JP2006509962A - 冷媒圧縮用往復動式圧縮機 - Google Patents

Abstract

本冷媒圧縮用往復動式圧縮機は、密閉容器（６）の内部に配置されて往復運動力を発生させる駆動部（８）と、駆動部から発生する往復運動力が伝達されることによって冷媒の圧縮を行う圧縮部（１０）と、駆動部と圧縮部の各運動部位に潤滑油を供給して潤滑を行う潤滑部（１２）とから構成される。冷媒としては、自然冷媒の一種である炭素と水素のみで構成された炭化水素が使用され、潤滑油としては、鉱油の一種であるパラフィン系ミネラル潤滑油が使用され、冷凍機器に使用される自然冷媒とよく調和することができる潤滑油を使用することにより、潤滑性能を向上させ、往復動式圧縮機の性能を向上させることができる。

Description

本発明は、冷凍機器で冷媒の圧縮を行う往復動式圧縮機に関し、より詳しくは、冷凍機器に使用される冷媒との相互親和性に優れた潤滑油を使用して潤滑性能を向上させ、冷凍機器の性能を向上させることができる冷媒圧縮用往復動式圧縮機に関する。

最近、冷凍装置、空調装置などに使用されていた冷媒であるクロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）は、成層圏のオゾン層を破壊する原因物質であることが判明され、代替冷媒に関する研究及び適用が活発に行われている。

このようなＣＦＣは、Ｒ１１（トリクロロモノフルオロメタン）、Ｒ１２（ジクロロジフルオロメタン）、Ｒ１３などを含んでおり、このうち、主に冷凍装置の冷媒として使用されるＲ１２は、オゾン層の減少と地球温暖化をもたらす原因物質として現在、規制対象の１つとなっており、その代替冷媒として自然冷媒に関する研究が活発に行われている。

前記自然冷媒とは、水、アンモニア、窒素、二酸化炭素、プロパン、ブタンなどのように、人工化合物ではなく、地球上に自然に存在する物質を冷媒として使用するもので、地球環境に悪影響を及ぼさないため冷媒としての適用が積極的に検討されている。

前記自然冷媒のうち、炭化水素は、炭素と水素のみで構成された冷媒であって、Ｒ５０（メタン）、Ｒ１７０（エタン）、Ｒ２９０（プロパン）、Ｒ６００（ブタン）、Ｒ６００ａ（イソブタン）、Ｒ１２７０（プロピレン）などがある。このような炭化水素は、毒性がなく、化学的に安定的で、特に、鉱油に適切な溶解度を示す。また、炭化水素は、オゾン層破壊指数が０．０であり、地球温暖化指数も非常に低く、二酸化炭素の地球温暖化指数を１としたとき、Ｒ１２は７１００、Ｒ１３４ａは１２００であるが、プロパンはこれより非常に低い３である。

特に、前記イソブタン（Ｒ６００ａ）は、オゾン層を破壊することなく、地球温暖化に影響を及ぼさない環境親和的な天然ガスである。即ち、前記イソブタン（Ｒ６００ａ）は、原油の精製過程で得られる炭化水素ガスを高純度に精製した天然ガスの一種であり、環境有害要素を含まない冷媒である。

しかしながら、前記イソブタン（Ｒ６００ａ）は、前述したような利点を有するにもかかわらず、現在、冷凍システムで使用されている冷却油との関係において、化学的及び物理的性質などの特性が調和することが難しい。従って、イソブタン（Ｒ６００ａ）に適した冷却油の開発が要求されている。特に、前記イソブタン（Ｒ６００ａ）を圧縮するための往復動式圧縮機に使用できる冷却油の必要性が高まっている。

現在使用されている往復動式圧縮機は、図１に示すように、冷媒が吸入される吸入管２と圧縮された冷媒が吐出される吐出管４とがそれぞれ連結される密閉容器６と、密閉容器６の内部に配置されて往復運動力を発生させる駆動部８と、駆動部８から発生する往復運動力が伝達されることによって冷媒の圧縮を行う圧縮部１０と、駆動部８と圧縮部１０の各運動部位の潤滑作用を行う潤滑部１２とから構成される。

このような往復動式圧縮機は、駆動部８が駆動して圧縮部１０が冷媒の圧縮を行うと、潤滑部１２で密閉容器６の底部に保存された潤滑油５０を圧縮部１０の運動部位に供給して潤滑を行う。ここで、圧縮部１０で圧縮される冷媒は自然冷媒である。

このように構成されて動作する往復動式圧縮機に使用される潤滑油５０は、自然冷媒を圧縮する圧縮機の冷却油として使用されるため、その物理的な特性及び化学的な特性が前記自然冷媒とよく調和しなければならない。

即ち、前記往復動式圧縮機の冷却油として使用される潤滑油は、冷媒が溶解しても十分に油膜を保護することができ、高温、低温下で冷媒及び有機材料金属などと接触しても反応しないように熱的及び化学的に十分安定していなければならず、前記圧縮機の高温部でもカーボンスラッジを生成したり、また、酸化したりしない高度の熱安定性を有するなどの特性を必要とする。

このような特性を満たすためには、潤滑油において、粘度、流動点、比重、全酸価、水分含有量などの性状が重要な因子として作用する。

それゆえ、自然冷媒の圧縮を行う往復動式圧縮機において使用される潤滑油が自然冷媒と調和しない場合、オイルの循環が悪くなって冷凍機器の電熱性能を低下させ、潤滑性能の低下により各運動部品の摩擦部に摩耗が発生して各部品の損傷を招くという問題が発生する。

従って、本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、冷凍機器に使用される自然冷媒とよく調和することができる潤滑油を使用することにより、潤滑性能を向上させ、往復動式圧縮機の性能を向上させることができる冷媒圧縮用往復動式圧縮機を提供することを目的とする。

このような目的を実現するための本発明に係る冷媒圧縮用往復動式圧縮機は、吸入管と吐出管とがそれぞれ連結される密閉容器と、前記密閉容器の内部に固定される固定子、及び前記固定子と所定の間隔をおいて配置されて前記固定子との相互作用により直線往復運動する可動子で構成される駆動部と、前記吸入管により吸入され、可燃性及び爆発性を有し、自然冷媒の一種である炭素と水素のみで構成された有機化合物冷媒と、前記駆動部の直線往復運動力が伝達されることによって前記有機化合物冷媒の圧縮を行う圧縮部と、前記密閉容器の底部に満たされたミネラル系潤滑油と、前記駆動部と圧縮部の各運動部位に前記ミネラル系潤滑油を供給して潤滑を行う潤滑部とから構成されることを特徴とする。

前記往復動式圧縮機の固定子は、前記密閉容器に固定されるアウターステータと、前記アウターステータの内周面と所定の空隙をおいて配置されるインナーステータと、前記アウターステータと前記インナーステータとのうち何れか１つに巻回され、外部から電源が印加される巻線コイルとから構成され、前記可動子は、前記アウターステータと前記インナーステータとの間に所定の間隔をおいて配置されて、前記巻線コイルに電源が印加されることによって直線往復運動するマグネットと、前記マグネットが装着されて前記圧縮部に直線往復運動力を伝達するマグネットフレームとから構成されることを特徴とする。

前記往復動式圧縮機の圧縮部は、前記可動子と連結されて直線往復運動するピストンと、前記ピストンが摺動自在に挿入されて所定の圧縮室を形成するシリンダと、前記ピストンに形成された冷媒通路に装着され、前記圧縮室に流入した冷媒が逆流することを防止する吸入弁と、前記シリンダの前方に装着されて吐出される冷媒に対し開閉動作を行う吐出弁とから構成されることを特徴とする。

前記往復動式圧縮機の潤滑部は、前記密閉容器の下部に所定量だけ満たされた潤滑油をポンピングする潤滑油ポンピング部と、前記潤滑油ポンピング部によりポンピングされる潤滑油を前記ピストンと前記シリンダとの間の摩擦部位に供給する潤滑油供給通路とから構成されることを特徴とする。

前記冷媒は、炭化水素系として分子式がＣＨ（ＣＨ₃）₃であるイソブタン（Ｒ６００ａ）であることを特徴とする。
前記往復動式圧縮機に使用される潤滑油は、パラフィン系潤滑油であることを特徴とする。

前記往復動式圧縮機に使用される潤滑油は、１５℃の密度が０．８６６〜０．８８０ｇ／ｃｍ³であり、引火点が１４０℃以上であることを特徴とする。
前記往復動式圧縮機に使用される潤滑油は、４０℃の動粘度が７．２〜２１．８ｍｍ²／ｓであり、粘度指数が７３〜９９であることを特徴とする。

前記往復動式圧縮機に使用される潤滑油は、流動点が−２５℃以下であり、全酸価が０．０１ｍｇＫＯＨ／ｇ以下であることを特徴とする。
前記往復動式圧縮機に使用される潤滑油は、水分含有量が２０ｐｐｍ以下であり、絶縁破壊電圧が３０ｋＶ以上であることを特徴とする。

図１は、一般的な往復動式圧縮機の断面図である。
一般的な往復動式圧縮機は、図１に示すように、冷媒が吸入される吸入管２と圧縮された冷媒が吐出される吐出管４とがそれぞれ連結される密閉容器６と、密閉容器６の内部に配置されて往復運動力を発生させる駆動部８と、駆動部８から発生する往復運動力が伝達されることによって冷媒の圧縮を行う圧縮部１０と、駆動部８と圧縮部１０の各運動部位の潤滑を行う潤滑部１２とから構成される。

駆動部８は、密閉容器６の内部に固定される支持フレーム１４により固定される円筒状のアウターステータ１６と、アウターステータ１６の内周面と所定の空隙をおいて配置されるインナーステータ１８と、アウターステータ１６に巻回され、外部から電源が印加される巻線コイル２０と、アウターステータ１６とインナーステータ１８との間に所定の間隔をおいて配置され、巻線コイル２０に電源が印加されることによって直線往復運動するマグネット２２とから構成される。

また、マグネット２２は、マグネットホルダー２４の外周面に等間隔に固定され、マグネットホルダー２４は、圧縮部１０のピストン２６と連結される。

圧縮部１０は、マグネットホルダー２４と連結されて直線往復運動するピストン２６と、ピストン２６が摺動自在に挿入されて所定の圧縮室３６を形成するシリンダ２８と、ピストン２６に形成された吸入口３０に装着され、圧縮室３６に流入した冷媒が逆流することを防止する吸入弁３２と、シリンダ２８の前方に装着されて吐出される冷媒に対し開閉動作を行う吐出弁３４とから構成される。

潤滑部１２は、密閉容器６の下部に所定量だけ満たされた潤滑油５０と、潤滑油５０をポンピングする潤滑油ポンピング部４０と、潤滑油ポンピング部４０によりポンピングされる潤滑油５０をピストン２６とシリンダ２８との間の摩擦部位に供給する潤滑油供給通路４２とから構成される。

以下、このように構成される一般的な往復動式圧縮機の動作について説明する。
巻線コイル２０に電源が印加されると、巻線コイル２０の周辺にフラックスが形成され、そのフラックスは、アウターステータ１６とインナーステータ１８に沿って閉ループを形成し、アウターステータ１６とインナーステータ１８との間に形成されるフラックスとマグネット２２により形成されるフラックスとの相互作用により、マグネット２２が軸方向に直線運動される。そして、巻線コイル２０に印加される電流の方向を交互に変化させると、巻線コイル２０のフラックスの方向が変わってマグネット２２が直線往復運動される。

すると、マグネット２２の運動がマグネットホルダー２４によりピストン２６に伝達されて、ピストン２６がシリンダ２８の内部で直線往復運動することにより冷媒の圧縮を行う。

即ち、ピストン２６が後退すると、冷媒がピストン２６に形成された吸入口３０を経て圧縮室３６に供給され、ピストン２６が前進すると、吸入弁３２により吸入口３０が閉鎖されることによって圧縮室３６内部の冷媒が圧縮され、その圧縮された冷媒は吐出口４を経て外部に吐出される。

このような圧縮作用中、密閉容器６に満たされた潤滑油５０は、潤滑油ポンピング部４０の動作によりポンピングされて、潤滑油供給通路４２を経てピストン２６とシリンダ２８との間の摩擦部位に供給されて潤滑を行う。

このように構成されて動作する往復動式圧縮機により圧縮される冷媒としては、環境親和的で可燃性及び爆発性を有する自然冷媒が使用される。

ここで、前記自然冷媒中、炭素と水素のみで構成された有機化合物冷媒が主に使用されるが、前記有機化合物冷媒中、炭化水素は、毒性がなく、化学的に安定的で、オゾン層破壊指数が０．０であり、地球温暖化指数も非常に低い炭素と水素のみで構成された冷媒であって、Ｒ５０（メタン）、Ｒ１７０（エタン）、Ｒ２９０（プロパン）、Ｒ６００（ブタン）、Ｒ６００ａ（イソブタン）、Ｒ１２７０（プロピレン）などがある。

特に、前記イソブタン（Ｒ６００ａ）は、炭化水素系として分子式がＣＨ（ＣＨ₃）₃であり、オゾン層を破壊することなく地球温暖化に影響を及ぼさない環境親和的な天然ガスであって、本実施形態の往復動式圧縮機により圧縮される冷媒として使用される。

前記往復動式圧縮機の潤滑を行う潤滑油５０としては、前記炭化水素との親和性に優れ、物理的な特性と化学的な特性を満たす鉱油が使用される。
前記鉱油は、パラフィン系とナフタレン系とに区分され、特に、本実施形態では前記パラフィン系ミネラル潤滑油が使用される。
前記パラフィン系潤滑油の密度は、１５℃で測定された値が０．８６６〜０．８８０ｇ／ｃｍ³であることがより好ましい。

また、前記パラフィン系潤滑油の引火点は、１４０℃以上であることが好ましい。特に、往復動式圧縮機の大きさ及び種類によってそれぞれ異なり、適用される圧縮機の種類によって１６５℃以下、１７５℃以下、１８５℃以下、２００℃以下などにすることがより好ましい。

前記パラフィン系潤滑油の動粘度は、好ましくは、４０℃で７．２〜２１．８ｍｍ²／ｓであり、より好ましくは、適用される往復動式圧縮機の大きさ及び種類に応じて８．２９ｍｍ²／ｓ及び１０．３ｍｍ²／ｓである。

前記パラフィン系潤滑油の粘度指数は、７３〜９９であることが好ましい。
前記パラフィン系潤滑油の流動点は、−２５℃以下であることが好ましい。
前記パラフィン系潤滑油の全酸価は、０．０１ｍｇＫＯＨ／ｇ以下であることが好ましい。

ここで、前記潤滑油の全酸価とは、オイル中に含有されている酸性成分の量であり、試料油１ｇ中に含有されている酸性成分の中和に必要な水酸化カリウム（ＫＯＨ）の量をｍｇで表示したものである。

前記パラフィン系潤滑油の水分含有量は、２０ｐｐｍ以下であることが好ましい。
前記パラフィン系潤滑油の絶縁破壊電圧は、３０ｋＶ以上であることが好ましい。

以上のように構成されて動作する本発明に係る冷媒圧縮用往復動式圧縮機は、往復動式圧縮機により圧縮される自然冷媒である炭化水素との親和性に優れた鉱油の一種であるパラフィン系ミネラル潤滑油を使用することにより、潤滑性能を向上させ、往復動式圧縮機の寿命を延長できるという利点がある。

一般的な冷媒圧縮用往復動式圧縮機の断面図である。

Claims (10)

1. 吸入管と吐出管とがそれぞれ連結される密閉容器と、
   前記密閉容器の内部に固定される固定子、及び前記固定子と所定の間隔をおいて配置されて前記固定子との相互作用により直線往復運動する可動子を有する駆動部と、
   前記吸入管に吸入され、可燃性及び爆発性を有し、自然冷媒の一種である炭素と水素のみで構成された有機化合物冷媒と、
   前記駆動部の直線往復運動力が伝達されることによって前記有機化合物冷媒の圧縮を行う圧縮部と、
   前記密閉容器の底部に満たされたミネラル系潤滑油と、
   前記駆動部と圧縮部の各運動部位とに前記ミネラル系潤滑油を供給して潤滑を行う潤滑部と、
   を含む冷媒圧縮用往復動式圧縮機。
2. 前記固定子が、前記密閉容器に固定されるアウターステータと、前記アウターステータの内周面と所定の空隙をおいて配置されるインナーステータと、前記アウターステータと前記インナーステータのうち何れか１つに巻回され、外部から電源が印加される巻線コイルとから構成され、
   前記可動子が、前記アウターステータと前記インナーステータとの間に所定の間隔をおいて配置されて、前記巻線コイルに電源が印加されることによって直線往復運動するマグネットと、前記マグネットが装着されて前記圧縮部に直線往復運動力を伝達するマグネットフレームとから構成されることを特徴とする請求項１に記載の冷媒圧縮用往復動式圧縮機。
3. 前記圧縮部が、
   前記可動子と連結されて直線往復運動するピストンと、
   前記ピストンが摺動自在に挿入されて所定の圧縮室を形成するシリンダと、
   前記ピストンに形成された冷媒通路に装着され、前記圧縮室に流入した冷媒が逆流することを防止する吸入弁と、
   前記シリンダの前方に装着されて吐出される冷媒に対し開閉動作を行う吐出弁と、
   から構成されることを特徴とする請求項１に記載の冷媒圧縮用往復動式圧縮機。
4. 前記潤滑部が、
   前記密閉容器の下部に所定量だけ満たされた潤滑油をポンピングする潤滑油ポンピング部と、
   前記潤滑油ポンピング部によりポンピングされる潤滑油を前記ピストンと前記シリンダとの間の摩擦部位に供給する潤滑油供給通路と、
   から構成されることを特徴とする請求項１に記載の冷媒圧縮用往復動式圧縮機。
5. 前記冷媒が、炭化水素系として分子式がＣＨ（ＣＨ₃）₃であるイソブタン（Ｒ６００ａ）であることを特徴とする請求項１に記載の冷媒圧縮用往復動式圧縮機。
6. 前記潤滑油が、パラフィン系潤滑油であることを特徴とする請求項１に記載の冷媒圧縮用往復動式圧縮機。
7. 前記潤滑油は、１５℃の密度が０．８６６〜０．８８０ｇ／ｃｍ³であり、引火点が１４０℃以上であることを特徴とする請求項１に記載の冷媒圧縮用往復動式圧縮機。
8. 前記潤滑油は、４０℃の動粘度が７．２〜２１．８ｍｍ²／ｓであり、粘度指数が７３〜９９であることを特徴とする請求項１に記載の冷媒圧縮用往復動式圧縮機。
9. 前記潤滑油は、流動点が−２５℃以下であり、全酸価が０．０１ｍｇＫＯＨ／ｇ以下であることを特徴とする請求項１に記載の冷媒圧縮用往復動式圧縮機。
10. 前記潤滑油は、水分含有量が２０ｐｐｍ以下であり、絶縁破壊電圧が３０ｋＶ以上であることを特徴とする請求項１に記載の冷媒圧縮用往復動式圧縮機。

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