JP6736019B2 - 冷凍機、冷凍機の製造方法及びcopの向上方法 - Google Patents

冷凍機、冷凍機の製造方法及びcopの向上方法 Download PDF

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Description

本発明は、冷凍機、冷凍機の製造方法及びCOPの向上方法に関する。
冷凍機は、圧縮機、凝縮器、膨張機構、蒸発器等を有する冷媒循環システムを備えている。冷媒循環システムでは、液体が気化する際に周囲から熱を奪う現象が利用されており、気化した冷媒の圧縮機での圧縮及び昇温、凝縮器での放熱凝縮による冷媒の液化、膨張機構での減圧膨張、並びに、蒸発器での冷媒の気化を含むサイクルが繰り返される。
このような冷凍機の性能を評価する指標として、成績係数(COP:Coefficient of Performance)がしばしば使用される。COPは、冷媒循環システムを運転する際などに消費されるエネルギーに対する冷房能力(冷凍能力とも呼ばれる)の比(冷房能力/消費エネルギー)を表す。近年、冷凍機のCOPの更なる向上が望まれており、例えば特許文献1には、冷凍機のCOPを向上し得る膨張機一体型圧縮機が開示されている。
特開2015−94259号公報
本発明は、COPに優れる冷凍機及びその製造方法、並びにCOPの向上方法を提供することを目的とする。
本発明は、圧縮機と、凝縮器と、膨張機構と、蒸発器とを有する冷媒循環システムを備え、冷媒循環システム内に冷媒と冷凍機油とが充填されている冷凍機であって、冷媒と冷凍機油とからなる作動流体は、温度80℃、絶対圧力3.4MPaの条件において2〜4mm/sの冷媒溶解粘度を示す、冷凍機を提供する。
この冷凍機では、冷媒循環システムに充填されている冷媒と冷凍機油とが、作動流体として特定の冷媒溶解粘度を示すことによって、COPを向上させることが可能となる。すなわち、本発明者らの検討によれば、作動流体の冷媒溶解粘度が低すぎると、シール性の低下等に起因して冷凍能力又は冷房能力が低下してしまい、一方、作動流体の冷媒溶解粘度が高すぎると、撹拌抵抗又は冷凍機の起動時の抵抗の増大等に伴い、消費エネルギーが増大してしまい、また、冷凍能力又は冷房能力が低下してしまうことが判明した。そして、本発明者らは、温度80℃、絶対圧力3.4MPaの条件において2〜4mm/sの冷媒溶解粘度を示す作動流体を用いることによって、消費エネルギーの抑制と冷凍能力又は冷房能力の向上とのバランスを確保でき、COPの向上が可能となることを見出した。
また、本発明は、圧縮機と、凝縮器と、膨張機構と、蒸発器とを有する冷媒循環システムを備える冷凍機の製造方法であって、冷媒循環システム内に冷媒と冷凍機油とを充填する工程を備え、冷媒と冷凍機油とからなる作動流体は、温度80℃、絶対圧力3.4MPaの条件において2〜4mm/sの冷媒溶解粘度を示す、冷凍機の製造方法を提供する。
また、本発明は、圧縮機と、凝縮器と、膨張機構と、蒸発器とを有する冷媒循環システムを備え、冷媒循環システム内に冷媒と冷凍機油とが充填されている冷凍機のCOPを向上させる方法であって、冷媒と冷凍機油とからなる作動流体として、温度80℃、絶対圧力3.4MPaの条件において2〜4mm/sの冷媒溶解粘度を示す作動流体を使用することによりCOPを向上させる方法を提供する。
本発明によれば、COPに優れる冷凍機及びその製造方法、並びにCOPの向上方法を提供することができる。
冷凍機の一実施形態を示す模式図である。 冷媒溶解粘度とCOPとの関係の一例を示すグラフである。
以下、図面を適宜参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図1は、冷凍機の一実施形態を示す模式図である。図1に示すように、冷凍機10は、圧縮機(冷媒圧縮機)1と、凝縮器(ガスクーラー)2と、膨張機構3(キャピラリ、膨張弁等)と、蒸発器(熱交換器)4とが流路5で順次接続された冷媒循環システム6を少なくとも備えている。
冷媒循環システム6においては、まず、圧縮機1から流路5内に吐出された高温(通常70〜120℃)の冷媒が、凝縮器2にて高密度の流体(超臨界流体等)となる。続いて、冷媒は、膨張機構3が有する狭い流路を通ることによって液化し、さらに蒸発器4にて気化して低温(通常−40〜0℃)となる。冷凍機10による冷房は、冷媒が蒸発器4において気化する際に周囲から熱を奪う現象を利用している。
圧縮機1内においては、高温(通常70〜120℃)条件下で、少量の冷媒と多量の冷凍機油とが共存する。圧縮機1から流路5に吐出される冷媒は、気体状であり、少量(通常1〜10体積%)の冷凍機油をミストとして含んでいるが、このミスト状の冷凍機油中には少量の冷媒が溶解している(図1中の点a)。
凝縮器2内においては、気体状の冷媒が圧縮されて高密度の流体となり、比較的高温(通常50〜70℃)条件下で、多量の冷媒と少量の冷凍機油とが共存する(図1中の点b)。さらに、多量の冷媒と少量の冷凍機油との混合物は、膨張機構3、蒸発器4に順次送られて急激に低温(通常−40〜0℃)となり(図1中の点c,d)、再び圧縮機1に戻される。
このような冷凍機10としては、自動車用エアコン、除湿器、冷蔵庫、冷凍冷蔵倉庫、自動販売機、ショーケース、化学プラント等における冷却装置、住宅用エアコンディショナー、パッケージエアコンディショナー、給湯用ヒートポンプ等が挙げられる。
冷媒循環システム6には、上述のとおり、冷媒と冷凍機油とが充填されている。冷媒及び冷凍機油は、冷媒と冷凍機油とからなる作動流体が温度80℃、絶対圧力3.4MPaの条件において2〜4mm/sの冷媒溶解粘度を示すようにそれぞれ適宜選択されればよい。
冷媒としては、飽和フッ化炭化水素(HFC)冷媒、不飽和フッ化炭化水素(HFO)冷媒、炭化水素冷媒、パーフルオロエーテル類等の含フッ素エーテル系冷媒、ビス(トリフルオロメチル)サルファイド冷媒、3フッ化ヨウ化メタン冷媒、及び、アンモニア(R717)、二酸化炭素(R744)等の自然系冷媒が挙げられる。
飽和フッ化炭化水素冷媒としては、好ましくは炭素数1〜3、より好ましくは1〜2の飽和フッ化炭化水素が用いられる。飽和フッ化炭化水素冷媒は、例えば、ジフルオロメタン(R32)、トリフルオロメタン(R23)、ペンタフルオロエタン(R125)、1,1,2,2−テトラフルオロエタン(R134)、1,1,1,2−テトラフルオロエタン(R134a)、1,1,1−トリフルオロエタン(R143a)、1,1−ジフルオロエタン(R152a)、フルオロエタン(R161)、1,1,1,2,3,3,3−ヘプタフルオロプロパン(R227ea)、1,1,1,2,3,3−ヘキサフルオロプロパン(R236ea)、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン(R236fa)、1,1,1,3,3−ペンタフルオロプロパン(R245fa)、及び1,1,1,3,3−ペンタフルオロブタン(R365mfc)のいずれかの1種又は2種以上の混合物であってよい。
飽和フッ化炭化水素冷媒としては、例えばR32単独;R23単独;R134a単独;R125単独;R134a/R32=60〜80質量%/40〜20質量%の混合物;R32/R125=40〜70質量%/60〜30質量%の混合物;R125/R143a=40〜60質量%/60〜40質量%の混合物;R134a/R32/R125=60質量%/30質量%/10質量%の混合物;R134a/R32/R125=40〜70質量%/15〜35質量%/5〜40質量%の混合物;R125/R134a/R143a=35〜55質量%/1〜15質量%/40〜60質量%の混合物などが特に好ましい例として挙げられる。さらに具体的には、R134a/R32=70/30質量%の混合物;R32/R125=60/40質量%の混合物;R32/R125=50/50質量%の混合物(R410A);R32/R125=45/55質量%の混合物(R410B);R125/R143a=50/50質量%の混合物(R507C);R32/R125/R134a=30/10/60質量%の混合物;R32/R125/R134a=23/25/52質量%の混合物(R407C);R32/R125/R134a=25/15/60質量%の混合物(R407E);R125/R134a/R143a=44/4/52質量%の混合物(R404A)などが好ましく用いられる。
不飽和フッ化炭化水素冷媒としては、フッ素数が3のフルオロエチレン及びフッ素数が3〜5のフルオロプロペンが挙げられる。不飽和フッ化炭化水素冷媒は、例えば、1,1,2−トリフルオロエチレン(HFO−1123)、1,2,3,3,3−ペンタフルオロプロペン(HFO−1225ye)、1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HFO−1234ze)、2,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HFO−1234yf)、1,2,3,3−テトラフルオロプロペン(HFO−1234ye)、及び3,3,3−トリフルオロプロペン(HFO−1243zf)のいずれかの1種又は2種以上の混合物であってよい。
炭化水素冷媒としては、炭素数1〜5の炭化水素が挙げられる。炭化水素冷媒は、例えば、メタン、エチレン、エタン、プロピレン、プロパン(R290)、シクロプロパン、ノルマルブタン、イソブタン、シクロブタン、メチルシクロプロパン、2−メチルブタン、及びノルマルペンタンのいずれかの1種又は2種以上の混合物であってよい。
冷媒は、80℃以上及び3.4MPa以上の高温高圧条件を得やすい観点から、好ましくはジフルオロメタン(R32)を含有し、より好ましくはジフルオロメタン(R32)及びペンタフルオロエタン(R125)を含有している。冷媒は、ジフルオロメタン、又はジフルオロメタン及びペンタフルオロエタンに加えて、上記の冷媒を更に含有していてよい。ジフルオロメタン、又はジフルオロメタン及びペンタフルオロエタンと共に用いられる冷媒は、好ましくは、1,1,1,2−テトラフルオロエタン(R134a)、2,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HFO1234yf)、1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HFO1234ze(E)若しくは(Z))、トリフルオロエチレン(HFO1123)であってよい。
ジフルオロメタン、又はジフルオロメタン及びペンタフルオロエタンと共に用いられる冷媒の含有量は、冷媒全量基準で、例えば80質量%以下であってよく、好ましくは30〜60質量%であってよい。
これらの中でも、冷媒としては、質量比(R32/R125/R134a)が23/25/52であるR32とR125とR134aとの混合冷媒(R407C)、質量比(R32/R125/HFO1234yf/R134a)が24.3/24.7/25.3/25.7であるR32とR125とHFO1234yfとR134aとの混合冷媒(R449A)、質量比(R32/R125/HFO1234yf/R134a/HFO1234ze(E))が26/26/20/21/7であるR32とR125とHFO1234yfとR134aとHFO1234ze(E)との混合冷媒(R448A)が好適に用いられる。
冷媒は、より好ましくは、ジフルオロメタン及びペンタフルオロエタンからなっている。冷媒中のジフルオロメタン(R32)とペンタフルオロエタン(R125)との質量比(R32/R125)は、例えば40/60〜70/30であってよい。このような冷媒としては、質量比(R32/R125)が60/40である冷媒、質量比(R32/R125)が50/50である冷媒(R410A)、及び質量比(R32/R125)が45/55である冷媒(R410B)が好適に用いられ、R410Aが特に好適に用いられる。
冷凍機油は、冷媒と混合された状態(作動流体)の温度80℃、絶対圧力3.4MPa)における冷媒溶解粘度が2〜4mm/sとなるような冷凍機油であればよい。冷凍機油は、冷凍機油そのものの粘度に加えて、冷媒と冷凍機油との相溶性(溶解性)が冷凍機油の種類によって異なることを考慮して選定される必要がある。つまり、冷凍機油そのものの粘度と、冷媒に対する相溶性(溶解性)との両方において適切な冷凍機油を選定することにより、作動流体の冷媒溶解粘度が上記範囲内となる。
冷凍機油の40℃における動粘度は、好ましくは2mm/s以上、より好ましくは10mm/s以上、更に好ましくは20mm/s以上であり、また、好ましくは125mm/s以下、より好ましくは100mm/s以下、更に好ましくは80mm/s以下である。
冷凍機油の100℃における動粘度は、好ましくは1mm/s以上、より好ましくは2mm/s以上、更に好ましくは3mm/s以上であり、また、好ましくは11mm/s以下、より好ましくは10mm/s以下、更に好ましくは9mm/s以下である。
本発明における動粘度は、JIS K−2283:1993に準拠して測定される動粘度を意味する。
冷凍機油の冷媒溶解前後の粘度低下率(以下、単に「粘度低下率」ともいう)は、下記式(1)に従って算出される。
粘度低下率(%)=(動粘度−冷媒溶解粘度)/動粘度×100 …(1)
式(1)中、動粘度は冷凍機油の80℃における動粘度(mm/s)を意味し、冷媒溶解粘度は冷媒と冷凍機油とからなる作動流体の温度80℃、絶対圧力3.4MPaにおける冷媒溶解粘度(mm/s)を意味する。
粘度低下率が大きいほど冷凍機油に対して冷媒が溶け込みやすくなるが、冷凍機油が冷媒に溶け込みすぎると潤滑性が低下する傾向にあるため、冷凍機油の粘度低下率は、潤滑性に優れる観点から、好ましくは85%以下、より好ましくは80%以下である。冷凍機油の粘度低下率の下限値は、特に制限されないが、粘度低下率が小さいほど冷凍機油に対して冷媒が溶解しにくくなるため、相溶性の観点からは、60%以上、70%以上又は75%以上であってよい。
冷凍機油の流動点は、好ましくは−10℃以下、より好ましくは−20℃以下であってよい。本発明における流動点は、JIS K2269−1987に準拠して測定された流動点を意味する。
上記のような特性を有する冷凍機油は、潤滑油基油と、必要に応じて添加剤とを含有している。潤滑油基油は、例えば炭化水素油又は含酸素油であってよい。炭化水素油としては、鉱油、オレフィン重合体、ナフタレン化合物、アルキルベンゼン等が挙げられる。含酸素油としては、モノエステル、ジエステル、ポリオールエステル、コンプレックスエステル等のエステル油、ポリアルキレングリコール、ポリビニルエーテル、ポリフェニルエーテル、パーフルオロエーテル等のエーテル油が挙げられる。含酸素油は、ポリオールエステル、ポリアルキレングリコール及びポリビニルエーテルから選ばれる少なくとも1種を主成分とすることが好ましく、ポリオールエステル又はポリビニルエーテルを主成分とすることがより好ましい。潤滑油基油の含有量は、冷凍機油全量基準で、80質量%以上、90質量%以上又は95質量%以上であってよい。
添加剤としては、エポキシ化合物、カルボジイミド化合物等の酸捕捉剤、フェノール化合物、アミン化合物等の酸化防止剤、リン化合物、硫黄化合物等の極圧剤、エステル化合物等の油性剤、シリコーン化合物等の消泡剤、ベンゾトリアゾール化合物等の金属不活性化剤、リン化合物等の摩耗防止剤、ポリ(メタ)アクリレート化合物等の粘度指数向上剤などが挙げられる。添加剤の含有量は、冷凍機油全量基準で、5質量%以下又は2質量%以下であってよい。
作動流体における冷凍機油の含有量は、冷媒100質量部に対して、1〜500質量部であってよく、2〜400質量部であってもよい。
作動流体の温度80℃、絶対圧力3.4MPaにおける冷媒溶解粘度は、2〜4mm/sであり、好ましくは、2〜3.9mm/s、2〜3.8mm/s、2〜3.6mm/s、2.1〜4mm/s、2.1〜3.9mm/s、2.1〜3.8mm/s、2.1〜3.6mm/s、2.2〜4mm/s、2.2〜3.9mm/s、2.2〜3.8mm/s、2.2〜3.6mm/s、2.4〜4mm/s、2.4〜3.9mm/s、2.4〜3.8mm/s、又は2.4〜3.6mm/sである。
作動流体の冷媒溶解粘度は、以下の手順に従って測定される。まず、振動式粘度計を収容した200mLの耐圧容器に、冷媒循環システム6内に充填されている冷凍機油100gを入れ、容器内を真空脱気した後、冷媒を加えて作動流体を調製する。このとき、温度80℃、絶対圧力3.4MPaの条件となるように、冷媒の圧力及び耐圧容器の温度を調整する。そして、容器内の作動流体の粘度を測定する。
冷凍機10は、例えば、作動流体が温度80℃、絶対圧力3.4MPaの条件において2〜4mm/sの冷媒溶解粘度を示すような冷媒と冷凍機油とを、冷媒循環システム6内に充填する工程(充填工程)を備える製造方法により製造される。充填工程においては、冷媒及び冷凍機油をそれぞれ別個に冷媒循環システム6に充填してよい。充填工程以外の工程は、公知の冷凍機の製造方法と同様であってよい。
以上説明した冷凍機10では、作動流体が温度80℃、絶対圧力3.4MPaの条件において2〜4mm/sの冷媒溶解粘度を示すような冷媒と冷凍機油とが冷媒循環システム6内に充填されていることによって、消費エネルギーの抑制と冷凍能力又は冷房能力の向上とのバランスを確保でき、COPの向上が可能となる。COPを向上させることが可能となる。
ここで、冷凍機10のCOPは、下記式(2)に従って算出される。冷凍機10のCOPは、下記式(3)に従って算出することもできる。
COP=冷房能力(冷却量)[W]/消費エネルギー[W] …(2)
COP=(h−h)×G/P …(3)
式(3)中、hは蒸発器(熱交換器)4の出口エンタルピ[J/kg]を表し、hは蒸発器(熱交換器)4の入口エンタルピ[J/kg]を表し、Gは冷媒循環システム6を循環する冷媒の質量流量[kg/s]を表し、Pは冷媒循環システム6を駆動するモータ(図示せず)の動力(消費電力)[W]を表す。
図2は、冷媒としてジフルオロメタンを含む混合冷媒(例えばR410A)を用い、冷凍機油として上記の好ましい動粘度を有する冷凍機油を用いたときの、作動流体の冷媒溶解粘度と冷凍機10のCOPとの関係の一例を示すグラフである。図2に示すように、作動流体の冷媒溶解粘度が2mm/s未満になると、シール性の低下等に起因して冷凍能力又は冷房能力が低下してしまい、所望のCOPが得られなくなる。一方、作動流体の冷媒溶解粘度が4mm/sを超えると、撹拌抵抗又は冷凍機の起動時の抵抗の増大等に伴い、消費エネルギーが増大してしまい、また、冷凍能力又は冷房能力が低下してしまうため、所望のCOPが得られなくなる。したがって、冷媒循環システム6内に充填される冷媒と冷凍機油とからなる作動流体は、温度80℃、絶対圧力3.4MPaの条件において2〜4mm/sの冷媒溶解粘度を示すことが必要であり、この場合、消費エネルギーの抑制と冷凍能力又は冷房能力の向上とを両立でき、優れたCOPが実現可能となる。特に、冷媒溶解前後の粘度低下率が70〜80%の冷凍機油は、冷凍機油と冷媒との相溶性及び潤滑性の両立もしやすく、好ましいものであった。
1…圧縮機、2…凝縮器、3…膨張機構、4…蒸発器、5…流路、6…冷媒循環システム、10…冷凍機。

Claims (3)

  1. 圧縮機と、凝縮器と、膨張機構と、蒸発器とを有する冷媒循環システムを備え、前記冷媒循環システム内に冷媒と冷凍機油とが充填されている冷凍機であって、
    前記冷凍機油の100℃における動粘度が3mm /s以上9mm /s以下であり、
    前記冷媒と前記冷凍機油とからなる作動流体は、温度80℃、絶対圧力3.4MPaの条件において2.4〜3.6mm /sの冷媒溶解粘度を示し、
    下記式(1)に従って算出される前記冷凍機油の冷媒溶解前後の粘度低下率が85%以下である、冷凍機。
    粘度低下率(%)=(動粘度−冷媒溶解粘度)/動粘度×100 …(1)
    [式(1)中、動粘度は前記冷凍機油の80℃における動粘度(mm /s)を意味し、冷媒溶解粘度は前記作動流体の温度80℃、絶対圧力3.4MPaにおける冷媒溶解粘度(mm /s)を意味する。]
  2. 圧縮機と、凝縮器と、膨張機構と、蒸発器とを有する冷媒循環システムを備える冷凍機の製造方法であって、
    前記冷媒循環システム内に冷媒と冷凍機油とを充填する工程を備え、
    前記冷凍機油の100℃における動粘度が3mm /s以上9mm /s以下であり、
    前記冷媒と前記冷凍機油とからなる作動流体は、温度80℃、絶対圧力3.4MPaの条件において2.4〜3.6mm /sの冷媒溶解粘度を示し、
    下記式(1)に従って算出される前記冷凍機油の冷媒溶解前後の粘度低下率が85%以下である、冷凍機の製造方法。
    粘度低下率(%)=(動粘度−冷媒溶解粘度)/動粘度×100 …(1)
    [式(1)中、動粘度は前記冷凍機油の80℃における動粘度(mm /s)を意味し、冷媒溶解粘度は前記作動流体の温度80℃、絶対圧力3.4MPaにおける冷媒溶解粘度(mm /s)を意味する。]
  3. 圧縮機と、凝縮器と、膨張機構と、蒸発器とを有する冷媒循環システムを備え、前記冷媒循環システム内に冷媒と冷凍機油とが充填されている冷凍機のCOPを向上させる方法であって、
    前記冷媒と前記冷凍機油とからなる作動流体として、温度80℃、絶対圧力3.4MPaの条件において2.4〜3.6mm /sの冷媒溶解粘度を示す作動流体を使用し、
    前記冷凍機油として、100℃における動粘度が3mm /s以上9mm /s以下であり、かつ、下記式(1)に従って算出される冷媒溶解前後の粘度低下率が85%以下である冷凍機油を使用することにより前記COPを向上させる方法。
    粘度低下率(%)=(動粘度−冷媒溶解粘度)/動粘度×100 …(1)
    [式(1)中、動粘度は前記冷凍機油の80℃における動粘度(mm /s)を意味し、冷媒溶解粘度は前記作動流体の温度80℃、絶対圧力3.4MPaにおける冷媒溶解粘度(mm /s)を意味する。]
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