内空気と室内熱交換器３１を流れる超臨界状態の冷媒とを熱交換させて調和空気（暖気）を生成することが可能となっている。
【００２６】
（２）室外ユニット
室外ユニット１０は、主に、圧縮機１１、四路切換弁１２、室外熱交換器１３、内部熱交換器１４、第１キャピラリ１５、受液器１６、第２キャピラリ１７及び室外ファン２６等を有している。
【００２７】
圧縮機１１は、吸入管を流れる低圧のガス冷媒を吸入し、圧縮して超臨界状態とした後、吐出管に吐出するための装置である。なお、この圧縮機１１には、ポリビニルエーテル、ポリアルキレングリコール、ポリアルファオレフィン、ポリ（オキシエチレン）アルキルエーテル、ナフテン油、パラフィン油、カーボネート油及びアルキルベンゼン油よりなる群から選択される少なくとも１つの潤滑油が注入されている。
【００２８】
また、この潤滑油には、分散剤として親油基であるポリイソブチレン（ＰＩＢ）（下記化式１参照）を有している無灰系分散剤が添加されている。なお、この無灰系分散剤は、コハク酸イミド系（下記化式２参照）、フェノール系（下記化式３参照）、エステル系（下記化式４参照）、ポリイソブチレンアミン系（下記化式５参照）及びポリエーテルアミン系（下記化式６参照）に分類される。
【化１】
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【化２】
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【化３】
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【化４】
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【化５】
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【化６】
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【００２９】
無灰系分散剤の親油基であるポリイソブチレンの分子量は大きくなるほど分散性が向上することが知られている。しかし、本発明において、分散剤としてコハク酸イミド系分散剤を使用した場合、その分子量が５００未満では、十分な効果を得ることができないおそれがある。また、その分子量が１０００を超えるとキャピラリを閉塞させるおそれがあるため、コハク酸イミド系分散剤の重量平均分子量は５００〜１０００の範囲内であることが好ましい。
【００３０】
また、潤滑油に対する分散剤の添加量は０．０５ｗｔ％〜２ｗｔ％の範囲内であることが好ましい。この配合量が０．０５ｗｔ％未満では十分な効果を得られないおそれがある。また、配合量が２ｗｔ％を超えても、それ以上の効果を得ることができない可能性があり、不経済である。
【００３１】
四路切換弁１２は、各運転に対応して冷媒の流れ方向を切り換えるための弁であり、冷房運転時には圧縮機１１の吐出側と室外熱交換器１３のガス側とを接続するとともに圧縮機１１の吸入側と室内熱交換器３１のガス側とを内部熱交換器１４を介して接続し、暖房運転時には圧縮機１１の吐出側と第２閉鎖弁１９とを内部熱交換器１４を介して接続するとともに圧縮機１１の吸入側と室外熱交換器１３のガス側とを接続することが可能である。
【００３２】
室外熱交換器１３は、冷房運転時において圧縮機１１から吐出された高圧の超臨界状態の冷媒を空調室外の空気を熱源として冷却させることが可能であり、暖房運転時には、室内熱交換器３１から戻る液冷媒を蒸発させることが可能である。
【００３３】
内部熱交換器１４は、室外熱交換器１３の液側と第１キャピラリ１５とを接続する冷媒配管（以下、第１冷媒配管という）と、四路切換弁１２と圧縮機１１とを接続する冷媒配管（以下、第２冷媒配管という）とを近傍に配置することによって構成された熱交換器である。この内部熱交換器１４では、冷房運転時において第１冷媒配管に流れる高温高圧の超臨界状態の冷媒と第２冷媒配管を流れる低温低圧のガス冷媒との間で熱交換が行われる。
【００３４】
第１キャピラリ１５は、室外熱交換器１３の液側から流出する超臨界状態の冷媒（冷房運転時）あるいは受液器１６を通って流入する液冷媒（暖房運転時）を減圧するためのものである。
【００３５】
受液器１６は、運転モードや空調負荷に応じて余剰となる冷媒を貯蔵しておくためのものである。
【００３６】
第２キャピラリ１７は、受液器１６を通って流入してくる液冷媒（冷房運転時）あるいは室内熱交換器３１の液側から流出する超臨界状態の冷媒（暖房運転時）を減圧するためのものである。
【００３７】
室外ファン２６は、室外ユニット１０内に室外の空気を取り込み、室外熱交換器１３を介して冷媒と熱交換した後の空気を排出するためのファンである。
【００３８】
〈空気調和装置の動作〉
空気調和装置１の運転動作について、図１を用いて説明する。この空気調和装置１は、上述したように冷房運転及び暖房運転を行うことが可能である。
【００３９】
（１）冷房運転
冷房運転時は、四路切換弁１２が図１の実線で示される状態、即ち、圧縮機１１の吐出側が室外熱交換器１３のガス側に接続され、かつ、圧縮機１１の吸入側が内部熱交換器１４を介して第２閉鎖弁１９に接続された状態となる。また、このとき、第１閉鎖弁１８及び第２閉鎖弁１９は開状態となる。
【００４０】
この冷媒回路２の状態で、圧縮機１１が起動されると、ガス冷媒が、圧縮機１１に吸入されて圧縮されて超臨界状態となった後、四路切換弁１２を経由して室外熱交換器１３に送られ、室外熱交換器１３において冷却される。
【００４１】
そして、この冷却された超臨界状態の冷媒は、内部熱交換器１４を経由して第１キャピラリ１５に送られる。なお、このとき、この超臨界状態の冷媒は、内部熱交換器１４の第２冷媒配管に流れる低温のガス冷媒により冷却される。そして、第１キャピラリ１５に送られた超臨界状態の冷媒は、減圧されて飽和状態とされたあとに受容器１６を経由して第２キャピラリ１７に送られる。第２キャピラリ１７に送られた飽和状態の冷媒は、減圧されて液冷媒となった後に第１閉鎖弁１８を経由して室内熱交換器３１に供給され、室内空気を冷却するとともに、蒸発されてガス冷媒となる。
【００４２】
そして、そのガス冷媒は、第２閉鎖弁１９、内部熱交換器１４及び四路切換弁１２を経由して、再び、圧縮機１１に吸入される。なお、このとき、このガス冷媒は、内部熱交換器１４の第１冷媒配管に流れる高温の超臨界状態の冷媒により加熱される。このようにして、冷房運転が行われる。
【００４３】
（２）暖房運転
暖房運転時は、四路切換弁１２が図１の破線で示される状態、即ち、圧縮機１１の吐出側が第２閉鎖弁１９に接続され、かつ、圧縮機１１の吸入側が内部熱交換器１４を介して室外熱交換器１３のガス側に接続された状態となっている。また、このとき、第１閉鎖弁１８及び第２閉鎖弁１９は開状態とされる。
【００４４】
この冷媒回路２の状態で、圧縮機１１が起動されると、ガス冷媒が、圧縮機１１に吸入され圧縮されて超臨界状態となった後、四路切換弁１２及び第２閉鎖弁１９を経由して室内熱交換器３１に供給される。
【００４５】
そして、その超臨界状態の冷媒は、室内熱交換器３１において室内空気を加熱するとともに冷却される。冷却された超臨界状態の冷媒は、第１閉鎖弁１８を通って第２キャピラリ１７に送られる。第２キャピラリ１７に送られた超臨界状態の冷媒は、減圧されて飽和状態とされた後に受液器１６を経由して第１キャピラリ１５に送られる。第１キャピラリ１５に送られた飽和状態の冷媒は、減圧されて液冷媒となった後に内部熱交換器１４を経由して室外熱交換器１３に送られて、室外熱交換器１３において蒸発されてガス冷媒となる。なお、このとき、このガス冷媒は、内部熱交換器１４の第２冷媒配管に流れる高温の超臨界状態の冷媒により加熱される。そして、このガス冷媒は、四路切換弁１２を経由して、再び、圧縮機１１に吸入される。このようにして、暖房運転が行われる。
【００４６】
〈コハク酸イミド系分散剤の分子量〉
本発明において、コハク酸イミド系分散剤の分子量の特定は、ゲル・パーミエーション・クロマトグラフィ（ＧＰＣ）を用いた分子量分布測定によって行った。
【００４７】
ＧＰＣは示差屈折率検出器によって検出を行い、ＧＰＣによる測定には、カラムとしてＳｈｉｍ−ｐａｃｋ  ＧＰＣ−８０３（島津製作所製Ｓｈｉｍ−ｐａｃｋシリーズ）を、溶媒としてテトラヒドロフランを使用した。また、ＧＰＣの測定条件としては、溶媒流量を１．０ｍｌ／ｍｉｎ、カラム温度を４０℃、試料濃度を１０ｗｔ％〜２０ｗｔ％、試料注入量を５０〜３００μｌとした。
【実施例１】
【００４８】
本発明のつまり評価試験に使用する冷媒回路１０２を図２に示す。
【００４９】
冷媒回路１０２には、圧縮機１１１、凝縮器１１３及びキャピラリ１１５が配備されている。また、この冷媒回路１０２には、バイパス配管１２０が接続されている。
【００５０】
バイパス配管１２０は、一端が圧縮機１１１の吐出側と凝縮器１１３とを接続する冷媒配管（以下、第１冷媒配管という）に、他端がキャピラリ１１５と圧縮機１１１の吸入側とを接続する配管（以下、第２冷媒配管という）に配管接続されている。なお、以下、バイパス配管と第１冷媒配管との接合点を第１接合点ＢＣ１といい、バイパス配管と第２冷媒配管との接合点を第２接合点ＢＣ２という。そして、バイパス配管１２０には、電磁弁１００が配備されている。
【００５１】
また、つまり評価試験は、冷媒として二酸化炭素冷媒を使用し、圧縮機の潤滑油としてポリビニルエーテルを、ポリビニルエーテルに添加する分散剤としてコハク酸イミドを用いた。また、ポリビニルエーテル９９．５ｗｔ％に対してコハク酸イミドを０．５ｗｔ％となるように添加した。さらに、ポリビニルエーテルには、分散剤の他に、微量の極圧剤、酸化防止剤及び酸捕捉剤を添加した。
【００５２】
この冷媒回路１０２において、電磁弁１００が開状態で圧縮機１１１を起動すると、ガス冷媒が、圧縮機１１１に吸入されて圧縮された後、第１接合点ＢＣ１に至る。そして、第１接合点ＢＣ１に至ったガス冷媒は、凝縮器１１３に向かう第１経路と、バイパス配管を介して第２接合点ＢＣ２に向かう第２経路とに分配される。
【００５３】
第１経路に分配されたガス冷媒は、凝縮器１１３において凝縮されて液冷媒となる。この液冷媒は、キャピラリ１１５に送られ、キャピラリで減圧されて第２接合点ＢＣ２に至る。
【００５４】
そして、キャピラリを介して第２接合点ＢＣ２に至った液冷媒と、バイパス配管を介して第２接合点ＢＣ２に至ったガス冷媒とは、第２接合点ＢＣ２で合流する。ここで、合流した液冷媒は、ガス冷媒の温熱によってガス状の冷媒となる。
【００５５】
そして、このガス冷媒は、再び、圧縮機に吸入される。
【００５６】
これを２００時間実施し、キャピラリが閉塞しているか否かを確認したところ、キャピラリは閉塞していなかった。
【実施例２】
【００５７】
潤滑油としてポリビニルエーテルをポリアルキレングリコールに代え、ポリアルキレングリコール９９．０ｗｔ％に対して分散剤としてコハク酸イミドを１．０ｗｔ％となるように添加したことに代えた以外は、実施例１と同様のつまり評価試験を行った。この結果、キャピラリは閉塞していなかった。
【００５８】
（比較例）
潤滑油としてポリビニルエーテルを使用し、分散剤を添加しなかったこと以外は、実施例１と同様につまり評価試験を行った。この結果、キャピラリは閉塞した。
【００５９】
〈特徴〉
（１）
空気調和装置１の冷媒として二酸化炭素冷媒が用いられる場合、圧縮機１１において超臨界状態となる冷媒によって、圧縮機１１内のモータの絶縁材料中に含有されるワニス等の樹脂成分からオリゴマー成分が溶出され、キャピラリ１５，１７を閉塞させ、空気調和装置１の信頼性を損なうおそれがある。このため、キャピラリ１５，１７の閉塞を防ぐ必要がある。
【００６０】
上記実施形態では、冷媒回路２には二酸化炭素冷媒が充填されており、圧縮機１１には分散剤が混入されている潤滑油が充填されている。これによって、樹脂成分から溶出したオリゴマー成分が有する極性基と分散剤の極性基とが静電的な結合をすることによって、オリゴマー成分同士の凝集を抑制する。したがって、キャピラリの閉塞を防ぐことができている。
【００６１】
（２）
上記実施形態では、圧縮機１１に充填されている潤滑油には分散剤が混入されている。これによって、分散剤が潤滑油に溶解することで、冷媒中のオリゴマーと接触しやすくなっている。したがって、分散剤がその機能を発揮しやすくなっている。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明に係る冷凍装置は、キャピラリの閉塞が抑制されているため、冷媒として二酸化炭素冷媒が用いられる冷凍装置への適用が有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施形態に係る空気調和装置の冷媒回路図。
【図２】本発明の実施例に係るつまり評価試験の冷媒回路図。
【符号の説明】
【００６４】
１    冷凍装置
２    冷媒回路
１１    圧縮機
１３    室外熱交換器（熱源側熱交換器）
１５    第１キャピラリ（膨張機構）
１７    第２キャピラリ（膨張機構）
３１    室内熱交換器（利用側熱交換器）
【図１】
2008215779.tif 000009
【図２】
2008215779.tif 000010