JP6282276B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

この発明はヒートポンプ装置、特に、電動機を収納した密閉容器を具備する圧縮機を有して冷凍サイクルを実行するヒートポンプ装置に関するものである。

従来より、ヒートポンプ装置として、冷媒を圧縮する圧縮機、凝縮器、絞り機構、および蒸発器を順次連結して冷凍サイクルを実行し、凝縮器または蒸発器において冷媒の有する温熱または冷熱を熱媒体に受け渡す（熱移動する）ものがある。
圧縮機は、圧縮機構と該圧縮機構を回転駆動する電動機とを具備し、これらは密閉容器内に収納され、圧縮機構によって圧縮された高圧高温の冷媒は、一旦、密閉容器内に吐出されることから、電動機はかかる高圧高温の冷媒に晒されている。また、圧縮機構の回転を円滑にするため、密閉容器内には機械油（以下「冷凍機油」と称す）が貯められている。

電動機は、密閉容器に固定された固定子と、固定子に包囲されて回転する回転子とを具備し、回転子は圧縮機構に接続されている。固定子は筒状であって、外周を形成するバックヨーク部と、バックヨーク部から中心に向かって突出する複数のティース部と、ティース部に絶縁材（インシュレータ）を介して巻き付けられた巻線（電線）と、を具備している。
そして、絶縁材（インシュレータ）として、エステル結合を持たないポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を用いる発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、絶縁材（インシュレータ）として、エステル結合を持つポリエチレンテレフタレータ（ＰＥＴ）やポリエチレンナフタレータ（ＰＥＮ）を用いる発明が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００−３２４７２８号公報（第６頁、図２） 特開２００１−２２７８２７号公報（第３−４頁、図２）

特許文献１に記載された断熱材であるエステル結合を持たないＰＰＳは、パラジクロルベーンゼンと硫化アルカリを高温高圧下で反応させて得られる[−ｐｈ−Ｓ−]の繰り返し構造からなる熱可塑性の結晶性エンプラであって、比較的耐熱性に優れ、加水分解の心配がなく、耐熱性が高く、成形性が良く、強度および剛性が高いという特性を有している。しかしながら、溶融成形時において、固化速度が遅いため生産性の悪化を招いたり、バリが出易かったり、微量分解して硫黄ガスを生成することによって金型を腐食させたりするという問題があった。
一方、特許文献２に記載された断熱材であるエステル結合を持つＰＥＴ、ＰＥＮ、およびポリブチレンテレフタレータ（ＰＢＴ）は、加水分解性を有するため、吸水性を有する冷凍機油を使用して、冷媒回路を循環する間に冷媒回路内の水分を吸収する必要があると共に、冷凍機油の吸湿性が高く飽和水分量が大きい場合は加水分解を起こすという問題があった。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、第１の目的は、吸湿性が高く油中水分率の高い冷凍機油を使用しても加水分解をし難い絶縁材を使用することで、ヒートポンプ装置の長期信頼性を得るものである。
また、第２の目的は、絶縁材の溶融成形などの製造工程においてバリが出ず、また、硫黄を含んだガスの発生がなく、生産性の良い絶縁材を使用することで、低コストでヒートポンプ装置の長期信頼性を得るものである。

本発明に係わるヒートポンプ装置は、冷凍サイクルを実行する圧縮機、凝縮器、絞り機構および蒸発器を有し、前記凝縮器または前記蒸発器において熱移動を行うヒートポンプ装置であって、前記圧縮機は、密閉容器と、該密閉容器の内部に搭載された圧縮機構および該圧縮機構を回転駆動する電動機と、前記圧縮機構によって圧縮される冷媒と、前記圧縮機構を潤滑する冷凍機油と、を具備し、前記電動機は、前記密閉容器に固定され、絶縁材を介して巻線が巻き付けられている固定子と、該固定子に包囲された回転子とを具備し、前記絶縁材は、エステル結合で分子の主鎖を構成した高分子であり、エステル結合を有すモノマー成分として、パラヒドロキシ安息香酸（ＰＨＢ）を必須成分とし、かつ、４、４’−ビフェノール（ＢＰ）、ハイドロキノン（ＨＱ）、テレフタル酸（ＴＰＡ）、イソフタル酸（ＩＰＡ）および６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸（ＢＯＮ６）の５種を添加成分とし、モノマーを重縮合して得られる液晶ポリマーであることを特徴とした。

本発明によれば、電動機の絶縁材が、エステル結合を有しモノマー成分として、パラヒドロキシ安息香酸(ＰＨＢ)を必須成分とし、その他のモノマーとしてベンゼン環を有するものだけをエステル結合で分子の主鎖を構成した全芳香族液晶ポリエステル（ＬＣＰ）であるため、吸水率が０．０１％と極めて低く、油中水分率が１％以下の冷凍機油においては加水分解による絶縁機能の劣化が起り難いから、長期信頼性に優れるヒートポンプ装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ装置を説明する基本構成を示す冷媒回路図。 図１に示すヒートポンプ装置の一部（圧縮機）を示す側面視の断面図。 図１に示すヒートポンプ装置の一部（断熱材）の耐加水分解性を示す特性図。

［実施の形態１］
図１および図２は、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ装置を説明するものであって、図１は基本構成を示す冷媒回路図、図２は一部（圧縮機）を示す側面視の断面図である。なお、各図は模式的に描かれたものであって、本発明は描かれた形態に限定されるものではない。

（冷媒回路）
図１において、ヒートポンプ装置１００は、冷媒を圧縮する圧縮機１と、圧縮機から流出した冷媒を凝縮する凝縮器３と、凝縮器３から流出した冷媒を断熱膨張させる絞り機構４と、絞り機構４から流出した冷媒を蒸発させる蒸発器５と、これらを順次接続して、冷媒を循環させる冷媒配管２と、を有している。なお、冷媒配管２には、必要に応じて、冷媒の流れ方向を変更する切り替え弁（例えば、四方弁）が設置されたり、凝縮器３や蒸発器５に向けて送風する送風機等が配置されたりする場合がある。

（圧縮機）
図２において、圧縮機１は、密閉容器１０と、密閉容器１０内に配置された圧縮機構９と圧縮機構９を回転駆動する電動機６とを具備し、圧縮機構９によって圧縮された高圧高温の冷媒は、一旦、密閉容器１０内に吐出される。したがって、電動機６はかかる高圧高温の冷媒に晒されている。
また、圧縮機構９の回転を円滑にするため、密閉容器１０の底部に、機械油（以下「冷凍機油」と称す）を貯留するための油溜まり８が設けられている。

（圧縮機構）
圧縮機構９は、主軸受け（上軸受け）９ｍおよび副軸受け（下軸受け）９ｓと、両者が両端面に密着しているシリンダ９ｃとによって形成された密閉空間（正確には冷媒が流入するための流入口および流出するための流出口が形成されている）と、該密閉空間内に配置された偏心円筒９ｅと、を具備している。
偏心円筒９ｅは駆動軸９ａが固定され、駆動軸９ａは主軸受け９ｍおよび副軸受け９ｓによって回転自在に支持されていることから、駆動軸９ａの回転によって、偏心円筒９ｅは偏心した回転をする。
さらに、シリンダ９ｃに形成された放射状の複数の溝（図示しない）に、複数のベーン９ｂが進退自在に配置されて偏心円筒９ｅの外周面に押し付けられている。すなわち、一対のベーンによって挟まれて空間が複数形成され、該空間は、偏心円筒９ｅの回転によってその体積が変動することによって圧縮室を形成している。

（電動機）
電動機６は、密閉容器に固定された固定子６ｓと、固定子６ｓに包囲されて回転する回転子６ｒとを具備し、回転子６ｒに圧縮機構９を形成する駆動軸９ａが固定されている。
固定子６ｓは筒状であって、外周を形成するバックヨーク部（図示しない）と、バックヨーク部から中心に向かって突出する複数のティース部（図示しない）と、ティース部に絶縁材（インシュレータ）７を介して巻き付けられた巻線（電線）６ｗと、を具備している。

（冷媒）
冷媒は、以下の物質を少なくとも一種を含むもの（以下の物質単体、または２種以上の複合体）である。
ジフルオロメタン(ＨＦＣ−３２）、
１、１、１、２、２−ペンタフルオロエタン(ＨＦＣ−１２５)、
１、１、１、２−テトラフルオロエタン(ＨＦＣ−１３４ａ)、
１、１、１−トリフルオロエタン(ＨＦＣ−１４３ａ)、
２、２−ジクロロ−１、１、１−トリフルオロエタン(ＨＦＣ−１２３)、
トリフルオロメタン(ＨＦＣ−２３)、
１、１−ジフルオロエタン(ＨＦＣ−１５２ａ)、
１、１、２トリフルオロエチレン（Ｒ１１２３）
トランス−１、２、ジフルオロエチレン（Ｒ１１３２（Ｅ））
シス−１、２ジフルオロエチレン（Ｒ１１３２（Ｚ））
１、１ジフルオロエチレン（Ｒ１１３２ａ）
２、３、３、３−テトラフルオロ−１−プロペン（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ）
クロロジフルオロメタン（ＨＦＣ−２２）、
二酸化炭素、
アンモニア、
ジメチルエーテル、
プロパン(Ｒ−２９０)、
イソブタン(Ｒ−６００ａ)、
ブタン(Ｒ−６００)。

（冷凍機油）
冷凍機油は、密閉容器１０の油溜まり８に貯留されるものであって、エステル系、エーテル系、グリコール系、アルキルベーンゼン系、ポリαオレフィン系、ポリビニールエーテル系、フッ素系、ナフテン系鉱油、パラフィン系鉱油の少なくとも１種である。すなわち、何れかの１種からなる単体、あるいは何れか２種以上からなる複合体である。

（絶縁材）
絶縁材７は「ＬＣＰ」で形成されている。ＬＣＰは溶融時に液晶性を示す高分子の総称で、分子構造は複数あり、耐熱性や強度は構成されるモノマーに依存するため一定ではない。
絶縁材７を形成するＬＣＰは、モノマー成分として、パラヒドロキシ安息香酸(ＰＨＢ)を必須成分とし、以下の添加成分を少なくとも一つ添加した合計で２成分以上のモノマーを共重合（重縮合）して得られる熱可塑性樹脂である。
すなわち、添加成分は以下の５種の少なくとも一成分である。
４、４’−ビフェノール(ＢＰ)、
ハイドロキノン(ＨＱ)、
テレフタル酸(ＴＰＡ)、
イソフタル酸(ＩＰＡ)、
６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸(ＢＯＮ６)。
例えば、絶縁材７は、ＰＨＢとＢＯＮ６との２成分系である「ＬＣＰ−Ａ」、または、前記必須成分および前記添加成分の全てを含む６成分系のモノマー（ＰＨＢ、ＢＰ、ＨＱ、ＴＰＡ、ＩＰＡ、ＢＯＮ６)を重縮合して得られる「ＬＣＰ−Ｂ」からなる。

表１において、ＬＣＰ−ＡおよびＬＣＰ−Ｂは、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレータ）単体に比べ、吸収率および結晶化潜熱が小さな値になっている。したがって、ＬＣＰ−ＡおよびＬＣＰ−Ｂは、耐熱性や抽出性に優れ、成形時の溶融粘度が低く薄肉での流動特性に優れ、溶融状態から固化するまでの熱量移動量が少ないため、固化速度が非常に速く、製造工程においてバリが生成し難いという特性を有している。
また、ＬＣＰ−ＡおよびＬＣＰ−Ｂは、示差熱熱量計（ＤＳＣ）で測定される結晶化潜熱が１０Ｊ／ｇであるので、固化速度が速く、製造工程においてバリが出難い。したがって、ハイサイクル成形が可能になり、生産性が良いという特徴を有している。

すなわち、ＬＣＰは、エステル結合を有することから、分子構造上は加水分解をするものの、通常の樹脂のようにゴム状に分子が絡まった状態ではなく、剛直な分子が綿密に直線状に配向する液晶性樹脂であることから、吸水率が極めて低い。ＰＢＴ等のエンジニアプラスチックの吸水率が「０．１％」であるのに対し、ＬＣＰの吸水率は「０．０１％（２３℃、２４時間水中浸漬後）」であって、前者よりも一桁以上小さい値になっている。
したがって、絶縁材７を形成するＬＣＰは、耐熱性や抽出性に優れるため、前記何れの冷凍機油および冷媒に対しても安定性が高い。

図３は、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ装置を説明するものであって、一部（断熱材）の耐加水分解性を示す特性図である。
図３において、縦軸は引張強度保持率（初期の強度に対する試験後の強度の割合）で、横軸は冷凍機油の油中水分率、すなわち、４０℃、かつ相対湿度が８０％における油中水分（％）である。
冷凍機油を吸湿性の高いエーテル油とし、冷媒をＲ３２冷媒として、両者を入れた容器内に、ＬＣＰ−Ａ、ＬＣＰ−Ｂ、および比較のためのＰＢＴをそれぞれ、１５０℃で５００時間浸漬したときの引張強度保持率を求めている。

このとき、図３から明らかなように、比較材であるＰＢＴは、油中水分率が０．１％であっても、引張強度保持率は６０％程度でしかなく、しかも、油中水分率が０．２％になると、引張強度保持率が急激に減少し、油中水分率が０．５％以上では、１０％の低い値である。
一方、本発明のＬＣＰ−ＡおよびＬＣＰ−Ｂは、何れも油中水分率が増加するに伴って、引張強度保持率が低下するものの、飽和水分量が２％以下の範囲では、引張強度保持率が７０％以上を確保している。
したがって、本発明のＬＣＰ−ＡおよびＬＣＰ−Ｂは、冷凍機油の飽和水分量が２％以下であれば、充分な絶縁機能を保持しており、信頼性の高い電動機６、信頼性の高いヒートポンプ装置１００を提供することができる。

なお、以上は、２成分系であるＬＣＰ−Ａと６成分系のＬＣＰ−Ｂとが同様の耐加水分解特性を示していることから、ＰＨＢを含む限り、３成分系の全ての組み合わせからなるモノマーや、４成分系ないし５成分系の全ての組み合わせからなるモノマーにおいても、同様の耐加水分解特性が得られている。
なお、ＬＣＰは、溶融状態で固体と液体の中間状態を示す樹脂で、いわば棒状の分子がたくさん並んだ状態であり、溶融時そのままに近い状態で固化することが特徴である。すなわち、溶融状態で射出や押出によるせん断力を受けて、さらに分子が綿密に配向することによって、分子間間隙への水分子の侵入、浸透が防止されることが、ＬＰＣが加水分解性に優れている理由である。したがって、ＬＣＰであるだけで、エステル結合を持つ通常のＰＥＴやＰＢＴ等の樹脂に対して、加水分解性は断然有利になっている。
また、モノマーの６成分自体も全て芳香環を持った骨格の強い分子で構成された全芳香族系のＬＣＰであるため、さらに加水分解し難いものになっている。

１ 圧縮機、２ 冷媒配管、３ 凝縮器、４ 絞り機構、５ 蒸発器、６ 電動機、６ｒ 回転子、６ｓ 固定子、６ｗ 巻線、７ 絶縁材、８ 油溜まり、９ 圧縮機構、９ａ 駆動軸、９ｂ ベーン、９ｃ シリンダ、９ｅ 偏心円筒、９ｍ 主軸受け（上軸受け）、９ｓ 副軸受け（下軸受け）、１０ 密閉容器、１００ ヒートポンプ装置。

Claims (5)

1. 冷凍サイクルを実行する圧縮機、凝縮器、絞り機構および蒸発器を有し、前記凝縮器または前記蒸発器において熱移動を行うヒートポンプ装置であって、
   前記圧縮機は、密閉容器と、該密閉容器の内部に搭載された圧縮機構および該圧縮機構を回転駆動する電動機と、前記圧縮機構によって圧縮される冷媒と、前記圧縮機構を潤滑する冷凍機油と、を具備し、
   前記電動機は、前記密閉容器に固定され、絶縁材を介して巻線が巻き付けられている固定子と、該固定子に包囲された回転子とを具備し、
   前記絶縁材は、
   エステル結合で分子の主鎖を構成した高分子であり、
   エステル結合を有すモノマー成分として、パラヒドロキシ安息香酸（ＰＨＢ）を必須成分とし、かつ、４、４’−ビフェノール（ＢＰ）、ハイドロキノン（ＨＱ）、テレフタル酸（ＴＰＡ）、イソフタル酸（ＩＰＡ）および６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸（ＢＯＮ６）の５種を添加成分とし、モノマーを重縮合して得られる液晶ポリマーであることを特徴としたヒートポンプ装置。
2. 前記冷凍機油の飽和水分量は、
   ４０℃、相対湿度８０％において、２％以下であることを特徴とした請求項１に記載のヒートポンプ装置。
3. 前記絶縁材である液晶ポリマーは、示差熱熱量計（ＤＳＣ）によって測定される結晶化潜熱が、１０Ｊ／ｇ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ装置。
4. 前記冷凍機油は、エステル系、エーテル系、グリコール系、アルキルベーンゼン系、ポリαオレフィン系、ポリビニールエーテル系、フッ素系、ナフテン系鉱油およびパラフィン系鉱油の少なくとも１種からなる単体または複合体であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のヒートポンプ装置。
5. 前記冷媒は、ジフルオロメタン(ＨＦＣ−３２）、１、１、１、２、２−ペンタフルオロエタン(ＨＦＣ−１２５)、１、１、１、２−テトラフルオロエタン(ＨＦＣ−１３４ａ)、１、１、１−トリフルオロエタン(ＨＦＣ−１４３ａ)、２、２−ジクロロ−１、１、１−トリフルオロエタン(ＨＦＣ−１２３)、トリフルオロメタン(ＨＦＣ−２３)、１、１−ジフルオロエタン(ＨＦＣ−１５２ａ)、１、１、２トリフルオロエチレン（Ｒ１１２３）、トランス−１、２、ジフルオロエチレン（Ｒ１１３２（Ｅ））、シス−１、２ジフルオロエチレン（Ｒ１１３２（Ｚ））、１、１ジフルオロエチレン（Ｒ１１３２ａ）、２、３、３、３−テトラフルオロ−１−プロペン（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ）、クロロジフルオロメタン（ＨＦＣ−２２）、二酸化炭素、アンモニア、ジメチルエーテル、プロパン(Ｒ−２９０)、イソブタン(Ｒ−６００ａ)およびブタン(Ｒ−６００)を少なくとも１種含む単体または複合体であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のヒートポンプ装置。

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