JPWO2020075218A1

JPWO2020075218A1 - 圧縮機及びその圧縮機を備えた冷凍装置

Info

Publication number: JPWO2020075218A1
Application number: JP2020551074A
Authority: JP
Inventors: 栗田　慎; 慎栗田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-10-09
Filing date: 2018-10-09
Publication date: 2021-09-02
Also published as: TW202014653A; EP3865785A4; EP3865785B1; EP3865785A1; TWI709721B; WO2020075218A1

Abstract

圧縮機は、ＨＦＯ１２３４ｚｅの単一冷媒又はＨＦＯ１２３４ｚｅを含む混合冷媒が用いられると共に、冷凍機油にポリオールエステル油が用いられる冷媒回路で使用される圧縮機である。そして、圧縮機は、回転軸と、回転軸の回転に伴って他の部材と摺動する摺動部材を備えた摺動部とを備える。摺動部材は、ＰＰＳ樹脂を直鎖状に高分子量化したＬ−ＰＰＳ樹脂で構成されている。

Description

本発明は、ＨＦＯ１２３４ｚｅの単一冷媒又はＨＦＯ１２３４ｚｅを含む混合冷媒を使用する圧縮機及びその圧縮機を備えた冷凍装置に関する。

従来より、冷凍サイクルに用いられる冷媒として、ＨＦＯ１２３４ｚｅの単一冷媒又はＨＦＯ１２３４ｚｅを含む混合冷媒がある。これらの冷媒は、オゾン層破壊への影響が小さく、環境保全に好適であることが知られている。ここで、ＨＦＯ１２３４ｚｅは、分子式がＣ_３ＨｍＦｎ（但し、ｍ及びｎは１以上の５以下の整数とし、ｍ＋ｎ＝６の関係が成立する）で表され、且つ分子構造に二重結合を１個有するものである。

冷凍サイクルを行う冷凍装置において、冷媒としてＨＦＯ１２３４ｚｅの単一冷媒又はＨＦＯ１２３４ｚｅを含む混合冷媒を用いる場合、圧縮機の内部の摺動部を潤滑するために用いられる冷凍機油との組み合わせによっては、摺動部の摺動部材に用いられた樹脂の劣化を招く可能性がある。

そこで、従来、冷媒としてＨＦＯ１２３４ｚｅの単一冷媒又はＨＦＯ１２３４ｚｅを含む混合冷媒をポリオールエステル油と組み合わせて用いることで、摺動部材の劣化を抑制するようにした技術がある（例えば、特許文献１参照）。

特許第５３０４５３１号公報

上記特許文献１では、ＨＦＯ１２３４ｚｅの単一冷媒又はＨＦＯ１２３４ｚｅを含む混合冷媒にポリオールエステル油を組み合わせて用いることで、ポリアミド樹脂で構成された摺動部材の劣化を抑制できるとしている。しかしながら、本発明者らの試験によると、ポリアミド樹脂の劣化を十分に抑制できないことが確認され、摺動部材にポリアミド樹脂を用いることには信頼性の面で課題があった。

本発明はこのような点を鑑みなされたもので、ＨＦＯ１２３４ｚｅの単一冷媒又はＨＦＯ１２３４ｚｅを含む混合冷媒とポリオールエステル油とを組み合わせて用いられる圧縮機において、摺動部材の劣化を抑制することが可能な圧縮機及びその圧縮機を備えた冷凍装置を提供することを目的とする。

本発明に係る圧縮機は、ＨＦＯ１２３４ｚｅの単一冷媒又はＨＦＯ１２３４ｚｅを含む混合冷媒が用いられると共に、冷凍機油にポリオールエステル油が用いられる冷媒回路で使用される圧縮機であって、回転軸と、回転軸の回転に伴って他の部材と摺動する摺動部材を備えた摺動部とを備え、摺動部材は、ＰＰＳ樹脂を直鎖状に高分子量化したＬ−ＰＰＳ樹脂で構成されたものである。

本発明によれば、ＨＦＯ１２３４ｚｅの単一冷媒又はＨＦＯ１２３４ｚｅを含む混合冷媒とポリオールエステル油とを組み合わせて用いられる圧縮機において、摺動部材をＬ−ＰＰＳで構成したので、摺動部材の劣化を抑制できる。

本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機の主要構造を示す内部平面図である。図１のＡ−Ａに対応する部分の断面図である。本発明の実施の形態２に係る冷凍装置の冷媒回路を示す図である。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態を説明する。各図において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、本明細書全文において共通である。

以下では、本発明を二段シングルスクリュー圧縮機（以下、単にスクリュー圧縮機という）に適用した実施の形態について説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機の主要構造を示す内部平面図である。図２は、図１のＡ−Ａに対応する部分の断面図である。
まず、実施の形態１の構造を説明する。実施の形態１のスクリュー圧縮機は、ケーシング１内に、冷媒を圧縮する低段圧縮部１０と、低段圧縮部１０で圧縮された冷媒をさらに圧縮する高段圧縮部２０とを備えている。スクリュー圧縮機はさらに、低段圧縮部１０及び高段圧縮部２０を貫通し、ケーシング１内で回転可能に配置された回転軸３０と、回転軸３０を回転駆動する電動機４０とを備えている。

低段圧縮部１０は、低段スクリューロータ１１と、一対のゲートロータ１２とを有する。一対のゲートロータ１２のそれぞれは、低段スクリューロータ１１に設けられたスクリュー溝１１ａに噛み合う複数の歯１２ａを放射状に備え、低段スクリューロータ１１の回転に従動して回転する。一対のゲートロータ１２は、図２に示すように一対のゲートロータサポート１３で支持されている。ゲートロータサポート１３は、その中心軸が回転軸３０と略垂直となるように配置されている。そして、低段圧縮部１０は、スクリュー溝１１ａと一対のゲートロータ１２とケーシング１とで構成された一対の圧縮室で冷媒を圧縮する。低段圧縮部１０において、一対のゲートロータ１２は、回転軸３０を中心として互いに１８０度回転した位置に配置されているため、圧縮室は、回転軸３０を中心として互いに１８０度回転した位置に一対、形成される。

高段圧縮部２０は、高段スクリューロータ２１と、１枚のゲートロータ２２とを有する。ゲートロータ２２は、高段スクリューロータ２１に設けられたスクリュー溝２１ａに噛み合うに複数の歯２２ａを放射状に備え、高段スクリューロータ２１の回転に従動して回転する。ゲートロータ２２は、低段圧縮部１０のゲートロータ１２と同様、ゲートロータサポート（図示せず）で支持され、その中心軸が回転軸３０と略垂直となるように配置されている。そして、高段圧縮部２０は、スクリュー溝２１ａと１枚のゲートロータ２２とケーシング１とで構成された圧縮室で冷媒を圧縮する。高段圧縮部２０では、ゲートロータ１２が１枚であるため、圧縮室は１つ形成される。

電動機４０は、ケーシング１内に内接して固定されたステータ４０ａと、ステータ４０ａの内側に配置されたモーターロータ４０ｂとを備えている。モーターロータ４０ｂは回転軸３０に固定されている。電動機４０が駆動して回転軸３０が回転すると、低段スクリューロータ１１及び高段スクリューロータ２１が回転する。

電動機４０は、図示しないインバータを用い、回転軸３０の回転速度を加減速させて運転される。すなわち、低段スクリューロータ１１及び高段スクリューロータ２１は、インバータによって回転速度が可変に駆動される。なお、電動機４０は回転速度が可変なものに限定されず、回転速度が固定な一定速のものであってもよい。

以上のように構成されたスクリュー圧縮機は、冷媒として「ＨＦＯ１２３４ｚｅの単一冷媒又はＨＦＯ１２３４ｚｅを含む混合冷媒」（以下、これらをまとめてＨＦＯ１２３４ｚｅ冷媒という）を用いると共に、冷凍機油としてポリオールエステル油を用い、冷凍装置に組み込まれて使用される。ここで、ＨＦＯ１２３４ｚｅは、分子式がＣ_３ＨｍＦｎ（但し、ｍ及びｎは１以上の５以下の整数とし、ｍ＋ｎ＝６の関係が成立する）で表され、且つ分子構造に二重結合を１個有するものである。

そして、本実施の形態１のスクリュー圧縮機は、ＨＦＯ１２３４ｚｅ冷媒とポリオールエステル油との組み合わせにおいて摺動部の摺動部材の劣化を抑制するため、摺動部材にＬ−ＰＰＳを用いることを特徴としている。摺動部としては例えば軸受部があり、以下、スクリュー圧縮機における軸受部について説明する。

回転軸３０は、図１に示すように転がり軸受５１、転がり軸受５２及び転がり軸受５３で回転可能に支持されている。また、図２に示すように、ゲートロータサポート１３の回転軸１３ａの両端部が転がり軸受１４及び転がり軸受１５で回転可能に支持されている。また、図示していないが、高段圧縮部２０のゲートロータサポートの回転軸の両端部も同様に転がり軸受で支持されている。これらの転がり軸受の保持器が摺動部材であって、本実施の形態１では全ての転がり軸受の保持器の素材として、Ｌ−ＰＰＳ樹脂が用いられている。Ｌ−ＰＰＳは、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）に対し、分子鎖を直鎖状に高分子量化した構造であり、ＰＰＳに対し、強度を向上した樹脂素材である。

このように摺動部材にＬ−ＰＰＳを用いることで、ＨＦＯ１２３４ｚｅ冷媒とポリオールエステル油との組み合わせにおいて、摺動部材の劣化を抑制することができる。また、Ｌ−ＰＰＳ樹脂はポリアミド樹脂より使用温度帯が高いため、圧縮機における摺動部材の素材としてＬ−ＰＰＳ樹脂を用いることは、給油不良等に起因した発熱に対しても有利である。

次に、実施の形態１に係るスクリュー圧縮機の動作を説明する。
スクリュー圧縮機を駆動する電動機４０は、図示しないインバータから電気入力を受けて起動される。電動機４０が起動すると回転軸３０が回転し、回転軸３０を介して低段スクリューロータ１１及び高段スクリューロータ２１が回転する。低段スクリューロータ１１が回転することにより、一対のゲートロータ１２が回転する。また、高段スクリューロータ２１が回転することにより、ゲートロータ２２が回転する。

低段圧縮部１０では、ゲートロータ１２の歯１２ａが高段スクリューロータ２１のスクリュー溝２１ａ内を相対的に移動する。これにより、低段圧縮部１０では、圧縮室内に冷媒を吸入する吸入行程と、圧縮室内で冷媒を圧縮する圧縮行程と、圧縮室内で圧縮した冷媒を吐出する吐出行程と、が順次繰り返して行われる。低段圧縮部１０で圧縮及び吐出された冷媒は、高段圧縮部２０に吸入されてさらに圧縮される。

高段圧縮部２０では、ゲートロータ１２の歯１２ａが高段スクリューロータ２１のスクリュー溝２１ａ内を相対的に移動する。これにより、高段圧縮部２０では、圧縮室内に冷媒を吸入する吸入行程と、圧縮室内で冷媒を圧縮する圧縮行程と、圧縮室内で圧縮した冷媒を吐出する吐出行程と、が順次繰り返して行われる。高段圧縮部２０で圧縮された冷媒は、スクリュー圧縮機の外部に吐出される。

以上のスクリュー圧縮機の運転において、低段圧縮部１０及び高段圧縮部２０のガス圧縮作用に伴うガス荷重は、各転がり軸受で支持することになる。そして、スクリュー圧縮機では、冷媒と共に冷凍機油も低段圧縮部１０及び高段圧縮部２０に吸入され、冷凍機油によって転がり軸受が潤滑される。ここで、各転がり軸受の保持器は、上述したようにＬ−ＰＰＳで構成されているため、ＨＦＯ１２３４ｚｅ冷媒とポリオールエステル油との組み合わせにおいて劣化を抑制できる。

以上説明したように、本実施の形態１によれば、冷媒としてＨＦＯ１２３４ｚｅ冷媒を用いると共に、冷凍機油としてポリオールエステル油を用いて使用されるスクリュー圧縮機において、摺動部材である、転がり軸受の保持器をＬ−ＰＰＳで構成した。これにより、摺動部材の劣化を抑制できる。つまり、ＨＦＯ１２３４ｚｅ冷媒とポリオールエステル油とを組み合わせて用いられるスクリュー圧縮機において、信頼性を損なう強度低下が発生せず、安定した運転を行える。

なお、以上の説明では、摺動部が転がり軸受であり、Ｌ−ＰＰＳで構成する摺動部材として転がり軸受の保持器の例を示したが、これに限られたものではない。摺動部材は、回転軸３０の回転に伴って他の部材と摺動する部材であればよく、他に例えばゲートロータも摺動部材に含まれる。ゲートロータは、回転軸３０の回転に伴って回転し、歯がスクリュー溝と噛み合って摺動することから摺動部材に該当し、ゲートロータをＬ−ＰＰＳで構成してもよい。

実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１のスクリュー圧縮機を備えた冷凍装置に関するものである。

図３は、図１のスクリュー圧縮機を備えた冷凍装置の冷媒回路を示す図である。
冷凍装置２００は、実施の形態１のスクリュー圧縮機１００、凝縮器１０１、膨張弁１０２及び蒸発器１０３を有し、冷媒が循環する冷媒回路を備えている。この冷凍装置２００において、冷媒にはＨＦＯ１２３４ｚｅ冷媒を用いる。また、冷媒と共に冷媒回路を循環する冷凍機油にはポリオールエステル油を用いる。

以上の構成の冷媒回路は、次のように動作する。
スクリュー圧縮機１００で圧縮されて吐出されたガス冷媒は、凝縮器１０１に流入し、凝縮器１０１を通過する空気と熱交換して高圧液冷媒となり、凝縮器１０１から流出する。凝縮器１０１を流出した高圧液冷媒は、膨張弁１０２で減圧されて低圧の気液二相冷媒となり、蒸発器１０３に流入する。蒸発器１０３に流入した低圧の気液二相冷媒は、蒸発器１０３を通過する空気と熱交換して低圧ガス冷媒となり、再びスクリュー圧縮機１００に吸入される。

このように構成された冷凍装置２００は、実施の形態１のスクリュー圧縮機１００を備えることで、信頼性が高く安定した運転を行える。

この冷凍装置２００は、空気調和機又は冷蔵冷凍庫等に適用することができる。

なお、上記実施の形態１及び実施の形態２は、二段シングルスクリュー圧縮機に本発明を適用したものであるが、二段シングルスクリュー圧縮機に限定されず、単段シングルスクリュー圧縮機に本発明を適用してもよい。また、一対の雄雌スクリューを噛み合わせて圧縮室を形成するツインスクリュー圧縮機に本発明を適用してもよい。また、スクリュー圧縮機に限定されず、ロータリ圧縮機、スクロール圧縮機又はその他形式の圧縮機に本発明を適用してもよい。以上の何れの場合も、本発明の効果を得ることができる。

１ケーシング、１０低段圧縮部、１１低段スクリューロータ、１１ａスクリュー溝、１２ゲートロータ、１２ａ歯、１３ゲートロータサポート、１３ａ回転軸、１４転がり軸受、１５転がり軸受、２０高段圧縮部、２１高段スクリューロータ、２１ａスクリュー溝、２２ゲートロータ、２２ａ歯、３０回転軸、４０電動機、４０ａステータ、４０ｂモーターロータ、５１転がり軸受、５２転がり軸受、５３転がり軸受、１００スクリュー圧縮機、１０１凝縮器、１０２膨張弁、１０３蒸発器、２００冷凍装置。

本発明に係る圧縮機は、ＨＦＯ１２３４ｚｅの単一冷媒又はＨＦＯ１２３４ｚｅを含む混合冷媒が用いられると共に、冷凍機油にポリオールエステル油が用いられる冷媒回路で使用される圧縮機であって、回転軸と、回転軸の回転に伴って他の部材と摺動する摺動部材を備えた摺動部と、回転軸の回転に伴って回転するスクリューロータと、スクリューロータの回転に伴って回転するゲートロータとを備え、摺動部材及びゲートロータは、ＰＰＳ樹脂を直鎖状に高分子量化したＬ−ＰＰＳ樹脂で構成されたものである。

Claims

ＨＦＯ１２３４ｚｅの単一冷媒又はＨＦＯ１２３４ｚｅを含む混合冷媒が用いられると共に、冷凍機油にポリオールエステル油が用いられる冷媒回路で使用される圧縮機であって、
回転軸と、
前記回転軸の回転に伴って他の部材と摺動する摺動部材を備えた摺動部とを備え、
前記摺動部材は、ＰＰＳ樹脂を直鎖状に高分子量化したＬ−ＰＰＳ樹脂で構成された圧縮機。
前記摺動部は、前記回転軸を支持する転がり軸受であり、前記転がり軸受の保持器が前記Ｌ−ＰＰＳ樹脂で構成されている請求項１記載の圧縮機。
請求項１又は請求項２記載の圧縮機を備えた冷凍装置。