JP2006509961A - 往復動式圧縮機を備えた冷凍装置 - Google Patents

往復動式圧縮機を備えた冷凍装置 Download PDF

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Abstract

本冷凍装置は、冷媒が蒸発して冷却を行う蒸発機（２）と、蒸発機から排出された冷媒を圧縮するように可動子が往復運動して冷媒を圧縮する往復動式圧縮機（４）と、往復動式圧縮機により圧縮された冷媒を液体冷媒に変化させる凝縮機（６）と、凝縮機から排出された冷媒を減圧して蒸発機に供給するキャピラリチューブ（８）とから構成される。冷媒として、水素、フッ素、炭素から構成されるフッ化炭化水素であるＨＦＣ冷媒を使用し、往復動式圧縮機の潤滑油として、合成油の一種のエステル系潤滑油を使用することにより、潤滑性能及び冷凍装置の性能を向上させる。

Description

本発明は、往復動式圧縮機により冷媒の圧縮を行う冷凍装置に関し、特に、往復動式圧縮機に使用される潤滑油を改善することにより潤滑性能を向上させると共に、冷凍装置の性能を向上させる往復動式圧縮機を備えた冷凍装置に関する。
最近、冷蔵庫や空調機などに使用されてきた冷媒であるクロロフルオロカーボン（chlorofluorocarbon: ＣＦＣ）が成層圏のオゾン層を破壊する原因物質として確認されたため、代替冷媒に関する研究が活発に行われている。
前記代替冷媒は、優れた熱力学的及び物理化学的特性を有すると共に、環境親和的でなければならない。すなわち、この代替冷媒は、エネルギー効率が高く、地球温暖化指数が低く、オゾン層破壊係数が０.０で、毒性及び可燃性がないという条件を満たさなければならない。
メタン系及びエタン系のハロカーボン化合物のうち、毒性及び可燃性がなく、かつＣＦＣではない冷媒は、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ１３４ａ、Ｒ１２３、Ｒ１２４、及びＲ１２５などである。このうち、Ｒ２２、Ｒ１２３、及びＲ１２４は、ハイドロクロロフルオロカーボン（Hydrochlorofluorocarbon: ＨＣＦＣ）であるゆえに規制対象となり、また、Ｒ２３は、ハイドロフルオロカーボン（Hydrofluorocarbon: ＨＦＣ）であるが、熱力学的性質が悪いため、冷媒として活用することが困難である。
ハロカーボンのうち、代替冷媒として使用できるＨＦＣ純粋冷媒は、きわめて制限されている。それゆえ、２つ又は３つの純粋物質を適切な造成比で混合することにより、純粋物質の短所を補完し、環境指数の良い混合冷媒が代替冷媒として研究及び開発されている。
現在、家庭用冷蔵庫及び自動車エアコンなどに広く使用されてきたＲ１２を代替する冷媒としては、Ｒ１３４ａ、Ｒ１５２ａ、及びシクロロプロパン（ＲＣ２７０）などがある。低温冷媒として主に使用されているＲ５０２の代替冷媒としては、Ｒ４０４Ａ、Ｒ５０７などのＨＦＣ混合冷媒が考慮されている。さらに、熱ポンプ及び各種空調機に使用されているＲ２２の代替冷媒としては、Ｒ３２を含むＨＦＣ混合冷媒が考慮されていて、これらに関する多くの研究が行われている。
このようなＣＦＣは、Ｒ１１（トリクロロモノフルオロメタン）、Ｒ１２（ジクロロジフルオロメタン）、Ｒ１１３等を含み、このうち、冷凍装置の冷媒として主に使用されているＲ１２は、現在、オゾン層の減少と地球温暖化を起こす原因物質として規制対象となり、その代替冷媒としてはＲ１３４ａが実用化段階にある。
前記Ｒ１３４ａは、ＨＣＦの代表的な例として、オゾン層破壊係数が０.０で、不燃性で、かつＲ１２と類似した物理的特性を有しているため、現在、広く使用されている。
しかしながら、このＲ１３４ａは、前述したような長所はあるが、化学的及び電気的性質などが特異であるため、現在Ｒ１２の冷凍システムにおいて使用される冷却油との混合するのが困難である。従って、冷媒Ｒ１３４ａに適合した冷却油の開発が要求されている。特に、前記冷媒Ｒ１３４ａを圧縮するための往復動式圧縮機に使用できる冷却油の必要性が高まっている。
図１は、一般的な冷凍サイクルの構成図である。
図１に示すように、現在使用されている冷凍サイクルは、低温低圧の液体冷媒が蒸発して冷却を行う蒸発機２と、蒸発機２から排出された低温低圧の気体冷媒を高温高圧の気体冷媒に圧縮する圧縮機４と、圧縮機４から排出される高温高圧の気体冷媒を高温高圧の液体冷媒に変化させる凝縮機６と、凝縮機６から排出された冷媒を蒸発しやすい状態に減圧して蒸発機２に供給するキャピラリチューブ（capillary tube）８とから構成される。
このような冷凍装置に使用される冷媒はＲ１３４ａであり、圧縮機４に使用される冷却油は物理的な特性及び化学的な特性が冷媒Ｒ１３４ａと調和する必要がある。
すなわち、前記冷凍装置の冷却油は、冷媒が溶解されても十分油膜を保護することができること、冷媒、有機材料、金属などと高温下又は低温下で接触しても反応せずに熱的及び化学的に十分安定していること、圧縮機の高温部分でカーボンスラッジを生成したり、酸化したりしない高度の熱安定性を有することなどの特性が必要である。
このような特性を満たすためには、潤滑油の粘度、流動点、比重、全酸価、水分含有量などの性状が重要な因子として作用する。
それゆえ、冷凍装置に使用される冷却油が冷媒と調和しない場合、オイル循環が悪化して冷凍装置の伝熱性能及び潤滑性能が低下するため、各運動部品の摩擦部に摩耗が発生し、これによって、各部品の損傷をもたらし、冷凍装置の性能が低下するという問題点があった。
従って、本発明は、このような従来技術の問題点を解決するために提案されたもので、本発明の目的は、冷凍装置の冷媒としてフッ化炭化水素であるＨＦＣを使用し、前記フッ化炭化水素であるＨＦＣ冷媒とよく調和する冷却油を往復動式圧縮機に使用することにより、潤滑性能及び冷凍装置の性能を向上させる往復動式圧縮機を備えた冷凍装置を提供することにある。
このような目的を達成するための本発明の往復動式圧縮機を備えた冷凍装置は、冷媒が蒸発して冷却を行う蒸発機と、密閉容器の内部に固定されるアウターステータ、前記アウターステータの内周面と所定エアギャップを置いて配置されるインナーステータ、及び、前記アウターステータとインナーステータとのいずれか一方に巻回されて外部から電源が供給される巻線コイルを有する固定子と、前記アウターステータとインナーステータとの間に所定間隔を置いて配置されて前記巻線コイルに電源が供給されると、直線往復運動をするマグネット、及び、前記マグネットが装着されて前記圧縮部に直線往復運動力を伝達するマグネットフレームを有する可動子とから構成される駆動部と、前記駆動部の直線往復運動力が伝達されて冷媒の圧縮作用を実行する圧縮部と、前記駆動部及び圧縮部の各運動部位に鉱油の一種の潤滑油を供給して潤滑作用を行う潤滑部とから構成される往復動式圧縮機と、前記往復動式圧縮機により圧縮された冷媒を液体冷媒に変化させる凝縮機と、前記凝縮機から排出された冷媒を減圧して前記蒸発機に供給するキャピラリチューブとから構成され、前記冷媒は、水素、フッ素、及び、炭素から構成され、塩素を含まないフッ化炭化水素であるＨＦＣ冷媒であり、前記潤滑油は、水分吸湿性が高く、飽和水分量が１５００〜２０００ＰＰＭの合成油の一種であるエステル系潤滑油であることを特徴とする。
また、前記冷凍装置の蒸発機は、Ｌコードタイプヒータが下部に装着され、前記Ｌコードタイプヒータは、ヒーティングワイヤーをシリコン材でコーティングした後、その外周面をアルミニウムのコーティング材でコーティングした構造である。
また、前記冷凍装置の冷凍装置は、電流と電圧との位相差により出力値を決定する。
また、前記復動式圧縮機のマグネットは、ネオジム（Ｎｄ）マグネットである。
また、前記冷凍装置の冷媒は、オゾン層破壊係数(ＯＤＰ)が０.０で、かつ不燃性である。
また、前記冷凍装置の冷媒は、純度が９９.９％以上で、分子式はＣＦ3ＣＦＨ2であり、かつ分子量は１０２であるＨＦＣ１３４ａである。
また、前記往復動式圧縮機に使用される潤滑油は、密度が１５℃で０.９３〜０.９９ｇ／ｃｍ3であり、全酸価が０.０１ｍｇＫＯＨ／ｇ以下である。
また、前記往復動式圧縮機に使用される潤滑油は、引火点が２４０℃以下であり、動粘度（ｃＳｔ）が４０℃で１０.０〜２２.５ｍｍ2／ｓである。
また、前記往復動式圧縮機に使用される潤滑油は、安定剤及び酸化防止剤などの添加剤が含まれる。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は、一般的な冷凍装置の冷凍サイクルの構成図であり、図２は、一般的な冷凍装置に備えられる往復動式圧縮機の断面図である。
前記冷凍装置の冷凍サイクルは、低温低圧の液体冷媒が蒸発して冷却を行う蒸発機２と、蒸発機２から排出された低温低圧の気体冷媒を高温高圧の気体冷媒に圧縮する圧縮機４と、圧縮機４から排出された高温高圧の気体冷媒を高温高圧の液体冷媒に変化させる凝縮機６と、凝縮機６から排出された冷媒を蒸発しやすい状態に減圧して蒸発機２に供給するキャピラリチューブ８とから構成される。
また、前記冷凍装置には、周囲の温度及び環境により圧縮機の容量を可変できるように電流と電圧の位相差により出力値を決定する制御装置（図示せず）が備えられる。
蒸発機２としては、Ｌコード（L-cord）タイプヒータ（図示せず）が下部に装着されたピンチューブタイプの蒸発機が使用される。前記Ｌコードタイプヒータは、ヒーティングワイヤーがシリコン材でコーティングされ、その外周面がアルミニウムのコーティング材でコーティングされた構造を有する。
圧縮機４は、往復動式圧縮機であり、図２に示すように、冷媒が吸入される吸入管２０と圧縮された冷媒が吐出される吐出管２２とがそれぞれ連結される密閉容器２４と、密閉容器２４の内部に配置されて往復運動力を発生させる駆動部２６と、駆動部２６から発生する往復運動力を受けて冷媒の圧縮を行う圧縮部２８と、駆動部２６及び圧縮部２８の各運動部位に対して潤滑を行う潤滑部３０とから構成される。
駆動部２６は、密閉容器２４の内部に固定される固定子３２と、固定子３２と所定間隔を置いて配置されて固定子３２に電源が供給されると、固定子３２との相互作用により直線往復運動をする可動子３４とから構成される。
ここで、固定子３２は、密閉容器２４の内部に固定される支持フレーム３６により固定される円筒状のアウターステータ３８と、アウターステータ３８の内周面と所定エアギャップ（air gap）を置いて配置されるインナーステータ４０と、アウターステータ３８に巻回されて外部から電源が印加される巻線コイル４２とから構成される。
また、可動子３４は、アウターステータ３８とインナーステータ４０との間に所定間隔を置いて配置されて、巻線コイル４２に電源が印加されると、直線往復運動をするマグネット４６と、外周面にマグネット４６が間隔を置いて装着されて、圧縮部２８のピストン５０と連結されるマグネットホルダー４８とから構成される。ここで、マグネット４６は、ネオジム（Nd）マグネットが使用されることが好ましい。
圧縮部２８は、前記マグネットホルダー４８と連結されて直線往復運動をするピストン５０と、ピストン５０が摺動可能に挿入されて所定の圧縮室５２が形成されるシリンダー５４と、ピストン５０に形成された冷媒通路５６に装着されて圧縮室５２に流入した冷媒の逆流を防止する吸入弁５８と、シリンダー５４の前方側に装着されて圧縮された冷媒に対して開閉動作を行う吐出弁６０とから構成される。
潤滑部３０は、密閉容器２４の下部に一定量充填された潤滑油６２と、潤滑油６２をポンプする潤滑油ポンピング部６８と、潤滑油ポンピング部６８からポンプされる潤滑油６２をピストン５０とシリンダー５４との間の摩擦部位に供給する潤滑油供給通路６４とから構成される。
以下、このように構成される冷凍装置の動作を説明する。
圧縮機４が駆動すると、低温低圧の気体冷媒が高温高圧の気体冷媒に圧縮されて凝縮機６に流入した後に液体冷媒に変化し、凝縮機６から排出された液体冷媒はキャピラリチューブ８を通過しながら減圧されて蒸発機２に供給される。ここで、空気が蒸発機２を通過しながら冷却されて冷凍装置の内部に供給されて冷却作用を行う。
以下、往復動式圧縮機の動作を詳細に説明する。
巻線コイル４２に電源が印加されると、巻線コイル４２の周辺にフラックスが形成され、前記フラックスはアウターステータ３８とインナーステータ４０とに沿って閉ループ（closed loop）を形成し、アウターステータ３８とインナーステータ４０との間に形成されるフラックスとマグネット４６により形成されるフラックスとの相互作用によりマグネット４６が軸方向に直線移動する。また、巻線コイル４２に供給される電流の方向を交互に変えると、巻線コイル４２のフラックス方向が変わることによりマグネット４６が直線往復運動をする。
次に、マグネット４６の動きがマグネットホルダー４８によりピストン５０に伝達され、よって、ピストン５０が、シリンダー５４の内部で直線往復運動をすることにより冷媒の圧縮を行う。
すなわち、ピストン５０が後退すると、吸入口２０から流入した冷媒がピストン５０に形成された吸入通路５６を通じて圧縮室５２に供給され、ピストン５０が前進すると、吸入弁５８により吸入通路５６が閉鎖され、圧縮室５２の内部の冷媒が圧縮され、前記圧縮された冷媒は吐出口２２を通じて外部に吐出される。
このような圧縮動作中、密閉容器２４に充填された潤滑油６２は、潤滑油ポンピング部６８の動作によりポンプされて潤滑油供給通路６４を通じてピストン５０とシリンダー５４との間の摩擦部位に供給されて潤滑を行う。
前述したような冷凍装置の往復動式圧縮機により圧縮される冷媒は、エネルギー効率が高く、ＯＤＰ（オゾン層破壊係数）が０.０で、不燃性であり、地球温暖化指数が低く、毒性がないように、塩素のない水素、フッ素、炭素から構成されるフッ化炭化水素であるＨＦＣ冷媒が主に使用される。
前記ＨＦＣ冷媒としては具体的にＲ３２、Ｒ１４３a、Ｒ１５２ａなどが使用され、特に、現在冷凍機器には、純度が９９.９％以上で、分子式がＣＦ3ＣＨＦ2で、分子量が１０２であるＨＦＣ１３４ａが使用されることが好ましい。
前述したように、ＨＦＣ１３４ａ冷媒が使用される往復動式圧縮機の潤滑油としては、冷媒との親和性が良く、物理的な特性と化学的な特性を満たす合成油の一種であるエステル系潤滑油が使用される。
前記エステル系潤滑油の密度は、１５℃で０.９３〜０.９９ｇ／ｃｍ3であることが好ましい。
前記エステル系潤滑油の全酸価は、０.０１ｍｇＫＯＨ／ｇ以下であることが好ましい。
ここで、前記潤滑油の全酸価とは、オイル中に含まれている酸性成分の量であり、試料油１ｇ中に含まれている酸性成分を中和するために必要な水酸化カリウム（ＫＯＨ）の量をｍｇで表示したものである。冷凍機に使用される潤滑油は絶対に中性でなければならないので、前記全酸価は、冷却油の悪化程度を判断する基準になる。
前記エステル系潤滑油の引火点は２４０℃以下であることが好ましく、往復動式圧縮機のサイズ及び種類により異なる。例えば、適用される圧縮機の種類により、それぞれ１６５℃以下、１７５℃以下、１８５℃以下及び２００℃以下であることが好ましい。
前記エステル系潤滑油の動粘度（ｃＳｔ）は、４０℃で１０.０〜２２.５ｍｍ2／ｓであることが好ましい。
前記エステル系潤滑油の飽和水分量は、１５００〜２０００ＰＰＭであることが好ましい。ここで、前記潤滑油に含まれている水分は、結氷、スラッジ生成、腐食などの原因になるため、適正水準以下に維持する必要がある。
前記エステル系潤滑油の絶縁破壊電圧は３０ＫＶ以上であることが好ましい。
本発明に係る往復動式圧縮機が備えられた冷凍装置は、塩素を含まない水素、フッ素、炭素から構成されるフッ化炭化水素であるＨＦＣ冷媒と親和性が優れた合成油の一種のエステル系潤滑油を使用することにより、潤滑性能を向上させ、往復動式圧縮機の寿命を延長し、さらに、冷凍装置の性能を向上させることができるという効果がある。
一般的な冷凍装置の冷凍サイクルの構成図である。 一般的な往復動式圧縮機の断面図である。

Claims (10)

  1. 冷媒が蒸発して冷却を行う蒸発機と、
    密閉容器の内部に固定されるアウターステータ、前記アウターステータの内周面と所定エアギャップを置いて配置されるインナーステータ、及び、前記アウターステータとインナーステータとのいずれか一方に巻回されて外部から電源が印加される巻線コイルを有する固定子と、前記アウターステータとインナーステータとの間に所定間隔を置いて配置されて前記巻線コイルに電源が印加されると、直線往復運動をするマグネット、及び、前記マグネットが装着されて前記圧縮部に直線往復運動力を伝達するマグネットホルダーを有する可動子から構成される駆動部と、前記駆動部の直線往復運動力が伝達されて冷媒の圧縮作用を行う圧縮部と、前記駆動部及び圧縮部の各運動部位に鉱油の一種の潤滑油を供給して潤滑作用を実行する潤滑部とから構成される往復動式圧縮機と、
    前記往復動式圧縮機により圧縮された冷媒を液体冷媒に変化させる凝縮機と、
    前記凝縮機から排出された冷媒を減圧して前記蒸発機に供給するキャピラリチューブと、
    から構成され、
    前記冷媒として、水素、フッ素、炭素から構成され、塩素を含まないフッ化炭化水素であるＨＦＣ冷媒が使用され、
    前記潤滑油として、水分吸湿性が高く、飽和水分量が１５００〜２０００ＰＰＭの合成油の一種であるエステル系潤滑油が使用されることを特徴とする往復動式圧縮機を備えた冷凍装置。
  2. 前記蒸発機は、Ｌコードタイプヒータが下部に装着され、前記Ｌコードタイプヒータは、ヒーティングワイヤーをシリコン材でコーティングし、その外周面をアルミニウムのコーティング材でコーティングした構造であることを特徴とする請求項１に記載の往復動式圧縮機を備えた冷凍装置。
  3. 前記冷凍装置が、周囲の温度及び環境により圧縮機の容量を可変にする制御装置をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の往復動式圧縮機を備えた冷凍装置。
  4. 前記制御装置が、電流と電圧との位相差により出力値を決定することを特徴とする請求項３に記載の往復動式圧縮機を備えた冷凍装置。
  5. 前記マグネットとして、ネオジムマグネットが使用されることを特徴とする請求項１に記載の往復動式圧縮機を備えた冷凍装置。
  6. 前記冷媒は、オゾン層破壊係数(ＯＤＰ)が０で、かつ不燃性であることを特徴とする請求項１に記載の往復動式圧縮機を備えた冷凍装置。
  7. 前記冷媒として、純度は９９.９％以上で、分子式はＣＦ3ＣＦＨ2であり、かつ分子量は１０２であるＨＦＣ１３４ａが使用されることを特徴とする請求項１に記載の往復動式圧縮機を備えた冷凍装置。
  8. 前記潤滑油は、密度は１５℃で０.９３〜０.９９ｇ／ｃｍ3であり、全酸価は０.０１ｍｇＫＯＨ／ｇ以下であることを特徴とする請求項１に記載の往復動式圧縮機を備えた冷凍装置。
  9. 前記潤滑油は、引火点が２４０℃以下であり、動粘度（ｃＳｔ）が４０℃で１０.０〜２２.５ｍｍ2／ｓであることを特徴とする請求項１に記載の往復動式圧縮機を備えた冷凍装置。
  10. 前記潤滑油は、安定剤及び酸化防止剤などの添加剤が含まれることを特徴とする請求項１に記載の往復動式圧縮機を備えた冷凍装置。
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