特許 7053938 冷凍サイクル装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-04-04

(45)【発行日】2022-04-12

(54)【発明の名称】冷凍サイクル装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 1/00 20060101AFI20220405BHJP

   F25B 41/35 20210101ALI20220405BHJP

   C10M 145/14 20060101ALI20220405BHJP

   C10M 113/10 20060101ALI20220405BHJP

   C09K 5/04 20060101ALI20220405BHJP

   C10N 50/10 20060101ALN20220405BHJP

   C10N 10/12 20060101ALN20220405BHJP

   C10N 30/00 20060101ALN20220405BHJP

   C10N 40/04 20060101ALN20220405BHJP

【ＦＩ】

F25B1/00 304L

F25B1/00 396Z

F25B41/35

C10M145/14

C10M113/10

C09K5/04 C

C09K5/04 G

C10N50:10

C10N10:12

C10N30:00 Z

C10N40:04

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021192141

(22)【出願日】2021-11-26

【審査請求日】2021-11-29

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】316011466

【氏名又は名称】日立ジョンソンコントロールズ空調株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000660

【氏名又は名称】Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ Ｐａｒｔｎｅｒｓ 特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】太田 亮

(72)【発明者】

【氏名】内藤 宏治

(72)【発明者】

【氏名】多田 修平

【審査官】森山 拓哉

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２１／０２５０２３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０００－２７４８８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０５８２２８２２（ＣＮ，Ａ）

【文献】特許第６９２４８８８（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開２０１６－００６４８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－０６８３９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－１６００９３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２５Ｂ １／００

Ｆ２５Ｂ ４１／３５

Ｃ１０Ｍ １４５／１４

Ｃ１０Ｍ １１３／１０

Ｃ０９Ｋ ５／０４

Ｃ１０Ｎ ５０／１０

Ｃ１０Ｎ １０／１２

Ｃ１０Ｎ ３０／００

Ｃ１０Ｎ ４０／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷媒が循環する冷凍サイクル装置であって、
前記冷媒は、トリフルオロヨードメタンを含む混合冷媒であって、
前記冷媒を減圧する減圧器として、ギヤ式電子膨張弁を備え、
前記ギヤ式電子膨張弁の潤滑グリースには、基油として、鉱油又は合成炭化水素油のみが用いられる、冷凍サイクル装置。

【請求項2】

冷媒が循環する冷凍サイクル装置であって、
前記冷媒は、トリフルオロヨードメタンを含む混合冷媒であって、
前記冷媒を減圧する減圧器として、ギヤ式電子膨張弁を備え、
前記ギヤ式電子膨張弁の潤滑グリースには、基油として、以下に示す、前記潤滑グリースの溶解実験における溶出量が２２ｗｔ％以下の炭化水素系基油のみが用いられる、冷凍サイクル装置。
＜溶解試験＞
潤滑グリースを載せた円錐金網をオートクレーブ内に挿入し、オートクレーブ内を真空排気する。次に、円錐金網がすべて浸るように液冷媒をオートクレーブ内に封入する。このオートクレーブを９０℃、７２時間で恒温槽に入れて加熱を行う。加熱後、円錐金網内の潤滑グリースに溶け込んだ冷媒を３０分間真空脱気し、実験前後の潤滑グリースの重量変化量を溶出量として算出する。

【請求項3】

前記基油は、分子量１００００以上のポリマーを有する炭化水素系基油を含む、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。

【請求項4】

前記ポリマーは、ポリメタクリレートである、請求項３に記載の冷凍サイクル装置。

【請求項5】

前記潤滑グリースは、粘土系増ちょう剤を含む、請求項１乃至４の何れか１項に記載の冷凍サイクル装置。

【請求項6】

前記粘土系増ちょう剤は、ベントナイトである、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。

【請求項7】

前記潤滑グリースは、二硫化モリブデンを含む、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷凍サイクル装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、空気調和機に使用される冷媒のＧＷＰ（地球温暖化係数：Ｇｌｏｂａｌ Ｗａｒｍｉｎｇ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ、地球温暖化係数）を規制する動きがある。ＧＷＰは、環境影響度を示す指標である。日本では、フロン排出抑制法の改正により、指定製品毎の加重平均で目標値が設定されている。家庭用エアコンについては、２０１８年までにＧＷＰを７５０にすることが目標になっている。また、店舗・オフィス用エアコンについては、２０２０年までにＧＷＰを７５０に、コンデンシングユニット及び定置式冷凍冷蔵ユニット（以下、冷凍機等と略する。）については、２０２５年までにＧＷＰ１５００にすることが目標になっている。

【0003】

冷凍機用の冷媒としては、フロン排出抑制法との関係から、ＧＷＰが１５００以下であり、ＨＦＯ１２３４ｙｆやＨＦＯ１２３４ｚｅを含む不燃性の混合冷媒が注目されてきた。例えば、Ｒ４４８Ａ（ＨＦＣ３２／ＨＦＣ１２５／ＨＦＣ１３４ａ／ＨＦＯ１２３４ｚｅ／ＨＦＯ１２３４ｙｆ）や、Ｒ４４９Ａ（ＨＦＣ３２／ＨＦＣ１２５／ＨＦＣ１３４ａ／ＨＦＯ１２３４ｙｆ）を用いた冷凍機が製品化されている。しかし、Ｒ４４８ＡやＲ４４９Ａは、ＧＷＰを１１００～１４００程度に留めないと不燃化させることができないため、更なる低ＧＷＰ化を進めるにあたって、燃焼性の抑制が必要とされている。

【0004】

このような状況下、トリフルオロヨードメタン（ＣＦ_３Ｉ）を含み低ＧＷＰで不燃性の混合冷媒であるＲ４６６Ａが注目されている。Ｒ４６６Ａでは、現在のビル用マルチエアコン等で使用されているＲ４１０Ａに近い冷凍能力が得られる。このため、据え付けの煩雑さや、大きな設計変更の必要がなく、環境適合性が高い空気調和機を提供できると期待されている。

【0005】

一方で、ビル用マルチエアコンの冷凍サイクル中には減圧器として電子膨張弁が数多く設置されている。電子膨張弁としては、特許文献１に示すような直動式が多く使用されているが、動作音が大きいため特に静穏性が必要な室内機周辺の場合はギヤ式電子膨張弁が採用されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】国際公開第２００１／００６１８６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

電子膨張弁のギヤは樹脂製が多く、ギヤ同士の潤滑のためグリースが塗布される。しかしながら、上述のように、低ＧＷＰと不燃化とを両立できる混合冷媒の成分であるトリフルオロヨードメタン（ＣＦ_３Ｉ）は、有機物に対しての溶解性が非常に高い。このため、グリースは、ギヤ表面から洗い流されてしまう。これにより、ギヤ間の潤滑が不足してギヤ動作電圧が大きくなり、電子膨張弁の動作不良を起こすという懸念がある。

【0008】

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、トリフルオロヨードメタンを含む混合冷媒を用いつつ、長期信頼性の高い冷凍サイクル装置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】

【0009】

本発明は、冷媒が循環する冷凍サイクル装置であって、前記冷媒は、トリフルオロヨードメタンを含む混合冷媒であって、前記冷媒を減圧する減圧器として、ギヤ式電子膨張弁を備え、前記ギヤ式電子膨張弁の潤滑グリースには、基油として、鉱油又は合成炭化水素油のみが用いられる。
また、本発明の他の形態は、冷媒が循環する冷凍サイクル装置であって、前記冷媒は、トリフルオロヨードメタンを含む混合冷媒であって、前記冷媒を減圧する減圧器として、ギヤ式電子膨張弁を備え、前記ギヤ式電子膨張弁の潤滑グリースには、基油として、以下に示す、前記潤滑グリースの溶解実験における溶出量が２２ｗｔ％以下の炭化水素系基油のみが用いられる。
＜溶解試験＞
潤滑グリースを載せた円錐金網をオートクレーブ内に挿入し、オートクレーブ内を真空排気する。次に、円錐金網がすべて浸るように液冷媒をオートクレーブ内に封入する。このオートクレーブを９０℃、７２時間で恒温槽に入れて加熱を行う。加熱後、円錐金網内の潤滑グリースに溶け込んだ冷媒を３０分間真空脱気し、実験前後の潤滑グリースの重量変化量を溶出量として算出する。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、長期信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】空気調和機の冷凍サイクル構成図である。

【図2】ギヤ式電子膨張弁の縦断面図である。

【図3】グリース溶解試験の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

＜冷凍サイクル装置＞
本実施形態に係る冷凍サイクル装置は、冷媒が形成する熱力学的な冷凍サイクルを利用して冷却対象を冷却する能力を備えた装置である。冷凍サイクル装置は、冷却を行う能力を備える限り、冷凍サイクルと反対の熱サイクルを行う能力を備えていてもよい。冷凍サイクル装置は、例えば、空気調和機、冷凍機等の各種の冷凍空調装置に適用することができる。

【0013】

本実施形態に係る冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮器で凝縮された冷媒を減圧する減圧器と、減圧器で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、を備える。必要に応じて蒸発器で蒸発した冷媒を蓄えるアキュムレーターと、冷媒中の水分を除去する乾燥器を備えてもよい。圧縮機としては、密閉容器内に、圧縮機構部と、圧縮機構部を駆動するモータと、を備え、且つ、摺動部を潤滑する冷凍機油が充填されている密閉型電動圧縮機が用いられる。

【0014】

以下、本実施形態に係る冷凍サイクル装置や、冷凍サイクル装置に用いられる減圧器のギヤ式電子膨張弁について、具体例を示して説明する。図１は、冷凍サイクル装置の一例としての空気調和機の冷凍サイクル構成図である。本実施形態においては、空気調和機１００は、ビル用マルチエアコン（多室型空気調和機）であるものとする。

【0015】

図１に示すように、空気調和機１００は、室外機１と、室内機２ａ、２ｂと、を備えている。なお、本実施形態においては、空気調和機１００は、２台の室内機２ａ、２ｂを備えるものとするが、空気調和機１００は、３台以上の任意の数の室内機（２ａ、２ｂ、・・・）を備えてもよい。

【0016】

室外機１は、圧縮機３と、四方弁４と、室外熱交換器（凝縮器／蒸発器）５と、室外膨張弁（減圧器）６と、レシーバタンク７と、乾燥器（ドライヤ）８と、アキュムレーター９と、室外送風機１０と、を備えている。四方弁４と、アキュムレーター９と、圧縮機３とは、冷媒配管を介して閉環状に接続されている。また、四方弁４の一方の接続部には、室内機２ａ、２ｂが、冷媒配管を介して接続されている。四方弁４の他方の接続部には、室外熱交換器５及び室外膨張弁６が、この順に冷媒配管を介して接続されている。

【0017】

これらの機器や、機器同士を繋ぐ冷媒配管は、室外機１と室内機２ａ、２ｂとの間に、冷媒の循環路としての冷凍サイクルを形成している。冷凍サイクル内には、後述の冷媒が封入される。また、圧縮機３には、潤滑、冷媒の密封、冷却等の目的で、冷凍機油が封入される。

【0018】

圧縮機３は、密閉型電動圧縮機であり、密閉容器内に、圧縮機構部と、圧縮機構部を駆動するモータとが内蔵されている。四方弁４は、圧縮機３から吐出される冷媒の冷凍サイクル内での循環方向を、熱力学的サイクルに応じて切り替えることができる。室外熱交換器５は、冷媒と外気との熱交換を行い、冷房運転時には凝縮器として働き、暖房運転時には蒸発器として働く。圧縮機３は、スクロール圧縮機とする。ただし、他の例としては、圧縮機３は、スクリュー圧縮機、ロータリー圧縮機、ツインロータリー圧縮機、２段圧縮ロータリー圧縮機、ローラとベーンが一体化されたスイング式圧縮機等であってもよい。

【0019】

レシーバタンク７は、余剰冷媒を調整するための容器である。なお、他の例としては、空気調和機１００は、レシーバタンク７を備えないこととしてもよい。乾燥器８は、液冷媒中の水分を除去する。乾燥器８の容器内にはモレキュラシーブス（水が入る細孔径の合成ゼオライト）が充填されている。本実施形態においては、乾燥器８は、冷凍サイクルのバイパスに設置されているが、本流上に設置されてもよい。室外膨張弁６は、例えば、ギヤ式電子膨張弁、直動式電子膨張弁、温度式膨張弁等で構成され、冷房運転時には減圧器として働く。アキュムレーター９は、冷媒ガスと液冷媒との気液分離を行う装置である。室外送風機１０は、室外熱交換器５に外気を送風するために備えられており、冷媒と外気との熱交換を促進する。

【0020】

室内機２ａ、２ｂは、それぞれ、室内熱交換器（蒸発器／凝縮器）１１ａ、１１ｂと、室内膨張弁（減圧器）１２ａ、１２ｂと、室内送風機１３ａ、１３ｂと、を備えている。室内膨張弁１２ａ、１２ｂには、静穏性が求められる。このため、室内膨張弁１２ａ、１２ｂとしては、ギヤ式電子膨張弁が用いられることが好ましい。空気調和機１００が２台以上の室内機（２ａ、２ｂ、・・・）を備える場合、各室内機は、同様の構成に設けられ、並列状の冷凍サイクルを形成するように冷媒配管で接続される。

【0021】

室内熱交換器１１ａ、１１ｂは、冷媒と室内の空気との熱交換を行い、冷房運転時には蒸発器として働き、暖房運転時には凝縮器として働く。室内膨張弁１２ａ、１２ｂは、暖房運転時には減圧器として働く。室内送風機１３ａ、１３ｂは、室内熱交換器１１ａ、１１ｂに室内の空気を送風し、冷媒と室内の空気との熱交換を促進する。

【0022】

空気調和機１００による冷房は、次の原理で行われる。圧縮機３で断熱圧縮された高温高圧の冷媒ガスは、四方弁４を通って、室外熱交換器５に送られる。そして、冷媒ガスは、凝縮器として働く室外熱交換器５で外気との熱交換によって冷却されて高圧の液冷媒となる。高圧の液冷媒は、室外膨張弁６、室内膨張弁１２ａ、１２ｂで減圧されて膨張し、気液二相冷媒（僅かに冷媒ガスを含む低温低圧の液冷媒）となる。気液二相冷媒は、個々の室内熱交換器１１ａ、１１ｂに送られる。そして、蒸発器として働く室内熱交換器１１ａ、１１ｂで、室内の空気との熱交換によって、冷媒は蒸発し熱を奪われ、低温低圧のガス冷媒となる。低温低圧のガス冷媒は、四方弁４を通って、アキュムレーター９に入り、蒸発しきれていない低温低圧の液冷媒が分離される。液冷媒が分離された低温低圧のガス冷媒は、圧縮機３に戻る。その後、同様のサイクルが繰り返されて冷房が続けられる。

【0023】

空気調和機１００による暖房は、冷房時とは反対のサイクルで行われる。圧縮機３で断熱圧縮された高温高圧の冷媒ガスは、四方弁４の切り替えによって、個々の室内熱交換器１１ａ、１１ｂに送られる。そして、冷媒ガスは、凝縮器として働く室内熱交換器１１ａ、１１ｂで室内の空気に熱を与え、その後、蒸発器として働く室外熱交換器５で外気から熱を奪う。このような同様のサイクルが繰り返されて暖房が続けられる。

【0024】

膨張弁（室外膨張弁６、室内膨張弁１２ａ、１２ｂ）は、冷凍サイクル装置の冷凍サイクル内において、凝縮器と蒸発器の間に配置される。膨張弁は、弁の隙間を通過させることで、高圧・高温の液冷媒を減圧する。図２は、ギヤ式電子膨張弁２０の一例の縦断面図である。本実施形態においては、室外膨張弁６、室内膨張弁１２ａ、１２ｂの少なくとも１つがギヤ式電子膨張弁２０であるものとする。なお、前述の通り、室内膨張弁１２ａ、１２ｂがギヤ式電子膨張弁２０であることが好ましい。ギヤ式電子膨張弁２０は、コイル２５によってマグネット２１が回転し、ギヤ２２を介し軸２３へ伝達する。軸２３へ伝達された回転により弁２４が上下し液冷媒の流量が調整される。

【0025】

＜冷媒＞
冷凍サイクル装置（空気調和機１００）の冷媒には、低ＧＷＰと低燃焼性とを両立させることができるトリフルオロヨードメタン（ＣＦ_３Ｉ）を含む、混合冷媒が用いられる。冷媒として、具体的には、ジフルオロメタン（ＨＦＣ３２）、ペンタフルオロエタン（ＨＦＣ１２５）及びトリフルオロヨードメタン（ＣＦ_３Ｉ）を含む混合冷媒が用いられる。なお、混合冷媒は、前記の三成分のみを冷媒成分として含んでもよいし、前記の三成分以外に他の冷媒成分を含んでもよい。また、混合冷媒は、添加剤が添加されていてもよいし、添加剤が添加されていなくてもよい。

【0026】

冷媒成分のうち、ＨＦＣ３２は、主に、高い冷凍能力やエネルギ効率を確保するために用いられる。また、ＨＦＣ１２５は、主に、温度勾配を縮小させるために用いられる。また、トリフルオロヨードメタン（ＣＦ_３Ｉ）は、主に、混合冷媒自体のＧＷＰや燃焼性を低下させるために用いられる。ここで、温度勾配とは、冷媒の相変化（蒸発・凝縮）の開始温度と終了温度との温度差を意味する。

【0027】

これらの三成分を用いることで、冷凍能力やエネルギ効率に優れ、温度勾配が小さく、ＧＷＰ及び燃焼性が低い混合冷媒を得ることができる。そのため、安全性や環境適合性が高く、且つ、冷凍能力や電力効率に優れた冷凍サイクル装置を得ることができる。

【0028】

冷凍サイクル装置の冷媒は、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が、７５０以下であり、好ましくは５００以下であり、より好ましくは１５０以下である。ＧＷＰが７５０以下であると、環境性能に優れた冷媒となり、法令上の規制に対する適合性が高く、冷凍機だけでなく空気調和機にも使用可能になる。冷媒のＧＷＰは、混合冷媒の組成比を変えることによって７５０以下に調整することができる。ＨＦＣ３２は、ＧＷＰ＝６７７、ＨＦＣ１２５は、ＧＷＰ＝３５００、トリフルオロヨードメタン（ＣＦ_３Ｉ）は、ＧＷＰ＝０．４である。

【0029】

また、冷凍サイクル装置の冷媒は、２５℃における飽和蒸気圧が１．１ＭＰａ以上１．８ＭＰａ以下であることが好ましい。飽和蒸気圧がこの範囲であると、ＨＦＣ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０４Ａ等を用いた従来の一般的な冷凍サイクル装置に対し、システム・設計・冷媒配管の施工法等に大きな変更を加えなくとも、同等の冷凍能力、冷媒の封入性等を得ることができる。冷媒の飽和蒸気圧は、混合冷媒の組成比を変えることによって前記の範囲に調整することができる。２５℃における飽和蒸気圧は、ＨＦＣ３２：約１．６９ＭＰａ、ＨＦＣ１２５：約１．３８ＭＰａ、ＣＦ_３Ｉ：約０．５ＭＰａである。

【0030】

冷凍サイクル装置の冷媒におけるＨＦＣ３２の割合は、エネルギ効率の観点から、好ましくは１０重量％以上、より好ましくは２０重量％以上８０重量％以下、更に好ましくは２０重量％以上６０重量％以下、特に好ましくは３０重量％以上５０重量％以下である。また、ＨＦＣ１２５の割合は、好ましくは５重量％以上２５重量％以下である。また、ＣＦ_３Ｉの割合は、不燃性の観点から、好ましくは３０重量％以上６０重量％以下である。このような組成であると、微燃性であるＨＦＣ３２を含む混合冷媒を、ＨＦＣ１２５で疑似共沸化し、ＣＦ_３Ｉで低ＧＷＰ化し、且つ、少量のＨＦＣ１２５とＣＦ_３Ｉとで十分に不燃性化させることができる。

【0031】

冷凍サイクル装置の冷媒は、前記の三成分以外に、他の冷媒成分として、ＣＯ_２、炭化水素、エーテル、フルオロエーテル、フルオロアルケン、ＨＦＣ、ＨＦＯ、ＨＣｌＦＯ、ＨＣｌＦＯ、ＨＢｒＦＯ等を含んでもよい。

【0032】

なお、「ＨＦＣ」は、ハイドロフルオロカーボンを示す。「ＨＦＯ」は、炭素原子、フッ素原子、及び、水素原子からなるハイドロフルオロオレフィンであり、少なくとも１つの炭素－炭素二重結合を有する。「ＨＣｌＦＯ」は、炭素、塩素、フッ素及び水素原子からなり、少なくとも１つの炭素－炭素二重結合を有する。「ＨＢｒＦＯ」は、炭素、臭素、フッ素及び水素原子からなり、少なくとも１つの炭素－炭素二重結合を有する。

【0033】

ＨＦＣとしては、ジフルオロメタン（ＨＦＣ３２）、ペンタフルオロエタン（ＨＦＣ１２５）、１，１，２，２－テトラフルオロエタン（ＨＦＣ１３４）、１，１，１，２－テトラフルオロエタン（ＨＦＣ１３４ａ）、トリフルオロエタン（ＨＦＣ１４３ａ）、ジフルオロエタン（ＨＦＣ１５２ａ）、１，１，１，２，３，３，３－ヘプタフルオロプロパン（ＨＦＣ２２７ｅａ）、１，１，１，３，３，３－ヘキサフルオロプロパン（ＨＦＣ２３６ｆａ）、１，１，１，３，３－ペンタフルオロプロパン（ＨＦＣ２４５ｆａ）、１，１，１，３，３－ペンタフルオロブタン（ＨＦＣ３６５ｍｆｃ）が例示される。

【0034】

フルオロアルケンとしては、フルオロエテン、フルオロプロペン、フルオロブテン、クロロフルオロエテン、クロロフルオロプロペン、クロロフルオロブテンが例示される。フルオロエテンとしては、１，１－ジフルオロエテン（ＨＦＯ１１３２ａ）、（Ｅ）－１，２－ジフルオロエテン（ＨＦＯ１１３２（Ｅ））、（Ｚ）－１，２－ジフルオロエテン（ＨＦＯ１１３２（Ｚ））、トリフルオロエテン（ＨＦＯ１１２３）が例示される。フルオロプロペンとしては、３，３，３－トリフルオロプロペン（ＨＦＯ１２４３ｚｆ）、１，３，３，３－テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ１２３４ｚｅ）、２，３，３，３－テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ１２３４ｙｆ）、ＨＦＯ１２２５が例示される。フルオロブテンとしては、Ｃ_４Ｈ_４Ｆ_４、Ｃ_４Ｈ_３Ｆ_５（ＨＦＯ１３４５）、Ｃ_４Ｈ_２Ｆ_６（ＨＦＯ１３３６）が例示される。

【0035】

クロロフルオロエテンとしては、Ｃ_２Ｆ_３Ｃｌ（ＣＴＦＥ）が例示される。クロロフルオロプロペンとしては、２－クロロ－３，３，３－トリフルオロ－１－プロペン（ＨＣＦＯ１２３３ｘｆ）、１－クロロ－３，３，３－トリフルオロ－１－プロペン（ＨＣＦＯ１２３３ｚｄ）が例示される。

【0036】

＜冷凍機油＞
冷凍サイクル装置の冷凍機油としては、ポリオールエステル油が挙げられる。冷凍空調用の化学合成油としてポリビニルエーテル油が知られているが、これはトリフルオロヨードメタン（ＣＦ_３Ｉ）と共存下で加熱すると油が劣化されやすいため好ましくない。このことから冷凍機油にはポリオールエステル油を用いることが好ましい。ポリオールエステル油は、下記化学式（１）で表されるペンタエリスリトール系化合物、下記化学式（２）で表されるジペンタエリスリトール系化合物、又は、これらの混合物であることが好ましい。但し、化学式（１）及び（２）中、Ｒ^１は、炭素数４～９のアルキル基を表し、互いに同一であっても異なっていてもよい。

【化1】

【化2】

【0037】

Ｒ^１としては、直鎖状のアルキル基、及び、分枝状のアルキル基のいずれであってもよい。Ｒ^１の具体例としては、ｎ－ブチル基、イソブチル基、ｓｅｃ－ブチル基、ｔｅｒｔ－ブチル基、ｎ－ペンチル基、イソペンチル基、ｓｅｃ－ペンチル基、３－ペンチル基、ｔｅｒｔ－ペンチル基、ネオペンチル基、１－エチルペンチル基、イソへキシル基、２－エチルヘキシル基等が挙げられる。

【0038】

化学式（１）で表されるペンタエリスリトール系化合物、及び、化学式（２）で表されるジペンタエリスリトール系化合物は、Ｒ^１として、分枝状のアルキル基のみを有することが好ましい。これらの化合物が分枝状のアルキル基で置換されていると、エステル基が冷凍サイクル内に混入している水分等と反応し難くなるため、冷凍機油が劣化するのを効果的に抑制することができる。また、ポリオールエステル油は、摺動面に形成する油膜が破断し難い特徴があるため、極圧剤の有無にかかわらず、良好な潤滑性を得ることができる。

【0039】

一般的な冷凍機油としては、ポリオールエステル油以外に、ポリアルキレングリコール油、パラフィン系鉱油、ナフテン系鉱油、ポリαオレフィン油、ソフト型アルキルベンゼン油等も知られている。しかし、これらの油は、ＣＦ_３Ｉを含む混合冷媒との熱化学安定性が低い。このため、これらの油は、ＣＦ_３Ｉを含む混合冷媒と共に用いる冷凍機油として適切ではない。

【0040】

冷凍サイクル装置の冷凍機油は、４０℃における動粘度が２２ｍｍ^２／ｓ以上８４ｍｍ^２／ｓ以下であることが好ましい。動粘度がこの範囲であると、低温でも十分な相溶性が得られるため、様々な形式の密閉型電動圧縮機において支障なく使用することができる。圧縮機の形式にかかわらず、圧縮機の摺動部の潤滑性や、冷媒と相溶したときの圧縮室の密閉性を適切に確保することができる。

【0041】

冷凍機油の動粘度は、主としてポリオールエステル油の組成を変えることによって調整することができる。冷凍機油の動粘度は、ＩＳＯ（International Organization for Standardization、国際標準化機構）３１０４、ＡＳＴＭ（American Society for Testing and Materials、米国材料試験協会）Ｄ４４５、Ｄ７０４２等の規格に基づいて測定することができる。

【0042】

冷凍サイクル装置の冷凍機油は、冷凍サイクル内に冷媒と共に封入された状態において、水分量が３００重量ｐｐｍ以下に保持されることが好ましい。一般に、冷凍機油の水分量は製造時に低減されている。しかし、水分は、圧縮機への充填時に冷凍機油に混入したり、冷凍サイクル装置の製造時に冷凍サイクル内に侵入したりすることがある。冷凍機油に混入した水分や、冷凍サイクル内に侵入した水分は、冷凍サイクル装置の運転時には、冷媒の相ではなく、主として冷凍機油の相に局在する。

【0043】

冷凍機油に含まれる水分量が３００重量ｐｐｍ以下に低減されていると、水分とＣＦ_３Ｉやポリオールエステル油との反応量が極めて小さくなる。したがって、ＣＦ_３Ｉやポリオールエステル油の加水分解を大きく抑制することができる。その結果、冷凍サイクル装置に銅配管が用いられている場合には、銅配管内面に生成するヨウ化銅の生成量も極めて微量になる。そのため、冷凍サイクル装置の運転中、混合冷媒自体の劣化や冷凍機油の劣化の進行を実質的に阻止することができる。冷凍機油の水分量は、より好ましくは２００重量ｐｐｍ以下、更に好ましくは１５０重量ｐｐｍ以下、特に好ましくは１００重量ｐｐｍ以下である。

【0044】

冷凍機油の水分量は、例えば、冷凍機油の乾燥処理、冷凍機油の充填時における雰囲気の調整、冷凍機油の充填時に冷凍サイクルに施す真空引きの減圧度合（真空度等）、冷凍サイクル内への乾燥器・乾燥剤の設置等によって低減することができる。これらの水分量を低減する手段は、適宜、組み合わせて用いてもよい。冷凍機油の水分量は、例えば、冷媒と相溶している冷凍機油を冷凍サイクル内から採取して測定試料とし、カールフィッシャー式電量滴定法を用いて測定することができる。冷凍機油中の水分量（油中水分量）の測定は、ＪＩＳ Ｋ ２２７５－３：２０１５「原油及び石油製品－水分の求め方－第３部：カールフィッシャー式電量滴定法」に準じて測定した。

【0045】

冷凍機油の全酸価は、初期封入時から試験終了時に至るまで０．１ｍｇＫＯＨ／ｇ以下となることが好ましい。全酸価とは、油１ｇ中に含まれている全酸性成分を中和するのに要する水酸化カリウム（ＫＯＨ）のミリグラム（ｍｇ）数であり、冷凍機油の劣化の指標となる。全酸価の測定方法はＪＩＳ Ｋ ２５０１で定められている。冷凍機油の全酸価の増加は、冷媒成分であるＣＦ_３Ｉの劣化が進行していることを意味する。０．１ｍｇＫＯＨ／ｇを超えると劣化生成物の増加による冷凍サイクル内の腐食や圧縮機摺動部の潤滑不良などが発生する懸念がある。冷凍サイクル装置の冷凍機油は、添加剤として、潤滑性向上剤、酸化防止剤、安定剤、酸捕捉剤、消泡剤、金属不活性剤等を含むことができる。

【0046】

次に、本実施形態に係る冷凍サイクル装置で使用する電子膨張弁について説明する。冷凍サイクル装置に使用する電子膨張弁は、高温高圧の冷媒液を絞り膨張で低温低圧の冷媒液にする役割がある。また、電子膨張弁は、冷凍負荷に応じて冷媒流量を調整する役割もある。熱負荷が大きい場合、蒸発器内の冷媒液が不足する。このため圧縮機吸い込み蒸気の過熱度が過大となり、圧縮機の温度上昇による寿命低下の懸念がある。一方、熱負荷が小さい場合、蒸発器内の冷媒液が蒸気になり難い。圧縮機に未蒸発の液が流れ込むと、液圧縮による圧縮機の故障につながる。このため冷凍サイクル装置内の冷媒流量を調整する冷凍サイクル装置では、定圧膨張弁は不向きであり、温度式膨張弁や電子膨張弁が適している。また、ビル用マルチエアコンなどの冷媒封入量が多い冷凍サイクル装置には、キャピラリーチューブのような減圧器は適切ではない。

【0047】

前述したようにビル用マルチエアコンなどの冷凍サイクル装置は、冷凍負荷により冷媒流量を細かく調整する必要がある。このため、近年では温度式膨張弁よりも電子膨張弁が使用されることが多くなってきた。ビル用マルチエアコンなどの冷凍サイクル装置の室外膨張弁には、温度式電子膨張弁、直動式電子膨張弁、ギヤ式電子膨張弁が使用される。一方、室内熱交換器付近に設置する膨張弁は、静穏性が求められることから騒音が出難いギヤ式電子膨張弁の使用が好ましい。本実施形態の空気調和機１００においては、室内膨張弁１２ａ、１２ｂは、ギヤ式電子膨張弁であるものとする。なお、室外膨張弁６は、ギヤ式電子膨張弁でもよく、これ以外の膨張弁でもよい。

【0048】

ギヤ式電子膨張弁のギヤ部には、ギヤ潤滑のためグリース（潤滑グリース）が用いられる。トリフルオロヨードメタン（ＣＦ_３Ｉ）を含む混合冷媒は、グリースに対しての溶解性が非常に高い。このため、ギヤ部に付着しているグリースを洗い流してしまい、正常なギヤ動作が困難になる問題がある。グリースは、基油と増ちょう剤を分散させて半固体状にしたものであり、この組み合わせにより冷媒に対するグリースの溶解性が異なる。

【0049】

グリースの基油としては、炭化水素系基油が用いられる。具体的には、基油としては、高精製度パラフィンなどの鉱油系やポリαオレフィンなどの合成炭化水素油が好ましい。この基油に粘度指数向上剤として、ポリメタクリレート、オレフィンコポリマー、スチレンオレフィンコポリマー、ポリイソブチレンなどのポリマーが含まれるグリースを添加させるのが、冷媒との溶解性を低下させるためさらに好ましい。この粘度指数向上剤としてのポリマーの分子量は１００００以上がさらに好ましい。

【0050】

ジエステル、ポリオールエステルなどのエステル系合成油やポリグリコール、ポリフェニルエーテルなどのエーテル系合成油、ポリジメチルシロキサンなどのシリコーン系合成油、パーフルオロポリエーテルなどのフッ素系合成油は、冷媒との溶解性が高い。このため、これらを基油として用いた場合には、ギヤ部からグリースが洗い流されやすい。したがって、こられを基油として用いるのは適切でない。

【0051】

一方、グリースの増ちょう剤としては、カルシウム石けん、リチウム石けん、アルミニウムコンプレックス石けん、リチウムコンプレックス石けんなどの石けん系グリースがある。また、増ちょう剤としては、ウレア系、ベントナイト系、ＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））系などの非石けん系グリースがある。これらのうち、リチウムコンプレックス石けんやベントナイトを用いたグリースは、冷媒に対して洗い流され難い。したがって、増ちょう剤としては、リチウムコンプレックス石けんやベントナイトが好ましい。このように、潤滑グリースは、粘土系増ちょう剤を含むことが好ましい。なお、ベントナイトは、有機化ベントナイトが好ましい。また、ギヤ式電子膨張弁のギヤ材は樹脂製が多く、これら潤滑のためグリースは、固形潤滑剤として、カーボンや二硫化モリブデンを含むものが好ましい。

【0052】

以上のように、本実施形態に係る冷凍サイクル装置においては、冷媒として、ＨＦＣ３２／ＨＦＣ１２５／トリフルオロヨードメタン（ＣＦ_３Ｉ）の三成分を含む混合冷媒を用いる。また、冷凍機油として、全酸価が０．１ｍｇＫＯＨ／ｇ以下のポリオールエステル油を用い、ギヤ式電子膨張弁のギヤ部に混合冷媒と溶解性の低いグリースを用いる。これにより、ギヤ式電子膨張弁のギヤ部からグリースが流れるのを防ぐことができる。したがって、ギヤ式電子膨張弁のギヤ部の動作電圧の増加が抑制され、長期的にわたって冷凍サイクル内の膨張弁の動作不良を防止することができる。すなわち、長期信頼性の高い冷凍サイクル装置を得ることができる。特に、ビル用マルチエアコンでは、冷凍サイクル中には減圧器として電子膨張弁が数多く設置されている。これに対し、本実施形態に係る冷凍サイクル装置においては、グリースが洗い流されるのを防ぐことができるので、ギヤの動作不良を防ぐことができる。

【0053】

以上、実施形態に係る冷凍サイクル装置について説明したが、本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、技術的範囲を逸脱しない限り、様々な変形例が含まれる。例えば、前記の実施形態は、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、或る実施形態の構成の一部を他の構成に置き換えたり、或る実施形態の構成に他の構成を加えたりすることが可能である。また、或る実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、構成の削除、構成の置換をすることも可能である。

【0054】

例えば、前記の実施形態では、冷凍サイクル装置の具体例として、ビル用マルチエアコンと冷凍機を示したが、本発明に係る冷凍サイクル装置は、１台の室内機を備えるルームエアコンやパッケージエアコンに適用してもよい。

【実施例1】

【0055】

以下、実施例を示して本発明について具体的に説明するが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。
＜試験１～１７＞
ＨＦＣ３２、ＨＦＣ１２５及びトリフルオロヨードメタン（ＣＦ_３Ｉ）を含む混合冷媒と、ギヤ部に塗布するグリースの溶解性を評価するため、オートクレーブを用いたグリース溶解性試験を行って評価した。

【0056】

ビル用マルチエアコンを想定し、冷媒として、ＨＦＣ３２とＨＦＣ１２５とＣＦ_３Ｉとの重量比が、ＨＦＣ３２：ＨＦＣ１２５：ＣＦ_３Ｉ＝５０：１０：４０重量％である混合冷媒を用いた。

【0057】

グリースには、基油と増ちょう剤との組み合わせが異なる種類のものを用いた。グリースの基油には、高精製度鉱油、ポリαオレフィン油、ポリオールエステル油、高精製度鉱油とポリオールエステル油との混合油、ポリグリコール油、シリコーン油、フッ素油を選んだ。また、グリースの増ちょう剤には、リチウム石けん、リチウムコンプレックス石けん、ウレア、有機化ベントナイト、ＰＴＦＥを選んだ。

【0058】

（オートクレーブを用いたグリース溶解試験）
グリース溶解性試験は、図３に示す方法で実施した。オートクレーブ２００の中に、グリース２２０を載せた円錐金網２０２を挿入し、液冷媒２１０の環境下において試験前後のグリース重量変化から冷媒に対するグリースの溶解量を評価する方法で実施した。次の手順で試験を行った。はじめに、ＪＩＳ Ｋ２２２０で使用されるグリース離油度試験用の円錐金網に５．０ｇのグリースを採取した。次に、洗浄したオートクレーブ（耐圧：最大２０ＭＰａ、内容積：２２０ｍＬ）に、架台に載せたグリースを採取した円錐金網を挿入した後、ふたを閉め、系内を真空排気した。次に、オートクレーブ内に挿入した円錐金網が全て浸るように液冷媒１４０ｍｌ封入した。このオートクレーブを９０℃、７２時間で恒温槽に入れて加熱を行い、加熱後にオートクレーブ内の冷媒をゆっくりと開放し、オートクレーブ内からグリースの入った円錐金網を回収した。

【0059】

このグリースには冷媒が溶け込んでいるため、３０分間の真空脱気を行い、冷媒を除去し、その後、小数点以下４桁の精度の天秤でグリースの重量を測定した。試験前から試験後のグリース重量の変化量を、冷媒に溶解したグリースの溶出量として算出した。表１に、ＨＦＣ３２、ＨＦＣ１２５及びＣＦ_３Ｉを含む混合冷媒に対するグリースの溶出量測定結果を示す。

【表1】

【0060】

表１に示すように、試験１～１７は、各々基油と増ちょう剤が異なる組合せのグリースを用いている。この表１で示した溶出量が小さいほど冷媒に対するグリースの溶解性が低いことを示す。試験１～４の高精製度鉱油、試験５～８のポリαオレフィンを基油として用いたグリースは、冷媒に対する溶出量が小さい。この中でもリチウムコンプレックス石けんと有機化ベントナイトを増ちょう剤として用いたグリースはさらに冷媒に対する溶出量が小さくなった。一方、基油にポリオールエステル油、高精製度鉱油とポリオールエステル油との混合油、ポリグリコール油、シリコーン油、フッ素油を用いたグリースは、増ちょう剤の種類に関わらず冷媒に対する溶出量が大きくなった。

【0061】

＜試験１８～２５＞
さらに、試験１～４で冷媒に対するグリースの溶出量が小さかったものに、粘度指数向上剤として分子量１００００以上のポリメタクリレートとオレフィンコポリマーを基油に配合したグリースを用いて、グリース溶解性試験を行った。この結果を表２に示す。

【表2】

【0062】

表２に示すように、粘度指数向上剤を基油に配合したグリースは、未配合のグリースと比較して、さらに冷媒に対する溶出量が小さくなることがわかった。

【0063】

以上の結果から、ＨＦＣ３２、ＨＦＣ１２５及びトリフルオロヨードメタン（ＣＦ_３Ｉ）を含む混合冷媒に対するグリースの溶出量が小さいグリース構成は、基油に高精製度油又はポリαオレフィン油を用い、増ちょう剤にリチウムコンプレックス石けん又は有機化ベントナイトを用いたものであることがわかった。したがって、このような構成のグリースを、ギヤ式電子膨張弁のギヤ部に使用するのが好ましい。さらには基油に粘度指数向上剤としてポリマーが配合されているグリースは、より冷媒に対する溶出量が小さく好ましいといえる。

【0064】

＜実施例１＞
図１に示した空気調和機１００（冷凍サイクル装置）を用いて高速高負荷条件における３０００時間の耐久試験を実施した。具体的には、室内膨張弁１２ａとしてのギヤ式電子膨張弁のギヤ部に、グリース溶解試験において、冷媒に対する溶出量が小さかった試験Ｎｏ.２（表１参照）の高精製度油とリチウムコンプレックス石けんのグリースを塗布して耐久試験を実施した。同様に、室内膨張弁１２ｂとしてのギヤ式電子膨張弁のギヤ部に、グリース溶解試験において、冷媒に対する溶出量が小さかった試験Ｎｏ．２１（表２参照）のポリメタクリレートが配合された高精製度鉱油と有機化ベントナイトのグリースを塗布して耐久試験を実施した。

【0065】

冷凍サイクル装置としては、スクロール式の密閉型電動圧縮機を搭載した装置であって、冷房能力が２８ｋＷのビル用マルチエアコン用の装置を用いた。圧縮機の回転速度は、６０００ｍｉｎ^－１とした。モータの鉄心とコイルとの絶縁には、厚さが２５０μｍの耐熱ＰＥＴフィルム（Ｂ種、温度指数：１３０℃）を用いた。コイルには、ポリエステルイミド－アミドイミドのダブルコートを施した二重被覆銅線を用いた。

【0066】

冷媒としては、オートクレーブを用いたグリース溶解試験と同様に、ＨＦＣ３２：ＨＦＣ１２５：Ｒ１３Ｉ１（ＣＦ_３Ｉ）＝５０：１０：４０の混合冷媒を用いた。冷媒は、冷凍サイクル内に８０００ｇを封入した。冷凍機油としては、ポリオールエステル油を用い、圧縮機内に１５００ｍＬ封入した。３０００時間にわたって運転した冷凍サイクル装置の室内膨張弁１２ａ、１２ｂを回収した。その後、動作電圧のチェックを行い、その後、室内膨張弁１２ａ、１２ｂを解体し、樹脂ギヤ部のグリース残存状態を目視にて観察した。

【0067】

その結果、いずれのギヤ式電子膨張弁（室内膨張弁１２ａ、１２ｂ）も、正常な動作電圧範囲内に収まっていた。また、樹脂ギヤ部においては、グリースの基油部が多少冷媒に洗い流されて若干硬化していたが、グリースの多くは残存していた。室内膨張弁１２ａのＮｏ．２のグリースは、約７割残存していた。室内膨張弁１２ｂのＮｏ．２１のグリースは、約８割残存していた。これらの割合は、充填時のグリースを１０割とした場合の割合である。

【0068】

＜比較例１＞
実施例１の比較評価のため、比較例１では、室内膨張弁１２ａとしてのギヤ式電子膨張弁のギヤ部に、グリース溶解試験において、冷媒に対する溶出量が大きかった試験Ｎｏ．１１（表１）のポリオールエステル油と有機化ベントナイトのグリースを塗布し、実施例１と同じ試験を実施した。そして、３０００時間にわたって運転した冷凍サイクル装置の室内膨張弁１２ａを回収した。この結果、ギヤ式電子膨張弁（室内膨張弁１２ａ）は、動作電圧が高くなり規格範囲外となっていた。また、冷媒に溶解し難い増ちょう剤の有機化ベントナイトが含まれているにもかかわらず、ギヤ部のグリース状態は、グリースの基油分が冷媒に洗い流されてかなり硬化しており、グリースが約２割しか残存していないことがわかった。

【0069】

以上の結果から、本実施形態に係る冷凍サイクル装置は、トリフルオロヨードメタン（ＣＦ_３Ｉ）を含む、低ＧＷＰ、且つ、不燃性の混合冷媒を用いつつ、長期的にギヤ式電子膨張弁を安定して動作させることができる。

【符号の説明】

【0070】

１ 室外機
２ａ，２ｂ 室内機
３ 圧縮機
４ 四方弁
５ 室外熱交換器
６ 室外膨張弁
７ レシーバタンク
８ 乾燥器
９ アキュムレーター
１０ 室外送風機
１１ａ，１１ｂ 室内熱交換器
１２ａ，１２ｂ 室内膨張弁
１３ａ，１３ｂ 室内送風機
２０ ギヤ式電子膨張弁
２１ マグネット
２２ ギヤ
２３ 軸
２４ 弁
２５ コイル
１００ 空気調和機

【要約】

【課題】トリフルオロヨードメタンを含む混合冷媒を用いつつ、長期信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【解決手段】冷媒が循環する冷凍サイクル装置であって、前記冷媒は、トリフルオロヨードメタンを含む混合冷媒であって、前記冷媒を減圧する減圧器として、ギヤ式電子膨張弁を備え、前記ギヤ式電子膨張弁の潤滑グリースに、炭化水素系基油が用いられる。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】