JP2016033426A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクル内の酸捕捉剤の残存量を運転期間中長期にわたり確保し、信頼性を向上させた空気調和機を提供する。
【解決手段】冷媒を圧縮する圧縮機１１と、冷媒と室外空気とを熱交換させる室外熱交換器１３と、冷媒と室内空気とを熱交換させる室内熱交換器３１と、冷媒を減圧させる膨張弁と、が配管接続され冷凍サイクルを構成する空気調和機において、ポリオールエステル油を基油とし、エポキシ基を有するアルキルグリシジルエーテル化合物を含有した冷凍機油が用いられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機に関する。

本発明の背景技術として、特許文献１には、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）の一種であるＲ３２を必須成分とする冷媒ならびに、エーテル系冷凍機油およびエステル系冷凍機油からなる群から選ばれる少なくとも１種の冷凍機油を含む作動媒体を有する蒸気圧縮式冷凍装置において、作動媒体のドライヤとして合成ゼオライトを用いることが記載されている。

また、特許文献２に、冷媒Ｒ４１０Ａ，Ｒ４０７ＣまたはＲ４０４Ａにおいてポリオールエステル油を基油とした冷凍機油に酸捕捉剤としてアルキルグリシジルエステル化合物を添加し、冷凍機油酸価上昇を抑制し、圧縮機耐久性を向上させることが記載されている。

ＷＯ９８／３８２６４号公報 特開２０１０−１３９１７１号公報

ハイドロフルオロカーボンの一種であるＲ３２を７０質量％以上含む冷媒を用いる空気調和機において、その冷凍サイクルの冷凍機油として、エステル基（−Ｏ−ＣＯ−）を含むポリオールエステル油やエーテル結合を有するポリビニルエーテル油などがある。

ポリオールエステル油に代表されるエステル油は、原料となる酸とアルコールを脱水縮合して作られる。一方、水分が存在すると加水分解を引き起こし、原料の酸とアルコールに分解してしまう。

ここで、施工工事等により空気調和機の冷凍サイクル内に水分が混入する場合があり、前述のように加水分解により酸を発生させると、金属部の腐食や圧縮機摺動部の磨耗を引き起こす問題がある。そのため、特許文献１では、サイクル内に水分を吸着するドライヤにより水分を除去し、酸の発生を回避している。

しかし、ドライヤによる方法では施工工事等による初期の水分除去には有効であるが、空気調和機の稼働後に実施される機器交換等のメンテナンス時に混入する水分に対しては、ドライヤによる効力が低下し除去しきれない問題がある。

また、サイクル内に混入した水による加水分解への対策としては、特許文献２のように、加水分解により発生した酸と反応し、酸を冷凍サイクルに無害な物質にする酸捕捉剤を冷凍機油に添加する方法がある。

しかし、冷凍機油の加水分解に伴う酸の発生は酸捕捉剤により抑制されているが、空気調和機の施工後初期の段階で酸捕捉剤が多く消費されてしまうため、長期運転での酸発生に対する耐久性に問題があった。つまり、施工後のメンテナンス時に水分が混入する際に、十分な酸捕捉剤の残存量が確保されず冷凍サイクル内の酸の除去ができなくなる。

本発明は、冷凍サイクル内の酸捕捉剤の残存量を運転期間中長期にわたり確保し、信頼性を向上させた空気調和機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒と室外空気とを熱交換させる室外熱交換器と、冷媒と室内空気とを熱交換させる室内熱交換器と、冷媒を減圧させる膨張弁と、が配管接続され冷凍サイクルを構成する空気調和機において、ポリオールエステル油を基油とし、エポキシ基を有するアルキルグリシジルエーテル化合物を含有した冷凍機油が用いられることを特徴とする。

本発明によれば、冷凍サイクル内の酸捕捉剤の残存量を運転期間中長期にわたり確保し、信頼性を向上させた空気調和機を提供することができる。

本発明に係る空気調和機の冷凍サイクル図である。 本発明に係る空気調和機に用いられる圧縮機の断面図である。 冷凍機油の相溶性の特性を表す図である。 本発明に係る空気調和機の冷凍サイクルにドライヤを接続した場合の水分量と全酸価の関係を示す図である。 本発明の空気調和機におけるドライヤ取り付け位置の例を示す図である。

以下、本発明の第１の実施の形態の空気調和機１について、図面に基づいて説明する。図１は、空気調和機１の冷凍サイクル系統図である。空気調和機１は、室外機１０と室内機３０とを備えている。室外機１０と室内機３０とは、ガス接続配管２および液接続配管３により接続される。本実施の形態では、室外機１０と室内機３０とを１対１で接続しているが、一台の室内機に対し複数台の室外機を接続しても良いし、一台の室外機に対し複数台の室内機を接続しても良い。

室外機１０は、圧縮機１１と、四方弁１２と、室外熱交換器１３と、室外送風機１４と、室外膨張弁１５と、アキュムレータ２０と、圧縮機吸入配管１６と、ガス冷媒配管１７とを有している。

圧縮機１１とアキュムレータ２０とは圧縮機吸入配管１６により接続され、四方弁１２とアキュムレータ２０とは冷媒配管１７により接続されている。

圧縮機１１は、冷媒を圧縮して配管に吐出する。四方弁１２を切り替えることで、冷媒の流れが変化し、冷房運転と暖房運転が切り替わる。室外熱交換器１３は、冷媒と外気の間で熱交換させる。室外送風機１４は、室外熱交換器１３に対し外気を供給する。室外膨張弁１５は、冷媒を減圧して低温にする。アキュムレータ２０は、過渡時の液戻りを貯留するために設けられており、冷媒を適度な乾き度に調整する。

室内機３０は、室内熱交換器３１と、室外送風機３２と、室内膨張弁３３とを備える。室内熱交換器３１は、冷媒と内気の間で熱交換させる。室外送風機３２は、室外熱交換器３１に対し外気を供給する。室内膨張弁３３は、その絞り量を変化させることにより室内熱交換器３１を流れる冷媒の流量を変化させることが可能である。

次に、空気調和機１における冷房運転について説明する。図１における実線の矢印は、空気調和機１の冷房運転における冷媒の流れを示している。冷房運転において四方弁１２は、実線で示すように、圧縮機１１の吐出側と室外熱交換器１３とを連通させ、アキュムレータ２０とガス接続配管２とを連通させる。

そして、圧縮機１１より圧縮され吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁１２を経由して、室外熱交換器１３に流入し、室外送風機１４により送風された室外空気により冷却されて凝縮される。凝縮した液冷媒は、室外膨張弁１５および液接続配管３を通過して、室内機３０へ送られる。室内機３０に流入した液冷媒は、室内膨張弁３３で減圧され、低圧低温の気液二相冷媒になり室内熱交換器３１に流入する。室内熱交換器３１において、気液二層液冷媒は、室内送風機３２によって送風される室内空気により加熱されて蒸発し、ガス冷媒となる。この際に、室内空気が冷媒の蒸発潜熱により冷却され、冷風が室内に送られる。その後、ガス冷媒は、ガス接続配管２を通って、室外機１０に戻される。

室外機１０に戻ったガス冷媒は、四方弁１２およびガス冷媒配管１７を通過し、アキュムレータ２０へと流入する。アキュムレータ２０で所定の冷媒かわき度に調整され、圧縮機吸入配管１６を介して圧縮機１１に吸入され、再度圧縮機１１で圧縮されることにより、一連の冷凍サイクルが形成される。

次に、空気調和機１における暖房運転について説明する。図１における点線の矢印は、空気調和機１００の暖房運転における冷媒の流れを示している。暖房運転において四方弁１２は、点線で示すように、圧縮機１１の吐出側とガス接続配管２とを連通させ、アキュムレータ２０と室外熱交換器１３とを連通させる。

そして、圧縮機１１より圧縮され吐出された高温高圧のガス冷媒は、ガス接続配管２および四方弁１２を通過して、室内機３０へ送られる。室内機３０に流入したガス冷媒は、室内熱交換器３１に流入し、室内送風機３２により送風された室内空気によって冷媒が冷却されて凝縮し、高圧の液冷媒となる。この際に、室内空気は冷媒によって加熱され、温風が室内に送られる。その後、液化した冷媒は、室内膨張弁３３および液接続配管３を通過して、室外機１０へと戻される。

室外機１０へ戻った液冷媒は、室外膨張弁１５で所定量減圧されて、低温の気液二相状態となり、室外熱交換器１３に流入する。室外熱交換器１３に流入した冷媒は、室外送風機１４により送風された室外空気と熱交換し、低圧のガス冷媒となる。室外熱交換器１３から流出したガス冷媒は、四方弁１２およびガス冷媒配管１７を通って、アキュムレータ２０に流入し、アキュムレータ２０で所定の冷媒乾き度に調整され、圧縮機１１に吸入され、再度圧縮機１１圧縮されることにより一連の冷凍サイクルが形成される。

図２に空気調和機に用いられる圧縮機の構造の一例である密閉型圧縮機の断面を示す。密閉型圧縮機には、スクロール方式，ロータリ方式，レシプロ方式等があるが、スクロール方式の圧縮機を例に以下説明する。

圧縮機１１は、密閉容器１０３内にフレーム１０８と、渦巻き状のスクロールが形成された固定スクロール１０７とが固定される。このフレーム１０８の中央にはモータ１０４により回転駆動する回転軸１１０を設け、回転軸の上部には回転軸１１０の回転により偏心回転するクランクピン１１１が設けられる。このクランクピン１１１は、固定スクロールは、フレーム１０８に支持される旋回スクロール１０６の軸受部に係合される。旋回スクロール１０６は、固定スクロール１０７と噛み合わさる渦巻き状のスクロールが形成され、冷媒を圧縮する圧縮室１０９を形成する。これらの構造により、回転軸１１０およびクランクピン１１１が回転することで、旋回スクロール１０６が旋回移動し、圧縮室１９で冷媒が圧縮される。

次に冷媒の圧縮過程を説明する。冷凍サイクルを循環してきたガス冷媒は、吸入管１０１から圧縮室１０９に入る。圧縮室１０９内のガス冷媒は、旋回スクロール１０６の旋回移動により圧縮室１０９の容積の減少とともに圧縮されながら中央の吐出口１０５ａから吐出圧力空間に吐出される。そして、吐出圧力空間の圧縮されたガス冷媒は、吐出管１０２から吐出される。

ここで、回転軸１１０は内部に、旋回スクロール１０６と固定スクロール１０７との摺動面を潤滑するために油を供給する油通路１１３が形成されている。そして、冷凍機油は、圧縮機底部の油溜り１１２に貯留されている。

本実施例では、圧縮機摺動部の潤滑のために圧縮機底部に貯留される冷凍機油にエステル基（−Ｏ−ＣＯ−）を有する、たとえばポリオールエステル油を用いる。

この種の冷凍機油は、酸とアルコールを脱水縮合し製造されるため、冷凍機油とともに水分が存在すると、脱水縮合の逆反応にあたる加水分解が発生し酸を発生させてしまう。そして、空気調和機の施工時や配管工事等では、水分混入の危険性があり、冷凍サイクル内で上記のように加水分解が生じることがある。冷凍サイクル内での酸の発生は、金属の腐食や圧縮機摺動部の磨耗の原因となるため、空気調和機の信頼性を損なう虞がある。

また、冷房能力が７．１ｋｗ以上の業務用空気調和機などでは、部品交換のようなメンテナンスも必要となることから空気調和機の設置後も特に水分混入の恐れがある。加えて、業務用空気調和機では、接続される室内機台数も多数となり、総配管長も数１０ｍと長くなる。たとえば、冷房能力が１２．５ｋＷの店舗用空気調和機では、総配管長は７５ｍまで許容されている。そのため、施工時に真空引きを行うが、水分が残留する可能性がある。

そこで本発明の空気調和機では、冷凍機油に対し、加水分解によって発生した酸と反応し、冷凍サイクル内で無害な物質となる酸捕捉剤を添加する。酸捕捉剤としては、エポキシ系の酸捕捉剤が望ましく、〔化１〕に代表されるアルコールとエピクロロヒドリンの反応物であるアルキルグリシジルエーテル化合物を採用する。

ここで、本実施例では酸捕捉剤にエーテル化合物を用いているがエステル化合物を用いる場合、エステル化合物は加水分解により発生する酸と反応するとともに加水分解前の水とも反応する。このため、冷凍サイクル内での残存量が低下し易く、空気調和機の稼働後に短期間で酸捕捉能力が失われてしまう。

しかし、エーテル化合物を酸捕捉剤として添加した場合、エーテル化合物は冷凍サイクル内で問題となる加水分解により発生する酸との反応率が高い一方、水との反応率が低いため、空気調和機の稼働後に長期にわたって冷凍サイクル内に残存させることができる。したがって、酸捕捉剤による酸の除去能力を空気調和機の稼働後に長期間持続させることができる。

また、Ｒ３２を含むハイドロフルオロカーボン系冷媒中において、アルキルグリシジルエーテル化合物は、アルキル基の炭素数を４〜１０とした場合に基油であるエステル油に溶けやすい低粘度の液状となり、かつ、分散性が高くなり高い酸捕捉能力を発揮する。

また、冷凍機油に対して酸捕捉剤は、０．１〜１．０質量％添加するのが望ましい。酸捕捉剤添加量がこの量より少量となると冷凍機油中の酸捕捉量の絶対値が不足してしまう。一方で、この添加量より多く酸捕捉剤を添加した場合には、前述の炭素数４〜１０のアルキルグリシジルエーテル化合物は冷凍機油に添加した場合に粘度を低下させる性質を持ち、冷凍機油の粘度低下の為に圧縮機摺動部にて油膜形成がされず摩耗し信頼性低下へとつながってしまう。例えば、冷凍機油に対し酸捕捉剤を１．０質量％添加した場合、油温度４０℃にて６ｍｍ²／ｓ程度低下する。また、酸捕捉剤同士の重合によって酸捕捉性能が低下してしまう虞もある。

〔表１〕に酸捕捉剤の種類による加熱劣化試験の結果を示す。表中の各酸捕捉剤は、酸捕捉能力を持つエポキシ基が等量となるように調整している。すなわち、理論上の酸捕捉能力を同程度にしている。

加熱劣化試験は冷媒Ｒ３２とポリオールエステル油を金属触媒とともに圧力容器内に封止し行った。比較例１は、〔化２〕に代表されるアルキルグリシジルエステル化合物を添加した例である。また、比較例２は〔化３〕に代表されるシクログリシジルエーテル化合物を添加した例である。

加熱劣化試験は、業務用空気調和機が１０年運転したことに相当するように、加熱し劣化を加速させ試験した。比較例１では、酸捕捉剤残存率が低下し、酸捕捉能力の余裕度が長期運転後には無くなってしまう。また、比較例２では実施例１と同様にエーテル化合物を使用することで残存量を確保することができているが、酸捕捉能力が低く全酸価の上昇値が大きくなってしまっている。

一方、本発明の空気調和機に用いる冷凍機油では、比較例１よりも全酸価の上昇は大きくはなっているが冷凍サイクルとして許容できる範囲以内（〜0.02 mgKOH/g）に収まっており、かつ、酸捕捉剤も残存させることが可能であることで長期運転後にも酸捕捉能力を保持している。

冷房能力が７．１ｋｗ以上の業務用空気調和機においては、前述の通り、移設や機器交換など水分混入の可能性が施工後にも多くあり、冷凍機油加水分解による酸の発生の可能性は家庭用空気調和機に比べて高い。そのため本発明の通りに酸捕捉剤を添加することで冷凍機油の安定性を長期にわたり確保し、空気調和機の信頼性を確保する。

図３に、冷凍サイクルの作動冷媒としてＲ３２を７０質量％以上含む冷媒を用いた場合においてＲ３２用冷凍機油および従来冷媒Ｒ４１０Ａ用冷凍機油の二層分離の特性を示す。図中の曲線４ａ、４ｂの上側の領域は、液冷媒と冷凍機油が相溶する領域を示し、下側の領域は液冷媒と冷凍機油が分離する領域を示している。

空気調和機内では、液冷媒と冷凍機油は均等に相溶することが望ましい。しかし、冷凍サイクル低温部では、液冷媒と冷凍機油の密度差が大きくなることによって、分離する場合がある。図３は各液冷媒中の油濃度に対する二層分離温度を示している。Ｒ３２を７０質量％以上含む冷媒を用いる空気調和機に対し、従来の冷媒、たとえばＲ４１０Ａ用冷凍機油を適用すると、曲線４ａのように二層分離温度が高く、空気調和機運転温度範囲での二層分離域が広くなり、冷媒と冷凍機油の相溶性が落ちてしまう。
室外機に設置される圧縮機内で液冷媒と冷凍機油の二層分離が発生すると、各摺動部に液冷媒が供給され、潤滑不良を起こしてしまう。また、圧縮機運転中に機械的な作用により冷凍機油がミスト状となりサイクル側に吐出されるが、相溶性が低い場合、サイクル低温部配管やタンクで冷凍機油が滞留し、圧縮機への油戻り量が減少する。すると圧縮機内で油が不足し、潤滑不良を起こす。

そのため、分子分極の大きい、Ｒ３２（ジフルオロメタン）を冷媒とした空気調和機の場合、冷凍機油の冷媒との相溶性を改善する必要がある。図３の曲線４ｂは、分子構造を調整しＲ３２用に相溶性を改善させた冷凍機油の二層分離特性例である。

しかし、分子分極が大きいＲ３２（ジフルオロメタン）との相溶性を改善した冷凍機油は、同じく分子分極の大きい水（Ｈ２Ｏ）を取り込みやすくなる。すなわち、Ｒ３２を７０質量％以上含む冷媒を使用する空気調和機に適用する冷凍機油は、水分共存下で吸湿性が高くなる。そこで本発明を適用することで水分が冷凍サイクル内に混入し冷凍機油加水分解が発生した場合にも、添加された酸捕捉剤により空気調和機信頼性が長期にわたり確保され、本発明の効果が顕著に発揮される。

またＲ３２を７０質量％以上含む冷媒を用いる空気調和機では、従来の冷媒例えばＲ４１０Ａと比較し断熱指数の違いから、Ｒ４１０Ａと同等に空気調和機を運転すると高温となり、添加される酸捕捉剤も耐熱性が要求される。本発明の酸捕捉剤では前述の加熱劣化試験より、冷媒Ｒ３２の高温高圧下でも酸捕捉剤は一定量以上残存し、酸捕捉能力を保持する為、冷媒にＲ３２を７０質量％以上用いた場合でも空気調和機の信頼性を長期にわたり確保することが出来る。

本発明の空気調和機に適用される冷凍機油は、油温度が４０℃のとき、冷凍機油の粘度が４０ｍｍ²／ｓ〜１００ｍｍ²／ｓであることが望ましい。この範囲より粘度が小さい場合、圧縮機摺動部において油膜を形成できず潤滑不良の発生や、圧縮室の密閉性を保てず効率低下の発生などの問題がある。また、この範囲よりも粘度が高い場合、粘性抵抗や摩擦抵抗等機械損失が増加し、圧縮機効率低下を招く。

本実施例では、実施例１の空気調和機に加えて、水分を吸着するドライヤを設置することで、施工時混入するなどした初期水分を除去することにより、冷凍機油加水分解を防止し、空気調和機の運転初期の酸捕捉剤消耗を回避し、酸捕捉剤効果を長期にわたり確保することが可能となる。

図４に本発明の空気調和機にドライヤを設置した場合のサイクル内水分量、酸捕捉剤量、全酸価の例を示す。曲線５ａ，５ｂ，５ｃはそれぞれ、運転中のサイクル内水分量、酸捕捉剤量、全酸価を表している。空気調和機運転初期では、施工工事時に混入した水分により、全酸価が増加していくが、加水分解が多量に起こる前にサイクルに設置したドライヤによって、水分は除去されるため、全酸価の極端な上昇はない。また、運転時間中盤以降は、冷凍機油に添加された本発明の酸捕捉剤により、機器交換やメンテナンス等での水分混入による酸も除去可能で、全酸価を一定値以下に抑え、空気調和機の信頼性を長期にわたり確保することが出来る。

この空気調和機において、ドライヤに封入する乾燥剤としては、たとえばケイ酸，アルミン酸アルカリ金属複合塩からなる合成ゼオライトが選択するのが望ましい。また、水分吸着性を高める為、ビーズタイプのものを使用し表面積を増やすことも有効である。

また、ドライヤを空気調和機冷凍サイクルに適用する場合には、液接続管に装着した場合、冷媒が気液２相流となり、合成ゼオライト同士がこすれあい磨耗粉を発生させ、配管つまりを発生させる恐れがある。ドライヤを液接続管主流部に設けると、不純物捕捉充填部での圧力損失が増大し、空気調和機１の性能を低下させる恐れがある。

図５（ａ）に、この問題を回避する実施例を示す。空気調和機１室外機１０と室内機３０とを接続する液接続管３からバイパスさせ、ドライヤ１８を設ける。これによって、冷媒流路の抵抗が低減され、空気調和機１の性能を低下させること無く、水分や酸を捕捉することが可能となる。

また、図５（ｂ）のように、ドライヤの前後に電磁弁を設け、液接続管３の温度および圧力より、液冷媒のみの流れであることを判断したときのみ、電磁弁を開放し、冷媒流をバイパスさせ、水分を除去することにより、ドライヤ磨耗粉の発生による、配管・弁類のつまりを防止することができる。また、所定期間運転を行った後、電磁弁を閉めておき、メンテナンスが実施された後の運転時に電磁弁を開けるように制御することで、冷凍サイクル内の水分および酸の量が増加したときだけドライヤを機能させるようにしても良い。

１ 空気調和機
２ ガス接続管
３ 液接続管
１０ 室外機
１１ 圧縮機
１２ 四方弁
１３ 室外熱交換器
１４ 室外送風機
１５ 室外膨張弁
１６ 吸入配管
１８ ドライヤ
１８ａ 電磁弁
３０ 室内機
３１ 室内熱交換器
３２ 室内送風機
３３ 室内膨張弁
１０１ 吸入管
１０２ 吐出管
１０３ 密閉容器
１０４ モータ
１０５ 吐出圧力空間
１０５ａ吐出口
１０６ 旋回スクロール
１０７ 固定スクロール
１０８ フレーム
１０９ 圧縮室
１１０ 回転軸
１１１ クランクピン
１１２ 油溜り
１１３ 油通路

Claims (8)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒と室外空気とを熱交換させる室外熱交換器と、冷媒と室内空気とを熱交換させる室内熱交換器と、冷媒を減圧させる膨張弁と、が配管接続され冷凍サイクルを構成する空気調和機において、
   ポリオールエステル油を基油とし、エポキシ基を有するアルキルグリシジルエーテル化合物を含有した冷凍機油が用いられることを特徴とする空気調和機。
2. 請求項１に記載の空気調和機において、
   前記冷凍サイクルには、Ｒ３２を７０質量％以上含む冷媒が封入されることを特徴とする空気調和機。
3. 請求項２に記載の空気調和機において、
   前記アルキルグリシジルエーテル化合物は、アルキル基が炭素数４〜１０であることを特徴とする空気調和機。
4. 請求項３に記載の空気調和機において、
   前記冷凍機油は、前記アルキルグリシジルエーテル化合物を０．１〜１．０質量％含有することを特徴とする空気調和機。
5. 請求項１に記載の空気調和機において、
   前記冷凍機油は、油温度４０℃のときに粘度が４０ｍｍ２／ｓ〜１００ｍｍ２／ｓであることを特徴とする空気調和機。
6. 請求項１に記載の空気調和機において
   前記室内熱交換器と前記室外熱交換機とを、前記膨張弁を介して接続する液接続管と、
   前記液接続管に並列接続されるバイパス配管と、
   前記バイパス配管に設けられ、前記冷凍サイクル内の水分を吸着するドライヤと、を備えることを特徴とする空気調和機。
7. 請求項６に記載の空気調和機において、
   前記バイパス路であって、前記ドライヤの前後に流路を開閉する電磁弁が設けられることを特徴とする空気調和機。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一つに記載の空気調和機において、
   冷房定格能力が７．１ｋＷ以上であることを特徴とする空気調和機。