JP5466772B2 - 冷凍空調用圧縮機及び冷凍空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプサイクルを用いた冷凍空調用圧縮機及び冷凍空調装置に関する。

冷凍空調機器分野における地球環境対策としては、オゾン層破壊物質として冷媒や断熱材に用いられていたＣＦＣ（Ｃｈｌｏｒｏｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎｓ）やＨＣＦＣ（Ｈｙｄｒｏｃｈｌｏｒｏｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎｓ）の代替、並びに、地球温暖化対策としての高効率化や冷媒に用いられているＨＦＣ（Ｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎｓ）の代替が挙げられ、これらが積極的に進められてきた。

オゾン層破壊物質であるＣＦＣやＨＣＦＣの代替としては、オゾン層を破壊しないこと、毒性や燃焼性が低いこと、及び効率を確保できることを主眼として、冷媒及び断熱材の選定並びに機器開発が進められた。その結果、冷蔵庫の断熱材用発泡剤としては、ＣＦＣ１１をＨＣＦＣ１４１ｂ、シクロペンタンの順に代替していき、現在は、真空断熱材との併用に移行している。

また、冷媒としては、冷蔵庫やカーエアコンにおいてＣＦＣ１２をＨＦＣ１３４ａ（ＧＷＰ（Ｇｌｏｂａｌ Ｗａｒｍｉｎｇ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ：地球温暖化係数）＝１４３０））の順に代替し、ルームエアコンやパッケージエアコンにおいてＨＣＦＣ２２をＲ４１０Ａ（ＨＦＣ３２／ＨＦＣ１２５（５０／５０重量％）混合物：ＧＷＰ＝２０８８）に代替した。

しかし、１９９７年に京都で開催された気候変動枠組条約第３回締約国会議（ＣＯＰ３）で、ＨＦＣ排出量が温室効果ガスとしてＣＯ_２換算されて規制対象となって以降、ＨＦＣ排出量の削減が進められることとなった。

そこで、家庭用冷蔵庫においては、冷媒封入量が少なく、可燃性冷媒も製造上使用可能と判断され、ＨＦＣ１３４ａを可燃性のＲ６００ａ（イソブタン：ＧＷＰ＝３）へと代替した。さらに、世論の高まりにより、現在は、カーエアコン用のＨＦＣ１３４ａ並びにルームエアコン及びパッケージエアコン用のＲ４１０Ａにも注目が向けられている。一方で、業務用冷蔵庫においては、Ｒ６００ａの封入量が多く、さらに可燃性を有することへの危惧から、現在でもＨＦＣ１３４ａが使用されている。

現実には、２００１年に施行された家電リサイクル法（特定家庭用機器再商品化法）や２００３年施行の自動車リサイクル法（使用済自動車の再資源化等に関する法律）により機器のリサイクルが義務化され、冷媒として用いられているＨＦＣ等が回収され処理されている。しかし、ＥＵ（欧州連合）は、２００６年指令（Ｄｉｒｅｃｔｉｖｅ ２００６／４０／ＥＣ）において、２０１１年１月出荷のカーエアコンから、これに用いる冷媒としてＧＷＰ＞１５０の冷媒の使用を禁じた。これを受けて、カーエアコン業界では様々な動きをみせており、ルームエアコンでもＲ４１０Ａがいずれは規制されるのではないかという懸念が生じている。前記ＥＵ指令に基づき、２０１１年に定置型エアコンを含めた規制見直しの可能性もあり、代替冷媒の検討が加速している。

これらの代替冷媒としては、ＨＦＣ１３４ａと同等の熱物性を有し、低ＧＷＰ、低毒性、低可燃性などの理由から、２，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ１２３４ｙｆ（Ｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｏｏｌｅｆｉｎ）（ＧＷＰ＝４）、１，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ１２３４ｚｅ）（ＧＷＰ＝１０）若しくはジフルオロメタン（ＨＦＣ３２）の単独冷媒又はこれらの混合冷媒が候補とされている。例えば、２，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ１２３４ｙｆ）と混合する冷媒としては、ジフルオロメタン（ＨＦＣ３２）が主である。

さらに、低燃焼性のために許容されるＧＷＰ（地球温暖化係数）によっては、ＨＦＣ１３４ａやＨＦＣ１２５を混合することも考えられる。

その他の冷媒としては、プロパン、プロピレンなどのハイドロカーボン、及びフルオロエタン（ＨＦＣ１６１）、ジフルオロエタン（ＨＦＣ１５２ａ）などの低ＧＷＰのハイドロフルオロカーボンが挙げられている。これらの冷媒候補の中で、可燃性、冷暖房能力、非共沸冷媒温度勾配による冷凍空調サイクル効率の低下、取り扱い易さ、冷媒コスト、機器の変更（開発）などを考慮すると、ジフルオロメタン（ＨＦＣ３２）が最も好ましい。

しかし、パッケージエアコンやマルチタイプエアコンでは、冷凍空調サイクルを構成する配管が長く、一台当たりの冷媒の封入量が多いため、可燃性が高い冷媒を用いることが困難であると考えられる。また、配管が長いため、冷媒との相溶性に優れる冷凍機油を用いる必要がある。

冷凍機油は、密閉型電動圧縮機に使用され、その摺動部の潤滑、密封、冷却等の役割を果たすものである。冷凍空調用冷凍機油で最も重要な特性は、冷媒との相溶性であり、室外機に配置される圧縮機内で液冷媒と冷凍機油の二層分離が発生すると、各摺動部に分離した液冷媒が供給されてしまい、潤滑不良を起こす懸念がある。さらに、圧縮機運転中に機械的な作用により冷凍機油がミスト状となって冷凍空調サイクルに吐出されるが、相溶性が劣ると、冷凍空調サイクルの低温部で冷凍機油が滞留してしまい、圧縮機への油戻り量が減少する。特に、パッケージエアコンやマルチタイプエアコンでは、冷凍空調サイクルを構成する配管が長いため、冷媒との相溶性に優れる冷凍機油に用いる必要がある。

冷媒及び冷凍機油の二層分離は、冷凍機油濃度による二層分離曲線で評価ができる。低温側の二層分離は、上に凸の曲線となる。この曲線の極大値が低温側二層分離温度（ＵＣＳＴ：Ｕｐｐｅｒ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）となり、この温度が低いほど相溶性が良いことを示す。

相溶性を有する冷凍空調用の冷凍機油を用いた冷凍空調用圧縮機としては、特許文献１に記載されたハイドロフルオロオレフィン系冷媒に相溶性のあるポリビニルエーテル油ポリオールエステル油を用いた圧縮機がある。ハイドロフルオロオレフィンに代表される２，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ１２３４ｙｆ）は、これらの冷凍機油との相溶性が認められるが、その一方で、開示されている冷凍機油は、ジフルオロメタンとの相溶性が劣ることがわかっている。

また、特許文献２には、炭化水素系冷媒との相溶性を有する冷凍機油が開示されている
。炭化水素系冷媒も特許文献１と同様で各種冷凍機油と相溶性を有するが、ジフルオロメ
タンとは相溶しにくい。

特許文献３には、冷媒との相溶性を有しないアルキルベンゼン油を用いる冷凍機が開示されている。冷媒に対して非相溶性を示す冷凍機油を用いることにより、圧縮機摺動部における潤滑油膜が確保されやすいが、冷凍空調サイクルからの油戻り量がないため、新たに油分離器を設ける必要がある。さらに、ここで用いているアルキルベンゼン油は、ジフルオロメタンに対しても非相溶性である。

特許文献４には、冷媒に対して非相溶性を示す冷凍機油と、冷媒と相溶性を示す冷凍機油とを混ぜた混合油を用いるスクロール型圧縮機が開示されており、ジフルオロメタンと相溶する冷凍機油が用いられている。しかし、長期信頼性および冷凍空調サイクルの効率化がまだ不十分である。

また、特許文献５及び特許文献６には、ジフルオロメタンに対して相溶性を示すポリオールエステル油が開示されているが、相溶性がまだ不十分である。

特開２０１０−２３６５４２号公報 特開平１０−１３０６８５号公報 特開平９−３１４５０号公報 特開平７−２５９７５５号公報 特開２０１０−２３５９６０号公報 特開２００２−１２９１７８号公報

本発明の目的は、冷媒としてジフルオロメタン（ＨＦＣ３２）を用いた冷凍空調用圧縮機の耐摩耗性を向上して長期信頼性を高めるとともに、この圧縮機を用いた冷凍空調機器の冷凍空調サイクルの高効率化を実現することにある。

本発明の冷凍空調用圧縮機は、摺動部を有する冷媒圧縮部を備え、冷媒であるジフルオロメタンと、冷凍機油とを封入したものであって、前記冷凍機油は、４０℃における動粘度が３０〜１００ｍｍ^２／ｓであり、前記冷媒と前記冷凍機油との低温側臨界溶解温度が＋１０℃以下であることを特徴とする。

本発明によれば、冷媒としてジフルオロメタンを用いた冷凍空調用圧縮機の長期信頼性及び油戻り特性を確保しつつ、地球環境に配慮した冷凍空調装置を得ることができる。

ルームエアコンの構成を示す概略図である。 ルームエアコン用のスクロール式密閉型圧縮機を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る冷凍空調用圧縮機及びこれを用いた冷凍空調装置について説明する。

前記冷凍空調用圧縮機は、摺動部を有する冷媒圧縮部を備え、冷媒であるジフルオロメタンと、冷凍機油とを封入したものである。ここで、冷凍機油は、４０℃における動粘度が３０〜１００ｍｍ^２／ｓであり、冷媒と冷凍機油との低温側臨界溶解温度は＋１０℃以下である。また、６０℃、２．５ＭＰaの条件下における油に対する冷媒溶解量が１７〜２２重量％であり、冷媒溶解時の油粘度が３．０〜５．０ｍｍ^２／ｓであることが好ましい。

前記冷凍空調用圧縮機において、冷凍機油は、ポリオールエステル油又はポリビニルエーテル油である。

前記冷凍空調用圧縮機において、ポリオールエステル油は、下記化学式（１）、（２）、（３）及び（４）で表される化合物（式中、Ｒ^１〜Ｒ^１１は、炭素数４〜９のアルキル基を表す。）並びにコンプレックスエステル油からなる群から選択される少なくとも一種類を基油として含む。

前記冷凍空調用圧縮機において、ポリビニルエーテル油は、下記化学式（５）で表される基油（式中、Ｑ^ｉ（ｉは、１〜ｍのいずれかであって、Ｑ^１〜Ｑ^ｍは、上付き文字の数値の順に直列に結合している。）は、下記化学式（６）で表される化学構造を有し、下記化学式（６）におけるＯＲ^１２は、メチルオキシ基、エチルオキシ基、プロピルオキシ基又はブチルオキシ基であり、Ｑ^１〜Ｑ^ｍのいずれか１つに含まれるＯＲ^１２は、メチルオキシ基であり、ｍは、５〜１５である。）を含む。ここで、プロピルオキシ基は、イソプロピルオキシ基を含む用語であり、ブチルオキシ基は、イソブチルオキシ基、ｓｅｃ−ブチルオキシ基及びｔｅｒｔ−ブチルオキシ基を含む用語である。

なお、Ｑ^１〜Ｑ^ｍが直列に結合した化学構造は、Ｑ^１−Ｑ^２−Ｑ^３〜Ｑ^ｍ−１−Ｑ^ｍと表される化学構造と同値である。

前記冷凍空調装置は、前記冷凍空調用圧縮機を用いたものである。

前記冷凍空調用圧縮機は、モータが内蔵されたスクロール式もしくはロータリー式密閉型圧縮機であり、冷凍機油主剤の４０℃における動粘度が３０〜１００ｍｍ^２／ｓである。

前記冷凍空調装置は、前記スクロール式もしくはロータリー式密閉型圧縮機を用いるものである。

以下、実施例を用いて詳細に説明する。

実施例は、ジフルオロメタンを用いた圧縮機及びこれを用いた冷凍空調装置について開示するものである。

実施例の冷媒は、ジフルオロメタンであり、冷凍機油は、ポリオールエステル油又はポリビニルエーテル油である。

ポリオールエステル油は、多価アルコールと一価の脂肪酸との縮合反応により得られる。

ポリオールエステル油としては、熱安定性に優れるヒンダードタイプが好ましく、原料となる多価アルコールとして好ましいものは、例えば、ネオペンチルグリコール、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール等である。

また、原料となる一価の脂肪酸としては、ｎ−ペンタン酸、ｎ−ヘキサン酸、ｎ−ヘプタン酸、ｎ−オクタン酸、２−メチルブタン酸、３−メチルブタン酸、２−メチルペンタン酸、２−エチルブタン酸、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、これらを単独又は２種類以上を混合して用いる。

コンプレックスタイプのポリオールエステル油（コンプレックスエステル油）は、多価アルコールに対して、二価の脂肪酸と一価の脂肪酸とが結合したエステル化合物である。

ここで、原料となる多価アルコールとして好ましいものは、例えば、ネオペンチルグリコール、トリメチロールプロパン及びペンタエリスリトールである。また、原料となる一価の脂肪酸としては、ｎ−ペンタン酸、ｎ−ヘキサン酸、ｎ−ヘプタン酸、ｎ−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、これらを単独又は２種類以上を混合して用いる。さらに、原料となる二価の脂肪酸としては、プロパン二酸、ブタン二酸、ペンタン二酸、ヘキサン二酸、ヘプタン二酸、オクタン二酸等があり、これらを単独又は２種類以上を混合して用いる。

コンプレックスエステル油の具体例は、下記化学式（７）で表される。

式中、Ｒ^１３及びＲ^１５は、炭素数４〜９のアルキル基を表す。また、Ｒ^１４は、炭素数１〜９のアルキレン基を表す。ｎは、正の整数である。

また、ポリビニルエーテル油は、アルコキシビニルの重合体であり、アルコキシ基のアルキル炭素数が大きいとジフルオロメタンとの相溶性が劣るため、メチルオキシ基及びエチルオキシ基が好ましい。

実施例の空調装置及び冷凍機に用いる冷凍機油の粘度グレードは、圧縮機の種類により異なるが、スクロール式密閉型圧縮機においては、４０℃における動粘度が４６〜１００ｍｍ^２／ｓの範囲であることが好ましい。また、ロータリー式密閉型圧縮機においては、４０℃における動粘度が３０〜７０ｍｍ^２／ｓの範囲であることが好ましい。

電気絶縁の耐熱クラスは、電気絶縁システムの耐熱クラス及び熱耐久性評価ＪＥＣ−６１４７−２０１０（電気学会電気規格調査会標準規格）で規定されており、冷凍空調機用圧縮機に採用されている絶縁材料も前記規格の耐熱クラスにより選定される。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。さらにはジフルオロメタンは断熱指数が大きいため圧縮行程での温度上昇が大きいことから電気絶縁材料の耐熱性は非常に重要となる。

このため、高い耐熱クラス（Ｅ種１２０℃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。分布巻モータの鉄心とのコイル絶縁用にフィルム材のＰＥＴが用いられ、コイルの縛り糸、および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（ポリエーテルエーテルケトン）、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。

本発明においては、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、酸化防止剤及び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、一般に、エポキシ環を有する化合物である脂肪族のエポキシ系化合物やカルボジイミド系化合物が使用される。特に、カルボジイミド系化合物は、脂肪酸との反応性が極めて高く、脂肪酸から解離した水素イオンを捕捉することから、ポリオールエステル油の加水分解反応が抑制される効果が非常に大きい。カルボジイミド系化合物としては、ビス（２，６−イソプロピルフェニル）カルボジイミドが挙げられる。酸捕捉剤の配合量は、冷凍機油に対して０．０５〜１．０重量％とすることが好ましい。また、ポリビニルエーテル油は、耐摩耗性が劣るため、潤滑性向上剤としてトリクレジルホスフェートに代表される第三級ホスフェートなどを配合することが望ましい。

（実施例１〜１４及び比較例１〜１１）
（冷凍機油成分）
冷凍空調用圧縮機に封入される冷媒及び冷凍機油の相溶性は、前述したように冷凍サイクルから圧縮機への油戻り（圧縮機内部の油量を確保）あるいは熱交換効率の低下等、圧縮機の信頼性を保証する面で重要な特性の一つである。

ジフルオロメタンと冷凍機油との相溶性評価は、日本工業規格番号 ＪＩＳ Ｋ ２２１１に準じて測定した。

任意の量の油（冷凍機油）と冷媒とを混合して調製した混合物を耐圧ガラス容器に封入し、温度を変化させた状態における内容物の観察を行った。内容物が白濁していれば二層分離、透明であれば溶解と判定した。

一般に、上記の混合物の組み合わせでは、高温側と低温側に分離域を持っている。相溶性で特に問題となるのは低温側であり、本実施例で行った相溶性評価においては、混合物の温度を二層分離している−６０℃から徐々に上昇させて二層分離の状態の観察を行い、その時の温度を二層分離する温度として測定した。ここで、二層分離する温度が２０℃以上の場合のデータは求めていない。２０℃以上で二層分離する油は、冷凍空調用の圧縮機に用いる油としては不適当である。

冷媒と冷凍機油とが二層分離する温度は濃度によって変化する。問題となる低温側では上に凸を持った曲線となり全油濃度を測定して分離曲線の最大値が低温側臨界溶解温度となり重要な温度となる。エアコンの圧縮機運転条件、室外機などが置かれる外気温、さらには冷凍サイクル内においても冷媒と冷凍機油との濃度は様々に変化するためこれにともない二層分離温度も変わってくる。このため低温での二層分離に関しては、全ての冷媒と油濃度に対する二層分離温度を測定し、その最大値で評価することが重要となる。このとき、低温側臨界溶解温度は特定濃度に現れるわけではない。従って、特定の濃度における二層分離温度を測定しても圧縮機に用いる油として適切な評価指針とはならない。このため、本実施例の相溶性評価においては、冷媒に混合した油の濃度（油濃度）を横軸とし、二層分離温度を縦軸としたグラフを作成した。このグラフは、一般に、二層に分離する温度の油濃度依存性を示すものであり、極大値を有する上に凸の曲線となる。この極大値を低温側臨界溶解温度と定義した。

用いた冷凍機油は、下記の通りである。ここで、４０℃粘度は、４０℃における冷凍機油の動粘度である。

（Ａ）ヒンダードタイプポリオールエステル油（Ｈ−ＰＯＥ）（ペンタエリスリトール系のペンタン酸／３，５，５−トリメチルヘキサン酸の混合脂肪酸エステル油）：４０℃粘度６５．９ｍｍ^２／ｓ
（Ｂ）ヒンダードタイプポリオールエステル油（Ｈ−ＰＯＥ）（トリメチロールプロパン系の３，５，５−トリメチルヘキサン酸の脂肪酸エステル油）：４０℃粘度５１．６ｍｍ^２／ｓ
（Ｃ）ヒンダードタイプポリオールエステル油（Ｈ−ＰＯＥ）（ペンタエリスリトール系の２−メチルヘキサン酸／３，５，５−トリメチルヘキサン酸の混合脂肪酸エステル油）：４０℃粘度６０．１ｍｍ^２／ｓ
（Ｄ）ヒンダードタイプポリオールエステル油（Ｈ−ＰＯＥ）（ジペンタエリスリトール系のペンタン酸／２−メチルブタン酸の混合脂肪酸エステル油）：４０℃粘度６４．８ｍｍ^２／ｓ
（Ｅ）ヒンダードタイプポリオールエステル油（Ｈ−ＰＯＥ）（ジペンタエリスリトール系のヘキサン酸／２−メチルブタン酸の混合脂肪酸エステル油）：４０℃粘度７１．２ｍｍ^２／ｓ
（Ｆ）コンプレックスタイプポリオールエステル油（Ｃ−ＰＯＥ）（ネオペンチルグリコールとジカルボン酸とモノカルボン酸とが結合したエステルであり、ジカルボン酸としてブタン二酸とペンタン二酸との混合脂肪酸、モノカルボン酸として２−メチルヘキサン酸／２−エチルヘキサン酸の混合脂肪酸を用いたエステル油）：４０℃粘度３２．６ｍｍ^２／ｓ
（Ｇ）コンプレックスタイプポリオールエステル油（Ｃ−ＰＯＥ）（ネオペンチルグリコールとジカルボン酸とモノカルボン酸とが結合したエステルであり、ジカルボン酸としてブタン二酸とペンタン二酸との混合脂肪酸、モノカルボン酸として２−メチルヘキサン酸／２−エチルヘキサン酸の混合脂肪酸を用いたエステル油）：４０℃粘度５０．８ｍｍ^２／ｓ
（Ｈ）コンプレックスタイプポリオールエステル油（Ｃ−ＰＯＥ）（ネオペンチルグリコールとジカルボン酸とモノカルボン酸とが結合したエステルであり、ジカルボン酸としてブタン二酸とペンタン二酸との混合脂肪酸、モノカルボン酸として２−メチルヘキサン酸／２−エチルヘキサン酸の混合脂肪酸を用いたエステル油）：４０℃粘度７１．５ｍｍ^２／ｓ
（Ｉ）ポリビニルエーテル油（ＰＶＥ）（アルコキシビニルの重合体であり、アルコキシ基がメチルオキシ基及びエチルオキシ基である共重合体エーテル油）：４０℃粘度６５．２ｍｍ^２／ｓ
（Ｊ）ポリビニルエーテル油（ＰＶＥ）（アルコキシビニルの重合体であり、アルコキシ基がメチルオキシ基及びエチルオキシ基である共重合体エーテル油）：４０℃粘度５１．７ｍｍ^２／ｓ
（Ｋ）ヒンダードタイプポリオールエステル油（Ｈ−ＰＯＥ）（ペンタエリスリトール系の２−エチルヘキサン酸／３，５，５−トリメチルヘキサン酸の混合脂肪酸エステル油
）：４０℃粘度６４．９ｍｍ^２／ｓ
（Ｌ）ヒンダードタイプポリオールエステル油（Ｈ−ＰＯＥ）（トリメチロールプロパ
ン／ペンタエリスリトール系の２−エチルヘキサン酸／３，５，５−トリメチルヘキサン酸の混合脂肪酸エステル油）：４０℃粘度５６．３ｍｍ^２／ｓ
（Ｍ）ヒンダードタイプポリオールエステル油（Ｈ−ＰＯＥ）（ペンタエリスリトール系の２−メチルヘキサン酸／２−エチルヘキサン酸の混合脂肪酸エステル油）：４０℃粘度３１．４ｍｍ^２／ｓ
（Ｎ）ヒンダードタイプポリオールエステル油（Ｈ−ＰＯＥ）（ペンタエリスリトール／ネオペンチルグリコール系の２−エチルヘキサン酸の脂肪酸エステル油）：４０℃粘度１４．９ｍｍ^２／ｓ
（Ｏ）ヒンダードタイプポリオールエステル油（Ｈ−ＰＯＥ）（ネオペンチルグリコール系の２−エチルヘキサン酸の脂肪酸エステル油）：４０℃粘度７．５ｍｍ^２／ｓ
（Ｐ）ポリビニルエーテル油（ＰＶＥ）（アルコキシビニルの重合体であり、アルコキシ基がエチルオキシ基及びイソブチルオキシ基である共重合体エーテル油）：４０℃粘度６４．９ｍｍ^２／ｓ
（Ｑ）ポリビニルエーテル油（ＰＶＥ）（アルコキシビニルの重合体であり、アルコキシ基がエチルオキシ基及びイソブチルオキシ基である共重合体エーテル油）：４０℃粘度５０．１ｍｍ^２／ｓ
（Ｒ）ナフテン系鉱油：４０℃粘度５４．１ｍｍ^２／ｓ
（Ｓ）ポリαオレフィン油：４０℃粘度６１．８ｍｍ^２／ｓ
（Ｔ）ヒンダードタイプポリオールエステル油（Ｈ−ＰＯＥ）（ペンタエリスリトール／ジペンタエリスリトール系の２−メチルブタン酸／２−エチルヘキサン酸の混合脂肪酸エステル油）：４０℃粘度６８．７ｍｍ^２／ｓ
（Ｕ）ヒンダードタイプポリオールエステル油（Ｈ−ＰＯＥ）（ペンタエリスリトール／ジペンタエリスリトール系の２−メチルブタン酸／２−エチルヘキサン酸の混合脂肪酸エステル油）：４０℃粘度６４．４ｍｍ^２／ｓ
（Ｖ）ヒンダードタイプポリオールエステル油（Ｈ−ＰＯＥ）（ペンタエリスリトール／ジペンタエリスリトール系の２−メチルブタン酸／２−エチルヘキサン酸の混合脂肪酸エステル油）：４０℃粘度７４．８ｍｍ^２／ｓ
（Ｗ）ポリビニルエーテル油（ＰＶＥ）（アルキルビニルの重合体であり、アルコキシ基がエチルオキシ基のエーテル油）：４０℃粘度６７．８ｍｍ^２／ｓ
表１は、冷媒であるジフルオロメタン（ＨＦＣ３２）と冷凍機油との相溶性評価の結果を示したものである。

本表において、現在のＲ４１０Ａを用いた冷凍空調装置に主に使用されている冷凍機油の相溶性評価の結果は、比較例１０及び１１として示してある。

本表より、冷媒であるＨＦＣ３２と冷凍機油との相溶性の度合いである低温側臨界溶解温度が冷凍機油の種類によって大きく異なっていることがわかる。本表により、ＨＦＣ３２と相溶する冷凍機油を選定することができる。

実施例１〜１４に示す冷媒と冷凍機油との組み合わせにおいては、いずれも低温側臨界溶解温度が＋１０℃以下となっている。

冷凍機油（Ｋ）、（Ｐ）を用いてＨＦＣ３２に対する相溶性を評価した結果を比較例１及び６に示したが、冷媒がＨＦＣ３２となると相溶性が劣り、低温側臨界溶解温度が＋２０℃以上となってしまう。

このほか、比較例２、３及び７で示すように、ポリオールエステル油、ポリビニルエーテル油の動粘度を変化させても相溶性が改善されないことがわかる。

比較例４及び５で示すように、ＨＦＣ３２に対して相溶性に優れる油もあるが、動粘度が３０ｍｍ^２／ｓ以下であり、冷凍空調装置で適用することは困難である。

さらに、比較例８及び９は、異なる油種における相溶性の評価結果を示したものである
が、低温側臨界溶解温度が＋２０℃以上であるため、使用することは難しい。

これらに対して、実施例１〜１４においては、ＨＦＣ３２との相溶性に優れており、低温側臨界溶解温度が＋１０℃以下であるため、冷凍空調装置に適用することが可能である。

（実施例１５〜１７及び比較例１２〜１６）
冷凍空調器用圧縮機に適用できる冷凍機油には、冷媒との相溶性以外にも熱化学安定性や電気絶縁性、潤滑性が必要である。熱化学安定性は特にポリオールエステル油の場合、加水分解性が問題となる。電気絶縁性としては体積抵抗率を測定した。潤滑性にはファレックス試験機を用いて耐摩耗性を評価した。下記に評価方法を示す。
＜加水分解性試験＞
加水分解性の試験方法は下記の通りである。冷媒(ジフルオロメタン)と冷凍機油を０．５ｇ／３ｍｌで外径１３ｍｍ、内径８ｍｍのガラスアンプル管に封入してシールドチューブ試験を実施した。油中の水分を１０００ｐｐｍに調整し、触媒には銅、鉄、アルミ線を紙ヤスリで磨いたものを共存させ、１５０℃、２１日間加熱した後の油を１／１０Ｎ−ＫＯＨ水溶液（イソプロパノール性）で滴定し全酸価を求めた。
＜体積抵抗率＞
冷凍機油の体積抵抗率測定は電極に２５０Ｖの直流電圧を１分間印加し、１分後の抵抗値を求める。測定温度は２０℃である。体積抵抗率(ρ)は、次式によって算出した。電気絶縁油としての規格値は１×１０^１３Ω・ｃｍ以上となる。
ρ＝３．６πＣoＲ
Ｒ:抵抗値(Ω)
Ｃo:油を入れない状態の電極間の静電容量（ｐＦ）
＜潤滑性＞
潤滑性の評価にはファレックス摩擦試験機を用いた。試験機の摩擦部はオイルカップ内に浸漬しており、試験片は２個のＶブロックとその間で回転するピンとから構成される。ピンの回転速度は２９０min^-1(すべり速度０．１ｍ／ｓ)である。試験片はトルエンを用いて十分に洗浄し、脱脂したものを用いた。なお、ピンの材質はＳＡＥ３１３５(ＮｉＣｒ鋼)、Ｖブロックの材質はＡＩＳＩ １１３７(硫黄快削鋼)である。
洗浄した試験片を所定の位置にセットし、荷重０．４５ｋＮ、時間３ｈ、温度８０℃で運転した後の摩耗量を測定した。なお、室温から８０℃まで昇温する間、０．２２ｋＮで約１０分間ならし運転を行った。ここでの摩耗量はラチェットの目盛り変化からピンとVブロックの合計の摩耗深さを計算により求めた。
実施例１５〜１７及び比較例１２〜１６で行った評価結果を表２に示す。ＨＦＣ３２では断熱指数が大きいため圧縮機での吐出温度が約５〜１５℃も上昇する。このためＲ４１０Ａ冷媒を採用したエアコンで用いられてきた冷凍機油よりも熱に対する安定性が非常に重要である。温度が高いと有機物に対する劣化が大きくなることは一般的な知見である。このためポリオールエステル油の加水分解性もその一つの評価方法であり、分解生成物の脂肪酸が多量に存在するとサイクルの目詰まりや圧縮機摺動部の腐食摩耗などを引き起こす懸念がある。また、高温ではポリオールエステル油自体の吸着能力が低下するため油性効果が低くなるため潤滑性も優れるものが必要である。

比較例１２〜１４で示す化合物は、直鎖脂肪酸を用いているため潤滑性は優れているが、耐加水分解性が劣り、さらには体積抵抗率が規格値を満たしていない。Ｒ４１０Ａ冷媒との相溶性に優れた冷凍機油を用いた比較例１５，１６は加水分解性、電気絶縁性、潤滑性は十分満足できる。しかしながら、比較例１６のようにＲ４１０Ａを冷媒に用いた場合は優れた相溶性を有するが、ジフルオロメタンを冷媒に用いる比較例１５では表１で示すように相溶性に問題がある。これに対して、分鎖脂肪酸を用いたポリオールエステル油である実施例１５〜１７の化合物は、表１で示す相溶性を満たす他、加水分解性、電気絶縁性、潤滑性も同様に満足することができることがわかった。直鎖脂肪酸を用いたポリオールエステル油は耐加水分解性や体積抵抗率の低下がみられることから好ましくは分鎖脂肪酸を用いたポリオールエステル油の方が良い。すなわち、上記化学式（１）、（２）、（３）及び（４）で表されるポリオールエステル油のうち、Ｒが分岐アルキル基で構成されるポリオールエステル油が好ましい。更に、実施例１５に対して実施例１６，１７は摩耗量が小さく、優れた潤滑性が得られた。これは、実施例１６，１７の化合物が、ジペンタエリスリトールとペンタエリスリトールの混合物であり、吸着官能基が多いジペンタエリスリトールが含まれているため金属摺動面に対して吸着能力が大きく、油性効果が発現しやすく優れた潤滑性が得られたためである。特に、吸着能力の高いジペンタエリスリトールにペンタエリスリトールを混合することで、より優れた熱化学安定性や電気絶縁性が得られている。ここで、ジペンタエリスリトールの吸着能力による油性効果を発現させるために、ジペンタエリスリトールは４０モル％以上含まれていることが好ましい。このように、ジペンタエリスリトールとペンタエリスリトールの混合物から構成され、ジペンタエリスリトールが４０モル％以上含まれる分岐鎖脂肪酸を用いたポリオールエステル油が好ましい。
（実施例１８〜２１及び比較例１７〜１８）
図１は、本実施例で用いた冷暖房兼用のルームエアコンの概略を示したものである。

ルームエアコン５０は、室内機５１と室外機５２とで構成されている。

室内機５１には、室内熱交換器５が内蔵されている。また、室外機５２には、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３及び膨張手段４（膨張部）が内蔵されている。圧縮機１は、摺動部を有する冷媒圧縮部を備えたものである。

室内を冷房する場合、圧縮機１にて断熱的に圧縮された高温高圧の冷媒ガスは、吐出パイプ及び四方弁２を通って室外熱交換器３（凝縮手段として使用される。）で冷却され、高圧の液冷媒となる。この冷媒は、膨張手段４（例えば、キャピラリーチューブや温度式膨張弁など）で膨張し、僅かにガスを含む低温低圧液となって室内熱交換器５（蒸発手段として使用される。）に至り、室内の空気から熱を得て低温ガスの状態で再び四方弁２を通って圧縮機１に至る。室内を暖房する場合は、四方弁２によって冷媒の流れが逆方向に変えられ、逆作用となる。

圧縮機１としては、スクロール式密閉型圧縮機を用いた。

図２は、上記のスクロール式密閉型圧縮機の概略構造を示したものである。

圧縮機１００は、端板７に垂直に設けられた渦巻状ラップ８を有する固定スクロール部材６と、この固定スクロール部材６と実質的に同一形状のラップ１０を有する旋回スクロール部材９と、旋回スクロール部材９を支持するフレーム１４と、旋回スクロール部材９を旋回運動させるクランクシャフト１１と、電動モータ１７と、これらを内蔵する圧力容器１５とを含む。渦巻状ラップ８とラップ１０とは、互いに向い合わせにして噛み合わせ、圧縮機構部を形成している。

旋回スクロール部材９は、クランクシャフト１１の回転によって旋回運動すると、固定スクロール部材６と旋回スクロール部材９との間に形成される圧縮室１２（１２ａ、１２ｂ等）のうち、最も外側に位置している圧縮室１２が旋回運動に伴って容積を次第に縮小しながら、固定スクロール部材６及び旋回スクロール部材９の中心部に向かって移動していく。圧縮室１２が固定スクロール部材６及び旋回スクロール部材９の中心部近傍に達すると、圧縮室１２が吐出口１３と連通し、圧縮室１２の内部の圧縮ガスが吐出パイプ１６から圧縮機１００の外部に吐出される。

圧縮機１００においては、一定速あるいは図示してい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１１が回転し、圧縮動作を行う。また、電動モータ１７の下方には、油溜め部２０が設けられており、油溜め部２０の油は、圧力差によってクランクシャフト１１に設けられた油孔１９を通って、旋回スクロール部材９とクランクシャフト１１との摺動部、滑り軸受け１８等の潤滑に供される。油留め部２０の油は常に冷媒と接触しており、冷媒を溶解した状態となっている。
このルームエアコンを用いて、圧縮機内の油に対する冷媒溶解量と冷媒溶解時の油粘度を測定した。機種は４．０ｋＷクラス機を用いた。Ｒ４１０Ａとジフルオロメタンでは、能力が異なるため封入量、回転数を変更して能力が一定になるように試験を実施した。冷媒の封入量はジフルオロメタンを１５００ｇ封入した。なお、冷凍機油は５００ｍｌを封入した。代表試験条件として冷媒能力を２．０ｋＷに調整した運転を実施した。エアコンの性能を維持するため、更には圧縮機の長期信頼性を十分に確保するには、圧縮機内の油に対する冷媒溶解量をコントロールする必要があり、それに伴って冷媒溶解時の油粘度が重要なパラメータとなる。Ｒ４１０Ａを用いたエアコンの運転条件と比べてジフルオロメタンを用いた場合、圧縮機の吐出温度が約５℃〜１５℃上昇するため冷凍機油の温度に対する粘性が低下するが、冷媒溶解量が低下するため粘度が増加するといった現象がみられる。通常、Ｒ４１０Ａ用の圧縮機をベースにジフルオロメタンの圧縮機も開発を行うため可能な限り粘度を合せた方が開発しやすい利点がある。Ｒ４１０Ａの場合、前記代表条件における温度が５３℃、圧力が２．４０ＭＰａの環境下で油に対する冷媒溶解量は２６〜３１ｗｔ％、冷媒溶解時の油粘度は３．０〜５．０ｍｍ^２／ｓとなる。ジフルオロメタンの場合、前記代表条件で温度が６０℃、圧力が２．５０ＭＰａの環境下においても冷媒溶解時の油粘度が３．０〜５．０ｍｍ^２／ｓであることが必要となり、その時の油に対する冷媒溶解量が１７〜２２重量％である。粘度が低すぎると圧縮部のシール性が低下するため圧縮機の体積効率が低下してしまう。さらに油膜が薄くなり長期信頼性が低下する懸念が生じる。これに対して粘度が高くなりすぎると圧縮機の機械損失が増加し、圧縮機効率が低下してしまう。
実施例１８〜２１及び比較例１７〜１８で行った測定結果を表３に示す。実施例１８〜２１では油に対する冷媒溶解量が約２０ｗｔ％であり、適正な冷媒溶解時の油粘度が維持できていることを確認できた。比較例１７ではジフルオロメタンと油との溶解性が良すぎるため動粘度が低下してしまっている。これに対して比較例１８ではジフルオロメタンと油との溶解性や動粘度は適正な範囲となっているが、比較例１で示したように低温側臨界溶解温度が高すぎるため適用は難しい。

（実施例２２〜２７及び比較例１９〜２３）
実施例２２〜２７及び比較例１２〜１６においては、図１に示すルームエアコンを用い、室内機を恒温室（室温３５℃、湿度７５％）に設置して２１６０時間運転する実機試験を行った。

モータの鉄心とコイルとの絶縁には、耐熱ＰＥＴフィルム（Ｂ種１３０℃）を用い、コイルの主絶縁被覆材料には、ポリエステルイミドおよびアミドイミドを使用し、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。

ルームエアコンの評価においては、スクロール式圧縮機の摩耗状態に着眼し、実機試験の前後におけるフレーム〜シャフト間の摩耗による隙間増加量を測定した。フレーム〜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って振動や騒音が大きくなる。

冷媒としては、ジフルオロメタンを用いた。ジフルオロメタンの利点は、現在のＲ４１０Ａ機の冷凍空調サイクルがほぼそのままで使用できることにある。冷凍空調サイクルにおいては、冷媒と冷凍機油との相溶性が圧縮機への油戻り量を確保するための重要な特性であり、冷媒と同様に冷凍機油も循環することが必要である。相溶性が劣ると、圧縮機から機械的作用により吐出された冷凍機油が循環せず、特に低温部で分離した油が滞留するため、圧縮機の油量が少なくなり、摺動部の潤滑油に支障をきたす。このため、冷凍空調サイクル中における運転条件温度範囲で冷媒と冷凍機油とが相溶していることが好ましい。すなわち、冷媒と冷凍機油とが溶解している状態が好ましい。

本実施例においては、ジフルオロメタンに対して相溶性を有する実施例１〜１４のうち効果を検証した冷凍機油（Ａ）、（Ｂ）、（Ｆ）、（Ｉ）、（Ｔ）及び（Ｖ）を取り上げた。比較例としては、ジフルオロメタンに対する相溶性が劣る（Ｋ）及び（Ｐ）、並びに相溶性はあるが動粘度が低い（Ｎ）を評価した。また、現行の冷媒であるＲ４１０Ａを用いた（Ｋ）及び（Ｐ）についても比較評価を行なった。

本試験において好適とされる圧縮機の状態は、試験後のフレーム〜シャフト間の摩耗による隙間増加量（滑り軸受け隙間増加量）が１０μｍ以下であること、及び圧縮機の残油量が確保されていることである。

表４は、実施例２２〜２７及び比較例１９〜２３の結果を示したものである。

本表において、比較例２２及び２３に示すように、現行のＲ４１０Ａ機は、圧縮機のフレーム〜シャフト間の隙間増加量も少なく、圧縮機内の冷凍機油残油量も十分に確保されている。しかし、比較例１９及び２０で示すように、ジフルオロメタン（ＨＦＣ３２）と相溶性の劣る組み合わせで実施した場合には、圧縮機の冷凍機油残量が減少しており、十分な油膜が確保されないことから、フレーム〜シャフト間の隙間増加量が大きくなっている。ジフルオロメタンに対する相溶性が優れていても比較例２１のように十分な動粘度が得られない場合には、圧縮機の冷凍機油残量が確保されていても、必要な油膜厚さが得られないことから、フレーム〜シャフト間の隙間増加量が大きくなってしまう。

これらに対して、ジフルオロメタンに対して相溶性を有する実施例２２〜２７に示す冷凍空調装置は、フレーム〜シャフト間の隙間増加量を大幅に低減でき、かつ圧縮機の冷凍機油残油量を確保できていることから、冷凍空調装置において高い信頼性が得られる。

以上の実施例の結果から、本発明の冷凍空調装置は、圧縮機の摩耗を抑制することができ、長期絶縁信頼性を十分に確保することができる。

このほか、ロータリー式圧縮機、ツインロータリー式圧縮機、２段圧縮ロータリー式圧縮機、及びローラとベーンが一体化されたスイング式圧縮機においても同様の効果が得られることを確認した。

本発明は、冷凍空調用圧縮機及び冷凍空調装置に適用可能である。

１、１００：圧縮機
２：四方弁
３：室外熱交換器
４：膨張手段
５：室内熱交換器
６：固定スクロール部材
７：端板
８：渦巻状ラップ
９：旋回スクロール部材
１０：ラップ
１１：クランクシャフト
１２、１２ａ、１２ｂ：圧縮室
１３：吐出口
１４：フレーム
１５：圧力容器
１６：吐出パイプ
１７：電動モータ
１８：滑り軸受け
１９：油孔
２０：油溜め部
５０：ルームエアコン
５１：室内機
５２：室外機

Claims (6)

1. 摺動部を有する冷媒圧縮部を備え、冷媒であるジフルオロメタンと、冷凍機油とを封入した冷凍空調用圧縮機であって、
   前記冷凍機油は、ポリオールエステル油又はポリビニルエーテル油であり、４０℃における動粘度が３０〜１００ｍｍ^２／ｓであり、前記冷媒と前記冷凍機油との低温側臨界溶解温度が＋１０℃以下であり、
   前記ポリオールエステル油が下記化学式（３）で表わされる化合物と下記化学式（４）で表わされる化合物（式中、Ｒ^６〜Ｒ^１１は、炭素数４〜９の分岐アルキル基を表し、同一であっても異なってもよい）の混合物からなり、
   

   

   

   前記ポリビニルエーテル油は、下記化学式（５）で表される基油（式中、Ｑ^ｉ（ｉは、１〜ｍのいずれかであって、Ｑ^１〜Ｑ^ｍは、上付き文字の数値の順に直列に結合している。）は、下記化学式（６）で表される化学構造を有し、下記化学式（６）におけるＯＲ^１２は、メチルオキシ基、エチルオキシ基、プロピルオキシ基又はブチルオキシ基であり、Ｑ^１〜Ｑ^ｍのいずれか１つに含まれるＯＲ^１２は、メチルオキシ基であり、ｍは、５〜１５である。）を含むことを特徴とする冷凍空調用圧縮機。
   

   

   
2. 前記冷凍機油は、６０℃、２．５ＭＰaの条件下における油に対する冷媒溶解量が１７〜２２重量％であり、冷媒溶解時の油粘度が３．０〜５．０ｍｍ^２／ｓであることを特徴とする請求項１に記載の冷凍空調用圧縮機。
3. 前記冷凍機油は、ポリオールエステル油又はポリビニルエーテル油であって、前記ポリオールエステル油は、下記化学式（３）及び（４）で表される化合物（式中、Ｒ ⁶ 〜Ｒ^１１は、炭素数４〜９のアルキル基を表す。）並びにコンプレックスエステル油からなる群から選択される少なくとも一種類を基油として含むことを特徴とする請求項１に記載の冷凍空調用圧縮機。
   

   

   
4. 前記冷凍機油は、ポリオールエステル油又はポリビニルエーテル油であって、前記ポリオールエステル油は、下記化学式（３）及び（４）で表される化合物（式中、Ｒ ⁶ 〜Ｒ^１１は、炭素数４〜９の分岐アルキル基を表し、同一であっても異なってもよい。）並びにコンプレックスエステル油からなる群から選択される少なくとも一種類を基油として含むことを特徴とする請求項１に記載の冷凍空調用圧縮機。
   

   

   
5. 前記冷凍機油は、ポリオールエステル油又はポリビニルエーテル油であって、前記ポリオールエステル油は、下記化学式（３）及び（４）で表される化合物（式中、Ｒ ⁶ 〜Ｒ^１１は、炭素数４〜９の分岐アルキル基を表し、同一であっても異なってもよい。）並びにコンプレックスエステル油からなる群から選択される少なくとも一種類を基油として含むことを特徴とする請求項２に記載の冷凍空調用圧縮機。
   

   

   
6. 請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の冷凍空調用圧縮機を用いたことを特徴とする冷凍空調装置。

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