JP2010168436A

JP2010168436A - 冷媒圧縮機及びこれを備えた冷凍装置

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Publication number: JP2010168436A
Application number: JP2009010482A
Authority: JP
Inventors: Norimi Sugano; 典伺菅野; Akira Ota; 亮太田; Masae Kawashima; 正栄川島; Kuninari Araki; 邦成荒木; Hisashi Echigoya; 恒越後屋
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2010-08-05

Abstract

【課題】Ｒ６００ａ冷媒を使用する冷媒圧縮機において、潤滑性に優れ、摺動部摩耗量を低減し、熱安定性の高い冷凍機油を封入した冷媒圧縮機、およびこれを使用した冷凍サイクルを提供することを課題とする。
【解決手段】冷凍機油を貯溜する密閉容器内に電動機構部と該電動機構部に回転軸を介して連結されて冷媒を圧縮する圧縮機構部とを収納する冷媒圧縮機において、前記冷媒はＲ６００ａであり、前記冷凍機油はポリオールエステルを基油として且つグリセリンの一部を脂肪酸と反応させエステル化した化合物を油性剤として含有することを特徴とする冷媒圧縮機。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒圧縮機およびこれを備えた冷凍装置に関する。

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。特に炭化水素冷媒については、地球温暖化係数が低いという観点から既に冷蔵庫ではＲ６００ａ（イソブタン）が用いられている。

一方、冷凍機油は冷媒圧縮機に使用され、その摺動部の潤滑，密封，冷却、及び絶縁等の役割を果たすものである。近年、圧縮機は省エネルギー化，小型化，低騒音化、及び高効率化等が要求され、これに伴って冷凍機油の使用条件が苛酷化している。このため、圧縮機の信頼性確保の面から潤滑性が要求されている。

従来、Ｒ６００ａ（イソブタン）用の冷凍機油としては、特許文献１に記載されているように、冷媒との相溶性が良く、安価であることから、ナフテン系鉱油やパラフィン系鉱油が広く使われている。

しかしＲ６００ａ（イソブタン）は、これら冷凍機油との相溶性が高いことから、冷媒／冷凍機油混合液の粘度低下から発生する圧縮機の潤滑不良が懸念される。また、Ｒ６００ａ（イソブタン）は分子中に塩素やフッ素を含まないため、冷媒自体の潤滑性が望めない。

そのため、潤滑性を上げるため、冷凍機油として高潤滑性のポリオールエステル油を用いる方法が特許文献２に示されている。

また、添加剤を添加することで潤滑性を向上させる方法として、リン系の極圧添加剤を添加する方法が特許文献３に示されている。

特開２００４−６０９５２号公報特開２００３−０４１２７８号公報特開平１０−２６７４３７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の構成では、鉱油自体の潤滑性が劣るため、添加剤なしでは摺動部の摩耗を起こしやすいという課題がある。

また、特許文献２に記載の構成では、冷凍機油であるポリオールエステル油が水分共存化において加水分解を起こしやすく、冷凍サイクルの閉塞や摺動部における腐食摩耗の原因にもなる。また、低粘度化が進むと油膜形成も難しくなり添加剤が必要となるという課題がある。

また、上記特許文献３はリン系の添加剤が高温・高負荷状態では熱安定性に劣り分解して燐酸を生成して冷凍機油の劣化を促進させるという課題がある。

したがって、自然系冷媒であるイソブタンを使用した冷媒圧縮機においては、従来の冷媒圧縮機と比較して、潤滑性を向上させることができ、冷凍機油の劣化を起こしにくい冷媒圧縮機が望まれている。

そこで、本発明は上記課題に鑑みて、従来の冷媒圧縮機と比較して、潤滑性に優れ、摩耗量を低減することができ、冷凍機油の劣化を抑制した冷媒圧縮機及びこれを備えた冷凍装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の冷媒圧縮機は、冷凍機油が貯溜された密閉容器内に電動機構部と該電動機構部に回転軸を介して連結されて冷媒を圧縮する圧縮機構部とが収納された冷媒圧縮機において、前記冷媒はＲ６００ａであり、前記冷凍機油はポリオールエステルを基油として且つグリセリンの一部を脂肪酸と反応させエステル化した化合物を油性剤として含有することを特徴とする。

また、前記冷凍機油の粘度は４０℃の動粘度で５〜１５mm²／Ｓであることを特徴とする。

また、前記ポリオールエステル油は次の一般式（１）乃至（３）で示されるポリオールエステルのいずれかであることを特徴とする。

（式（１）中、Ｒ¹は、それぞれ独立して水素原子または炭素数１〜３のアルキル基を表し、Ｒ²は、それぞれ独立して炭素数５〜１２のアルキル基を表す）

（式（２）中、Ｒ¹およびＲ²は、前記と同義である）

（式（３）中、Ｒ²は、前記と同義である）

また、前記油性剤は一般式（４）のモノエステル又は一般式（５）のジエステルで表されるグリセリンの一部を脂肪酸と反応させてエステル化した化合物からなる構造を有することを特徴とする。

（式（４）中のＲは、Ｈ又はアルキル基）

（式（５）中のＲは、Ｈ又はアルキル基）

また、前記油性剤を０.１乃至１.０質量％添加したことを特徴とする。

また、前記グリセリンの一部を脂肪酸と反応させエステル化した化合物の脂肪酸部分がオレイン酸であることを特徴とする。

また、前記冷凍機油中に酸捕捉剤又は酸化防止剤が添加されていることを特徴とする。

また、本発明の冷凍装置は、上記冷媒圧縮機と、凝縮器，膨張機構及び蒸発器が冷媒配管で接続された冷凍サイクルを有することを特徴とする。

本発明によれば、従来の冷媒圧縮機と比較して、潤滑性に優れ、摩耗量を低減することができ、冷凍機油の劣化を抑制した冷媒圧縮機及びこれを備えた冷凍装置を提供することができる。

本発明の実施の形態における密閉型冷媒圧縮機の断面図である。本発明の実施の形態における冷凍装置の冷凍サイクルの構成を示す図である。ファレックス試験による耐摩耗性評価結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態における密閉型冷媒圧縮機の断面図である。密閉型冷媒圧縮機には、ロータリ方式，スクロール方式及びレシプロ方式等があるが、本実施の形態においては、レシプロ方式の密閉型冷媒圧縮機の例を用いて説明する。

この冷媒圧縮機は、油溜めを兼ねた密閉ケース内に設けられた軸受部１ａ及びフレーム１ｂと一体に成形されたシリンダ１内をピストン４が往復動して圧縮機構要素を構成するレシプロ型の圧縮機である。

フレーム１ｂの下部には電動機構要素として電動機を構成するステータ５及びロータ６が備えられており、クランクシャフト７の回転中心から偏心した位置に、クランクピン７ａが設けられている。

クランクシャフト７はフレームの軸受部１ａに貫通してフレーム１ｂの下部から上部へ延伸しており、クランクピン７ａがフレーム１ｂの上方側に位置するように設けられている。クランクシャフト７の下部はロータ６と直結しており、電動機の動力によってクランクシャフト７は回転する。クランクピン７ａとピストン４との間はコンロッド２で連結されており、クランクピン７ａ及びコンロッド２を介してピストン４が往復動する構成となっている。

即ち、本実施の形態の密閉型冷媒圧縮機は密閉容器内にシリンダ１，ピストン４等の圧縮要素と、電動機等の要素が収納されており、クランクシャフト７によって電動要素からの回転力を伝える構成を前提としている。

密閉容器内には冷凍機油８が溜められており、クランクシャフト７の回転運動によるポンプ作用で引き上げられ、圧縮要素部へと送られる構造となっている。冷凍機油８の中にはグリセリンの一部を脂肪酸と反応させエステル化した化合物９が添加してある。

次に、図２を用いて本実施の形態の冷凍サイクルについて説明する。図２は、本実施の形態の冷凍装置の冷凍サイクルの構成を示す図である。冷媒圧縮機１０，凝縮器１１，膨張機構１２、及び蒸発器１３よりなる冷凍装置において、冷媒圧縮機１０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凝縮器１１に送る。凝縮器１１に送られた冷媒ガスは、その熱を空気中に放出しながら高温高圧の冷媒液となり、膨張機構１２に送られる。膨張機構１２を通過する高温高圧の冷媒液は絞り効果により低温低圧の湿り蒸気となり蒸発器１３へ送られる。蒸発器１３に入った冷媒は周囲から熱を吸収して蒸発し、蒸発器１３をでた低温低圧の冷媒ガスは圧縮機１０に吸い込まれ、以下同じサイクルが繰り返される。この冷凍サイクルにおいて、冷凍機等では低温度の蒸発器温度（−４０℃以下）を必要としている。ここで冷媒との相溶性が悪い冷凍機油を使用すると熱交換器や膨張機構で冷媒と分離した冷凍機油が蓄積し、圧縮機への油戻り性が落ちる。

本実施の形態の冷媒はＲ６００ａ（イソブタン）であり、分子中に塩素を含んでいないことから、冷媒自身の潤滑性が期待できず、圧縮機の耐摩耗性を低下させる。前記に記載の冷凍機油を用いることで、冷媒／冷凍機油混合液の潤滑性を確保できる。前記したポリールエステル油としては、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、ペンタン酸，ヘキサン酸，ヘプタン酸，オクタン酸，２−メチルブタン酸，２−メチルペンタン酸，２−メチルヘキサン酸，２−エチルヘキサン酸，イソオクタン酸、３，５，５−トリメチルヘキサン酸等があり、単独で又は２種類以上の混合脂肪酸にして用いる。特に冷凍機油に基油としては分子中にエステル結合を少なくとも２個保有する一般式（１），（２）又は（３）で示される脂肪酸のエステル油の郡から選ばれる、少なくとも１種類が好ましい。

（式（２）中、Ｒ¹およびＲ²は、前記と同義である）

（式（３）中、Ｒ²は、前記と同義である）

本実施の形態に係る冷媒圧縮機に使用される冷凍機油８（以下、符号を省略して単に「冷凍機油」と記すことがある）は、ポリオールエステル油にグリセリンの一部を脂肪酸と反応させエステル化した化合物を含有せしめて成る冷凍機油である。

冷凍機油の粘度（JIS K2283で測定）に関しては、レシプロ式圧縮機の場合では４０℃における粘度が５〜１５mm²／ｓの範囲が好ましい。粘度５mm²／ｓ未満の場合は冷媒が溶解した粘度が低くなってしまい、圧縮機内部での油膜が十分に保持されず潤滑性が保てない。更には圧縮部のシール性も保てない。これに対して粘度１５mm²／ｓを越えると粘性抵抗，摩擦抵抗等の機械損失が増大し、圧縮機効率を低下させる。

表１及び図３に、ファレックス摩耗試験におけるグリセリンの一部を脂肪酸と反応させエステル化した化合物の添加と摩耗量の関係を示す。

本試験では、下記の一般式（６）及び（７）が７２：２８の比率で混合されているポリオールエステル油を用いた。粘度は４０℃で約１０.２cm²／ｓである。

（式中、Ｒ²は、炭素数７のアルキル基を表す）

試験条件として、冷凍機油をポリオールエステル油（ＰＯＥ油ＶＧ１０）、荷重０.４５kN、時間３ｈ、回転速度２９０min^-1、温度６０℃、慣らし運転０.２２kNで５min、雰囲気ａｉｒでファレックス試験を行った。上記試験条件において、グリセリンの一部をオレイン酸と反応させてエステル化した本発明の添加剤を０.０１，０.５，１.０、及び５.０質量％添加した場合のピン＋Ｖブロックの摩耗量を測定した。その結果、０.０１質量％添加したものでは摩耗量が６５％低減した。また、１.０質量％添加した場合は８９％低減した。しかし、添加剤を５.０質量％添加したところ、摩耗量は１.０質量％添加した場合と変わらなかった。従って、油性剤の添加量は０.１〜１.０質量％が望ましい。

次に、表２に添加剤の溶解性を示す。本実施の形態の油性剤を常温で添加した場合、添加剤の添加量が１.０質量％以下であれば冷凍機油に溶解するが、５.０質量％添加した場合は添加剤が完全に溶解しなかった。従って、ポリオールエステル油の場合は添加量１.０質量％以下が望ましい。

表３は、上記添加剤の添加と流動点変化を示す。試験方法はJIS K2269「原油及び石油製品の流動点並びに石油製品曇り点試験方法」によるものである。冷凍機油は前記ポリオールエステル油（ＶＧ１０）を用いた。冷凍機油がサイクル内で流動点以下の温度で冷やされた場合、冷凍機油の凝固が起こり、摺動部に油が供給されなくなり、焼き付きによる損傷が起こる可能性がある。本実施例で用いた添加剤は流動点が２０℃であり、冷凍機油に添加することにより冷凍機油の流動点を高める可能性がある。そこで、上記添加剤の添加量をかえて前記ポリオールエステル油に添加し、流動点を測定したところ１質量％添加した場合でも流動点は−４０℃以下であり、蒸発器の温度をこえることはないので問題ないことが確認された。

表４は、熱安定性評価として行ったシールドチューブ試験の結果を示す。冷凍機油は前記記載のＶＧ１０のポリオールエステル油を用いた。シールドチューブ試験条件としては、内径１０φのガラス管に触媒として長さ５０mmの鉄，銅，アルミを入れ、冷凍機油としてポリオールエステル油を５ｇ、冷媒としてＲ６００ａを０.５ｇ注入後密封し１７５℃で２１日加熱後、油の色，酸価，触媒の外観等を測定した。油中の水分は５０ppmとした。添加剤として酸捕捉剤０.５質量％，酸化防止剤０.２５質量％，油性剤０.５質量％を添加した。比較用には酸捕捉剤０.５質量％，酸化防止剤０.２５質量％のみを添加した。

評価の結果、本発明の油性剤の添加によって冷凍機油の劣化や触媒の変色は起こらないことを確認した。

冷媒はＲ６００ａ（イソブタン）であり、Ｒ６００ａ（イソブタン）は分子中に塩素やフッ素を含んでいないことから、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）冷媒系と比べて冷媒自身の潤滑性が期待できず、圧縮機の耐摩耗性を低下させる。そこで、上記の実施の形態に記載の冷凍機油を用いることで、冷媒／冷凍機油混合液の潤滑性を確保できる。

本実施の形態の圧縮機又は冷凍装置に用いる冷凍機油の粘度（JIS K 2283で測定）は、圧縮機の種類によって異なるが、レシプロ式圧縮機では４０℃における粘度が５〜１５mm²／ｓの範囲が好ましい。粘度５mm²／ｓ未満の場合は、冷媒が溶解した冷凍機油の粘度が低くなってしまい、圧縮機内部での油膜が十分に保持されず潤滑性が保てない。更には、圧縮部のシール性も保てない。これに対して粘度１５mm²／ｓを越えると粘性抵抗，摩擦抵抗等の機械損失が増加し、圧縮機効率を低下させる。

ポリオールエステル油に添加する油性剤の割合は０.１〜１.０質量％好ましい。油性剤の添加比率が０.１質量％未満の場合、十分な油性皮膜の形成は難しく摺動部の耐摩耗性が十分に確保できない。また、１.０質量％を越える量では油／冷媒との相溶性の低下を起こしたり、添加剤が基油事体の潤滑性を阻害する可能性がある。

本実施の形態では、前記した冷凍機油に、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問題はない。特にポリオールエステル油は酸化劣化を起こしやすく、吸湿性が高いことから水分持ち込み量が増加してＰＥＴフィルム等のモータ絶縁材料の加水分解による劣化が生じる可能性が高く、酸化防止剤，酸捕捉剤の配合は必要である。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，カルボジイミド系等があるが、脂肪族のエポキシ化合物が一般的に用いられる。

以上のように、本実施の形態では、作動冷媒にＲ６００ａ（イソブタン）を用いた冷媒圧縮機において、エステル油にグリセリンの一部を脂肪酸と反応させ、エステル化した化合物を添加することにより、摺動部表面に化学吸着膜を形成するため、金属面が直接接触して焼き付きや異常摩耗をおこすことを防ぐことができ、信頼性の高い冷媒圧縮機及びそれを備えた冷凍装置が実現できる。

１シリンダ
２コンロッド
４ピストン
７クランクシャフト
８冷凍機油
９グリセリンの一部を脂肪酸と反応させエステル化した化合物
１０冷媒圧縮機
１１凝縮器
１２膨張機構
１３蒸発器

Claims

冷凍機油が貯溜された密閉容器内に電動機構部と該電動機構部に回転軸を介して連結されて冷媒を圧縮する圧縮機構部とが収納された冷媒圧縮機において、
前記冷媒はＲ６００ａであり、前記冷凍機油はポリオールエステルを基油として且つグリセリンの一部を脂肪酸と反応させエステル化した化合物を油性剤として含有することを特徴とする冷媒圧縮機。
請求項１において、前記冷凍機油の粘度は４０℃の動粘度で５〜１５mm²／Ｓであることを特徴とする冷媒圧縮機。
請求項１において、前記ポリオールエステル油は次の一般式（１）乃至（３）で示されるポリオールエステルのいずれかであることを特徴とする冷媒圧縮機。

（式（１）中、Ｒ¹は、それぞれ独立して水素原子または炭素数１〜３のアルキル基を表し、Ｒ²は、それぞれ独立して炭素数５〜１２のアルキル基を表す）

（式（２）中、Ｒ¹およびＲ²は、前記と同義である）

（式（３）中、Ｒ²は、前記と同義である）
請求項１において、前記油性剤は次の一般式（４）のモノエステル又は一般式（５）のジエステルで表されるグリセリンの一部を脂肪酸と反応させてエステル化した化合物からなる構造を有することを特徴とする冷媒圧縮機。

（式（４）中のＲは、Ｈ又はアルキル基）

（式（５）中のＲは、Ｈ又はアルキル基）
請求項４において、前記油性剤を０.１乃至１.０質量％添加したことを特徴とする冷媒圧縮機。
請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記グリセリンの一部を脂肪酸と反応させてエステル化した化合物の脂肪酸部分がオレイン酸であることを特徴とする冷媒圧縮機。
請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記冷凍機油中に酸捕捉剤又は酸化防止剤が添加されていることを特徴とする冷媒圧縮機。
請求項１乃至５のいずれかに記載の冷媒圧縮機と、凝縮器，膨張機構及び蒸発器が冷媒配管で接続された冷凍サイクルを有する冷凍装置。