3.3　冷媒と冷凍機油について

(1)　冷媒について

　冷媒とは，通常“フロン”と呼ばれていますが，法律上の正式な呼び方は“フルオロカーボン”です。（以下フロンといいます）
　エアコンに使われる冷媒は，このフロンがほとんどです。フロンの他にはアンモニアや炭酸ガスが一部に使われています。ここではフロンについて記載します。
　フロンは，1920年代に米国で発明され，その冷媒としての優秀な性質から1950年ころからエアコンや冷凍機などに使われ始め，それまで使われていたアンモニアやメチルクロライドなどにとってかわりました。
　近年，このフロンによるオゾン層破壊や地球温暖化の問題が出てきて，全てのフロンを大気に放出することができなくなりました。日本では2001年4月から家電リサイクル法により住宅用エアコンや家庭用電気冷蔵庫が規制の対象になり，2002年4月から業務用空調機器・冷凍冷蔵機器とカーエアコンが規制の対象になりました。
　ここで，冷凍サイクルで冷媒の求められる性質について考えてみましょう。

1)冷媒として求められるものについて

　冷媒として使用されるフロンは，気体冷媒を機械的に圧縮して高温・高圧にし，これを冷却し液化させ，さらに膨張・気化させ，そのときに低温になることを利用して，周囲の温度を下げています。冷凍サイクルやサイクルを構成している部品などは使用状況から様々な性質が要求されます。

(a)　物理的な性質

• 容易に液化すること
• 圧力凝縮が適度に低いこと
  　冷媒として最も必要な性質の一つです。冷媒が凝縮するときの圧力が低いとそれだけ機器や設備の耐圧が小さくでき，安全性の向上や製造コストの低減が可能です。
• 蒸発熱が大きいこと
  　蒸発熱が大きいと，少ない量の液冷媒を蒸発させるだけで大きな冷凍能力が得られます。
• 蒸発圧力が適度に高いこと
  　冷媒が蒸発するときの圧力が大気圧より低いと，冷凍サイクル内に空気を吸い込む恐れがあり，トラブルの要因になります。また，圧縮機の圧縮比が大きくなり効率が低下します。
• 比体積が適度に小さいこと 　
  　気体冷媒の比体積が小さい（気体冷媒の密度が大きい）と圧縮機の小形化ができます。
• 熱伝導率が大きいこと 　
  　冷媒の熱伝導率が大きいことは，熱交換器の性能向上になり，熱交換器を小形化できます。
• 電気絶縁材料を侵さないこと
  　エアコンなどの圧縮機はほとんど電動機を内蔵しており，冷媒が通電部分を通ります。したがって冷媒が電気関係の材料を侵さないことが必要です。

(b)　化学的な性質

• 毒性・刺激性がないこと
  　冷媒は，人体に対して無害であり，安全に作業できることが必要です。
• 可燃性・爆発性がないこと
  　大型冷凍機などに使用されているアンモニアは，効率のよい冷媒ですが，人体に対して毒性があり，可燃性も爆発性もあります。これに対してフロンは安定性がありそれ自体では可燃性や爆発性はほとんど無く非常に安定した冷媒です。
• 化学的に安定で金属などと反応しないこと。
  　冷凍サイクルに使用されるいろいろな部品は，種々の金属材料が使われていますが，これらを腐食させたり劣化させたりしないことが大事です。
• 環境汚染がないこと 　
  　万一冷媒が漏れても周囲の環境に影響が無いことが大事です。

(c)　その他

• 経済性・入手性に優れていること
  　以上のようないろいろな条件を満たす冷媒がフロンですが，近年フロンが漏れた際の影響が地球規模での環境破壊の要因として取り上げられてきました。 　
  　一つは，先に述べたオゾン層破壊の問題です。　これは，フロンの種類により異なりますが，塩素（Cl）原子を含んだフロンが大気中に放出され，地球上の成層圏でオゾンと化学反応し，オゾンがなくなることです。太陽から照射される有害な紫外線を遮断するオゾンが無くなると地球上に降りそそぐ紫外線量が増えて，人体に影響を与えます（皮膚がんや免疫力低下の要因）。 　
  　オゾン層が1％減少すると，地球上に降り注ぐ有害紫外線（UV-B）の量は2％増加し，皮膚がんが3％増加するといわれています（オゾン層破壊による1，2，3の法則）。 　
  　また，塩素を含むフロンは，化学的には極めて安定していますが，300〜400℃以上の高温に過熱された金属に接触すると分解され非常に有害なガスを発生することがあります（ホスゲンやフッ化カルボニルなど）。冷媒が大気中に漏洩した場合は，裸火や高温に加熱された金属に触れないようにする注意が必要です。
  　なお，最近はオゾン層破壊を防止するため，塩素を含まない冷媒（HFC）を使うようになってきました。

2)フロンの分類について

　上記の内容から地球環境に与える影響の内容が異なるために，次の3種類に分類できます。

(a)　CFC（クロロフルオロカーボン）…塩素（Cl）＋フッ素（F）＋炭素（C）
　R-11，R-12，R-502など，オゾン層破壊に最も大きな影響があり，日本では1995年末で生産禁止になっています。

(b)　HCFC（ハイドロクロロフルオロカーボン）…水素（H）＋塩素（Cl）＋フッ素（F）＋炭素（C）
　R-22など，オゾン層の破壊はCFCほどではないが，日本では2020年末で生産が全廃になることが決まっています。現在使用されている冷凍機・空調機のほとんどがHCFC冷媒のうちのR-22を使用しています。

(C)　HFC（ハイドロフルオロカーボン）…水素（H）＋フッ素（F）＋炭素（C）
　R-134a，Ｒ-407C，R-410A，R-404Aなどで，オゾン層を破壊しない冷媒として使われ始めています。
　オゾン層は破壊しませんが，炭酸ガスなどとともに地球温暖化対策の指定対象物質になっています。
　これらを含めた主な冷媒の特性を表3.1に示します。

3)冷媒取扱上の注意について

　フロンを使用する際に，取扱上次のような注意が必要です。

(a)　大気中への排出抑制

　CFC，HCFC冷媒は，大気中に放出されると成層圏のオゾン層を破壊します。また，HFC冷媒はオゾン層を破壊しませんが，地球温暖化には大きな影響があります。従って，機器の据付時，運転時，メンテナンス時，廃棄時には冷媒を漏らさないようにすることが肝心です。

(b)　水分の混入の防止

　冷凍サイクル中に水分が混入すると，エアコンの運転に種々の問題を引き起こします。
　水分は，冷媒・冷凍機油・金属などと化学反応を起こし，冷凍機油の劣化や腐食の原因になります。更に水分量が多くなると，水分が膨張弁やキャピラリ―チューブの部分で氷結し，詰まらせて冷凍サイクルの運転が出来なくなることもあります。

(c)　HFC混合冷媒への対応
　HFC冷媒は，オゾン層破壊防止のために使われ始めた冷媒ですが，取扱上の注意が厳しくなっており，機器の工事説明書やサービス説明書などをよく読んで対応する必要があります。

• 配管内に不純物が残留しないような処置を必ずしてください。
• 冷凍サイクルの真空引きは，機器によっても異なりますが，667Pa（−755mmHg）以下になるようにすることが大事です。
• 非共沸混合冷媒を冷凍サイクルに封入する場合は，液の状態で封入することが大前提です。ガス状態で封入しますと，組成割合が変わるため，異質の冷媒になってしまい，初期の目的を達成できないだけでなく，安全上も問題になります。
• HFC冷媒のうちR-407C，R-410A，R-404Aは非共沸混合冷媒と呼ばれ，2〜3種類のHFC冷媒を混ぜて作られています。

(2)　冷凍機油について

　冷凍機油はエアコンの心臓部である圧縮機の潤滑油として使用され，圧縮機の中の駆動部分の減摩，冷却，防食などの働きをします。また，一部は冷媒と一緒に冷凍サイクルの中を循環します。つまり低温から高温まで（機器によっては約−50℃〜約120℃）の範囲で温度に対しても冷媒に対しても安定した性能が必要です。
　前段の冷媒の項でも述べましたが，冷媒の種類がCFCやHCFCからHFC冷媒に変更になるに伴い，従来の冷凍機油ではHFC冷媒には使えないことが判り，冷凍機油も変更されています。これは，従来の冷凍機油は，CFCやHCFC冷媒に含まれていた塩素（Cl）が潤滑にも冷媒との溶け込みにも作用していたものが，HFC冷媒になり，塩素が含まれなくなったため，潤滑などに問題が出てきたためです。従ってHFC冷媒のエアコンなどでは，冷凍機油も変更になっています。

1)冷凍機油に求められるもの

　エアコンや冷凍機など機器側から求められる性能などから冷凍機油は変わりますが，基本的に必要な特性は次の通りです。

• 圧縮機の潤滑油として：軸受・ピストン・ベーンやローター等の摺動部の焼付けや磨耗を防ぐため充分な潤滑性が必要です。
• 高温安定性について：冷凍サイクルは低温から高温まで幅広い変化をするため，どのような状態でも性能がほとんど変化しない必要があります。
• 低温流動性について：冷凍機油は，冷媒とともに冷凍サイクルを循環するため，低温に晒されます。低温でも流動性を保っていないと，膨張弁やキャピラリチューブ部で凝固して詰り，蒸発器から圧縮機への冷媒の戻りが悪くなり冷凍能力を低下させたりします。
• 冷媒との相溶性について：蒸発器から圧縮機へ油が戻るためには，油と冷媒が一緒になって循環する必要があります。このためには，冷媒と冷凍機油が適度に混ざり合う必要があります（これを相溶性と言います）。混ざり合う程度が大きすぎますと圧縮機が停止しているときに油の中に冷媒が溶け込み，起動時に冷媒の蒸発に伴い油があわ立ち（フォーミング現象），一度に油が圧縮機から排出され，圧縮機の焼き付けを起こすこともあります。逆に混ざり合わない場合は，油が圧縮機から冷媒と一緒に冷凍サイクルに運ばれても途中で滞留して圧縮機に戻ってこなくなり，圧縮機の潤滑が出来なくなることも考えられます。
• その他：エアコンの圧縮機は密閉型になっており，圧縮機の中に電動機が組込まれているため，冷凍機油と電動機は常に接触しております。このために電気的な絶縁性も大事な要素です。

2)冷凍機油の種類について

　冷凍機油は，機器の用途（空調，冷凍，冷蔵等）や形式・機器の容量・使用冷媒により変わります。この冷凍機油は，鉱油と合成油に大別され，主な種類は表3.2のようになります。
　HFC冷媒には従来の鉱油では，相溶性がほぼ完全に損なわれるため，相溶性を持つ合成油が使用されます。

3)冷凍機油取扱上の注意について

　冷凍機油は厳しい品質管理のもとに製造されており，また，機械油と比べても非常に高級な油です。このため，取扱の際には，ある程度きっちりした扱いをしないと，後々トラブルの原因になります。

• 冷凍機油を保管する際には，大気中の湿気を吸収しないように屋内に保管し，さらに日が当らないこと
• 冷凍機油を使用するときは，きれいな器具を使用して，冷凍サイクル内に汚れや水分が入らないようにするとともに，残った場合油缶のふたを素早く閉めて水分やゴミが入らないようにしてください。
• 冷凍機油を油缶等から他の容器に移し替える必要がある場合は，よく乾燥した清潔な容器を準備してください。

図3.1　主なフロンの飽和蒸気線図

表3.1　冷媒の特性概要（冷媒別飽和温度と圧力）