JP5260168B2 - 冷媒圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒圧縮機並びにこれを用いた冷凍装置及び空調機に関する。

近年、冷凍サイクルに使用する冷媒は、地球環境保全を目的に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、自然系冷媒としての炭化水素は、地球温暖化係数が低いという観点から、冷蔵庫の冷媒としてイソブタンが既に実用化されている。また、炭化水素は、欧州を中心に、冷凍ショーケースやルームエアコンの冷媒としても注目されている。

一方、冷凍サイクルの冷媒圧縮機に使用される冷凍機油は、摺動部の潤滑，シール部の密封，発熱部の冷却，電気的な絶縁等を担う役割を果たしている。そして、冷媒圧縮機の省エネルギー化，小型化，低騒音化，高効率化が要求される昨今では、冷凍機油の使用条件が苛酷となっている。したがって、このような苛酷な使用条件で冷媒圧縮機の信頼性を確保するため、優れた潤滑性が冷凍機油に要求されている。

冷凍機油としては、ポリオールエステル油やエーテル油がハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）系冷媒との相溶性が優れるとして使用されている。また、冷蔵庫では自然系冷媒であるＲ６００ａ（イソブタン）用冷凍機油として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。

Ｒ２９０（プロパン）はこれら冷凍機油との相溶性が高すぎ、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、Ｒ２９０（プロパン）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。

これに対して、粘度低下防止のためハイドロカーボン（ＨＣ）冷媒と難溶性であるポリアルキレングリコール油を用いる方法がある（例えば、特許文献１参照）。また、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ある（例えば、特許文献２参照）。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方法がある（例えば、特許文献３参照）。

特開２０００−１２９２７５号公報 特開２００３−０４１２７８号公報 特開２００３−２７５０１３号公報

特許文献１においては、ポリアルキレングリコール油自体の潤滑性が劣るため、摺動部の摩耗を起こしやすい。

特許文献２においては、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なる。また、冷媒との相溶性が良いため、プロパンが冷凍機油に溶け込み過ぎると、冷媒圧縮機に封入するプロパンの量を予め増加させる必要がある。可燃性ガスであるプロパンの封入量を規制すると冷媒圧縮機が初期の性能を発揮しない場合も起こりうる。Ｒ２９０冷媒は可燃性であり、安全性の面において封入量は少ない方が好ましい。

特許文献３においては、リン系の添加剤が高温・高負荷状態では熱安定性に劣るため分解して燐酸を生成し、冷凍機油の劣化を促進させる原因となるおそれがある。

従って、自然系冷媒であるプロパ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とともに、冷凍機油へのプロパンの溶解量を低減することができる冷媒圧縮機が望まれている。

本発明は、潤滑性に優れるとともに、冷媒としてのプロパンの冷凍機油への溶解量を低減することができる冷媒圧縮機並びにこれを用いた冷凍装置及び空調機を提供することを課題とする。

本発明に係る冷媒圧縮機は、モータと、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、冷凍機油を貯溜する密閉容器内に収納し、冷媒はＲ２９０であり、冷凍機油はポリアルキレングリコールを基油として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し、基油が含有する化合物の割合は０.１〜１.０質量％であり、前記グリセリンは（式１）のモノエステル（ＲはＨ若しくはアルキル基）又は（式２）のジエステルであることを特徴とする冷媒圧縮機。

本発明によれば、潤滑性に優れるとともに、冷媒としてのプロパンの冷凍機油への溶解量を低減することができる冷媒圧縮機並びにこれを用いた冷凍装置及び空調機を提供することができる。

以下、本発明を図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本実施例に係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，レシプロ方式等があるが、以下、スクロール方式の密閉型冷媒圧縮機を一例として説明する。

冷媒圧縮機は、油溜めを兼ねた密閉容器１内に圧縮機部２と電動機部３とが収納されている。圧縮機部２は旋回スクロール４，固定スクロール５，フレーム６，クランク軸７，オルダムリング８を主要構成要素としている。密閉容器１には外部サイクルと連通する吸入パイプ９が密封接続されている。電動機部は回転子１０と固定子１１とからなり、回転子１０には鋳鉄製のクランク軸７が嵌着されている。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。また、フレーム６の外周部は密閉容器１に固定されており、クランク軸７の回転を受ける軸受を備える。クランク軸７の偏心部１２には旋回スクロール４が回転自在に取付けられている。フレーム６に設けられた溝と旋回スクロールの反ラップ側の台板に設けられた溝にはオルダムリング８が摺動自在に配設され、旋回スクロールは自転することなく公転する。また、底部には冷凍機油１４が貯溜されており、この冷凍機油は、摺動部へと給油される。

本実施例に係る冷媒圧縮機に使用される冷凍機油１４（以下、符号を省略して単に「冷凍機油」ということがある。）は、ポリアルキレングリコー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する。具体的には、ポリアルキレングリコールとしては、例えば、ポリエチレングリコール，ポリイソピロピレングリコール，ポリエチレングリコール・ポリイソピロピレングリコール共重合体，ポリイソプロピレングリコールモノブチルエーテル，ポリエチレングリコール・ポリイソピロピレングリコール共重合体のモノブチルエーテル，ポリエチレングリコールジメチルエーテル，ポリエチレングリコールジエチルエーテル，ポリエチレングリコールジプロピルエーテル，ポリエチレングリコールジブチルエーテル，ポリエチレングリコールメチルエチルエーテル，ポリエチレングリコールメチルプロピルエーテル，ポリエチレングリコールメチルブチルエーテル，ポリエチレングリコールエチルプロピルエーテル，ポリエチレングリコールエチルブチルエーテル，ポリエチレングリコールプロピルブチルエーテル，ポリイソプロピレングリコールジメチルエーテル，ポリイソプロピレングリコールジエチルエーテル，ポリイソプロピレングリコールジプロピルエーテル，ポリイソプロピレングリコールジブチルエーテル，ポリイソプロピレングリコールメチルエチルエーテル，ポリイソプロピレングリコールメチルプロピルエーテル，ポリイソプロピレングリコールメチルブチルエーテル，ポリイソプロピレングリコールエチルプロピルエーテル，ポリイソプロピレングリコールエチルブチルエーテル，ポリイソプロピレングリコールプロピルブチルエーテル、１，２−ビス（メトキシポリエチレンオキシ）エチレン、１，２−ビス（メトキシポリエチレンオキシ）プロピレン、１，２−ビス（メトキシポリエチレンオキシ）ブチレン、１，２−ビス（エトキシポリエチレンオキシ）エチレン、１，２−ビス（エトキシエチレンオキシ）プロピレン、１，２−ビス（エトキシポリエチレンオキシ）ブチレン、１，２−ビス（プロポキシポリエチレンオキシ）エチレン、１，２−ビス（プロポキシポリエチレンオキシ）プロピレン、１，２−ビス（プロポキシポリエチレンオキシ）ブチレン、１，２−ビス（ブトキシポリエチレンオキシ）エチレン、１，２−ビス（ブトキシポリエチレンオキシ）プロピレン、１，２−ビス（ブトキシポリエチレンオキシ）ブチレン、１，２−ビス（メトキシポリイソプロピレンオキシ）エチレン、１，２−ビス（メトキシポリイソプロピレンオキシ）プロピレン、１，２−ビス（メトキシポリイソプロピレンオキシ）ブチレン、１，２−ビス（エトキシポリイソプロピレンオキシ）エチレン、１，２−ビス（エトキシポリイソプロピレンオキシ）プロピレン、１，２−ビス（エトキシポリイソプロピレンオキシ）ブチレン、１，２−ビス（プロポキシポリイソプロピレンオキシ）エチレン、１，２−ビス（プロポキシポリイソプロピレンオキシ）プロピレン、１，２−ビス（プロポキシポリイソプロピレンオキシ）ブチレン、１，２−ビス（ブトキシポリイソプロピレンオキシ）エチレン、１，２−ビス（ブトキシポリイソプロピレンオキシ）プロピレン、１，２−ビス（ブトキシポリイソプロピレンオキシ）ブチレン等である。

冷凍機油の粘度（ＪＩＳ Ｋ２２８３で測定）は、圧縮機のスクロール式圧縮機の場合では、４０℃における粘度が４０〜１００mm²／ｓの範囲が好ましい。粘度４０mm²／ｓ未満の場合、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を保つことができない。更には、圧縮部のシール性を保つこともできない。これに対して粘度１００mm²／ｓを越えると、粘性抵抗，摩擦抵抗等の機械損失が増大し、圧縮機効率が低下する。

表１は、グリセリン部分エステル配合による摩耗量の変化を示している。また、図２は、添加剤配合油の耐摩耗性評価結果を示す図である。表１及び図２は、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している。

本試験では化学式（１）式に示すポリアルキレングリコール油を用いた。粘度は４０℃で約５７.１cm²／ｓである。

ＣＨ₂Ｏ−(Ｃ(ＣＨ₃)ＨＣＨ₂Ｏ)_n−ＣＨ₃ ・・・化学式（１）
（平均分子量：Ｍｗ≒１２００）

試験条件として、冷凍機油をポリアルキレングリコール油（ＰＡＧ油ＶＧ５６），荷重３００ｌｂ，時間１ｈ，回転速度２９０min^-1，温度８０℃，慣らし運転５０ｌｂ，１０min，雰囲気airでファレックス試験を行った。このような試験条件において、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実施例の添加剤を０.１質量％添加した場合、添加しない場合に比べてピン＋Ｖブロックの摩耗量が約３０％低減した。また、１.０質量％添加した場合は約５０％低減した。しかし、添加剤を３.０質量％添加したところ摩耗量は添加しない場合とあまり変わらなかった。従って、油性剤の添加量は１.０質量％以下が望ましい。

図３は、冷凍装置用の冷凍サイクル構成図である。冷凍装置は、冷媒圧縮機１５，凝縮器１６，減圧装置１７、及び蒸発器１８を備える。冷媒圧縮機１５は、低温低圧の冷媒ガスを圧縮し、高温高圧の冷媒ガスを凝縮器１６に送る。凝縮器１６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１７に送られる。減圧装置１７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１８へ送られる。蒸発器１８に送られた冷媒は、周囲から熱を吸収して蒸発する。蒸発器１８を通過した低温低圧の冷媒ガスは、再び冷媒圧縮機１５に吸い込まれる。このようにして冷凍サイクルが繰り返される。このような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）を必要とする。

図４は、空調機用の冷凍サイクル構成図である。冷凍装置は、冷媒圧縮機１５，凝縮器１６，減圧装置１７，蒸発器１８、及び四方弁１９を備える。冷媒圧縮機１５は、低温低圧の冷媒ガスを圧縮し、高温高圧の冷媒ガスを四方弁を介して凝縮器１６に送る。凝縮器１６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１７に送られる。減圧装置１７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１８へ送られる。蒸発器１８に入った冷媒は、周囲から熱を吸収して蒸発する。蒸発器１８を通過した低温低圧の冷媒ガスは、再び圧縮機に吸い込まれる。このようにして冷凍サイクルが繰り返される。四方弁１９により冷媒流路を切り替えることにより、凝縮器１６と蒸発器１８の作用が入れ替わる。このような冷凍サイクルにおいて、ルームエアコン等では中温度の蒸発器温度（−１０℃以下）を必要とする。

図５は添加剤配合油の二層分離温度を示す図であり、Ｒ２９０／冷凍機油の相溶性を示している。相溶性はＪＩＳ Ｋ ２２１１「冷凍機油」４.１２（冷媒との相溶性）に従った。横軸に添加量、縦軸に二層分離温度を示す。現在のルームエアコンでは、二層分離温度は８℃ぐらいであるが、新たに寒冷地対応も含めて考えた場合、二層分離温度は−１０℃以下が望ましい。本実施例で用いたポリアルキレングリコール油（ＶＧ５６）は化学式（１）に示す構造のものである。この冷凍機油とＲ２９０との二層分離温度は−１６℃であり−１０℃以下を満足している。また、本発明に係る油性剤を添加した場合、添加剤の添加量が２.０質量％以下であれば二層分離温度は変化がないが、３.０質量％添加した場合の二層分離温度は−１０℃と上昇した。従って、ポリアルキレングリコール油の場合は添加量２.０質量％、好ましくは１.０質量％以下が望ましい。

表２は添加剤の添加量と流動点変化の関係を示している。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。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、添加剤の添加量をかえて化学式（１）のポリアルキレングリコール油に添加し、流動点を測定したところポリアルキレングリコール油に３ｗｔ％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。

本発明の冷媒はＲ２９０（プロパン）であり、Ｒ２９０（プロパン）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。

本発明に係る冷凍機油（ポリアルキレングリコールを基油として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する冷凍機油／上記（式１）のモノエステル又は上記（式２）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を含有せしめてなるポリアルキレングリコール油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できる。また、Ｒ２９０（プロパン）と溶けにくいポリアルキレングリコール油を用いることにより冷媒溶解度を低下させ十分な油膜確保を可能にし、封入冷媒量を低減することができる。

ポリアルキレングリコー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、添加剤が基油の潤滑性を阻害する可能性がある。

本発明に係る冷凍機油に、酸化防止剤，酸捕捉剤，消泡剤，金属不活性剤等を添加することもできる。特に、ポリアルキレングリコー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する。従って、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，酸捕捉剤の配合が必要である。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好ましい。

冷凍装置や空調機に用いる混合油の粘度（ＪＩＳ Ｋ ２２８３で測定）は、圧縮機の種類によって異なるが、スクロール式圧縮機では４０℃における粘度が４０〜１００mm²／ｓの範囲が好ましい。粘度４０mm²／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を保つことができない。更には、圧縮部のシール性を保つことも困難である。これに対して、粘度１００mm²／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。

本発明はＲ２９０（プロパン）冷媒を用いた圧縮機に関するものであり、本発明に係る圧縮機は、冷凍装置又は空調機等に使用される冷凍サイクルに適用することが可能である。

密閉型冷媒圧縮機の断面図。 添加剤配合油の耐摩耗性評価結果。 冷凍機用の冷凍サイクル構成図。 空調機用の冷凍サイクル構成図。 添加剤配合油の二層分離温度。

符号の説明

１ 密閉容器
２ 圧縮機部
３ 電動機部
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 圧縮機
１６ 凝縮器
１７ 減圧装置
１８ 蒸発器
１９ 四方弁

Claims (6)

1. モータと、前記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、冷凍機油を貯溜する密閉容器内に収納する冷媒圧縮機において、
   前記冷媒はＲ２９０であり、前記冷凍機油はポリアルキレングリコールを基油として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を含有し、
   前記基油が含有する前記化合物の割合は０.１〜１.０質量％であり、
   前記グリセリンは（式１）のモノエステル（ＲはＨ若しくはアルキル基）であることを特徴とする冷媒圧縮機。
   
2. 請求項１において、前記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。
3. 請求項１又は２において、前記冷凍機油は少なくとも酸捕捉剤及び酸化防止剤の何れかを含有することを特徴とする冷媒圧縮機。
4. 請求項１乃至３の何れかにおいて、前記冷媒圧縮機はスクロール式圧縮機であり、前記冷凍機油の粘度は４０℃において４０〜１００mm2／ｓであることを特徴とする冷媒圧縮機。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の冷媒圧縮機，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と、を備えた冷凍サイクル。
6. 請求項５に記載の冷凍サイクルを備えた冷凍装置又は空調機。