JP2008095506A - 冷媒圧縮機およびそれを搭載したヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】
冷媒用圧縮機に使用されるモータ絶縁フィルムにおいて、二酸化炭素雰囲気下における超臨界状態においても、サイクル内に持ち込まれる水分による加水分解やオリゴマ抽出を低減する。
【解決手段】
冷媒圧縮機５０では、固定子１１と回転子１０とを有するモータ３に圧縮機部２を連結して密閉容器１内に収納している。固定子は鉄心１５とこの鉄心に巻回したコイル１７とを有する。コイルを被覆する絶縁フィルム１８，１９を、ポリエチレンテレフタレートの両面にポリフェニレンサルファイドの層を配置した三層構造フィルムとした。冷媒として二酸化炭素を、潤滑油としてポリアルキレングリコール油系およびエステル油系，エーテル油系の少なくともいずれかを使用可能とした。
【選択図】図１

Description

本発明は冷媒圧縮機およびそれを搭載したヒートポンプ給湯機に係り、特に作動冷媒に二酸化炭素を、冷凍機油にポリアルキレングリコール油系またはエステル油系，エーテル油系を使用したときに好適な冷媒圧縮機およびそれを搭載したヒートポンプ給湯機に関する。

ヒートポンプ給湯機などに使用される二酸化炭素を冷媒に使用した例が、特許文献１に記載されている。この公報では、冷媒に二酸化炭素を用いたときに、冷媒との相溶性や熱化学安定性を考慮して、両末端がアルキル化されたポリアルキレングリコール油を冷凍機油に用いている。

また従来用いられているＨＦＣ冷媒用圧縮機に、加水分解のおきにくいポリエチレンナフタレート（以下ＰＥＮと称す），ポリフェニレンサルファイド（以下ＰＰＳと称す），ポリアミドイミド（以下ＰＡＩと称す）等の材料を用いた例が、特許文献２に記載されている。なお、これらの材料は高価であるから、加水分解性に優れたより安価に適用できる材料として、ポリエチレンテレフタレート（以下ＰＥＴと称す）フィルムの外層にＰＰＳやＰＥＮフィルムを配置した複合フィルムを用いることが特許文献３に記載されている。

さらに、特許文献４には、ＨＦＣ冷媒用圧縮機に、ＰＥＴとＰＥＮの共重合体の両面にポリエチレンナフラテートの層を配置した三層構造フィルムを用いることが記載されている。

特開平１０−４６１６９号公報 特開平８−２３９６７７号公報 特開平７−３３６９２１号公報 特開２００１−５９４７９号公報

上記特許文献１に記載のようにポリアルキレングリコール油を冷凍機油として用いると、二酸化炭素冷媒が超臨界状態になったときには、ポリアルキレングリコール油が吸湿性が高いので、持込水分が増加し、絶縁膜等に用いるＰＥＴフィルムが加水分解により強度劣化するおそれがある。なお、冷凍機油としてポリアルキレングリコール油系のみならず、エステル油系やエーテル油系等の冷凍機油を使用しても、この現象は生ずる。ＰＥＴフィルムが加水分解すると、オリゴマの発生も増加する。この不具合を解消可能な特許文献２に記載のＰＰＳフィルムやＰＥＮフィルム等は、確かにオリゴマの発生も少ないが、一般家庭用に使用する機器には高価過ぎて、さらなる原価低減が求められる。なお、これらフィルムは、靭性が低いので、作業性の点では劣る。

特許文献３および４に記載の複数層からなるフィルムを用いると、代替フロン対応冷凍機においては、確かに加水分解の不具合を解消できるものと思われる。しかしながら、これらのいずれも冷媒として代替フロンを想定しているのみで、二酸化炭素を冷媒とし、しかも冷媒である二酸化炭素を超臨界状態で使用したときに、加水分解性がどのように変化するかについては考慮していない。

本発明の目的は、上記従来技術における不具合を解消するものであって、二酸化炭素が超臨界状態になった冷媒が固定子に流入しても、絶縁フィルムの加水分解やオリゴマ抽出を低減でき、冷媒圧縮機の信頼性を向上させることにある。

上記目的を達成するために、固定子と回転子とを有するモータ部に圧縮機部を連結して密閉容器内に収納した冷媒圧縮機において、前記固定子は鉄心とこの鉄心に巻回したコイルとを有し、このコイルを被覆する絶縁フィルムを、ポリエチレンテレフタレートの両面にポリフェニレンサルファイドの層を配置した三層構造フィルムとした。

そしてこの構成において、ポリエチレンテレフタレートの厚みが２００〜２５０μｍ、ポリフェニレンサルファイドの厚みが１０〜２０μｍであるのが好ましく、圧縮機部は、固定スクロールと旋回スクロールとを有するものであってもよい。また、冷媒として二酸化炭素を、潤滑油としてポリアルキレングリコール油系およびエステル油系，エーテル油系の少なくともいずれかを使用可能とするのがよい。

さらに、ヒートポンプ給湯機は、上記いずれかの冷媒圧縮機を搭載している。

本発明によれば、モータの固定子が有する鉄心とコイル間およびコイルの相間に、ポリエチレンテレフタレートの両面にポリフェニレンサルファイドの層を配置した三層構造のフィルムを用いたので、二酸化炭素が超臨界状態になった冷媒が固定子に流入しても、絶縁フィルムの加水分解やオリゴマ抽出を低減でき、冷媒圧縮機の信頼性が向上する。

近年、地球環境保全といった観点から冷凍サイクルの冷媒はＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）から自然系冷媒に移行している。特に二酸化炭素冷媒については、不燃性および低毒性という利点を有する上に省エネルギーも可能であり活用用途が広まっている。この二酸化炭素を冷媒に使用するのに適した製品としては、電動カーエアコンや寒冷地用暖房機器，ヒートポンプ給湯機がある。

ヒートポンプ給湯機では、二酸化炭素を冷媒に用いることにより、一般家庭用給湯機の主流であるガス式と比べ、ランニングコストを約１／５まで低減できる。また、成績係数（ＣＯＰ：Coefficient of Performance）を３.０ 以上まで高めることができ、電気温水器等と比べても高効率になし得る。具体的には、ヒートポンプ式給湯機にＨＦＣ冷媒を適用すると、冷媒の物性から最高で約６０℃の給湯しかできない上に、非常に高出力の圧縮機が必要となる。これに対して二酸化炭素冷媒を用いると、二酸化炭素の熱物性から、約９０℃の出湯も可能である。

ところで、冷媒に二酸化炭素を用いた場合には、冷凍サイクルに使用する機器を潤滑する冷凍機油は、１２０〜１３０℃の高温および約１５ＭＰａの高圧条件下で使用される。このため、圧縮機の信頼性を確保するための潤滑性は勿論のこと、省エネルギー性および高効率も要求される。これらの要求を満たすために、冷凍機油にポリアルキレングリコール油を用いた密閉型の圧縮機では、冷凍機油がモータ部にまで流れ込むので、ポリアルキレングリコール油と、モータ各部との電気的絶縁が必要となる。

ポリアルキレングリコール油は、モータに使用される油の指標である電機絶縁油の体積抵抗率の規格１０¹³Ωを大きく下回っており、さらに誘電率が約５.０ と高い。冷凍サイクルの稼動時に漏れ電流が増大し、電気用品安全法に定められる漏れ（リーク）電流値
１.０ｍＡ 以下の要求を満足することが困難になっている。

さらに、ポリアルキレングリコールエステル油は、吸湿性が高くかつ加水分解に対して安定であるから、冷凍機油中の水分がＰＥＴフィルムの加水分解を促進する。冷媒が二酸化炭素の場合には、３０℃以上で超臨界状態が形成され、ＰＥＴフィルムの加水分解がより促進される。冷凍サイクルを構成する圧縮機には、これまで比較的安価であり加工性にも優れていることからＰＥＴが広く使われている。しかし、系内に水分が多量に存在すると炭化水素イオンとプロトンを生成し、加水分解が促進されることは、上述したとおりである。

そこで本発明においては、二酸化炭素を冷媒に用い、冷凍機油にポリアルキレングリコールを用いても電気的絶縁を確保できるように、モータの固定子側の絶縁を確実にしている。以下、いくつかの実施例により、図面を用いて、電気絶縁性を確保した冷凍サイクルを説明する。

図１に、本発明に係る密閉型冷媒圧縮機の一実施例を、縦断面図で示す。密閉型冷媒圧縮機５０としては、ロータリ圧縮機やスクロール圧縮機，レシプロ圧縮機を用いることが可能であるが、以下の説明においては、スクロール圧縮機を用いる。冷媒圧縮機５０は、油溜めを兼ねた密閉ケース１内に、圧縮機部２とモータ３部とが収納されている。圧縮機部２は、台板に渦巻状のラップが形成された旋回スクロール４と、この旋回スクロール４のラップと係合するラップが台板に形成され、ラップ同士で圧縮室を形成する固定スクロール５と、固定スクロール５を固定するフレーム６と、旋回スクロール４を回転駆動するクランク軸７と旋回スクロール４を旋回運動させるためのオルダムリング８とを有している。密閉容器１には、冷媒圧縮機５０の外部に連通する吸入パイプ９が密封接続されている。

モータ３部は、鋳鉄製のクランク軸７に固定された回転子１０と、この回転子１０の半径方向外方に僅かに隙間をおいて配置された固定子１１とを有する。クランク軸７は、偏心部１２を有し、一端側に中空状に軸穴１３が形成されている。フレーム６の外周部は、密閉容器１に固定されている。フレーム６には、クランク軸７を回転支持する軸受が保持されている。

クランク軸７の偏心部１２に、旋回スクロール４が回転自在に取付けられており、フレーム６に形成した溝と旋回スクロール４の反ラップ側の台板に設けた溝に、オルダムリング８が摺動自在に配設されている。これにより、旋回スクロール４は自転することなく公転する。この密閉型冷媒圧縮機５０は横軸形であり、密閉容器１の底部には冷凍機油１４が貯溜されている。冷凍機油１４は、オルダムリング８や軸受等の摺動部に給油される。

図２に、図１に示した密閉型冷媒圧縮機５０が有する固定子１１を横断面図で示す。図３に、固定子１１を構成する鉄心１５の正面図を示す。固定子１１の鉄心１５の内周には、周方向に間隔をおいて多数のスロット１６が形成されている。スロット１６位置を合わせて、鉄心１５を多数枚積層し、スロット１６にコイルを形成するマグネットワイヤ１７を複数回巻回する。スロット１６は、２個の台形を長辺部同士で接続した形状であり、その内周辺はクランク軸７に対向する開口部を除いて、スロット絶縁フィルム１８で覆われている。スロット１６のクランク軸７に対向する開口部は、楔絶縁フィルム１９で閉塞されている。

ここで、各絶縁フィルム１８，１９の詳細を、図４に縦断面図で示す。絶縁フィルム
１８，１９は、複合フィルム２３である。複合フィルム２３は、ＰＥＴフィルム２０の両面に配置したＰＰＳフィルム２１を、接着剤２２で接着して形成する。ＰＥＴフィルム
２０の厚みは２００〜２５０μｍであり、ＰＰＳフィルム２１の厚みは１０〜２０μｍである。接着剤で張り合わせた全体の厚みを、２２０μｍ〜３２０μｍ程に調整している。複合フィルム２３の厚さを２２０μｍ〜３２０μｍにしたので、従来用いられているPET単独フィルムとほぼ同程度の厚さとなり、作業性の低下やマグネットワイヤ１７の巻き付け密度の減少を回避できる。

なおＰＰＳフィルム２１は、オリゴマを抽出しない性質を有している。オリゴマを析出しやすいＰＥＴフィルムをＰＰＳフィルム２１で挟持しているので、直接冷媒や冷凍機油がＰＥＴフィルムと接触するのを防止でき、オリゴマの抽出を低減できる。また、二酸化炭素が超臨界状態になる冷凍サイクルでは、絶縁フィルム１８，１９の劣化が予想されるが、このような超臨界状態でも劣化しにくいＰＰＳ層を設けたので、絶縁フィルム１８，１９の劣化の程度も軽減される。

表１に、本発明に係る２種の試料について、オートクレーブテストの結果を示す。このオートクレーブテストは、絶縁フィルムの耐油／冷媒性を評価するテストである。冷凍機油としては、ポリアルキレングリコール油を用いている。ＳＵＳ製の内容積２００ｍＬの耐圧容器に、長さ５０mmで幅３mmのダンベル形状に加工した試料を収容して、試験した。さらに容器に、冷凍機油として、ポリアルキレングリコール油を４０ｇ、冷媒として二酸化炭素冷媒を３０ｇを注入し密封した。オートクレーブ試験条件は、１３０℃で４２日加熱するもので、試験時間経過後に、油の色および酸価，供試品の外観，強度などを測定した。油中の水分量は、＜１００ppmと２０００ppmの２条件とした。

試験後の冷凍機油の酸価を、ＪＩＳ Ｋ２５０１「石油製品及び潤滑油−中和価試験方法」に従って計測した。絶縁材料の引張強度を、ＪＩＳ Ｃ２１１１「電気絶縁紙試験方法」に準じて測定した。測定結果を評価すると、試料１，２のいずれの試験においても、冷凍機油の劣化は認められなかった。試料１のＰＰＳフィルム、試料２のＰＥＮフィルムについては、水分量にかかわらず引張強度の低下は見られない。比較例１のＰＥＴフィルムについては、水分量２００ppm において強度低下率が１００％となり、加水分解が生じている。

伸び率については、試料１のＰＰＳフィルムの場合、水分＜１００ppm で−２０％低下し、水分２０００ppm で−３０％低下しているが、いずれも比較的少ない低下量である。ただし、試料２のＰＥＮフィルムでは、水分＜１００ppm で−８２％、水分２０００ppm で−８５％と、伸び率がかなり低下している。比較例１のＰＥＴフィルムについては、水分＜１００ppm では伸び率の変化は見られなかったが、水分２０００ppmでは完全に加水分解が生じて必要強度を確保できていなかった。

表２に、同様のオートクレーブテストを、試料３，４について実施した結果を示す。冷凍機油および試料形状は上記テストと同一とし、封入する冷凍機油および冷媒も上記テストと同一である。ただ、オートクレーブ試験条件として、１３０℃で１２６日加熱することとした。試験時間経過後に、上記テストと同様に、油の色および酸価，供試品の外観，強度などを測定した。実機の冷凍サイクルにおける圧縮機の稼働時間は、年間２００００時間以上と推測されるから、加熱時間を１２６日まで、延ばした。また、水分依存度を検証するために、冷凍機油中の水分を２００ppm および４００ppm ，６００ppm ，１０００ppm と変化させた条件で試験した。

いずれの試料３，４においても、冷凍機油の劣化は認められなかった。絶縁材料に関しては、試料３のＰＰＳフィルムでは、水分による影響があまり見られず安定した引張強度を保持している。ただし、初期の強度は、ＰＥＴの方が優れている。これは、ＰＰＳフィルム自体の靭性が低いためである。伸び率については、水分４００ppm を越えた所で変化率が増加している。オリゴマは抽出されなかった。

試料４のＰＥＮフィルムでは、水分２００ppm のときには引張強度の低下は見られないが、水分を４００ppm 以上にすると引張強度は急激に低下し、水分１０００ppm になると所望の強度を確保できない。この試料４の伸び率については、ＰＥＴ以上に水分の影響を受けやすい。オリゴマは、抽出されなかった。比較例２のＰＥＴフィルムでは、水分量の増加に比例して引張強度が低下している。また、伸び率は、水分２００ppm では試料３のＰＰＳフィルムと同程度であるが、水分４００ppm 以上になると試料４のＰＥＮフィルムとほぼ同等である。オリゴマは、水分４００ppm を越えた所で抽出量が増加している。

表１および表２に示した試験結果から、水分の影響を最も受けない材料がＰＰＳフィルムであり、ＰＥＮフィルムは加熱時間が少ない所では水分の影響を受けにくいが、加熱時間の増加に伴いＰＥＴフィルム以上に水分の影響を受けることが判明した。したがって、ＰＥＴフィルムの両面に加水分解特性に優れオリゴマが抽出されないＰＰＳフィルムを配置した三層構造の複合フィルムとすれば、フィルムの靭性を保ちつつ加水分解による引張強度や伸び率の低下を生ぜずオリゴマの抽出が少ない耐熱性に優れた絶縁フィルムが得られることが分かる。

また、試料２のＰＥＮフィルムは、加熱時間が少なければ引張強度に優れている。しかし、実際の冷凍サイクルに使用した場合には、吸湿性の高い冷凍機油が使用されるので、フィルムの強度低下を引き起こしたり、絶縁不良や破損したフィルムの破片による摺動部の損傷を引き起こすおそれがある。そのため、ＰＰＳの代わりにＰＥＮを使用すれば、必ずしも信頼性の向上にはつながらないおそれがある。

次に絶縁フィルムの厚みについて検討した。現在、モータ３の絶縁フィルムに使用しているＰＥＴフィルムは、単層で２５０μｍである。そこで、ＰＥＴの両面にＰＰＳを配置した三層構造の複合フィルムでもほぼ同程度の厚みにするのが望ましい。そこで、ＰＥＴフィルム層を２００〜２５０μｍ、好ましくは２１０μｍとし、ＰＰＳ層を１０〜２０
μｍ、好ましくは１６μｍとした。接着層は、４μｍ程度とした。

絶縁フィルム１８，１９の厚みを、従来の単層フィルムと同程度としたので、コイル
１７の巻線密度を減少させずに、十分な作業性を確保することができる。なお、複合フィルムの厚みを薄くすると作業性は向上するが、各フィルムが破損しやすくなる。逆に複合フィルムの厚みを増すと、コイルの巻線密度が減少し、モータ効率が低下したりモータを大型化せざるを得なくなる。ＰＰＳフィルムの厚みを厚くすると、加水分解性およびオリゴマ抽出特性が向上するが、作業性が低下したり初期強度が低下する原因となる。この場合、コストアップも生じる。逆に、ＰＰＳフィルムの厚みを薄くすると、ＰＰＳフィルムが有する耐加水分解性が劣化する。なお、接着剤としてはウレタン系の接着剤やポリイミド系の接着剤を使用できる。ウレタン系の接着剤の場合には、冷凍機油の劣化を考慮して使用する。ポリイミド系の接着剤の場合には耐熱性に富むので、接着剤の影響が少なくて済む。

密閉型冷媒圧縮機のモータに上記複合フィルムを適用して、ヒートポンプ給湯機１００を構成した例を、図５を用いて説明する。まず、冷凍サイクルから説明する。それぞれの機器は冷媒配管で接続されていて、その中に冷媒を封入して密封し、ヒートポンプ回路
１１０を構成しており、給湯に必要な大能力を実現させるため、さらにもう１つのヒートポンプ回路１１０ａを追加した２つのヒートポンプ回路からなる。なお、本実施例においては、２つのヒートポンプ回路により給湯器を構成したが、圧縮機や熱交換器の性能，給湯能力によって１つの回路でも３つ以上の回路を用いても良い。

圧縮機１０１及び圧縮機１０１ａにより圧縮された冷媒（ＣＯ₂ ）は、熱交換器１０２に流入される。熱交換器１０２は、冷媒を凝縮させる凝縮器１０３，１０３ａと湯水を沸き上げる水熱交換器１１１さらに浴槽水熱交換器１４４が一体に組込まれている。熱交換器１０２から流れ出た冷媒は減圧装置１０５，減圧装置１０５ａの作用によって減圧され低温低圧の冷媒となる。そして、蒸発器１０６，蒸発器１０６ａにおいて、送風機１０９及び送風機１０９ａによって送風される外気から熱を吸収して、アキュムレーター１０７，アキュムレーター１０７ａを介して再び圧縮機１０１及び圧縮機１０１ａに吸入される。

１０８及び１０８ａはバイパス弁で、これを開くことによって圧縮機１０１及び圧縮機１０１ａから吐出される高温高圧の冷媒を蒸発器１０６及び１０６ａに通流させることで、蒸発器１０６及び１０６ａに付着した霜を融解させる（除霜制御）。この除霜制御のタイミングは、２つの冷媒回路同時であっても良いし、ずらしても良い。ずらした場合は、能力が多少低下するが間断無く給湯ができるという効果がある。

次に、水道管１１６から水を取り入れ、熱交換器１０２を介して直接利用側に給湯し、または後述するように内部で水を循環させることで所定の温度に沸かし上げる水循環回路１２２の給湯回路について説明する。この水循環回路１２２には、熱交換器１０２，減圧逆止弁１１７，流量センサー１２１，逆止弁１４８，１４９，給湯タンク１１３，循環ポンプ１１５，給湯タンク１１３からの湯と水熱交換器１１１からの出湯を混合するミキシングバルブ１６１，ミキシングバルブ１６１からの湯と水を混合するミキシングバルブ
１６２，湯の流量を調整する流量調整弁１６３を水配管で接続して構成している。また、浴槽水回路は熱交換器１０２と、注湯電磁弁１５１，逆止弁１５０，水位センサー１６０，浴槽用の循環ポンプ１４６で構成されている。本実施例に係るヒートポンプ給湯機は、従来のように大型の貯湯槽を用いることなく小型軽量な給湯機とする。

本実施例によっても、二酸化炭素が超臨界状態になった冷媒が圧縮機モータの固定子に流入しても、絶縁フィルムの加水分解やオリゴマ抽出を低減でき、冷媒圧縮機の信頼性を向上できる。

本発明に係る密閉型冷媒圧縮機の一実施例の縦断面図である。 図１に示した密閉型圧縮機が有するモータの固定子の横断面図である。 図１に示したモータの固定子のスロット部の詳細横断面図である。 本発明に係る複合フィルムの一実施例の断面図である。 本発明に係るヒートポンプ給湯機の一実施例のシステム図である。

符号の説明

１ ケース（密閉容器）
２ 圧縮機部
３ モータ
４ 旋回スクロール
５ 固定スクロール
６ フレーム
７ クランク軸
８ オルダムリング
９ 吸入パイプ
１０ 回転子
１１ 固定子
１２ 偏心部
１３ 軸穴
１４ 冷凍機油
１５ 鉄心
１６ スロット
１７ マグネットワイヤ（コイル）
１８ スロット絶縁フィルム
１９ 楔絶縁フィルム
２０ ＰＥＴフィルム
２１ ＰＰＳフィルム
２２ 接着剤
５０ 冷媒圧縮機

Claims (5)

1. 固定子と回転子とを有するモータ部に圧縮機部を連結して密閉容器内に収納した冷媒圧縮機において、前記固定子は鉄心とこの鉄心に巻回したコイルとを有し、このコイルを被覆する絶縁フィルムを、ポリエチレンテレフタレートの両面にポリフェニレンサルファイドの層を配置した三層構造フィルムとしたことを特徴とする冷媒圧縮機。
2. 前記ポリエチレンテレフタレートの厚みが２００〜２５０μｍ、ポリフェニレンサルファイドの厚みが１０〜２０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の冷媒圧縮機。
3. 前記圧縮機部は、固定スクロールと旋回スクロールとを有することを特徴とする請求項１または２に記載の冷媒圧縮機。
4. 冷媒として二酸化炭素を、潤滑油としてポリアルキレングリコール油系およびエステル油系，エーテル油系の少なくともいずれかを使用可能としたことを特徴とする請求項１または２に記載の冷媒圧縮機。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の冷媒圧縮機を搭載したことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
   
   

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