JP2011106787A - 冷媒圧縮機および冷凍サイクル - Google Patents

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。
【解決手段】冷凍機油を貯溜する密閉容器内に、モータとこのモータに回転軸を介して連結されて冷媒を圧縮する圧縮機部とを収納する冷媒圧縮機において、前記冷媒がＲ６００ａであり、前記冷凍機油がポリオールエステルを基油とした冷凍機油であり、この冷凍機油はヒンダードエステル及びモノエステルからなり、金属面が直接接触して焼付きや異常摩耗をおこすことなく、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。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒圧縮機およびこれを使用した冷凍サイクルに関する。

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、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、高効率化が要求され、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。

R600a(イソブタン)用冷凍機油としては、特許文献１（特開２００４−６０９５２号）に示されるようにナフテン系鉱油やパラフィン系鉱油が冷媒との相溶性が良く、安価であることから広く使われている。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が低下し、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、HFC（ハイドロフルオロカーボン）と比べて、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の冷凍機油として、高潤滑性のポリオールエステル油を用いる技術が、特許文献２（特開２００３−０４１２７８号）に、また、添加剤を添加することで潤滑性を向上させるため、リン系の極圧添加剤を添加する技術が特許文献３（特開平１０−２６７４３７号)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では上述のように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く問題である。上記特許文献２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、分解生成物により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り、また、加水分解により低粘度化が進むと油膜形成も難しくなるので、潤滑性を向上させる添加剤が必要となってくる。

上記特許文献３では、潤滑性を向上させるリン系の添加剤が高温・高負荷状態では熱安定性に劣り、熱分解が起こると燐酸が生成されて冷凍機油の劣化を促進させる原因になる恐れがある。

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、かつ冷凍機油の劣化を起こしにくい冷媒圧縮機が望まれる。

そこで、本発明は、潤滑性に優れた熱劣化のない冷凍機油により、高効率・省エネルギーを図った冷媒圧縮機、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。

上記課題を解決するため、本発明は、冷凍機油を貯溜する密閉容器内に、モータとこのモータに回転軸を介して連結されて冷媒を圧縮する圧縮機部とを収納する冷媒圧縮機において、
前記冷媒がＲ６００ａであり、前記冷凍機油がポリオールエステルを基油とした冷凍機油であることを特徴とする。

また、上記記載の冷媒圧縮機において、前記冷凍機油の粘度が４０℃の動粘度で５〜１５mm^２／Sであることを特徴とする。

また、上記記載の冷媒圧縮機において、前記ポリオールエステル油が次の一般式（１）及び（２）で示されるヒンダードエステル及びモノエステルからなることを特徴とする。
（Ｒ^１−ＣＨ_２）_２−Ｃ−（ＣＨ_２−Ｏ−ＣＯ−Ｒ^２）_２ ・・・・（１）
（式（１）中、Ｒ^１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、Ｒ^２は、それぞれ独立して炭素数５〜１２のアルキル基を表す）
（Ｒ^３−ＣＨ_２）−（ＣＨ_２−Ｏ−ＣＯ−Ｒ^２） ・・・・（２）
（式（２）中、Ｒ^２およびＲ^３は、それぞれ独立して炭素数５〜１２のアルキル基を表す）
また、上記記載の冷媒圧縮機において、上記冷凍機油中に酸捕捉剤、酸化防止剤のうち少なくとも一種が添加されていることを特徴とする。

上記課題を解決するため、本発明は、圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器とこれらを接続する冷媒配管により構成された冷凍サイクルにおいて、上記圧縮機に前記に記載の冷媒圧縮機を用いたことを特徴とする。

また、少なくとも、箱体内部に配置された圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器と、箱体外表面に配置された放熱パイプと、これらを接続する冷媒配管により構成された冷蔵庫において、上記圧縮機に前記に記載の冷媒圧縮機を用いたことを特徴とする。

本発明によれば、潤滑性に優れた熱安定性の高い冷凍機油を用いることで、冷媒圧縮機、およびこれを使用した冷凍サイクルの高効率・省エネルギーを図ることができる。

本発明実施例の密閉型冷媒圧縮機を説明する断面図である。 同じく冷媒圧縮機を搭載した基本的な冷凍サイクル構成図である。 同じく冷媒圧縮機を搭載した冷蔵庫の構成図である。

以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明実施例の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、レシプロ方式等があるが、図１では冷蔵庫のレシプロ方式の密閉型冷媒圧縮機１０の例を用いて説明する。

この冷媒圧縮機１０は、油溜めを兼ねた密閉ケース１０ａ内に設けられた、軸受け部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の縦向き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１ｂの軸受部１ａを貫通してフレーム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はその下部がロータ６と直結しており、電動機の動力によって回転する。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。

上記のように本実施例の密閉型冷媒圧縮機１０は、密閉ケース１０ａ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となっている。そして、密閉ケース１０ａの底部には冷凍機油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冷凍機油８が引き上げられ、圧縮要素部へと送られる構造となっている。

図２に冷凍装置用の冷凍サイクル構成図を示す。冷媒圧縮機１０、凝縮器１１、減圧装置1２、蒸発器1３及びこれら各部を冷媒配管１５により接続されて構成された冷凍装置において、冷媒圧縮機１０は、低温低圧の冷媒ガスを圧縮して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、減圧装置１２に送られる。減圧装置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。

図３に冷媒圧縮機を搭載した冷蔵庫の構成図を示す。冷蔵庫は、冷媒圧縮機１０と、冷蔵庫箱体の背面下部に配置された機械室凝縮器１１ａと、冷蔵庫箱体の外表面に埋め込まれた放熱パイプ（放熱部、箱体凝縮器）１１ｂと、冷蔵庫箱体に配置された膨張機構１４、蒸発器１３及びこれら各部を冷媒配管１５により接続されて構成される。冷媒圧縮機１０は、低温低圧の冷媒ガスを圧縮して高温高圧の冷媒ガスを吐出し、凝縮器１１ａ、１１ｂに送る。各凝縮器に送られた冷媒ガスは、その熱を箱体から外部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１４に送られる。膨張機構１４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、冷蔵庫内で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。

冷凍サイクルにおいて、冷蔵庫の冷媒圧縮機１０内では約８０℃に、放熱パイプ１１ｂで２８℃になり、蒸発器１３では低温度の蒸発器温度(−４０℃以下)を必要としている。低温度での冷媒との相溶性が悪い冷凍機油を使用すると、低温度になる熱交換器（蒸発器1３）や膨張機構１２で、冷凍機油が冷媒と分離して蓄積し、圧縮機への油戻り性が低下し、冷媒圧縮機１０の潤滑性を損なう。

本発明実施例の冷媒は、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。本発明実施例は前記したようにポリオールエステルを基油とした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するようにしたものである。

前記ポリオールエステル油としては、多価アルコール、若しくは１価アルコールと１価の脂肪酸とから合成され、多価アルコールとしては加水分解を起しにくく熱安定性に優れるヒンダードタイプが主成分であることが好ましい。

例えば、多価アルコールとしては、式（１）で示されるネオペンチルグリコールがある。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個保有する式（１）で示される脂肪酸のエステル油が好ましい。
（Ｒ^１−ＣＨ_２）_２−Ｃ−（ＣＨ_２−Ｏ−ＣＯ−Ｒ^２）_２ ・・・・（１）
（式（1）中、Ｒ^１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、Ｒ^２は、それぞれ独立して炭素数５〜１２のアルキル基を表す）
また、１価のアルコールとしては、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール等がある。

本実施例に係る冷媒圧縮機１０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、上記式（１）で示されるヒンダードエステル、及び下記式（２）で示されるモノエステルからなることを特徴とする。モノエステルは、冷媒との相溶性が高いので冷媒と共に循環性がよく、また、金属表面に油膜を形成し易いので機械部分の潤滑性の確保に適している。
（Ｒ^３−ＣＨ_２）−（ＣＨ_２−Ｏ−ＣＯ−Ｒ^２） ・・・・（２）
（式（２）中、Ｒ^２およびＲ^３は、それぞれ独立して炭素数５〜１２のアルキル基を表す）
圧縮機もしくは冷凍装置に用いる冷凍機油の粘度（JIS K2283で測定）に関しては、エネルギー効率の向上を考慮したとき、冷蔵庫のレシプロ式圧縮機の場合では４０℃における粘度が５〜１５mm^２/sの範囲が好しい。粘度５mm^２/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ず、更には圧縮部のシール性も保てない。これに対し、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。

そのため、冷凍機油の潤滑性と熱安定性を確保するために、冷凍機油を構成するヒンダードエステルと、モノエステルとの配合割合による磨耗試験と熱安定性評価試験を行った。

表１は、ファレックス摩耗試験における本実施例の冷凍機油、摩耗量および粘度（油のみ）の関係を示し、本試験では下記化学式（３）に示されるヒンダードエステルと、式（４）に示されるモノエステルとが、
１００：０（比較例１）、６０：４０（実施例１）、１０：９０（実施例２）
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場合を示している。冷凍機油の参考粘度は、４０℃でそれぞれ、約８.２cm^２/s、５.２cm^２/s、３.２cm^２/sとなった。
（ＣＨ_３）_２−Ｃ−（ＣＨ_２−Ｏ−ＣＯ−Ｒ^２）_２ ・・・・（3）
（式中、Ｒ^２は、炭素数７のアルキル基を表す）
（Ｒ^３−ＣＨ_２）−（ＣＨ_２−Ｏ−ＣＯ−Ｒ^２） ・・・・（4）
（式中、Ｒ^２、Ｒ³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ＶＧ８、ＶＧ５、ＶＧ３)、荷重0.45ｋＮ、時間3ｈ、回転速度２９０min^-1、温度８０℃、慣らし運転0.089ｋＮ,５min、雰囲気ａｉｒでファレックス試験を行い、ピン＋Ｖブロックの摩耗量を測定した。その結果、比較例１の摩耗量が40.2μｍに対して、実施例１及び実施例２では摩耗量がそれぞれ28.3μｍ、36.3μｍと低減していることが分かる。この結果によれば、エネルギー効率の向上を考慮し、かつ、磨耗量が少ない条件は、実施例１であることが分かる。

表２は、ファレックス摩耗試験における本発明の冷凍機油と摩耗量の関係を示したものである。本試験では上記化学式（３）（４）式が１００：０、６０：４０、１０：９０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。冷凍機油の参考粘度は、４０℃でそれぞれ約８.２cm^２/s、５.２cm^２/s、３.２cm^２/sとなった。

試験条件として、冷凍機油をポリオールエステル油(ＰＯＥ油ＶＧ８、ＶＧ５、ＶＧ３)、荷重連続負荷法、回転速度２９０min^-1、R.T.〜（室温〜）、慣らし運転0.22ｋＮ,５min、雰囲気ａｉｒでファレックス試験を行い、焼付き荷重を測定した。その結果、比較例2の焼付き荷重は2816Nに対して、実施例3及び実施例4では焼付き荷重がそれぞれ3681N、3002Nと増加し、潤滑性に優れていることが分かる。この結果からは、エネルギー効率の向上を考慮し、かつ、潤滑性に優れている条件は、実施例３であることが分かる。

本実施例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いる。特にポリオールエステル油は加水分解により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。

表３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ＶＧ８、ＶＧ５及びＶＧ３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、触媒の外観などを測定した。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％を添加した。

評価の結果、本実施例のいずれの冷凍機油にも熱劣化がなく、触媒としての金属に変色は起こらず、問題がないことを確認した。すなわち、上記条件の結果から、冷媒圧縮機内で金属に接触して循環するポリオールエステル油に熱劣化がなく、冷媒圧縮機内の金属部に悪影響がないことが確認できた。

前述したように、冷蔵庫の冷媒圧縮機１０内では約８０℃に、放熱パイプ１１ｂで２８℃になり、蒸発器１３では低温度の蒸発器温度(−４０℃以下)を必要としている。上記実施例の冷凍機油は、上記温度範囲では熱安定性と潤滑性が極めてよいので、冷蔵庫へ適用するとより大きな効果が発揮できる。

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、１０…圧縮機、１１（１１ａ、１１ｂ）…凝縮機、１２、１４…膨張機構、１３…蒸発機、１５…冷媒配管。

Claims (6)

1. 冷凍機油を貯溜する密閉容器内に、モータとこのモータに回転軸を介して連結されて冷媒を圧縮する圧縮機部とを収納する冷媒圧縮機において、
   前記冷媒がＲ６００ａであり、前記冷凍機油がポリオールエステルを基油とした冷凍機油であることを特徴とする冷媒圧縮機。
2. 請求項１に記載の冷媒圧縮機において、前記冷凍機油の粘度が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。
3. 請求項１または２に記載の冷媒圧縮機において、前記ポリオールエステル油が次の一般式（１）、（２）で示されるヒンダードエステル及びモノエステルからなることを特徴とする冷媒圧縮機。
   （Ｒ^１−ＣＨ_２）_２−Ｃ−（ＣＨ_２−Ｏ−ＣＯ−Ｒ^２）_２ ・・・・（１）
   （式（１）中、Ｒ^１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、Ｒ^２は、それぞれ独立して炭素数５〜１２のアルキル基を表す）
   （Ｒ³−ＣＨ_２）−（ＣＨ_２−Ｏ−ＣＯ−Ｒ²） ・・・・（２）
   （式（２）中、Ｒ²およびＲ³は、それぞれ独立して炭素数５〜１２のアルキル基を表す）
4. 請求項１〜３の何れかに記載の冷媒圧縮機において、上記冷凍機油中に酸捕捉剤、酸化防止剤のうち少なくとも一種が添加されていることを特徴とする冷媒圧縮機。
5. 少なくとも、圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器とこれらを接続する冷媒配管により構成された冷凍サイクルにおいて、上記圧縮機に請求項1〜４のいずれかに記載の冷媒圧縮機を用いたことを特徴とする冷凍サイクル。
6. 少なくとも、箱体内部に配置された圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器と、箱体外表面に配置された放熱部と、これらを接続する冷媒配管により構成された冷蔵庫において、上記圧縮機に請求項1〜４の何れかに記載の冷媒圧縮機を用いたことを特徴とする冷蔵庫。

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