JP3960859B2

JP3960859B2 - 冷凍装置

Info

Publication number: JP3960859B2
Application number: JP2002158939A
Authority: JP
Inventors: 康樹高橋; 清赤沢; 亨伊藤; 精紀軸原; 正人渡邉
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2022-08-15
Also published as: JP2003049184A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、冷媒に１，１，１，２−テトラフルオロエタン（以下Ｒ１３４ａという）等の塩素を含まない弗化炭化水素系冷媒を用いる冷凍サイクルを備え、ポリオールエステル油を基油とした冷凍機油を有する冷凍装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷蔵庫、自動販売機及びショーケース用の圧縮機は、従来冷媒としてジクロロジフルオロメタン（以下Ｒ１２という）を多く使用していた。このＲ１２はオゾン層の破壊の問題からフロン規制の対象となっている。そして、このＲ１２の代替冷媒としてＲ１３４ａを代表とする、塩素を含まない弗化炭化水素系冷媒（ＨＦＣ，ＦＣ）が冷凍機用として検討されている（例えば、特開平１−２７１４９１号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、冷媒Ｒ１３４ａは現在使われている鉱物油やアルキルベンゼン油等の冷凍機油との相溶性が悪く、圧縮機への油の戻りの悪化や寝込み起動時の分離冷媒の吸い上げなどから圧縮機の潤滑不良に至る問題があった。
【０００４】
このため、本発明者らは冷媒Ｒ１３４ａと相溶性のある冷凍機油としてポリオールエステル系油を検討した。しかし、このポリオールエステル系油は冷媒圧縮機、特に回転型圧縮機に使用する場合に、熱により分解して生成する脂肪酸で摺動部材に腐食を起こさせ、摩耗を生じさせることが知られている。
【０００５】
そして、本発明者らは冷媒としてＲ１３４ａを、冷凍機油としてポリオールエステル系油を組合わせて冷媒圧縮機に使用すべく研究を重ねた結果、上記問題の他に、ポリオールエステル系油は、水分の影響により加水分解を起こして全酸価が上昇し、金属石鹸が生成されてスラッジとなり、冷凍サイクルに悪影響を与えたり、酸素や塩素の影響により、分解、酸化劣化、重合反応が起こり、金属石鹸や高分子スラッジが生成されて冷凍サイクルに悪影響を与えることをつきとめた。
【０００６】
そこで、本発明者らはポリオールエステル油に特定の原料を使用し、特定の物性範囲で使用したり、特殊な添加剤を加えたり、弗化炭化水素系冷媒の純度を高い値に維持したり、冷凍サイクルの平衡水分を抑えたり、更には、冷凍サイクル中にスラッジを捕獲するスラッジキャッチャーを設けることにより、上記の問題を解決できることを見いだした。
【０００７】
この発明は上記の問題を解決するもので、塩素を含まない弗化炭化水素系冷媒（例えばＲ１３４ａ）との相溶性のあるポリオールエステル系油を冷凍機油として使用したときの上記の問題を解決し、良好な冷凍装置を得ることを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、請求項１記載の如く、塩素を含まない弗化炭化水素系冷媒を用いる冷凍サイクルを備え、ポリオールエステル油を基油とした冷凍機油を有する冷凍装置であって、弗化炭化水素系冷媒は、純度が９９．９５重量％以上で、塩素系冷媒の混入が８０ｐｐｍ以下であり、ポリオールエステル油は、ポリオールと、直鎖構造の脂肪酸又はアルキル基に側鎖のある脂肪酸を無触媒で重合したもので、流動点が−４０℃以下、二液分離温度が−２０℃以下、全酸価が０．０２ｍｇＫ０Ｈ／ｇ以下で、粘度が４０℃で８〜１００ｃｓｔのものとすると共に、ポリオールエステル油にはフェノール系酸化防止剤が０．１〜０．５重量％とエポキシ系添加剤が０．１〜０．５重量％添加され、圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を配管接続して構成される冷凍サイクルの高圧側に、サイクル中のスラッジを捕獲するスラッジキャッチャーが設けられたものである。
【０００９】
前記フェノール系酸化防止剤としては２，６ジターシャリブチルパラプレゾール（ＤＢＰＣ）等がある。
【００１０】
また、請求項２記載の如く、ポリオールエステル油には、２０ｐｐｍ以下のベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）等の銅不活性化剤が添加されている請求項１記載の冷凍装置とした。
【００１１】
また、請求項３記載の如く、ポリオールエステル油には、２重量％以下のトリクレジルフォスフェート（ＴＣＰ）等の極圧添加剤が添加されている請求項１記載の冷凍装置とした。
【００１３】
【作用】
この発明は上記のように構成したことにより、以下の作用を奏する。
【００１４】
請求項１の構成により、本発明のポリオールエステル油は、冷凍装置で使用する全温度帯にて弗化炭化水素系冷媒との相溶性が良好となり、冷媒とオイルの二層分離をなくすことができる。
【００１５】
このため、冷凍サイクル中の−３０℃以下の低温領域で常にポリオールエステル油が弗化炭化水素系冷媒（例えば１３４ａ）に溶解した状態で存在し、全体として低粘度になるため、圧縮機への油戻りが良好となる。従って、圧縮機の油面低下はなくなり、軸受摺動部への給油を確保でき、噛りや焼付きを防止できる。
【００１６】
しかも、本発明のポリオールエステル油は、油自身の保有するエステル結合が主に圧縮機の軸、軸受の鉄系摺動部表面に分子配向して潤滑性を高める作用と、冷媒（１３４ａ）に溶けやすい作用とにより、実粘度を下げることができ、機械損失を低減して圧縮機の成績係数を向上できる。
【００１７】
加えて、冷凍サイクルの高圧側にはサイクル中のスラッジを捕獲するスラッジキャッチャー（例えば、活性アルミナの粒をバインダで粘結して形成される）を設けたので、冷凍サイクル中に生成したスラッジやエステル油の加水分解により生じた脂肪酸をこのスラッジキャッチャーにて吸着して金属石鹸の生成を未然に防ぐことができる。
【００１８】
さらに、弗化炭化水素系冷媒の純度を極めて高いものとしたので（純度が９９．９５重量％以上で、塩素系冷媒の混入が８０ｐｐｍ以下）、冷凍サイクル中に異物の混入やＣＦＣの混入が殆どなく、また、塩素がポリオールエステル油を分解して脂肪酸を生成させ、金属と反応して金属石鹸を生成するのを抑制でき、スラッジの析出を低減し、ポリオールエステル油と冷媒との相溶性を確保して安定した性能を得ることができる。
【００１９】
さらに、このポリオールエステル油は、グリコール油等に比べて酸化劣化安定性を向上でき、圧縮機の性能、信頼性を向上できる。また、加水分解を抑制することができ、全酸価を低減して金属石鹸の生成を抑制し、装置の信頼性を向上できる。
【００２０】
また、請求項２の構成により、軸受摺動面となる銅表面に銅不活性化剤が吸着し、その触媒作用を抑制することができ、加水分解を抑制できる。
【００２１】
また、請求項３の構成により、軸受摺動面に強力な化学吸着膜を形成することができ、摺動部の潤滑性をより良好として噛りや焼付きを防止できる。
【００２３】
また、前記請求項１の冷凍装置において、冷凍サイクル内の平衡水分（下式Ｉで示す）が運転初期状態において２００ｐｐｍ以下であることが好ましい。
［（冷凍サイクル内の残留水分量）／（充填オイル量＋充填冷媒量）］
× １０⁶ｐｐｍ … Ｉ
これにより、冷凍装置の運転初期において、オイルが加水分解を起こすのを防止することができ、全酸価の低減、金属石鹸の生成によるスラッジの発生を抑制して摺動部での潤滑特性を確保できる。
さらに、前記請求項１の冷凍装置において、冷凍サイクル内の残留酸素量は、冷凍サイクル内容積の０．０１ｖｏｌ％以下にすることが好ましい。
このようにすることにより、ポリオールエステル油の酸化劣化、重合によるスラッジを防止することができ、信頼性に優れた冷凍装置を提供できる。
さらにポリオールエステル油の粘度指数は８０以上が好ましい。
【００２４】
【実施例】
以下に実施例を示し本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
図１は回転型圧縮機の縦断面図である。図１において、Ａは冷凍装置を構成する冷凍サイクルであり、圧縮機Ｂ、凝縮器Ｃ、減圧装置Ｄ、蒸発器Ｅ、乾燥器Ｆ、スラッジキャッチャーＧを配管接続して構成される。ここで、乾燥器Ｆは、公知の材料であるモリキュラシーブスから形成され、スラッジキャッチャーＧは、活性アルミナの粒をバインダーで粘結して形成される。
【００２５】
そして、前記圧縮機Ｂは以下の構造を有する。
【００２６】
１は密閉容器で、この容器内には上側に電動要素２が、下側にこの電動要素によって駆動される回転圧縮要素３が夫々収納されている。電動要素２は有機系材料で絶縁された巻線４を有する固定子５とこの固定子の内側に設けられた回転子６とで構成されている。回転圧縮要素３はシリンダ７と、回転軸８の偏心部９によってシリンダ７の内壁に沿って回転させるローラ１０と、このローラの周面に圧接されてシリンダ７内を吸込側と吐出側とに区画するようにバネ１１で押圧されるベーン１２と、シリンダ７の開口を封じるとともに、回転軸８を軸支する上部軸受１３及び下部軸受１４とで構成されている。
【００２７】
そして、上部軸受１３にはシリンダ７の吐出側と連通する吐出孔１５が設けられている。また、上部軸受１３には吐出孔１５を開閉する吐出弁１６と、この吐出弁を覆うように吐出マフラ１７とが取付けられている。
【００２８】
ローラ１０とベーン１２とは鉄系材料で形成されている。
【００２９】
密閉容器１内の底部には、ペンタエリスリトールと、直鎖構造の又はアルキル基に側鎖のある炭素数８及び９の脂肪酸とを無触媒で反応し製造したヒンダードエステルからなり、流動点が−５０℃、二液分離温度が−３５℃、全酸価が０．０１ｍｇＫＯＨ／ｇ以下で、粘度が４０℃で３２ｃｓｔ、粘度指数が９５のポリオールエステル油のオイル１８が貯溜されている。
【００３０】
このポリオールエステル油には、長期保存下の酸化劣化を防止する目的で、添加剤として２，６−ジ−ターシャリブチルパラクレゾール（ＤＢＰＣ）のフェノール系酸化防止剤が０．３重量％添加されており、また、加水分解を防止する目的で、０．２５重量％のエポキシ系添加剤が添加されている。
【００３１】
尚、このポリオールエステル油には、必要に応じて５ｐｐｍのベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）の銅不活性化剤、及び１重量％のトリクレジルフォスフェート（ＴＣＰ）の極圧添加剤が添加される。
【００３２】
冷凍サイクルＡには、塩素を含まない弗化炭化水素系冷媒、例えばＲ１３４ａが封入されている。
【００３３】
Ｒ１３４ａは、純度が９９．９７重量％で、塩素系冷媒の混入が５６ｐｐｍに調整される。また、冷凍サイクルＡ内の平衡水分（下式Ｉで示す）が運転初期状態において１５０ｐｐｍとなるように調整されている。
［（冷凍サイクル内の残留水分量）／（充填オイル量＋充填冷媒量）］
× １０⁶ｐｐｍ … Ｉ
また、冷凍サイクルＡに使用する乾燥器Ｆには、水分吸着剤のポア径が３Å程度のものが使用されている。更に、冷凍サイクルＡ内の残留酸素量は、サイクル内容積の０．００５ｖｏｌ％に調整されている。
【００３４】
また、圧縮機Ｂの電動要素２のうち、巻線４は、内側に耐熱エステル（ＴＨＥＩＣ）又はエステルイミドからなる層を施し、かつ、外側にアミドイミドからなる層を施した二層構造の絶縁材料が被覆されており、又、巻線４間等を絶縁する絶縁紙Ｈとして低オリゴマ仕様（３量体として０．６重量％以下）のＰＥＴフィルムが使用されている。
【００３５】
そして、オイル１８は回転圧縮要素３の摺動部材であるローラ１０とベーン１２との摺動面を潤滑している。
【００３６】
回転圧縮要素３のシリンダ７内に流入してローラ１０とベーン１２との協働で圧縮される冷媒はポリオールエステル系油のオイル１８との相溶性のあるＲ１３４ａで形成されている。
【００３７】
１９は密閉容器１に取付けてシリンダ７の吸込側に冷媒を案内する吸込管、２０は密閉容器１の上壁に取付けられて回転圧縮要素３で圧縮されて電動要素２を介して密閉容器１外に冷媒を吐出する吐出管である。
【００３８】
このように構成された回転型圧縮機に使用される冷凍機油組成物において、吸込管１９からシリンダ７内の吸込側に流入した冷媒Ｒ１３４ａはローラ１０とベーン１２との協働で圧縮され、吐出孔１５を通って吐出弁１６を開放して吐出マフラ１７内に吐出される。この吐出マフラ内の冷媒は電動要素２を介して吐出管２０から密閉容器１外に吐出される。そして、オイル１８は回転圧縮要素３のローラ１０やベーン１２等の摺動部材の摺動面に供給されて潤滑を行っている。また、シリンダ７内で圧縮された冷媒が低圧側にリークしないようにしている。
【００３９】
本実施例によれば上記の構成により、以下の作用を奏する。
【００４０】
請求項１の構成により、本発明のポリオールエステル油１８は、冷凍装置Ａで使用する全温度帯にてＲ１３４ａとの相溶性が良好となり、冷媒とオイルの二層分離をなくすことができる。
【００４１】
このため、冷凍サイクルＡ中の−３０℃以下の低温領域で常にポリオールエステル油１８が１３４ａに溶解した状態で存在し、全体として低粘度になるため、圧縮機Ｂへの油戻りが良好となる。従って、圧縮機Ｂの油面低下はなくなり、軸受摺動部８，１３，１４への給油を確保でき、噛りや焼付きを防止できる。
【００４２】
しかも、本発明のポリオールエステル油１８は、油自身が保有するエステル結合が主に圧縮機Ｂの軸８、軸受１３，１４の鉄系摺動部表面に分子配向して潤滑性を高める作用と、冷媒（１３４ａ）に溶けやすい作用とにより、実粘度を下げることができ、機械損失を低減して圧縮機Ｂの成績係数を向上できる。
【００４３】
加えて、冷凍サイクルＡの高圧側にはサイクル中のスラッジを捕獲するスラッジキャッチャーＧ（活性アルミナの粒をバインダで粘結して形成される）を設けたので、冷凍サイクルＡ中に生成したスラッジやエステル油１８の加水分解により生じた脂肪酸をこのスラッジキャッチャーＧにて吸着して金属石鹸の生成を未然に防ぐことができる。
【００４４】
また、１３４ａ冷媒の純度を極めて高いものとしたので、冷凍サイクルＡ中の異物の混入やＣＦＣの混入が殆どなく、ポリオールエステル油１８と冷媒との相溶性を確保して安定した性能を得ることができる。
【００４５】
また、請求項２の構成により、このポリオールエステル油１８は、グリコール油等に比べて酸化劣化安定性を向上でき、圧縮機Ｂの性能、信頼性を向上できる。
【００４６】
このことは、ＤＢＰＣを添加した本発明のポリオールエステル系油１８を封入したシールドチューブテストによる実験結果からも確認された。
【００４７】
即ち、９０℃×２９日のエージングで、水分を２００ｐｐｍに調整した条件において、ＤＢＰＣを添加した本発明のポリオールエステル系油１８によれば、初期段階において、全酸価が０．０１以下となり、良好な結果が得られた。
【００４８】
また、請求項３の構成により、軸受摺動面８，１０，１３，１４となる銅表面に吸着し、その触媒作用を抑制することができ、加水分解を抑制できる。
【００４９】
また、請求項４の構成により、軸受摺動面８，１０，１３，１４に強力な化学吸着膜を形成することができ、摺動部８，１０，１３，１４の潤滑性をより良好として噛りや焼付きを防止できる。
【００５０】
また、請求項５の構成により、加水分解を抑制することができ、全酸価を低減して金属石鹸の生成を抑制し、装置の信頼性を向上できる。
【００５１】
以上の作用効果は、実機による耐久試験結果からも確認された。結果を図２に示す。
【００５２】
即ち、横軸に耐久テストの時間を取り、縦軸にコンタミ量（スラッジ量）を取った図２のグラフについて、添加剤（ＤＢＰＣ，ＴＣＰ等）を添加した本発明のポリオールエステル系油１８の試料Ｙを使用し、冷凍サイクルＡにスラッジキャッチャーＧを設けた試料IVが最良の結果を示した。即ち、添加剤として高価なエポキシまで添加したり、装置の製造基準を厳しく制限した基準Ｂ（冷媒の純度、冷凍サイクルＡ内の水分、塩素、酸素量を制限したもの）を採用するまでもなく、スラッジキャッチャーＧを設けるだけでも十分なコンタミ量の低減を図ることができた。
【００５３】
尚、図２中、試料Ｉ〜Ｖの内容は以下の通りである。
【００５４】
【表１】

【００５５】
但し、添加剤Ｘ：ＤＢＰＣ＋ＢＴＡ
添加剤Ｙ：ＤＢＰＣ＋ＢＴＡ＋ＴＣＰ
添加剤Ｚ：ＤＢＰＣ＋ＢＴＡ＋ＴＣＰ＋エポキシ

尚、本実施例では塩素を含まない弗化炭化水素系冷媒としてＲ１３４ａを例に説明したが、これに限定されるものではなく、他のＨＦＣの冷媒に対しても本発明のポリオールエステル系油は優れた相溶性を発揮し、これらの冷媒に対しても適用できる。
【００５６】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、ポリオールエステル油に特定の原料を使用し冷凍サイクルの高圧側にはサイクル中のスラッジを捕獲するスラッジキャッチャーを設けることにより、エステル油の加水分解により生じた脂肪酸や冷凍サイクル中に生成したスラッジをこのスラッジキャッチャーにて吸着することができ、金属石鹸の生成を未然に防止して冷凍サイクルに悪影響を与えるのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を示す回転型圧縮機の縦断面図である。
【図２】冷凍装置の実機による耐久試験結果を示すグラフ。
【符号の説明】
Ａ冷凍装置
Ｂ回転圧縮機
Ｆ乾燥器
Ｇスラッジキャッチャー
１密閉容器
３回転圧縮要素
１０ローラ
１２ベーン
１８オイル

Claims

塩素を含まない弗化炭化水素系冷媒を用いる冷凍サイクルを備え、ポリオールエステル油を基油とした冷凍機油を有する冷凍装置であって、
弗化炭化水素系冷媒は、純度が９９．９５重量％以上で、塩素系冷媒の混入が８０ｐｐｍ以下であって、ポリオールエステル油は、ポリオールと、直鎖構造の脂肪酸又はアルキル基に側鎖のある脂肪酸を無触媒で反応させたもので、流動点が−４０℃以下、二液分離温度が−２０℃以下、全酸価が０．０２ｍｇＫＯＨ／ｇ以下、粘度が４０℃で８〜１００ｃｓｔのものであり、ポリオールエステル油にはフェノール系酸化防止剤が０．１〜０．５重量％とエポキシ系添加剤が０．１〜０．５重量％添加され、前記冷凍サイクルは、圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を配管接続して構成され、この冷凍サイクルの高圧側にはサイクル中のスラッジを捕獲するスラッジキャッチャーが設けられていることを特徴とする冷凍装置。
ポリオールエステル油には、２０ｐｐｍ以下の銅不活性化剤が添加されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
ポリオールエステル油には、２重量％以下の極圧添加剤が添加されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。