(57)【要約】【課題】ＣＯ２冷媒に対して過剰に溶解しない潤滑油を選定することができる冷凍システムを提供する。【解決手段】潤滑油を含むＣＯ２冷媒が循環経路(12,14,16,18)内を循環する冷凍回路(6)であって、循環経路には、冷媒の流れ方向でみて少なくとも圧縮機(20)、ガスクーラ(22)、膨張弁(24)、及び蒸発器(26)が順次介挿され、潤滑油には、ガスクーラ内における溶解度が蒸発器内における溶解度よりも高くなる冷凍機油が用いられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
潤滑油を含むＣＯ２冷媒が循環経路内を循環する冷凍回路であって、
前記循環経路には、前記冷媒の流れ方向でみて少なくとも圧縮機、ガスクーラ、膨張弁、及び蒸発器が順次介挿され、
前記潤滑油には、前記ガスクーラ内における溶解度が前記蒸発器内における溶解度よりも高くなる冷凍機油が用いられていることを特徴とする冷凍システム。
【請求項２】
潤滑油を含むＣＯ２冷媒が循環経路内を循環する冷凍回路であって、
前記循環経路には、前記冷媒の流れ方向でみて少なくとも圧縮機、ガスクーラ、膨張弁、及び蒸発器が順次介挿され、
前記潤滑油には、前記蒸発器内での溶解熱を発生させない冷凍機油が用いられていることを特徴とする冷凍システム。
【請求項３】
前記潤滑油は、ポリアルキレングリコール系オイルであり、４０℃の動粘度が５０ｍｍ２／ｓｅｃ以上であって１００ｍｍ２／ｓｅｃ未満の冷凍機油であることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍システムに関し、より詳しくは、ＣＯ２冷媒を使用した冷凍システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
冷凍システムには冷凍回路中の機器として圧縮機が備えられ、低圧側の循環経路からの冷媒を圧縮して高圧側の循環経路への冷媒の流動を生成している。この冷媒には通常、潤滑油が含まれており、この潤滑油は圧縮機内の摺動面や軸受等の潤滑のみならず、摺動面のシールとしての機能を有する。
この潤滑油は上記高圧側の循環経路にて冷媒に溶解する。一方、フロン冷媒を用いた場合の潤滑油は、上記低圧側である蒸発器内にて蒸発する冷媒から液体として分離される。高圧側の循環経路の圧力は高くても約３ＭＰａであって、低圧側の循環経路の圧力も約０．３ＭＰａであり、いずれも溶解度に大きな影響を与えないからである。なお、このフロン冷媒の場合には、上記高圧側と低圧側とにおいて冷媒に対する潤滑油の溶解度に大きな差異はない。
【０００３】
ここで、近年、地球環境への配慮から、地球温暖化係数の小さな値を有する冷媒を用いた冷凍システムの開発が進められている。この種の冷媒の一例としては自然系のＣＯ２（炭酸）ガスがあり、また、このＣＯ２冷媒に対する潤滑油としてはポリアルキレングリコール系オイル（ＰＡＧオイル）を用いることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−７３９４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述のＰＡＧオイルはＣＯ２冷媒に対して溶解し難いとの性質を有し、高圧側のシール性が確保可能になる。しかしながら、ＰＡＧオイルを単に使用するのみでは、蒸発器内にて溶解熱が発生してしまうとの懸念がある。
すなわち、ＣＯ２冷媒を用いる場合には、高圧側の循環経路の圧力が約１０〜１５ＭＰａに達し、低圧側の循環経路の圧力も約３〜５ＭＰａに達するので、外気温度の変化に応じてＰＡＧオイルがＣＯ２冷媒に過剰に溶解し得るのである。これでは、低圧側における冷媒に対する潤滑油の溶解度が高圧側での溶解度よりも大きくなり、冷凍能力の低下を招くとの問題がある。このように、ＣＯ２冷媒を用いる場合には潤滑油の誤選択を避ける必要があるが、上記従来の技術ではこの点については依然として課題が残されている。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、ＣＯ２冷媒に対して過剰に溶解しない潤滑油を選定することができる冷凍システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するべく、請求項１記載の冷凍システムは、潤滑油を含むＣＯ２冷媒が循環経路内を循環する冷凍回路であって、循環経路には、冷媒の流れ方向でみて少なくとも圧縮機、ガスクーラ、膨張弁、及び蒸発器が順次介挿され、潤滑油には、ガスクーラ内における溶解度が蒸発器内における溶解度よりも高くなる冷凍機油が用いられていることを特徴としている。
【０００７】
また、請求項２記載の発明では、潤滑油には、蒸発器内での溶解熱を発生させない冷凍機油が用いられていることを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、潤滑油は、ポリアルキレングリコール系オイルであり、４０℃の動粘度が５０ｍｍ２／ｓｅｃ以上であって１００ｍｍ２／ｓｅｃ未満の冷凍機油であることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、ＣＯ２冷媒に対して過剰に溶解しない冷凍機油を選定する点に着目したものである。そして、請求項１記載の本発明の冷凍システムによれば、ガスクーラ側における冷凍機油の溶解度が蒸発器側の溶解度よりも高くなる冷凍機油を用いていることから、蒸発器内での溶解熱の発生が回避され、冷凍能力の低下が防止される。
また、請求項２記載の発明によれば、潤滑油には蒸発器内での溶解熱を発生させない作用を奏する冷凍機油が用いられているので、この蒸発器内での溶解熱の発生が確実に回避され、冷凍能力の低下が防止される。
【０００９】
更に、請求項３記載の発明によれば、ポリアルキレングリコール系オイルを用いると、ＣＯ２冷媒に対して溶解し難くなり、また、４０℃の動粘度が５０ｍｍ２／ｓｅｃ未満の場合には蒸発器側における冷凍機油の溶解度がガスクーラ側の溶解度よりも高くなる。一方、１００ｍｍ２／ｓｅｃ以上の場合には冷凍システムの稼働コストの面で懸念される。よって、これら双方の問題を解決することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図１は、車両用空調装置を構成している冷凍システム２の概略を示している。この冷凍システム２は車室４内を所望の設定温度にて冷房する。また、冷凍システム２は、自然系冷媒であるＣＯ２冷媒（以下、単に冷媒と称す）を循環させる冷凍回路６を有し、この冷凍回路６はエンジン１０を備えたエンジンルーム８から車室４に亘って設置されている。
【００１１】
具体的には、冷凍回路６は上記冷媒の循環経路１２，１４，１６，１８を有し、これら循環経路１２，１４，１６，１８はその大部分がエンジンルーム８内に配置されている一方、その一部は車室４内にも延びている。循環経路１２，１４，１６，１８には、上流側からコンプレッサ（圧縮機）２０、ガスクーラ２２、膨張弁２４、及びエバポレータ（蒸発器）２６が順次介挿されている。そして、これら圧縮機２０、ガスクーラ２２、膨張弁２４はエンジンルーム８内に配置され、蒸発器２６は車室４内に配置されている。
【００１２】
なお、図中、参照符号１２，１４，１６は上記循環経路の往路部分を形成し、参照符号１８は上記循環経路の復路部分を形成している。
この圧縮機２０はエンジン１０の駆動力によって作動され、ガス状態の冷媒を吸い込んで圧縮し、高温高圧ガス状態にして循環経路１２に吐出する。つまり、圧縮機２０は冷媒を圧縮しながら冷媒の流動を生成させる。なお、これらエンジン１０及び圧縮機２０はＥＣＵ（コントローラ）２８からの駆動信号によって駆動される。
【００１３】
そして、ガスクーラ２２は図示しない送風ファン及び車両前方からの風を受けて、その内部を流れる冷媒を空冷する。更に、ガスクーラ２２からの高圧状態の冷媒は膨張弁２４を通じて蒸発器２６に供給され、蒸発器２６内にて低温低圧のガス状態となる。また、蒸発器２６の下流側は循環経路１８を介して圧縮機２０に接続されており、低温低圧ガス状態の冷媒が圧縮機２０に吸入される。
【００１４】
ここで、上記冷媒は潤滑油を含んでおり、この潤滑油は圧縮機２０内の軸受や種々の摺動面を潤滑する他、摺動面のシールする機能をも発揮する。
そして、本実施形態の潤滑油には、蒸発器２６内での溶解熱を発生させない作用を奏する冷凍機油、換言すれば、ガスクーラ２２内における冷凍機油の溶解度が蒸発器２６内における冷凍機油の溶解度よりも高くなる冷凍機油が用いられている。一例としては、ポリアルキレングリコール系オイル（ＰＡＧオイル）であり、４０℃（常温）の動粘度（粘度／密度）が５０ｍｍ２／ｓｅｃ以上であって１００ｍｍ２／ｓｅｃ未満の冷凍機油を用いている。
【００１５】
図２は、４０℃の動粘度が５０ｍｍ２／ｓｅｃ未満の潤滑油（以下、単にＰＡＧ１と称す）の冷媒に対する溶解度を示している。そして、３つの外気温度に分けて示されるように、外気温度が低くなるに連れて冷媒に対するＰＡＧ１の溶解度は高くなることが分かる。また、外気温度が低くなると、高圧側の溶解度が非常に大きくなり、低圧側と高圧側との溶解度の差が大きくなることも分かる。
【００１６】
更に、図中、２点鎖線で示される如く、高圧側（約１２ＭＰａ、約３４３Ｋ程度）に達するガスクーラ２２内における冷凍機油の溶解度は約１６％であるのに対し、図中、１点鎖線で示される如く、低圧側（約３ＭＰａ、約２９８Ｋ程度）に達する蒸発器２６内における冷凍機油の溶解度は約１８％になることが分かる。つまり、このＰＡＧ１の場合には、ガスクーラ２２内の溶解度が蒸発器２６内の溶解度よりも僅かながらも低くなり、蒸発器２６内では溶解熱が発生することになる。よって、当該ＰＡＧ１では冷凍能力の低下を招くことの懸念がある。
【００１７】
これに対し、図３は、上記ＰＡＧ１と、４０℃の動粘度が約９９ｍｍ２／ｓｅｃの潤滑油（以下、単にＰＡＧ２と称す）の冷媒に対する溶解度を示している。
そして、図中、２点鎖線で示される如く、同じ圧力や外気温度であっても、動粘度の差異によって冷媒に対する溶解度が異なる、より詳しくは、動粘度の高いＰＡＧ２はＰＡＧ１よりも溶解度が低くなることが分かる。これは、上記低圧側の蒸発器２６内においても同様に述べることができる。
【００１８】
このように、ＰＡＧ１の場合には蒸発器２６内では溶解熱が発生し得る点、及び、ＰＡＧ２はＰＡＧ１に比して溶解度が低くなる点を鑑みれば、当該冷媒に使用する潤滑油としては、４０℃の動粘度が５０ｍｍ２／ｓｅｃ以上の冷凍機油が適していることが分かる。
なお、ＰＡＧオイルの他、ポリエチレングリコール系オイル（ＰＥＧオイル）についても述べると、オイルの平均分子量が１９０〜２１０となるＰＥＧオイル（約９９℃の動粘度は約３８〜４２ｍｍ２／ｓｅｃ）の場合には、外気温度が低く、且つ、熱負荷が小さいときであっても、蒸発器２６内での溶解熱を発生させず、ガスクーラ２２内の溶解度が蒸発器２６内の溶解度よりも高くなり、当該冷媒に対する潤滑油として適している。
【００１９】
上述した冷凍システム２によれば、圧縮機２０の起動に伴い、蒸発器２６からの冷媒を圧縮する。つまり、この圧縮機２０の断熱圧縮作用によって比エンタルピ及び圧力がそれぞれ増加し、循環経路１２を介して高温高圧ガス状態の冷媒をガスクーラ２２に供給する。
この冷媒はガスクーラ２２内で冷却され、比エンタルピが減少して等圧変化する。そして、高圧ガス状態の冷媒が循環経路１４を介して膨張弁２４に供給され、膨張弁２４の絞り作用による膨張を受け、その比エンタルピを一定に維持しながら圧力が減少し、循環経路１６を介して蒸発器２６内に噴出させる。次いで、冷媒の気化熱により蒸発器２６の周囲の空気が冷却され、冷気が車室４内に送り込まれ、車室４内の冷房が行われる。蒸発器２６からの冷媒は、循環経路１８を介して圧縮機２０に戻り、この後、圧縮機２０により再度圧縮され、循環経路１２，１４，１６，１８を上述した如く循環する。
【００２０】
以上のように、本実施形態では、ＣＯ２冷媒に対して過剰に溶解しない冷凍機油を選定する点に着目したものである。
そして、本実施形態の冷凍システム２によれば、ガスクーラ２２側の溶解度が蒸発器２６側の溶解度よりも常に高くなる冷凍機油を用いている。よって、蒸発器２６内での溶解熱の発生が確実に回避され、冷凍能力の低下が防止可能となる。
【００２１】
更に、ＰＡＧオイルを用いると、ＣＯ２冷媒に対して溶解し難くなるし、また、４０℃の動粘度が５０ｍｍ２／ｓｅｃ未満の場合には、蒸発器２６側における冷凍機油の溶解度がガスクーラ２２側の溶解度よりも常に高くなる。一方、この動粘度が１００ｍｍ２／ｓｅｃ以上の場合には平均分子量の大きな潤滑油を選定するので、冷凍システムの稼働コストの面で懸念される。よって、本実施形態の動粘度の範囲内における潤滑油の選択が行われると、これら双方の問題が解決可能となる。
【００２２】
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では、圧縮機２０、ガスクーラ２２、膨張弁２４及び蒸発器２６を備えた冷凍回路６について示されているが、ＣＯ２冷媒は蒸発圧力が高く、超臨界状態に達した場合には高圧ガスの温度を十分に下げなければ十分なエンタルピ差を確保できず、サイクルの効率が悪くなり得る点を鑑み、冷凍回路中の他の機器として内部熱交換器やアキュムレータを備えても良い。
【００２３】
また、本発明においては、圧縮機は上述の如くエンジン１０で駆動されるものの他、電動モータで駆動されるものであっても良く、更に、上記実施形態では車両用空調装置に具体化された例を示しているが、本発明の冷凍システムは、業務用空調装置、家庭用ヒートパイプ、給湯器、暖房器等の如く、ＣＯ２冷媒を用いた冷凍・空調サイクル全般に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施例に係る冷凍システムの概略構成図である。
【図２】潤滑油（ＰＡＧ１）のＣＯ２冷媒に対する溶解度を説明する図である。
【図３】潤滑油（ＰＡＧ１、ＰＡＧ２）のＣＯ２冷媒に対する溶解度を説明する図である。
【符号の説明】
【００２５】
６  冷凍回路
１２，１４，１６，１８  循環経路
２０  圧縮機
２２  ガスクーラ
２４  膨張弁
２６  蒸発器
【図１】
2007132619.tif 000003
【図２】
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【図３】
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