JP6740105B2 - 密閉型圧縮機および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、密閉型圧縮機および冷凍サイクル装置に関する。

冷蔵庫や冷凍機等の冷凍サイクル装置には、冷媒を圧縮する密閉型圧縮機が組み込まれている。この冷媒には、従来、オゾン層破壊係数（ＯＤＰ）がゼロである、ＨＦＣ−１３４ａ，ＨＦＣ−１２５等のＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）冷媒が使用されている。

しかし、これらのＨＦＣ冷媒はＯＤＰがゼロである反面、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が比較的高いという不具合があり、ＧＷＰの低い冷媒の使用が望まれている。

このようなことから、特許文献１には所定量のジフルオロメタン、ペンタフルオロエタン、２，３，３，３−テトラフルオロプロペンおよび１，１，１，２−テトラフルオロエタンを含む低ＧＷＰの冷媒（Ｒ４４８Ａ，Ｒ４４９Ａ等）が開示されている。

ところで、密閉型圧縮機にはその密閉容器内の摺動部材に潤滑性を付与し、当該摺動部材の摩耗を抑制ないし防止するための冷凍機油が内蔵されている。当該冷凍機油は、冷媒としてのＲ４４８Ａ，Ｒ４４９Ａとの適合性を有することが望まれている。

特許文献１には、冷媒としてジフルオロメタン、ペンタフルオロエタン、２，３，３，３−テトラフルオロプロペンおよび１，１，１，２−テトラフルオロエタンを含む低ＧＷＰの冷媒を用いる圧縮機において、炭素／酸素のモル比が２．５以上５．８以下の含酸素油の少なくとも１種を基油として含有する冷凍機油が開示されている。

国際公開第２０１６／０５６３９２号

特許文献１は、冷媒としてジフルオロメタン、ペンタフルオロエタン、２，３，３，３−テトラフルオロプロペンおよび１，１，１，２−テトラフルオロエタンを含む低ＧＷＰの冷媒の使用において、電気絶縁性を改良した冷凍機油の発明であり、当該冷媒との組合せにおいて圧縮機の摺動部材に長期間に亘って安定した潤滑性を付与する要望が残る。

本発明は、冷媒としてジフルオロメタン、ペンタフルオロエタン、２，３，３，３−テトラフルオロプロペンおよび１，１，１，２−テトラフルオロエタンを含む低ＧＷＰの冷媒を用い、ポリオールエステル系潤滑油を冷凍機油として用い、摺動部材に長期間に亘って安定した潤滑性を付与するとともに、良好な油戻り性を有する密閉型圧縮機を提供する。

実施形態によると、冷凍サイクル中に設けられ、密閉容器と、当該密閉容器内に収納され冷媒を圧縮する圧縮機部と当該圧縮機部を駆動する電動機部と冷凍機油とを備えた密閉型圧縮機が提供される。前記冷媒は、２０質量％以上のジフルオロメタン、２０質量％以上のペンタフルオロエタン、２０質量％以上の２，３，３，３−テトラフルオロプロペンおよび２０質量％以上の１，１，１，２−テトラフルオロエタンを含む。前記冷凍機油は、前記冷媒との低温側二層分離温度が−４２℃±５℃になるポリオールエステル系潤滑油を使用する。

第１の実施形態に係る密閉型圧縮機を備えた冷凍サイクル装置の冷凍サイクルを示す構成図である。 図１の第１のシリンダ室を示す平面図である。 実施例１のＲ４４８Ａ冷媒と冷凍機油との相溶性および二層分離の挙動を示すグラフである。 第２の実施形態におけるローラとブレード間のＰＶ値とローラの面粗さの関係を示すグラフである。 第２の実施形態における冷凍サイクルの蒸発温度−４０℃、凝縮温度５０℃の運転時におけるローラの自転数とローラとブレード間のＰＶ値との関係を示すグラフである。 実施例１１、１２および比較例１１の耐久試験結果を示す図である。

以下、種々の実施形態を詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
第１の実施形態に係る密閉型圧縮機は、冷凍サイクル中に設けられる。当該圧縮機は、密閉容器と、当該密閉容器内に収納された特定の冷媒を圧縮する圧縮機部と、前記密閉容器内に収納され、当該圧縮機部を駆動する電動機部と、前記密閉容器に内蔵した特定の冷凍機油とを備える。

冷媒は、２０質量％以上のジフルオロメタン、２０質量％以上のペンタフルオロエタン、２０質量％以上の２，３，３，３−テトラフルオロプロペンおよび２０質量％以上の１，１，１，２−テトラフルオロエタンを含む組成を有する混合冷媒であり、例えば、Ｒ４４８ＡまたはＲ４４９Ａである。

冷凍機油は、前記冷媒との低温側二層分離温度が−４２℃±５℃になるポリオールエステル系潤滑油が選択される。ここで、二層分離とは冷媒と冷凍機油の単独層が完全に分離するのではなく、冷媒リッチ層と冷凍機油リッチ層とに分離することを意味する。ポリオールエステル系潤滑油は、例えば多価アルコールと分岐型脂肪酸との合成により生成される。

多価アルコールの例は、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトールまたはジペンタエリスリトールを含む。多価アルコールの中で、冷媒との相溶性および安定性の点からペンタエリスリトールが好ましい。

分岐型脂肪酸の例は、２−メチルヘキサン酸、２−メチルペンタン酸、２−エチルヘキサン酸または３，５，５−トリメチルヘキサン酸を含み、単独もしくは２種以上の形態で用いることができる。分岐型脂肪酸は、２−エチルヘキサン酸と３，５，５−トリメチルヘキサン酸とを用いることが好ましい。

冷凍機油は、酸化防止剤、酸捕捉剤などの添加剤を配合し得る。

酸化防止剤の例は、ジブチルクレゾールを含む。酸化防止剤は、冷凍機油に対して０．０５〜１．０質量％の割合で配合することができる。酸化防止剤の量を０．０５質量％未満にすると、その効果が乏しくなる。他方、酸化防止剤の量が１．０質量％を超えるとその効果が飽和し、経済的ではない。

酸捕捉剤の例は、エポキシ化合物（例えばグリシジルエステル型エポキシ化合物またはグリシジルエーテル型エポキシ化合物）を含む。酸捕捉剤は、冷凍機油に対して０．２〜１．５質量％の割合で配合することができる。酸捕捉剤の量を０．２質量％未満にすると、その効果が乏しくなる。他方、酸捕捉剤の量が１．５質量％を超えると、電気絶縁抵抗に悪影響を及ぼす虞がある。

以上説明した第１の実施形態によれば、２０質量％以上のジフルオロメタン、２０質量％以上のペンタフルオロエタン、２０質量％以上の２，３，３，３−テトラフルオロプロペンおよび２０質量％以上の１，１，１，２−テトラフルオロエタンを含む組成を有する混合冷媒である、例えば、前記Ｒ４４８Ａ冷媒またはＲ４４９Ａ冷媒の使用時、摺動部材に長期間に亘って安定した潤滑性を付与するとともに、良好な油戻り性を有する密閉型圧縮機を提供することができる。

前記組成のＲ４４８Ａ冷媒またはＲ４４９Ａ冷媒は蒸発温度が−４２℃よりも低下すると、負圧になる。負圧になると、当該冷媒を用いた冷凍サイクル装置の蒸発器を含む低圧側配管にピンホールや亀裂等が生じると空気が取り込まれる不都合さを生じることから、前記冷媒を使用するときは、蒸発温度は−４２℃以上、望ましくは−４０℃以上に設定される。

また、冷凍サイクルに設けた圧縮機において、二層分離温度がー４２℃より高い程、蒸発器から圧縮機の圧縮機部への油戻り性が悪化し、潤滑油量不足により給油性が低下する。

さらに、二層分離温度が―４２℃より低いほど、冷凍機油への冷媒の相溶によって冷凍機油の動粘度が過度に低下して潤滑性が低下する。

このようなことから、第１の実施形態によればＲ４４８Ａ冷媒またはＲ４４９Ａ冷媒を用い、冷凍機油として前記冷媒との低温側二層分離温度が−４２℃±５℃になるポリオールエステル系潤滑油を使用することによって、蒸発器からの油戻り性の悪化を回避し、さらに前記冷媒が冷凍機油に過度に相溶することがなく、前記冷媒の溶け込みによる潤滑性の低下も抑制できる。

従って、冷媒としてオゾン層破壊指数（ＯＤＲ）がゼロで、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が低減された前記組成のＲ４４８ＡまたはＲ４４９Ａを用いても、信頼性の高い密閉型圧縮機を提供できる。

別の第１の実施形態に係る冷凍サイクル装置は、前記第１の実施形態に係る圧縮機と、当該圧縮機に接続された放熱器である凝縮器と、当該凝縮器に接続された膨張装置と、当該膨張装置と前記圧縮機の間に接続された吸熱機である蒸発器とを備える。

次に、第１の実施形態に係る圧縮機を備える冷凍サイクル装置を図１および図２を参照してより具体的に説明する。

図１は、密閉型圧縮機１を備えた冷凍サイクル装置Ｒの冷凍サイクルを示す構成図である。

密閉型圧縮機（以下、単に「圧縮機」と呼ぶ）１については後述する。圧縮機１の上端部には冷媒管Ｐが接続され、この冷媒管Ｐには凝縮器２と、気液分離器３と、膨張弁（膨張装置）４と、蒸発器５およびアキュームレータ６がこの順に設けられている。冷媒管Ｐは、さらにアキュームレータ６から２本に分岐し圧縮機１の側部に接続され、これらで冷凍サイクル装置Ｒの冷凍サイクルが構成される。

冷凍サイクル装置Ｒには、インジェクション回路Ｋが設けられる。このインジェクション回路Ｋは、凝縮器２と膨張弁４との間に介設される気液分離器３で気液分離された液冷媒の一部をインジェクション管Ｐａに分流し、インジェクション管Ｐａに設けた開閉弁７と流体制御弁８を介して圧縮機１に後述するようにして導くためのものである。

前記圧縮機１は、密閉容器１０を備え、密閉容器１０内の上部側に電動機部１１が収納され、下部側に圧縮機部１２が収納され、これら電動機部１１と圧縮機部１２は回転軸１３を介して連結されている。密閉容器１０の内底部に冷凍機油Ｓが集溜されるとともに、残りの内部空間は圧縮機部１２で圧縮された高圧のガス冷媒で満たされる。冷媒は、前述した組成のＲ４４８Ａ冷媒またはＲ４４９Ａ冷媒が使用される。また、冷凍機油は冷媒との低温側二層分離温度が−４２℃±５℃になるポリオールエステル系潤滑油が使用される。

密閉容器１０の上面部には、孔部からなる吐出部１ａが設けられ、凝縮器２に連通する冷媒管Ｐが接続される。密閉容器１０の下部周壁には、２個の孔部からなる吸込み部１ｂ，２ｂが設けられ、アキュームレータ６に連通する冷媒管Ｐが接続されている。

前記電動機部１１は、回転軸１３に嵌着固定される回転子（ロータ）１５と、この回転子１５の外周面と狭小の間隙を介して内周面が対向し、密閉容器１０内周壁に嵌着固定される固定子（ステータ）１６とから構成される。

回転軸１３には、外周側に向けて張り出した二つの円柱状の偏心部ａ，ｂが形成されている。これら偏心部ａ，ｂは、回転軸１３の軸方向に沿って所定寸法離間した位置に、回転軸１３の回転方向に沿って１８０°変位した位置に設けられている。

圧縮機部１２は、回転軸１３の軸方向に沿って主軸受１７と、内径孔を有する第１のシリンダ１８と、中間仕切り板２０と、内径孔を有する第２のシリンダ２２と、副軸受２３を備えている。主軸受１７は取付け具により第１のシリンダ１８に固定され、副軸受２３は取付け具により第２のシリンダ２２と中間仕切り板２０を介して第１のシリンダ１８に固定される。これら主軸受１７と副軸受２３は、回転軸１３を回転可能に軸支している。

主軸受１７には、この周囲を囲む中空のケースである第１のマフラケース２５が取付けられ、内部にマフラ室が形成される。第１のマフラケース２５には、マフラ室内と密閉容器１０内の空間とを連通する複数の連通孔ｃが設けられている。これらの連通孔ｃは、密閉容器１０内底部に集溜される冷凍機油Ｓの液面よりも上方に位置している。

副軸受２３には、この周囲を囲む中空のケースである第２のマフラケース２６が取付けられていて、内部にマフラ室が形成されている。副軸受２３と、第２のシリンダ２２および中間仕切り板２０は、常に、確実に冷凍機油Ｓに浸漬されている。第１のシリンダ１８と、第１のマフラケース２５が圧縮条件等の影響で、冷凍機油Ｓから露出することがある。

第１のシリンダ１８は、密閉容器１０の内周壁に嵌着固定されている。第１のシリンダ１８の内径孔は、上端側を主軸受１７により閉止され、下端側を中間仕切り板２０により閉止されて、第１のシリンダ室１８Ａが形成されている。

第２のシリンダ２２は、中間仕切り板２０を介して第１のシリンダ１８に取付けられている。第２のシリンダ２２の内径孔は、上端側を中間仕切り板２０に閉止され、下端側を副軸受２３に閉止されて、第２のシリンダ室２２Ａが形成されている。

第１・第２のシリンダ室１８Ａ，２２Ａには、回転軸１３が挿通され、回転軸１３に形成される一方の偏心部ａが第１のシリンダ室１８Ａ内に位置し、回転軸１３に形成される他方の偏心部ｂが第２のシリンダ室２２Ａ内に位置する。

一方の偏心部ａにはローラ２７が嵌合され、他方の偏心部ｂにもローラ２８が嵌合されている。これらのローラ２７，２８は、回転軸１３の回転にともない外周壁の一部を第１・第２のシリンダ室１８Ａ，２２Ａの内周壁に当接しながら転動する。

第１・第２のシリンダ室１８Ａ，２２Ａには、それぞれ往復動自在にブレード３０，３１が設けられており、ブレード３０，３１の先端部がスプリング等の弾性体ｄにより付勢されてローラ２７，２８の外周壁に当接されている。また、第１・第２のシリンダ室１８Ａ，２２Ａの内周壁一部にローラ２７，２８の外周壁一部が当接し、ローラ２７，２８の外周壁にブレード３０，３１の先端部が弾性的に当接することにより、第１・第２のシリンダ室１８Ａ，２２Ａ内はローラ２７，２８の転動にともなって容積が変動する二つの空間に仕切られている。

第１のシリンダ１８には、低圧のガス冷媒を第１のシリンダ室１８Ａ内に吸込むための吸込み部１ｂが設けられている。第２のシリンダ２２には、低圧のガス冷媒を第２のシリンダ室２２Ａ内に吸込むための吸込み部２ｂが設けられている。

主軸受１７のフランジ部には、ローラ２７の偏心運動によって開閉される第１の吐出弁機構３３が設けられている。第１の吐出弁機構３３が開放されることで、第１のシリンダ室１８Ａと主軸受１７に取付けられる第１のマフラケース２５内のマフラ室とが連通するようになっている。

副軸受２３のフランジ部には、ローラ２８の偏心運動によって開閉される第２の吐出弁機構３４が設けられる。第２の吐出弁機構３４が開放されることで、第２のシリンダ室２２Ａと副軸受２３に取付けられる第２のマフラケース２６内のマフラ室とが連通するようになっている。

主軸受１７に取付けられる第１のマフラケース２５内のマフラ室と、副軸受２３に取付けられる第２のマフラケース２６内のマフラ室とは、主軸受１７のフランジ部と、第１のシリンダ１８と、中間仕切り板２０と、第２のシリンダ２２と、副軸受２３のフランジ部に設けられる吐出案内流路（図示しない）を介して互いに連通される。

一方、インジェクション回路Ｋを構成するインジェクション管Ｐａは、密閉容器１０の側部に設けられた孔部を貫通して密閉容器１０内部に挿通され、中間仕切り板２０に対向する。中間仕切り板２０には、この側部（外周面）から中心部に向かって横孔３５が設けられていて、インジェクション管Ｐａの先端部は横孔３５に挿入し密に嵌合される。

中間仕切り板２０の中心部には、回転軸１３の偏心部ａ，ｂ相互間部分が挿通する挿通用孔２０ａが設けられていて、横孔３５先端は挿通用孔２０ａまでは到達せず、その手前側で終わる。インジェクション管Ｐａの先端は横孔３５の先端までは到達せず、ある程度の間隙を有するように寸法設定される。

そして、インジェクション管Ｐａ先端と横孔３５先端との間の横孔３５部分に、縦孔からなる第１のインジェクションポート３６ａと、第２のインジェクションポート３６ｂが設けられる。これら横孔３５と、第１のインジェクションポート３６ａと、第２のインジェクションポート３６ｂとでインジェクション機構を構成している。

中間仕切り板２０の中心部には回転軸１３の一部が挿通する挿通用孔２０ａが設けられ、平面視でリング状をなす。さらに、周壁一部から挿通用孔２０ａの中心軸に向かって横孔３５が設けられる。横孔３５の直径は中間仕切り板２０の板厚の範囲内に設定される。横孔３５の先端からわずかに手前側の位置に、第１のインジェクションポート３６ａが中間仕切り板２０上面と横孔３５を連通して設けられる。そして、中間仕切り板２０下面と横孔３５を連通して第２のインジェクションポート３６ｂが設けられる。

中間仕切り板２０および挿通用孔２０ａの中心軸Ｏから第１のインジェクションポート３６ａの中心軸までの距離Ｌａと、中間仕切り板２０の挿通用孔２０ａの中心軸から第２のインジェクションポート３６ｂの中心軸までの距離Ｌｂは互いに同一（Ｌａ＝Ｌｂ）であり、横孔３５とは垂直に交差する。すなわち、第１・第２のインジェクションポート３６ａ，３６ｂは、円周方向において互いに同一角度位置で、かつ互いの中心軸位置が合致する位置に設けられる。

そして、第１のインジェクションポート３６ａの直径と、第２のインジェクションポート３６ｂの直径は、同一でもよいが、ここでは互いに異径である。ここでは、第１のインジェクションポート３６ａの直径は、第２のインジェクションポート３６ｂの直径よりも大きく設定される。

このような構成において、電動機部１１に通電すると回転軸１３が回転し、圧縮機部１２が駆動されることにより、ブレード３０，３１で仕切られた第１・第２のシリンダ室１８Ａ，２２Ａ内の一方の空間が負圧化されてガス冷媒が流入する。

１８０°の位相差で設けられたローラ２７，２８が回転軸１３の回転にともなって転動し、第１・第２のシリンダ室１８Ａ，２２Ａ内に流入されたガス冷媒は、一方の空間の容積が徐々に小さくなることで圧縮される。

所定圧にまで圧縮されると、第１の吐出弁機構３３が開放されて、第１のシリンダ室１８Ａから第１のマフラケース２５のマフラ室に吐出される。さらに、１８０°の間隔を有して、第２の吐出弁機構３４が開放されて、第２のシリンダ室２２Ａから第２のマフラケース２６のマフラ室に吐出される。

その後、第２のマフラケース２６内に吐出されたガス冷媒は、第２のシリンダ２２と、中間仕切り板２０と、第１のシリンダ１８と、主軸受１７に連続して設けられた吐出案内流路を介して第１のマフラケース２５内のマフラ室に導かれる。そして、このマフラ室内に充満するガス冷媒とともに連通孔ｃから密閉容器１０内の空間に導かれる。

圧縮機１の密閉容器１０内に充満する高温高圧のガス冷媒（ミスト化した冷凍機油を含む）は、吐出部１ａに接続する冷媒管Ｐに流通して凝縮器２に導かれる。ここで、ミスト化した冷凍機油を含む冷媒は凝縮液化して液冷媒と冷凍機油とが相溶した状態で気液分離器３に導かれ、さらに気液分離されて一旦、集溜される。その後、液冷媒は膨張弁４で減圧されて蒸発器５で蒸発する。この蒸発によって周囲空気が冷却され、冷凍サイクル装置Ｒとして冷凍（冷却）能力を発揮する。

蒸発器５を出た冷媒は、アキュームレータ６で気液分離され、圧縮機１の第１・第２の吸込み部１ｂ，２ｂを経て、第１のシリンダ室１８Ａと第２のシリンダ室２２Ａに導かれて圧縮される。そして、上述のように再び圧縮されて、上述の系路を循環する。

一方、圧縮機１の運転に伴って、第１・第２のシリンダ室１８Ａ，２２Ａで圧縮され、密閉容器１０に充満するガス冷媒温度が上昇し、冷媒管Ｐに吐出されることで冷媒管Ｐの温度が上昇する。

冷媒管Ｐに取付けられる温度センサ（図示しない）が所定温度以上を検知すると、制御手段（図示しない）へ検知信号を送る。制御手段はインジェクション回路Ｋの開閉弁７を開放する制御を行う。

凝縮器２で液化した冷媒（冷凍機油を含む）を集溜する気液分離器３は受液器の機能をなし、ここから液冷媒の一部がインジェクション管Ｐａに導かれる。流体制御弁８は、温度センサの検知温度に応じて開度を調整する、流量調整弁としての機能を有する。

圧縮機１内のインジェクション管Ｐａに導かれた液冷媒は、中間仕切り板２０の横孔３５の先端部から第１のインジェクションポート３６ａと、第２のインジェクションポート３６ｂに分流される。

液冷媒は、第１のインジェクションポート３６ａから第１のシリンダ室１８Ａに導かれ、第１のシリンダ室１８Ａ内の圧縮途中のガス冷媒中に注入されて、ガス冷媒を冷却する。さらに、液冷媒は第２のインジェクションポート３６ｂから第２のシリンダ室２２Ａに導かれ、第２のシリンダ室２２Ａ内の圧縮途中のガス冷媒中に注入されて、ガス冷媒を冷却する。

図２は、第１のシリンダ室１８Ａの平面図であり、この第１のシリンダ室１８Ａ内でローラ２７は実線位置から一点鎖線位置を介して実線位置に、矢印方向である反時計回り方向に連続して偏心運動する。

第１のシリンダ室１８Ａにおいて、ローラ２７（偏心部ａの偏心方向）がブレード３０の方向に一致する位置を基準位置（０°）とし、ローラ２７が基準位置から反時計方向に６°回転した位置で、ローラ２７の下端面から第１のインジェクションポート３６ａが開放され始め、第１のシリンダ室１８Ａ内に液冷媒が注入される。

ローラ２７の偏心回転運動により、回転角度が増している間は、第１のインジェクションポート３６ａの開放が維持される。それ故、第１のインジェクションポート３６ａから第１のシリンダ室１８Ａ内に液冷媒の注入が継続され、第１のシリンダ室１８Ａで圧縮されるガス冷媒を冷却する。

ローラ２７の回転角度位置が１８０°を越え、２１０°に至るころ、ローラ２７の下端面が第１のインジェクションポート３６ａを閉塞し始める。それ故、第１のインジェクションポート３６ａから第１のシリンダ室１８Ａへの液冷媒の注入量が漸次、低減される。

ローラ２７の回転角度位置（偏心部ａの偏心方向）が２１２°に至ると、第１のインジェクションポート３６ａはローラ２７の下端面によって完全に閉塞され、第１のシリンダ室１８Ａへの液冷媒の注入が停止する。

この状態は、ローラ２７の回転角度位置が３６０°を越えて、６°に至るまで継続し、６°に至ると、再び上述のようにローラ２７の下端面から第１のインジェクションポート３６ａが開放され、上述の作用を繰り返す。

第２のシリンダ室２２Ａにおいては、ローラ２８の位置が、第１のシリンダ室１８Ａ内のローラ２７とは１８０°相対する位置に設けられる箇所から、異なるタイミングで第２のインジェクションポート３６ｂを開閉動作する。

また、第２のインジェクションポート３６ｂの直径は、第１のインジェクションポート３６ａの直径より小さいため、第２のインジェクションポート３６ｂが開くローラ２８の回転角度範囲は、第１のインジェクションポート３６ａが開くローラ２７の回転角度範囲（６°〜２１２°）よりも小さい。

上述したように、第１のインジェクションポート３６ａの直径と、第２のインジェクションポート３６ｂの直径を、異径に設定する。

ここでは、中間仕切り板２０の上部に第１のシリンダ室１８Ａを備えた第１のシリンダ１８を設け、中間仕切り板２０の下部に第２のシリンダ室２２Ａを備えた第２のシリンダ２２を設けた。第２のシリンダ２２は、密閉容器１０内底部に集溜する冷凍機油Ｓ内に常時浸漬されるが、第１のシリンダ１８は圧縮条件により冷凍機油Ｓの油面から露出することが多い。

そこで、第１のインジェクションポート３６ａの直径を、第２のインジェクションポート３６ｂの直径よりも大きく設定する。第１・第２のシリンダ室１８Ａ，２２Ａへの液冷媒の注入量は、第１・第２のインジェクションポート３６ａ，３６ｂの直径に比例する。したがって、第１のシリンダ室１８Ａへの液冷媒の注入量が、第２のシリンダ室２２Ａへの液冷媒の注入量よりも大になる。

第２のシリンダ２２は、密閉容器１０の内底部に集溜される冷凍機油Ｓ中に常時浸漬状態となり冷却されているため、第２のシリンダ室２２Ａに注入される液冷媒の注入量が第１のシリンダ室１８Ａに注入される液冷媒の注入量よりも少なくても、過熱状態に陥ることはない。

これに対して第１のシリンダ１８は、中間仕切り板２０の上部にあり、通常は、この上部に取付けられる主軸受１７のフランジ部まで冷凍機油Ｓが集溜されているが、圧縮条件によっては冷凍機油Ｓの液面が低下し、第１のシリンダ１８が冷凍機油Ｓの油面から露出することが多い。

すなわち、第１のシリンダ室１８Ａと第２のシリンダ室２２Ａとで同じ圧縮作用をなしていても、第１のシリンダ室１８Ａの方が第２のシリンダ室２２Ａよりも温度上昇し易い。そこで、第１のインジェクションポート３６ａを介して第１のシリンダ室１８Ａへの液冷媒の注入量を多くすることによって、効率の良い冷却がなされ、圧縮性能の向上が図られる。

このように密閉型圧縮機１を備える冷凍装置の運転動作によって、冷媒としてのＲ４４８Ａ，Ｒ４４９Ａと、冷媒との低温側二層分離温度が−４２℃±５℃になるポリオールエステル系潤滑油からなる冷凍機油と使用することによって、ローラおよびブレードを備える摺動部材に長期間に亘って安定した潤滑性を付与できるとともに、良好な油戻り性を達成できる。

以下、第１の実施形態に係る密閉型圧縮機の評価を詳細に説明する。

（実施例１）
２０質量％以上のジフルオロメタン、２０質量％以上のペンタフルオロエタン、２０質量％以上の２，３，３，３−テトラフルオロプロペンおよび２０質量％以上の１，１，１，２−テトラフルオロエタンを含む組成を有するＲ４４８Ａ冷媒を用意した。

また、多価アルコールであるペンタエリスリトールと分岐型脂肪酸である２−メチルヘキサン酸および３，５，５−トリメチルヘキサン酸を用意し、これらを原料としてポリオールエステル油を合成した。

得られたポリオールエステル油の１００℃における動粘度を日本工業規格（ＪＩＳ） Ｋ２２８３に準拠して測定したところ、８．９ｍｍ²／ｓであった。また、同ポリオールエステル油の酸価をＪＩＳ Ｃ２１０１に準拠して測定したところ、０，０１ｍｇＫＯＨ／ｇ以下であった。

得られたポリオールエステル油に酸化剤である２，６−ジ−tert−ブチル−ｐ−クレゾールを０．１質量％および酸捕捉剤であるグリシジルエステル型エポキシ化合物を０．５質量％添加して冷凍機油を調製した。なお、当該冷凍機油は摩耗防止剤として広く使用されているトリクレジルホスフェートを含有しない。得られた冷凍機油の２５℃の体積抵抗率をＪＩＳ Ｃ２１０１に準拠して測定したところ、３×１０¹²Ω・ｍであった。

さらに、冷凍機油のＲ４４８Ａ冷媒との低温側二層分離温度をＪＩＳ Ｋ２２１１−２００９の付属書Ｄに規定される「冷媒との相溶性試験方法」に準拠して測定したところ、−４２℃であった。なお、図３はＲ４４８Ａ冷媒に対する冷凍機油の量を変えた時の二層分離温度曲線を示すグラフで、当該曲線より高温側がＲ４４８Ａ冷媒と冷凍機油の相溶域、当該曲線より低温側がＲ４４８Ａ冷媒と冷凍機油の二層分離域である。

得られたＲ４４８Ａ冷媒と冷凍機油を３ＨＰのインバータ冷凍機に収容し、サイクル内の冷凍機油の挙動を調べた。その結果、圧縮機油に貯油されている冷凍機油の著しい油面低下はなく、冷凍機油の油戻り性は良好であった。

また、１０００時間の過負荷条件での耐久性試験において摺動部材（ローラおよびブレード）の異常摩耗がなく、良好であった。

（比較例１）
多価アルコールであるペンタエリスリトールと分岐型脂肪酸である２−メチルヘキサン酸および２−エチルヘキサン酸を用意し、これらを原料としてポリオールエステル油を合成した。

得られたポリオールエステル油の１００℃における動粘度をＪＩＳ Ｋ２２８３に準拠して測定したところ、５．３ｍｍ²／ｓであった。

得られたポリオールエステル油に酸化剤である２，６−ジ−tert−ブチル−ｐ−クレゾールを０．１質量％および酸捕捉剤であるグリシジルエステル型エポキシ化合物を０．５質量％添加して冷凍機油を調製した。当該冷凍機油のＲ４４８Ａ冷媒との低温側二層分離温度をＪＩＳ Ｋ２２１１−２００９の付属書Ｄに規定される「冷媒との相溶性試験方法」に準拠して測定したところ、−４７℃を下回る値であった。

得られたＲ４４８Ａ冷媒と冷凍機油を３ＨＰのインバータ冷凍機に収容し、サイクル内の冷凍機油の挙動を調べた。その結果、圧縮機油に貯油されている冷凍機油の著しい油面低下はなく、冷凍機油の油戻り性は良好であった。

しかしながら、１０００時間の過負荷条件での耐久性試験において摺動部材（ローラおよびブレード）の異常摩耗が生じ、長期にわたって安定した潤滑性が得られなかった。

なお、冷凍機油とＲ４４８Ａ冷媒との低温側二層分離温度が−３７℃より高温になる場合、これらの冷凍機油とＲ４４８Ａ冷媒とを用い、蒸発温度が−４２℃になる低温用冷凍装置では、経験上、油戻り性が悪化する傾向にある。

従って、このような実施例の結果から前記Ｒ４４８Ａ冷媒と当該冷媒との低温側二層分離温度が−４２℃±５℃になるポリオールエステル系潤滑からなる冷凍機油を用いることによって、摺動部材に長期間に亘って安定した潤滑性を付与するとともに、良好な油戻り性を有する高信頼性の密閉型圧縮機を実現できる。

なお、実施例１ではＲ４４８Ａ冷媒を用いたが、Ｒ４４９Ａ冷媒を用いても同様な効果を得ることができる。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態に係る密閉型圧縮機は、第１の実施形態と同様に冷凍サイクル中に設けられ、密閉容器と、当該密閉容器内に収納された冷媒を圧縮する圧縮機部と、前記密閉容器内に収納され、当該圧縮機部を駆動する電動機部と、前記密閉容器に内蔵した冷凍機油とを備える。また、第１の実施形態と同様に、前記冷媒は２０質量％以上のジフルオロメタン、２０質量％以上のペンタフルオロエタン、２０質量％以上の２，３，３，３−テトラフルオロプロペンおよび２０質量％以上の１，１，１，２−テトラフルオロエタンを含み、かつ冷凍機油は前記冷媒との低温側二層分離温度が−４２℃±５℃になるポリオールエステル系潤滑油を使用する。

密閉型圧縮機は、さらに前記冷凍サイクルの液冷媒を圧縮機部に導くインジェクション管を備え、かつ圧縮機部の運転条件を、ローラ２７、２８とブレード３０、３１との接触圧力と摺動速度の積であるローラとブレードの間のＰＶ値が０．３×１０⁹〜１．５×１０⁹Ｐａ・ｍ／ｓｅｃになるように設定する。ここで、運転条件は密閉容器とシリンダ室との圧力差、吸込み圧力および吐出圧力、ローラの回転速度、並びのローラの外径のいずれかである。

前記インジェクション管は、前述した図１および図２で説明したように気液分離器３から凝縮器２で液化した冷媒（冷凍機油を含む）の一部を、インジェクション機構を構成する中間仕切り板２０の横孔３５に供給し、第１のインジェクションポート３６ａと、第２のインジェクションポート３６ｂに分流する。液冷媒は、第１のインジェクションポート３６ａから第１のシリンダ室１８Ａに導かれ、第１のシリンダ室１８Ａ内の圧縮途中のガス冷媒中に注入されて、ガス冷媒を冷却する。さらに、液冷媒は第２のインジェクションポート３６ｂから第２のシリンダ室２２Ａに導かれ、第２のシリンダ室２２Ａ内の圧縮途中のガス冷媒中に注入されて、ガス冷媒を冷却する。このように効率の良い冷却を行うことによって、圧縮性能の向上を図ることができる。

しかしながら、冷凍機油が供給され難いブレード先端部では、インジェクション冷却に伴って液冷媒が過多になり、当該液冷媒で希釈された冷凍機油の粘度が局所的に低下する。このため、圧縮機部のローラが潤滑不良により異常摩耗を生じる。

第２の実施形態によれば、圧縮機部の圧力条件をローラとブレードの間のＰＶ値が０．３×１０⁹〜１．５×１０⁹Ｐａ・ｍ／ｓｅｃになるように設定することによって、圧縮機部のローラの異常摩耗を防止できるため、信頼性の高い密閉型圧縮機を実現できる。

ここで、ＰＶ値の上限は、ローラとブレードの材料使用上の限界から規定される。ＰＶ値とローラの外径面粗さの関係を示す図４を用いて、ＰＶ値の上限について具体的に説明する。

モリブデン、ニッケル及びクロムを含む片状黒鉛鋳鉄から作られるローラと、母材がステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ４４０Ｃ）から作られ、表面が窒化処理されたブレードとを用意した。ローラとブレードの摺動時における基準条件をＰｄ／Ｐｓ＝２．２ＭＰａ／０．３ＭＰａ（ここで、Ｐｄは吐出圧力、Ｐｓは吸込み圧力を示す）、回転数８０ｒｐｓとし、インジェクション冷却を行い、かつ圧力条件をＰＶ値が前記範囲内の約１．３２×１０⁹Ｐａ・ｍ／ｓｅｃになるように設定して２０００時間、耐久試験を実行した。その結果、図４に示すようにローラの外径面粗さは、その異常摩耗が生じる２．５Ｒｚ（（図４の横破断線で表される））に比べてはるかに低い約１．３Ｒｚになり、ローラの異常摩耗を防止できることを確認した。

これに対し、同一条件下にてインジェクション冷却を行い、かつ圧力条件をＰＶ値が前記範囲を外れる約１．５２×１０⁹Ｐａ・ｍ／ｓｅｃになるように設定して２０００時間、耐久試験を実行した。その結果、図４に示すように面粗さがローラの異常摩耗が生じる２．５Ｒｚより高い約３．３Ｒｚになり、ローラの異常摩耗を防止できない。

従って、ローラの異常摩耗を防止する観点からＰＶ値の上限は、１．５×１０⁹Ｐａ・ｍ／ｓｅｃに規定される。

他方、ＰＶ値の下限（０．３×１０⁹Ｐａ・ｍ／ｓｅｃ）はローラの相対速度が不足して冷凍機油がローラとブレードの間に引き込まれず、潤滑不良によってローラとブレード間の相対運動が停止して局所的な摩耗を引き起こす限界から規定される。

図５は、冷凍サイクルの蒸発温度−４０℃、凝縮温度５０℃の運転時におけるローラの自転数とローラとブレードの間のＰＶ値との関係を示す。ＰＶ値が０．３×１０⁹Ｐａ・ｍ／ｓｅｃを下回るとローラの自転数が、冷凍機油がローラとブレードの間に十分に供給される３ｒｐｓ未満となることがわかる。

従って、第２の実施形態に係る密閉型圧縮機によれば、良好な油戻り性を達成でき、かつローラおよびブレードを備える摺動部材に長期間に亘って安定した潤滑性を付与できることに加え、ローラの異常摩耗をより確実に防止できる。

＜第３の実施形態＞
第３の実施形態に係る密閉型圧縮機は、第１の実施形態と同様に冷凍サイクル中に設けられ、密閉容器と、当該密閉容器内に収納された冷媒を圧縮する圧縮機部と、前記密閉容器内に収納され、当該圧縮機部を駆動する電動機部と、前記密閉容器に内蔵した冷凍機油とを備える。また、第１の実施形態と同様に、前記冷媒は２０質量％以上のジフルオロメタン、２０質量％以上のペンタフルオロエタン、２０質量％以上の２，３，３，３−テトラフルオロプロペンおよび２０質量％以上の１，１，１，２−テトラフルオロエタンを含み、かつ冷凍機油は前記冷媒との低温側二層分離温度が−４２℃±５℃になるポリオールエステル系潤滑油を使用する。

密閉型圧縮機において、圧縮機部はモリブデン、ニッケル及びクロムを含む片状黒鉛鋳鉄から作られるローラと、母材が金属材料からなり、表面粗さＲａ（算術平均粗さ）が０．０５〜０．２のブレードとを備え、さらに冷凍サイクルの液冷媒を圧縮機部に導くインジェクション管を備える。

ブレードの表面粗さＲａを前記範囲に規定することにより、当該ブレードと摺動するローラの異常摩耗を防止できる。ブレードの表面粗さＲａを０．０５未満にすると、ローラの異常摩耗の防止効果が向上されず、超研磨仕上げが必要になってコストが高くなる虞がある。ブレードの表面粗さＲａが０．２を超えると、ローラの異常摩耗を防止することが困難になる。

ブレードは、金属材料、例えばＳＫＨ５１（高速度工具鋼）からなる母材の表面に、ローラの異常摩耗の防止効果が高いダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の被膜処理されていることが好ましい。

前記インジェクション管は、前述した図１および図２で説明したように気液分離器３から凝縮器２で液化した冷媒（冷凍機油を含む）の一部を、インジェクション機構を構成する中間仕切り板２０の横孔３５の先端部を通して第１のインジェクションポート３６ａと、第２のインジェクションポート３６ｂに分流する。液冷媒は、第１のインジェクションポート３６ａから第１のシリンダ室１８Ａに導かれ、第１のシリンダ室１８Ａ内の圧縮途中のガス冷媒中に注入されて、ガス冷媒を冷却する。さらに、液冷媒は第２のインジェクションポート３６ｂから第２のシリンダ室２２Ａに導かれ、第２のシリンダ室２２Ａ内の圧縮途中のガス冷媒中に注入されて、ガス冷媒を冷却する。このように効率の良い冷却を行うことによって、圧縮性能の向上を図ることができる。

しかしながら、冷凍機油が供給され難いブレード先端部では、インジェクション冷却に伴って液冷媒が過多になり、当該液冷媒で希釈された冷凍機油の粘度が局所的に低下する。このため、圧縮機部のローラが潤滑不良により異常摩耗を生じる。

第３の実施形態によれば、ローラと摺動するブレードの表面粗さＲａを０．０５〜０．２にすることによって、圧縮機部のローラの異常摩耗を防止でき、信頼性の高い密閉型圧縮機を実現できる。

以下、第３の実施形態に係る密閉型圧縮機の圧縮機部に組込まれるローラの耐久試験を具体的に説明する。

（実施例１１）
モリブデン、ニッケル及びクロムを含む片状黒鉛鋳鉄から作られるローラと、ＳＫＨ５１からなる母材の表面にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の被膜処理がなされ、表面粗さＲａが０．１のブレードとを密閉型圧縮機の圧縮機部に組み込んだ。

（実施例１２）
モリブデン、ニッケル及びクロムを含む片状黒鉛鋳鉄から作られるローラと、ＳＵＳ４４０Ｃから作られ、表面が窒化処理され、表面粗さＲａが０．２のブレードとを密閉型圧縮機の圧縮機部に組み込んだ。

（比較例１１）
モリブデンニッケルクロム鋳鉄から作られるローラと、ＳＵＳ４４０Ｃから作られ、表面が窒化処理され、表面粗さＲａが０．４のブレードとを密閉型圧縮機の圧縮機部に組み込んだ。

実施例１１，１２および比較例１１の密閉型圧縮機について、ローラとブレードの摺動時における基準条件をＰｄ／Ｐｓ＝２．２ＭＰａ／０．３ＭＰａ（ここで、Ｐｄは吐出圧力、Ｐｓは吸込み圧力を示す）、回転数８０ｒｐｓとし、インジェクション冷却を行う、耐久試験を２０００時間実行した。その結果を図６に示す。

図６から明らかなように表面粗さＲａが０．０５〜０．２の範囲内のブレードを有する実施例１１，１２の密閉型圧縮機は、ローラの面粗さがその異常摩耗を生じる２．５Ｒｚ（図６の横破断線で表される）に比べて低い値になり、ローラの異常摩耗を防止できることわかる。特に、ＤＬＣからなり、表面粗さＲａが０．１のブレードを有する実施例１１の密閉型圧縮機は、ローラの面粗さが約０．６Ｒｚになり、より一層ローラの異常摩耗を防止できることがわかる。

これに対し、表面粗さＲａが０．２より大きいブレードを有する比較例１１の密閉型圧縮機はローラの面粗さがその異常摩耗を生じる２．５Ｒｚより大きい約３．７Ｒｚになり、ローラの異常摩耗を防止できなかった。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］冷凍サイクル中に設けられ、密閉容器と、当該密閉容器内に収納され冷媒を圧縮する圧縮機部と当該圧縮機部を駆動する電動機部と冷凍機油とを備えた密閉型圧縮機であって、
前記冷媒は、２０質量％以上のジフルオロメタン、２０質量％以上のペンタフルオロエタン、２０質量％以上の２，３，３，３−テトラフルオロプロペンおよび２０質量％以上の１，１，１，２−テトラフルオロエタンを含み、かつ
前記冷凍機油は、前記冷媒との低温側二層分離温度が−４２℃±５℃になるポリオールエステル系潤滑油を使用することを特徴とする密閉型圧縮機。
［２］前記圧縮機部は、シリンダ室を形成するシリンダと前記シリンダ室内で回動するローラと前記ローラの外周面に当接して往復動するブレードと前記シリンダ室内に液冷媒を導くインジェクション機構を備え、
前記ローラをモリブデン、ニッケル及びクロムを含む片状黒鉛鋳鉄より形成するとともに、前記ブレードを表面が窒化処理されたステンレス鋼で形成し、
前記圧縮機部のローラとブレードとの接触圧力と摺動速度の積であるローラとブレード間のＰＶ値が０．３×１０ ⁹ 〜１．５×１０ ⁹ Ｐａ・ｍ／ｓｅｃになるようにすることを特徴とする［１］の密閉型圧縮機。
［３］前記圧縮機部は、シリンダ室を形成するシリンダと、前記シリンダ室内で回動し、モリブデン、ニッケル及びクロムを含む片状黒鉛鋳鉄から作られるローラと、前記ローラの外周面に当接して往復動するとともに母材が金属材料からなり表面粗さＲａが０．０５〜０．２にされているブレードと、前記シリンダ室内に液冷媒を導くインジェクション機構を備えることを特徴とする［１］の密閉型圧縮機。
［４］前記ブレードは、表面にダイヤモンドライクカーボンの皮膜処理が施されていることを特徴とする［３］の密閉型圧縮機。
［５］［１］〜［４］いずれかの密閉型圧縮機と、当該密閉型圧縮機に接続された放熱器と、当該放熱器に接続された膨張装置と、当該膨張装置と前記密閉型圧縮機の間に接続された吸熱器とを備え、冷媒として２０質量％以上のジフルオロメタン、２０質量％以上のペンタフルオロエタン、２０質量％以上の２，３，３，３−テトラフルオロプロペンおよび２０質量％以上の１，１，１，２−テトラフルオロエタンを含む冷媒が封入されていることを特徴とする冷凍サイクル装置。
［６］蒸発温度がー４２℃以上に設定されていることを特徴とする［５］の冷凍サイクル装置。

１…密閉型圧縮機、２…凝縮器、３…気液分離器、４…膨張弁、５…蒸発器、１０…密閉容器、１１…電動機部、１３…回転軸、１８…第１のシリンダ、２２…第２のシリンダ、２７，２８…ローラ、３０，３１…ブレード、Ｐａ…インジェクション管、Ｓ…冷凍機油。

Claims (3)

1. 冷凍サイクル中に設けられ、密閉容器と、当該密閉容器内に収納され冷媒を圧縮する圧縮機部と当該圧縮機部を駆動する電動機部と冷凍機油とを備えた密閉型圧縮機であって、
   前記冷媒は、２０質量％以上のジフルオロメタン、２０質量％以上のペンタフルオロエタン、２０質量％以上の２，３，３，３−テトラフルオロプロペンおよび２０質量％以上の１，１，１，２−テトラフルオロエタンを含み、かつ
   前記冷凍機油は、前記冷媒との低温側二層分離温度が−４２℃±５℃になるポリオールエステル系潤滑油を使用し、
   前記圧縮機部は、シリンダ室を形成するシリンダと前記シリンダ室内で回動するローラと前記ローラの外周面に当接して往復動するブレードと前記シリンダ室内に液冷媒を導くインジェクション機構を備え、
   前記ローラをモリブデン、ニッケル及びクロムを含む片状黒鉛鋳鉄より形成するとともに、前記ブレードを表面が窒化処理されたステンレス鋼で形成し、
   前記圧縮機部のローラとブレードとの接触圧力と摺動速度の積であるローラとブレード間のＰＶ値が０．３×１０ ⁹ 〜１．５×１０ ⁹ Ｐａ・ｍ／ｓｅｃになるようにすることを特徴とする密閉型圧縮機。
2. 請求項１記載の密閉型圧縮機と、当該密閉型圧縮機に接続された放熱器と、当該放熱器に接続された膨張装置と、当該膨張装置と前記密閉型圧縮機の間に接続された吸熱器とを備え、冷媒として２０質量％以上のジフルオロメタン、２０質量％以上のペンタフルオロエタン、２０質量％以上の２，３，３，３−テトラフルオロプロペンおよび２０質量％以上の１，１，１，２−テトラフルオロエタンを含む冷媒が封入されていることを特徴とする冷凍サイクル装置。
3. 蒸発温度が−４２℃以上に設定されていることを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル装置。

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