JP2008185290A - 二酸化炭素冷媒ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】二酸化炭素冷媒（ＣＯ₂ ）を用いたヒートポンプ式給湯機において、漏れ電流を容易に低減でき、圧縮機摺動部の耐摩耗性を確保できる、かつ環境に配慮したヒートポンプ式給湯機を提供する。
【解決手段】二酸化炭素冷媒を吸入圧縮する密閉型電動圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒を放熱する熱交換器と、前記熱交換器から流出する冷媒を減圧する減圧器と、前記減圧器にて減圧された冷媒を吸熱させる熱交換器を介し循環する冷凍サイクルにおいて、密閉型電動圧縮機の冷凍機油として、ポリオールエステル油、もしくはそれらの混合油を用いたヒートポンプ式給湯機。
【選択図】図１

Description

本発明は、二酸化炭素冷媒を用いたヒートポンプ式給湯機に関する。

近年、電動カーエアコン，寒冷地用暖房機器及び給湯機等の冷凍サイクルの冷媒には、地球環境保全や不燃性，低毒性の観点より自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ₂ ）が注目されている。

地球環境問題といった観点から更なる省エネルギー化，高効率化が要求されており、給湯機については、二酸化炭素を用いたヒートポンプ式が採用されつつある。ヒートポンプ式給湯機は、一般家庭用給湯機の主流であるガス式と比べ、ランニングコストが約１／５と低く、電気温水器と比べても成績係数(ＣＯＰ：Coefficient of Performance) が３.０以上の高効率化が可能である。例えばヒートポンプ式給湯機にＨＦＣ（Hydro Fluoro
Carbons）冷媒を適用すると、冷媒の熱物性から最高で約６０℃の給湯しかできず、更には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た場合、冷媒の熱物性から約９０℃の出湯も可能であるという優位性がある。

冷媒とともに密閉型電動圧縮機に使用される冷凍機油は、圧縮機の摺動部の潤滑，密封，冷却等の役割を果たすものである。二酸化炭素冷媒を用いた圧縮機は、高温（１２０〜１３０℃），高圧（約１５ＭＰａ）条件であり、冷凍機油の使用される環境が厳しい。このため圧縮機の信頼性確保の面から潤滑性が高い冷凍機油が求められる。また、更には省エネルギー化，高効率化に対応するための冷凍機油が要求される。また、圧縮機内にはエステル系絶縁フィルム（主に耐熱ＰＥＴ：Poly Ethylene Terephtalate）が使用されていることから、系内に水分が多量に存在すると炭酸水素イオンとプロトンを生成するため従来のＨＦＣ冷媒雰囲気よりも劣化が著しい。従って吸水性が低い冷凍機油が好ましい。

特開平１０−４６１６９号（特許文献１）には、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が開示されている。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は、冷媒との相溶性や熱化学安定性が優れるので、現在の二酸化炭素を冷媒としたヒートポンプ式給湯機に主として採用されている。

特開２０００−１０４０８４号公報（特許文献２）には、ポリオールエステル油が開示されている。特開２００１−２９４８８６号公報（特許文献３），特開２０００−110725号（特許文献４），特開２００３−３３６９１６号公報（特許文献５）には、炭化水素油を用いることが開示されている。炭化水素油としては、アルキルベンゼン油，ポリαオレフィン油等が挙げられる。

特開平１０−４６１６９号公報 特開２０００−１０４０８４号公報 特開２００１−２９４８８６号公報 特開２０００−１１０７２５号公報 特開２００３−３３６９１６号公報

ポリアルキレングリコール油は電気絶縁油としての体積抵抗率の規格である１０¹³Ω・cmを大きく下回り、更に誘電率が約５.０ と非常に高く、システム稼動時における漏れ電流が増大しやすいという問題がある。特にお湯を使用する毎にヒートポンプサイクルを起動して必要量だけ給湯する瞬間式給湯機の場合、始動時から大容量の圧縮機を高速回転させて出湯するため漏れ電流が非常に大きくなる。

従って、電気用品安全法（電気用品の製造，輸入，販売等を規制するとともに、電気用品の安全性の確保につき民間事業者の自主的な活動を促進することにより、電気用品による危険及び障害の発生を防止することを目的）に定められる漏れ（リーク）電流値１.０ｍＡ以下を満足することが難しい。この漏れ電流を抑制するためには、始動時における圧縮機の回転数を抑制したり、漏洩電流低減回路（キャンセラ回路）を追加したりする必要が生じる。

また、ポリアルキレングリコール油は加水分解に対して安定であるものの、非常に吸水性が高い。従って油中水分が圧縮機内のエステル系絶縁フィルムの加水分解に寄与するのを防止するため、水分を管理するための設備や時間を要する。

ポリオールエステル油は、二酸化炭素冷媒との相溶性が非常に高く、圧縮機内での溶解粘度が大幅に低下することから封入する油粘度も非常に高くなるという問題がある。従って、圧縮部のシール性が低いと圧縮効率の低下が起こってしまう。特に二酸化炭素を用いたヒートポンプサイクルは超臨界状態で運転されるため相溶性が高すぎると冷凍サイクルへの油流出が多くなり、圧力損失や熱交換効率が大幅に低下する恐れがある。

炭化水素油は、誘電率等の電気特性に優れており、吸水性が低く、二酸化炭素と非相溶性を示す。しかし、炭化水素油自体の潤滑性が劣るため二酸化炭素を冷媒とする過酷な摺動条件では不適切である。また、アルキルベンゼン油は粘度指数が小さいため冷凍サイクルの低温部での粘度が増大し滞留するため不向きである。ポリαオレフィン油は粘度指数が高く低温流動性に優れるが、圧縮機への油戻りの面で万全ではなく、圧縮機内の油量が減少することによる摺動部材の摩耗が増加もしくは焼付きを生じてしまう問題がある。

本発明は上記に鑑み、漏れ電流を容易に低減し、圧縮機の長期信頼性を確保しつつ、かつ省エネルギー化，高効率化が可能な環境に配慮したヒートポンプ式給湯機を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本願発明の特徴は、ヒートポンプ式給湯機用の冷凍機油に、二酸化炭素と程好い相溶性を示し、かつ誘電率が小さく吸水性が低い冷凍機油を用いたことにある。具体的には、
（１）二酸化炭素冷媒を吸入圧縮する密閉型電動圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒を放熱する熱交換器と、前記熱交換器から流出する冷媒を減圧する減圧器と、前記減圧器にて減圧された冷媒を吸熱させる熱交換器を介し循環する冷凍サイクルを有するヒートポンプ式給湯機において、密閉型電動圧縮機の冷凍機油として、（化１）または（化２）の一般式（式中、Ｒは炭素数１１〜１９のアルキル基を表す。）で表されるポリオールエステル油のいずれかを使用したことを特徴とする。

冷凍機油は（化１）または（化２）の混合油、またはこれらのポリオールエステル油と他の油との混合油としてもよい。
（２）冷凍機油の動粘度は１００℃で１０〜３０mm²／ｓ の粘度範囲であり、かつ粘度指数が１２０以上であることが好ましい。
（３）本発明のヒートポンプ式給湯機は、フィルタ回路の一方を交流電源とアースに接続し、もう一方の端子間の交流電圧を測定し、この電圧を１ｋΩで除した漏れ電流値が１
ｍＡ以下となる。
（４）ヒートポンプ式給湯機に用いる圧縮機内の有機絶縁材料は、物理的及び化学的に劣化を受けない材料とする必要がある。
（５）ヒートポンプ式給湯機は２つのヒートポンプサイクルを有していてもよい。同時起動運転を行うことで、瞬間式ヒートポンプ式給湯機として使用できる。

上記構成を有する本願発明によれば、ヒートポンプ式給湯機の漏れ電流を抑制でき、かつ圧縮機摺動部の摩耗を大幅に抑制できる。

本発明のヒートポンプ式給湯機は、二酸化炭素冷媒を吸入圧縮する密閉型電動圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒を放熱する熱交換器と、前記熱交換器から流出する冷媒を減圧する減圧器と、前記減圧器にて減圧された冷媒を吸熱させる熱交換器を介し循環する給湯機で構成される。

本発明のヒートポンプ式給湯機の冷媒は二酸化炭素である。

二酸化炭素冷媒を使用した給湯機では、高圧側で約１５ＭＰａ、低圧側でも約３ＭＰａもの圧力となるので、圧縮機等の摺動部は過酷な摺動条件となる。また、従来のハロゲン系の冷媒とは異なり、冷媒自身の潤滑保持力が期待できない。さらに、圧縮機の摺動部摩耗を増加させるため、給湯機の長期信頼性を低下させる懸念がある。更にはサイクル内に水分が存在すると、二酸化炭素冷媒が炭酸となるために密閉式電動圧縮機に使用するエステル系絶縁フィルムの大幅な機械強度や伸び低下を引き起こす。

上記本発明の給湯機に用いられる密閉型電動圧縮機の冷凍機油は、次の一般式（式中、Ｒは炭素数１１〜１９のアルキル基を表す。）のポリオールエステル油、もしくはそれらの混合油である。分子中にエステル結合を少なくとも４ケ保有する脂肪酸のエステル油の群から選ばれる少なくとも１種が好ましい。

これらのポリオールエステル油は、多価アルコールと１価の脂肪酸とから合成され、熱安定性に優れるヒンダードタイプが好ましい。例えば、多価アルコールとしては、ペンタエリスリトール，ジペンタエリスリトールがある。１価の脂肪酸としては、炭素数が１２〜２０であり、ｎ−ドデカン酸，ｎ−トリデカン酸，ｎ−テトラデカン酸，ｎ−ペンタデカン酸，ｎ−ヘキサデカン酸，ｎ−ヘプタデカン酸，ｎ−オクタデカン酸，ｎ−ノナデカン酸，ｎ−エイコサン酸，ｉ−ドデカン酸，ｉ−トリデカン酸，ｉ−テトラデカン酸，ｉ−ペンタデカン酸，ｉ−ヘキサデカン酸，ｉ−ヘプタデカン酸，ｉ−オクタデカン酸，ｉ−ノナデカン酸，ｉ−エイコサン酸等があり、これら単独又は２種類以上の混合脂肪酸を用いる。

上記冷凍機油により、潤滑性を向上させ、圧縮機摺動部において摩耗を防止できる。また、漏洩電流の制御手段やキャンセラ回路を用いない場合でも、漏洩電流を大幅に低減可能であり、信頼性が向上する。

二酸化炭素ではフロン系冷媒対応油と比べて若干高めの粘度グレードの冷凍機油を用いることが潤滑性やシール性の上で好ましい。ポリオールエステル油の粘度（ＪＩＳ Ｋ ２２８３で測定）は、１００℃において１０〜３０mm²／ｓの範囲が好ましい。

冷凍機油の粘度が１０mm²／ｓ 以上であると、二酸化炭素冷媒を溶解させたときの粘度が充分に高く、圧縮機摺動部での油膜が十分に保持されるので潤滑性を保てる。また、二酸化炭素の拡散係数より圧縮部のシール性も保てる。

また、一方、冷凍機油の粘度が３０mm²／ｓ 以下であれば、粘性抵抗，摩擦抵抗等の機械損失を抑制し、圧縮機の効率を高く維持できる。また、粘性が高すぎないので、圧縮機への油戻り量を維持できる。

また、冷凍機油の粘度指数（ＪＩＳ Ｋ ２２８３で測定）は、冷凍サイクル低温部、特に蒸発器での冷凍機油の滞留を考慮し、圧縮機への油戻り量を確保するため粘度指数
１２０以上のものを使用することが好ましい。式中Ｒにおける主成分の炭素数が１１以上の脂肪酸を用いたポリオールエステル油であると、油戻り量の確保が可能である。

電気絶縁の耐熱クラスは電気絶ＪＥＣ−６１４７（電気学会電気規格調査標準規格）で規定されている。二酸化炭素冷媒用圧縮機に採用されている絶縁材料も例外なく前記規格の耐熱種により選定される。

しかし、冷凍空調機器用の有機絶縁材料の場合、冷媒雰囲気中という特殊な環境で使用されるため、温度以外にも圧力による変形・変性を抑制すること、更には冷媒や冷凍機油といった有極性化合物にも接触するため耐溶剤性，耐抽出性，熱的・化学的・機械的安定性，耐冷媒性（クレージング（皮膜にストレスを与えた後、冷媒に浸漬すると発生する微細な蛇腹状クラック），ブリスタ（皮膜に吸収された冷媒が、温度上昇によって引き起こされる皮膜の気泡））等も考慮しなくてはいけない。二酸化炭素冷媒が圧縮機内で超臨界状態になるヒートポンプ式給湯機では一般の冷凍・空調機器と比較して絶縁材料の使用環境が厳しい。このため、より高い耐熱クラス（Ｂ種１３０℃以上）の絶縁材料を使用する必要がある。

圧縮機内で最も多く使用される絶縁材料はＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）である。用途としては、分布巻モータの鉄心とのコイル絶縁にフィルム材が用いられ、コイルの縛り糸、モータの口出し線の被覆材に繊維状のＰＥＴが使用されている。これ以外の絶縁フィルムとしては、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド），ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート），ＰＥＥＫ（ポリエーテル−テルケトン），ＰＩ（ポリイミド），ＰＡ（ポリアミド）などが挙げられる。また、コイルの主絶縁被覆材料には、ＴＨＥＩＣ変性ポリエステル，ポリアミド，ポリアミドイミド，ポリエステルイミド，ポリエステルアミドイミド等が使用され、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が好ましく使用される。

本発明では前記した冷凍機油に潤滑性向上剤，酸化防止剤，酸捕捉剤，消泡剤，金属不活性剤等を添加しても全く問題はない。特にポリオールエステル油は、水分共存下で加水分解に起因する劣化が生じるため、酸化防止剤，酸捕捉剤の配合は必須である。酸化防止剤としては、フェノール系であるＤＢＰＣ（２，６−ジ−ｔ−ブチル−ｐ−クレゾール）が好ましい。酸捕捉剤としては、エポキシ系，カルボジイミド系などがあるが、脂肪族のエポキシ化合物が一般的に用いられる。

（ヒートポンプ式給湯機の方式）
ヒートポンプ式給湯機には主として２通りの給湯方式があり、深夜電力を利用してヒートポンプサイクルを稼動し、家庭が一日で使用するお湯をタンクに貯めておく貯湯方式と、お湯を使用する毎にヒートポンプサイクルを起動して必要量だけ給湯する瞬間式とがある。

一般的には貯湯方式が主流である。貯湯方式は、深夜電力を使うことによりコスト削減が可能であり、また加熱に長時間をかけるため高出力コンプレッサが不要である点が優れている。大容量の貯湯タンクからなるタンクユニットをヒートポンプサイクルユニットと別に設置するため、設置スペースが広い場所に適する。なお、貯湯方式では、お湯の使用量がタンクの容量に制限され、湯切れの問題がある。

一方、瞬間式は、給湯するまでの間のお湯を貯めておく補助的な小容量のタンクで済むので、貯湯時のユニットが軽量である。また、小さいのでヒートポンプサイクルユニット内にタンクを納めることができ、設置場所の省スペース化ができるため、マンション等の集合住宅といった狭いスペースにも設置し易いという優位性がある。さらに、その都度運転し給湯するので湯切れの心配もない。貯湯方式と比べ稼働時間が大幅に少なくなるので、ＣＯＰも向上し、更なる省エネルギー化が図れる等の利点がある。なお、瞬間式の場合では高出力の圧縮機が必要となる問題がある。

なお、上記の冷凍機油は、ヒートポンプ式給湯機のほか、二酸化炭素冷媒を用いた電動カーエアコン，ルームエアコン及び寒冷地向暖房器具，自動販売器等にも適用できる。

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。本実施例では二酸化炭素を用いたヒートポンプ式給湯機に関して記載する。本実施例で用いたヒートポンプ式給湯機の基本的な構成図を図１に、大凡の配置図を図２に示す。基本的な構成は、二酸化炭素冷媒が循環する冷媒サイクルと給水された水を加熱するサイクルとに分類される。図中の実線が冷媒サイクルであり、波線が水サイクルとなっている。

ヒートポンプ式給湯機には前記したように２通りの給湯方式がある。深夜電力を利用してヒートポンプサイクルを稼動し、家庭が一日で使用するお湯をタンク７に貯めておく貯湯方式と、お湯を使用する毎にヒートポンプサイクルを起動して必要量だけ給湯する瞬間式とがある。本実施例では、特に漏れ電流や圧縮機の摩耗が問題になる高出力圧縮機を搭載した瞬間式のヒートポンプ式給湯機を用いて説明する。瞬間式は高出力を要するため、図のように冷媒サイクルを二系統とすることができる。

まず二酸化炭素冷媒サイクルについて説明する。圧縮機１Ａ，１Ｂは、低温，低圧の冷媒ガスを圧縮し、高温、高圧の冷媒ガスを吐出して水冷媒熱交換器２に送る。水冷媒熱交換器２に送られた冷媒ガスは、その熱を給水された低温の水に顕熱交換する。その後、電動膨張弁３を通り、低温，低圧となって空気側熱交換器４Ａ，４Ｂへ送られる。空気側熱交換器４Ａ，４Ｂに入った冷媒は周囲から熱を吸収して蒸発し、送風ファン５Ａ，５Ｂにより冷気を放出する。空気側熱交換器４Ａ，４Ｂを出た低温，低圧の冷媒ガスは再び圧縮機１Ａ，１Ｂに吸込まれ、以下同じサイクルが繰り返される機構となっている。二酸化炭素冷媒は超臨界サイクルとなるため高圧側は臨界点を超え、圧力を任意で設定できることから容易に１００℃近い高温水を得ることが可能である。

次に水を加熱するサイクルについて説明する。最初に給水口６から供給された低温の水は水冷媒熱交換器２に送られて冷媒から熱を得てお湯となり、一度貯湯タンク７に送られて出湯口８から給湯される。その際に給水された水は温度調節するために直接的に水冷媒熱交換器２から送られてきたお湯と混合されるためにも使用される。また、水冷媒熱交換器２は給水された水以外にも、保温のため貯湯タンク７のお湯を再加熱したり、図示はしていないが、風呂浴槽の追い炊き等、更には床暖房や浴室暖房といった家庭用のトータルエネルギーシステムとしての熱源にも使用される。

本実施例で用いた瞬間式では容量が小さい補助タンクを用いるため、図２に示すように熱源ユニットと貯湯タンクユニットを一体型した構成とする。なお、一般的にヒートポンプ式給湯機として用いられている貯湯方式では、大容量の貯湯タンクを設け、熱源ニユットと貯湯タンクユニットを別々の構成とする。瞬間式とすることにより設備のコンパクト化を図ることができる。

ヒートポンプ式給湯機の密閉型電動圧縮機は、主としてスクロール式やロータリー式等容積形圧縮機を用いる。圧縮手段の例として横置スクロール式圧縮機の縦断面図を図３に示す。圧縮機は固定スクロール部材９の端板１０に直立する渦巻状ラップ１１と、この固定スクロール部材９と実質的に同一形状の端板１２，ラップ１３からなる旋回スクロール部材１４とをお互いにラップ１１とラップ１３とを向い合わせにして噛み合わせて圧縮機構部を形成し、旋回スクロール部材１４をクランクシャフト１５によって旋回運動させる。固定スクロール部材９及び旋回スクロール部材１４によって形成される圧縮室（１５ａ，１５ｂ……）のうち、最も外側に位置している圧縮室は、旋回運動にともなって容積が次第に縮小しながら、両スクロール部材９，１４の中心に向かって移動していく。両圧縮室１５ａ，１５ｂが両スクロール部材９，１４の中心近傍に達したとき、両圧縮室１５ａ，１５ｂが吐出口１６と連通して、両圧縮室内の圧縮ガスが吐出パイプ１７から圧縮機外に吐出される。

本圧縮機では、圧力容器１８内に電動モータ１９が内蔵されており、圧縮機は一定速あるいは図示しないインバータによって制御された電圧に応じた回転速度でクランクシャフト１５が回転し、圧縮動作を行う。また、吐出パイプ１７の下部に油溜め部が設けられており、この冷凍機油２０は圧力差によってクランクシャフト１５に設けられた油孔２１を通って、旋回スクロール部材１４とクランクシャフト１５との摺動部、滑り軸受け２２等の潤滑に供給される。

〔実施例１〕
実施例１では前記した給湯機を用いて１８０日運転する実機試験を行った。給湯機を７℃（春秋期を想定）の恒温室内で運転し、給湯温度を約４２℃で最も湯量が得られる条件（吐出圧力約９ＭＰａ，吐出温度８０℃）において、高速高負荷での連続試験を行った。本実施例では冷凍機油として表１に示す化合物Ａ（ＰＯＥ：ポリオールエステル油（ポリオールがペンタエリスリトール系であり、脂肪酸が炭素数１８分岐鎖脂肪酸と炭素数１６直鎖脂肪酸とのポリオールエステル油））を圧縮機に封入した。なお、モータの鉄心とのコイル絶縁には耐熱ＰＥＴフィルム（Ｂ種１３０℃）を、コイル主絶縁には、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。

次に評価項目について説明する。給湯機の信頼性を確保する上で圧縮機の摩耗を抑制することが重要である。そのため給湯機の評価には圧縮機の摩耗状態に着眼し、試験前後での滑り主軸受け〜シャフト間の摩耗による隙間増加量を測定した。滑り軸受け〜シャフト間の隙間増加量が増えるほど摩耗量が大きいことを示しており、一般に隙間増加量が増えるに伴い振動や騒音が大きくなる。一般に冷媒との相溶性が劣ると圧縮機への油戻り量が少なくなり、摺動部の潤滑不良を起こすと言われる。更に、漏れ電流を測定するため、フィルタ回路の一方を交流電源とアースに接続し、もう一方の端子間の交流電圧を測定し、この電圧を１ｋΩで除した値を漏れ電流として測定した。給湯機起動時に漏れ電流が多くなることから運転開始１分間で最も高い電流値を実施例に記載した。また、ＣＯＰ
（Coefficient of Performance）を測定し、現在二酸化炭素用冷凍機油として一般的に使用されている化合物Ｂ（ＰＡＧ：ポリアルキレングリコール油）を１００％（基準）として比較例１に表示した。比較例２には、化合物Ｃ（ＰＡＯ：ポリαオレフィン油）を取り上げた。化合物Ｂ，化合物Ｃは油種以外ではいずれも１００℃における動粘度が１０〜
３０mm²／ｓの範囲内で、粘度指数も１２０以上である。

本試験の目標値は滑り軸受け〜シャフト間の摩耗による隙間増加量が１０μｍ以下、漏れ電流値が１.０ｍＡ 以下であること、試験後の圧縮機内残油量が減少なきこと、ＣＯＰが比較例１を１００％とした場合に１００％以上となることの全項目を満たすことを目標とした。

実施例１及び比較例１の結果を表２に示す。

表２には冷凍機油の動粘度（１００℃）と粘度指数を併記した。表２から明らかなように、実施例１で示した本発明の給湯機は、摩耗量が少なく、漏れ電流値が低く抑制されている。さらに運転後の圧縮機の残油量も二酸化炭素冷媒と最適な相溶性を示すため十分な油戻りが確保されており、かつ比較例１と比べたＣＯＰが大幅に向上していることがわかる。これに対して比較例１で示す給湯機は漏れ電流が非常に大きく、条件を満たしていない。漏れ電流は用いた冷凍機油の種類によって決まり、比較例１で取り上げたポリアルキレングリコール油は誘電率が５.０ と大きいために漏れ電流値が大きくなってしまう。比較例２では、二酸化炭素冷媒と非相溶性を示す冷凍機油であるため冷媒サイクルの低温部である電磁膨張弁３から空気側熱交換器４に大量に滞留してしまい圧縮機内の残油量が大幅に低下し、摩耗が増加したため試験を中断した。

〔実施例２，３〕
次に、給湯機の設置温度を実施例１より低い−５℃（冬期を想定）とし、給湯温度を約９０℃で出湯する条件（吐出圧力約１３ＭＰａ，吐出温度１１０℃）において、中速高負荷での断続試験を行った。

実施例２，３では実施例１において性能の向上を確かめられた化合物Ａと、化合物Ｄ
（ＰＯＥ：ポリオールエステル油（ポリオールがペンタエリスリトール／ジペンタエリスリトール混合系であり、脂肪酸が炭素数１８分岐鎖脂肪酸と炭素数１６直鎖脂肪酸とのポリオールエステル油））を圧縮機に封入し、実機試験を行った。

比較例３では、比較例１と同油を用いＣＯＰの基準とした。比較例４〜７は、全てポリオールエステル油であるが、１００℃における動粘度が１０〜３０mm²／ｓ 、及び粘度指数も１２０以上の両方を満足していない化合物である。分子構造は、化合物Ｅ（ＰＯＥ：ポリオールエステル油（ポリオールがペンタエリスリトールであり、脂肪酸が炭素数８分岐鎖脂肪酸と炭素数９分岐鎖脂肪酸とのポリオールエステル油）），化合物Ｆ（ＰＯＥ：ポリオールエステル油（ポリオールがペンタエリスリトール／ジペンタエリスリトール混合系であり、脂肪酸が炭素数８分岐鎖脂肪酸と炭素数９分岐鎖脂肪酸とのポリオールエステル油）），化合物Ｇ（ＰＯＥ：ポリオールエステル油（ポリオールがペンタエリスリトール／ジペンタエリスリトール混合系であり、脂肪酸が炭素数８分岐鎖脂肪酸と炭素数９分岐鎖脂肪酸とのポリオールエステル油）），化合物Ｈ（ＰＯＥ：ポリオールエステル油（ポリオールがペンタエリスリトール／ジペンタエリスリトール混合系であり、脂肪酸が炭素数１８分岐鎖脂肪酸と炭素数１６直鎖脂肪酸とのポリオールエステル油））である。これらを圧縮機に封入し、実施例２と同様の実機試験を実施した。

実施例２，３及び比較例４〜７の結果を表３に示す。

表２には冷凍機油の動粘度（１００℃）と粘度指数を併記した。表３から明らかなように、実施例２，３で示した本発明の給湯機は、滑り軸受け〜シャフト間の隙間増加量を低減でき、かつ、比較例３と比べて漏れ電流を大幅に抑制できる。また、残油量も十分であり、比較例３を基準としたＣＯＰも向上できた。これに対して、比較例４の化合物Ｅ〜Ｇのポリオールエステル油を用いた給湯機は、分子構造を構成する脂肪酸の炭素数が小さいため二酸化炭素冷媒が冷凍機油に溶け込み易いことから溶解粘度が低下し、油膜強度が得られず摩耗が増加し、圧縮機圧縮部での十分なシール性が保たれなくなっているのでCOPが低下している。また、超臨界炭酸に対する溶解性が大きいため、圧縮機から冷媒サイクルへの油上がり量が増大して熱交換効率を低下させる。特に比較例４の化合物Ｅでは、
１００℃における動粘度が１０mm²／ｓ 未満、粘度指数も１２０未満であるため、最も性能が劣る。比較例７の化合物Ｈを用いた給湯機では、二酸化炭素冷媒と冷凍機油が最適な相溶性を示すために油膜強度が保持されており、滑り軸受け〜シャフト間の隙間増加量を低減できているが、１００℃における動粘度が３０mm²／ｓ を超えているので圧縮機の粘性抵抗，機械損失が増大することからＣＯＰを低下させている。

〔実施例４〕
次に、圧縮機内の有機絶縁材料評価を実施例１と同条件で行った。実施例４では、冷凍機油として化合物Ａを封入した。用いた絶縁フィルムは耐熱グレード（Ｂ種１３０℃）のＰＥＴフィルムを、エナメル銅線にはポリエステルイミド−ポリアミドイミドの二重被覆線を用いた。比較例８では、冷凍機油として化合物Ａを封入し、絶縁フィルムに汎用（Ｅ種１２０℃）のＰＥＴフィルムを、エナメル銅線には一般的なポリエステル被覆線を用いた。

絶縁材料の評価項目について説明する。絶縁フィルムについては、試験前後での引張強度保持率並びに伸び保持率を測定した。保持率５０％以上を目標とした。また、エナメル銅線に関しては外観変化や鉛筆硬度変化，巻付特性，絶縁破壊電圧（ＪＩＳ Ｃ 3003）を測定し、耐冷媒性ではクレージングとブリスタを観察した。これらの項目については、試験前後で変化がないことを目標とした。

実施例４及び比較例８の結果を表４に示す。

実施例４の絶縁フィルムの引張強度保持率は８０％、伸び保持率が６０％であり問題がないことを確認した。また、エナメル銅線については、鉛筆硬度が５Ｈ、巻付特性が自己径に問題はなく良好であった。絶縁破壊電圧も初期値とほぼ同等の１４.８ｋＶ 、クレージングやブリスタも発生していないことを外観から確認でき、目標を満足できた。これに対して、比較例８で示した給湯機の絶縁フィルムは、引張強度保持率と伸び保持率が５０％以下であり、目標値を満足していない。さらにＰＥＴのオリゴマー成分が多量に油側へ溶出しており、モータの勘合部に入り込み起動不良を引き起こす危険がある。また、エナメル銅線においても、鉛筆硬度の低下がみられ、耐冷媒性で問題になるクレージングやブリスタが観察から発生していることを確認した。

以上の実施例の結果から、本発明の給湯機は圧縮機の摩耗を抑制し、漏れ電流を大幅に抑制可能である。更に長期絶縁信頼性が十分に確保でき、かつ、ＣＯＰを向上できる給湯機が得られる。本実施例では高圧チャンバ方式のスクロール式圧縮機を用いたが、この他２段圧縮ロータリー式圧縮機やローラとベーンが一体化されたスイング式圧縮機でも同様な効果が得られる。

ヒートポンプ式給湯機以外にも二酸化炭素冷媒を用いた電動カーエアコン及び寒冷地向暖房器具，自動販売器等にも適用可能である。

給湯機を説明する概略図である。 給湯機ユニットの縦断面図である。 密閉型電動圧縮機を説明する断面図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 水冷媒熱交換器
３ 電動膨張弁
４ 空気側熱交換器
５ 送風ファン
６ 給水口
７ 貯湯タンク
８ 出湯口
９ 固定スクロール部材
１０，１２ 端板
１１ 渦巻状ラップ
１３ ラップ
１４ 旋回スクロール部材
１５ クランクシャフト
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ 圧縮室
１６ 吐出口
１７ 吐出パイプ
１８ 圧力容器
１９ 電動モータ
２０ 冷凍機油
２１ 油孔
２２ 滑り軸受け

Claims (5)

1. 二酸化炭素冷媒を吸入圧縮する密閉型電動圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒を放熱する熱交換器と、前記熱交換器から流出する冷媒を減圧する減圧器と、前記減圧器にて減圧された冷媒を吸熱させる熱交換器を介し循環する冷凍サイクルにおいて、密閉型電動圧縮機の冷凍機油として、次の一般式（式中、Ｒは炭素数１１〜１９のアルキル基を表す。）のポリオールエステル油、もしくはそれらの混合油を用いたことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
   

   

   
2. 請求項１記載のポリオールエステル油の動粘度が１００℃で１０〜３０mm²／ｓ の粘度範囲であり、かつ粘度指数が１２０以上であるの混合油を用いたことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
3. 請求項１記載のヒートポンプ式給湯機において、フィルタ回路の一方を交流電源とアースに接続し、もう一方の端子間の交流電圧を測定し、この電圧を１ｋΩで除した漏れ電流値が１ｍＡ以下となるこを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
4. 請求項１記載のヒートポンプ式給湯機に用いる圧縮機内の有機絶縁材料が、物理的及び化学的に劣化を受けない材料であることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
5. 請求項１記載のヒートポンプ式給湯機が、２つのヒートポンプサイクルを有しており、同時起動運転を行うことを特徴とする瞬間式ヒートポンプ式給湯機。

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