JP3789898B2

JP3789898B2 - 冷媒、冷媒圧縮機および冷凍装置

Info

Publication number: JP3789898B2
Application number: JP2003072182A
Authority: JP
Inventors: 茂雄牛丸; 忠男町田
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2021-06-28
Also published as: JP2003342557A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、たとえば空気調和機や冷蔵庫等に組み込まれる冷凍装置に関し、とくに炭化水素系冷媒を用いた冷媒、冷媒圧縮機および冷凍装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気調和機や冷蔵庫等は、冷風や温風などを作り出して周囲を一定温度雰囲気にする機能を有している。このために密閉型冷媒圧縮機やカーエアコン用半密閉型冷媒圧縮機などの冷媒圧縮機が用いられている。
【０００３】
従来、これらの圧縮機の冷媒として、ジクロロジフロロメタン（以下、CFC-12と略称）やモノクロロジフロロメタン（以下、HCFC-22 と略称）および R-502などが主に用いられてきた。また、これら冷媒と共に使用される冷凍機油には高い潤滑性を有するとともに、CFC-12,HCFC-22,R-502に対して溶解性を有するナフテン系鉱油やパラフィン系鉱油の冷凍機油が用いられてきた。しかしながら、CFC-12,HCFC-22,R-502等のフロン放出がオゾン層の破壊に繋がり、人体や生態系に深刻な影響を与えるためオゾン破壊係数（ＯＤＰ）の高いCFC-12（ＯＤＰ値：1.0）の使用禁止やＯＤＰ値が 0以上である HCFC-22（ＯＤＰ値：0.05）の段階的な使用削減が提案され、将来的には不使用の方向にある。
【０００４】
このため、代替フロンとして、ジフロロメタン（以下、HFC-32と略称）、ペンタフルオロエタン（以下、HFC-125 と略称）、1,1,1,2-テトラフルオロエタン（以下、HFC-134aと略称）、1,1,1-トリフルオロエタン（以下、HFC-143aと略称）、1,1-ジフルオロエタン（以下、HFC-152aと略称）などの単体あるいは混合物の使用が検討されている。それと共に、これらの代替冷媒に適合する冷凍機油として、エステル系油、ポリアルキレングリコール系油、エーテル系油やフッ素系油等が開発されている。たとえば、HFC-134aやHFC-125 を単体あるいは混合した冷媒を使用して、冷蔵庫や空調調和機などの冷凍サイクルにはポリエステル系油が、カーエアコンにはポリアルキレングリコール系油が主に使用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＨＦＣ系の代替フロンは、オゾンの分解性は低いが、地球を温暖化する作用があるとの問題がある。
【０００６】
また、ポリエステル系油やポリアルキレングリコール系油は、吸湿性が高いため冷凍サイクル材料の劣化が促進されやすいとの問題がある。
【０００７】
このため、オゾン分解係数（ＯＤＰ）と地球温暖化係数（ＧＷＰ）が共に低い冷媒およびこれに適応した冷凍機油ならびに冷凍サイクル材料の開発が望まれている。そのような冷媒として、HFC-134aやHFC-125 以外の HFC系冷媒や炭化水素系物質の使用が検討されている。しかし、炭化水素系物質は本質的に潤滑性を示さないため摺動特性が十分でないとの問題がある。さらに炭化水素系物質を冷媒に用いた場合においても冷凍サイクル自身に吸着水分があり、冷凍装置の長期信頼性を維持する上で問題がある。
【０００８】
本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、炭化水素系物質からなる冷媒を用いた冷凍サイクルに適した基本材料構成を検討して、摺動特性、信頼性および安全性を向上させることのできる冷媒、冷媒圧縮機および冷凍装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段および作用】
請求項１の冷媒は、不飽和炭化水素を０．００１〜１．０質量％の範囲で含む飽和炭化水素からなることを特徴とする。本発明の冷媒は、冷媒圧縮機、凝縮器、乾燥器、膨脹機構および蒸発器などから構成される冷凍サイクルにおいて使用される媒体である。この冷凍サイクルの冷媒圧縮機には往復式、ロータリー式、スクロール式等あるが、いずれにも本発明の冷媒を使用することができる。本発明の冷媒は、飽和炭化水素を主成分とし、不飽和炭化水素を含むものである。本発明において、飽和炭化水素とは炭化水素を構成する炭素骨格の原子価がすべて水素原子で飽和されているものをいい、不飽和炭化水素とは炭化水素のうちエチレン結合（または二重結合）あるいはアセチレン結合（または三重結合）を有するものをいう。不飽和炭化水素を含むことにより、冷媒圧縮機の摺動材表面における摺動特性が向上する。これは不飽和炭化水素に含まれる二重結合あるいは三重結合を構成するπ電子が関与して冷媒圧縮機の摺動材表面の金属と吸着あるいは結合することにより摺動性を向上させ、摺動材の摩耗性が減少するためと考えられる。このような作用の模式図をプロピレン（Ｃ3 Ｈ6 ）や２−ブチン（Ｃ4 Ｈ6 ）を例にとり図１に示す。飽和炭化水素の冷媒としての特性を維持しつつ摺動特性を向上させるために、不飽和炭化水素の含有量は０．００１〜１．０質量％の範囲が好ましく、より好ましい範囲は０．０１〜０．１質量％である。
【００１０】
冷媒は、請求項１の冷媒において飽和炭化水素の沸点が−５０℃〜０℃の範囲にあるものから選ばれた単独の炭化水素であり、冷媒中の混入硫黄量が０．０２質量％以下であることが好ましい。飽和炭化水素の沸点がこの範囲にあると、本発明における冷媒としての特性を維持することができる。具体的にはプロパン（Ｃ3 Ｈ8 ）やブタン（Ｃ4 Ｈ10）を挙げることができ、これらは単独でも混合物でも使用することができる。また、不飽和炭化水素は上述の飽和炭化水素と混合して使用できるものであればよい。具体的にはプロピレン（Ｃ3 Ｈ6 ）やブテン（Ｃ4 Ｈ8 ）、ブチン（Ｃ4 Ｈ6）などを単独あるいは混合物で使用することができる。また、HC 系冷媒の硫黄分を０．０２質量％以下に抑えることにより、硫黄分が内部で硫酸等の酸成分などに変性して冷凍サイクル内の有機材料を劣化させることを防止することができる。とくに混入硫黄分が０．０２質量％以下にすれば、冷凍サイクル材料への影響も少なく製品の寿命が低下することはない。
【００１１】
請求項２の冷凍装置は、冷媒を圧縮、凝縮、膨脹、蒸発させる冷凍サイクルにおいて、冷媒として請求項１の冷媒を用いることを特徴とする。請求項３の冷凍装置は、請求項２の冷凍装置において、冷凍機油として冷媒と相溶性を有する油を用いることを特徴とする。冷凍装置は、請求項３の冷凍装置において、冷凍機油はナフテン系鉱油、パラフィン系鉱油および合成油から選ばれた少なくとも１つであることが好ましい。本発明の冷凍装置は、冷媒としてＨＣ系冷媒を用いるのでナフテン系鉱油、パラフィン系鉱油、合成油等を冷凍機油として使用することにより、ＨＣ系冷媒と冷凍機油との相溶性が向上して冷媒圧縮機の摺動部への油戻りが維持されて、摺動部材の信頼性を確保することができる。具体的に、ナフテン系鉱油としてはスニソ３Ｇ、スニソ４Ｇ（サンオイル社製、商品名）等を、パラフィン系鉱油としてはフレオールＳ１５、フレオールＳ３２、フレオールＳ５６等（ジャパンエナジー社製、商品名）等を、合成油としてはアルキルベンゼン系油などを挙げることができる。
【００１２】
冷凍装置は、上記の冷凍装置において、冷凍機油は弗素系油をさらに添加してなる冷凍機油であることが好ましい。弗素系油の添加により本発明のＨＣ系冷媒の摺動性がさらに向上する。とくに好ましくは鉱油とエステル混合油に０．０５〜５質量％添加すると冷媒圧縮機の摺動部材の摩耗量の減少に寄与する。
【００１３】
請求項４の冷凍装置は、請求項２または３の冷凍装置において、冷凍サイクル内に配置する乾燥剤は、細孔径が４．０オングストローム以下で、ナトリウム・カリウム型アルミノケイ酸塩からなるＡ型の合成ゼオライトであり、破壊強度が５．０ｋｇ以上で、摩耗強度が０．１質量％以下であること特徴とする。従来のＨＣＦＣ系冷媒やＣＦＣ系冷媒においては冷媒が分解するとＨＣｌやＣｌ2ガス等が発生して乾燥剤を破壊する場合があったが、本発明のＨＣ系冷媒にあってはＨＣｌやＣｌ2ガス等が発生しないので、水の吸着を目的に乾燥剤を選択することができる。ＨＣ系冷媒やＨＦＣ系冷媒などの分子径はほとんどが４．０オングストローム以上であるために、水を吸着する細孔径が４．０オングストローム以下のＡ型の合成ゼオライトには吸着されにくい。そのために、炭化水素や水素化弗化炭素の分解は起こりにくい。ただしＨＣ系冷媒は分解してもＨＣｌやＣｌ2ガス等の発生がないため、細孔径が５．０オングストローム以下のＡ型の合成ゼオライトの乾燥剤を使用することもできる。したがって、ＨＣ系冷媒やＨＦＣ系冷媒などの冷凍サイクルに、吸湿性が高く、冷媒に適合した４．０オングストローム以下のナトリウム・カリウム型アルミノケイ酸塩からなるＡ型の合成ゼオライトを装着すると、内部の水分を十分吸着し、サイクルの性能低下を起こさない。また、摩耗強度が０．１質量％以下であればゼオライト粉の発生による悪影響はない。
【００１４】
請求項５の冷媒圧縮機は、冷媒を圧縮、凝縮、膨脹、蒸発させる冷凍サイクルに用いられ、冷媒として請求項１記載の冷媒を用いることを特徴とする。
【００１５】
ＨＣ系冷媒に対して、ナフテン系、パラフィン系などの鉱油やアルキルベンゼン系油などの合成油は相溶性がある。ＨＦＣ系冷媒に対して、エステル系油、ポリアルキレングリコール系油、エーテル系油やフッ素系油は相溶性がある。また、ＨＣ系とＨＦＣ系との混合冷媒に対して、鉱油と合成油の混合油は一定量の相溶性がある。したがって、上述の冷凍機油を使用すれば冷媒圧縮機の摺動部への油戻りが維持されて摺動部材の特性低下が起こりにくくなる。また混合冷媒系冷凍サイクルには鉱油または合成油のどちらでも使用可能であり、あるいは鉱油と合成油の混合油も使用することができる。よって、数ある候補油の中から信頼性が高く安価な冷凍機油を選択することができる。
【００１６】
冷媒圧縮機は、請求項５の冷媒圧縮機において、モーターに配設される絶縁紙は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリサルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）およびポリイミド（ＰＩ）から選ばれた少なくとも１つからなる単独材または複合材からなることが好ましい。冷媒圧縮機は、請求項５記載の冷媒圧縮機において、モーター電線を固定するしばり糸が、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリブチレンテレフタレート、ポリサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミドおよびポリイミドから選ばれた少なくとも１つの材質からなることが好ましい。ＨＣ系冷媒は吸湿性も少ないため、冷媒圧縮機のステーターから電線コアを保護し両者を絶縁する目的で使用される絶縁紙や、電線コイルを縛る目的で使用されるしばり糸は、種々の材料を使用することができる。ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などは特に絶縁性、引っ張り強度・伸び率等の点から特に好ましい。
【００１７】
冷媒圧縮機は、上記の冷媒圧縮機において、モーター電線が、ポリエステルイミド、ポリアミドイミドエステル、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリイミドから選ばれた少なくとも１つの絶縁被膜層を有するシングルコートエナメル線、少なくとも２つ以上の絶縁被膜層を有する多層コートエナメル線、およびエナメル線と繊維またはフィルムとを組み合わせた複合電線から選ばれた少なくとも１つからなることが好ましい。
【００１８】
ＨＣ系冷媒を用いた冷媒圧縮機においても、特に耐熱性を要求される冷凍サイクルにおいては絶縁性と耐熱性に優れた電線が必要となる。耐熱性電線として特に上述の電線が好ましい。また、しばり糸をなくし、コイルの振動を防ぐために絶縁被膜層表面に自己接着層を設けることもできる。さらに、コイル巻作業の製造性を高め、電線被覆材同士の摩耗を防止するために絶縁被膜層表面に自己潤滑層を設けることもできる。具体的な自己潤滑層を形成する方法としては被覆材に弗素系やポリエチレン系樹脂粉を含有させる、フッ素系樹脂を表面にコーティングする、被覆の表面に均一な凹凸をつけて表面摩擦係数を低減するなどがある。
【００１９】
冷媒圧縮機は、上記の冷媒圧縮機において、圧縮機の構成部品であるクラスターやマフラーは、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリブチレンテレフタレートおよびポリサルホンから選ばれた少なくとも１つからなることが好ましい。マフラーとしてはポリエチレンテレフタレートとポリエチレンナフタレートが、クラスターとしては特にポリブチレンテレフタレートがＨＣ系冷媒を用いた冷媒圧縮機の長期信頼性を保証できるため好ましい。
【００２０】
請求項６の冷媒圧縮機は、請求項５記載の冷媒圧縮機において、圧縮機構部の鉄系摺動部品は、摺動表面にリン酸塩被膜処理およびイオン窒化処理から選ばれた少なくとも１つの処理を施したことを特徴とする。請求項７の冷媒圧縮機は、請求項５の冷媒圧縮機において、圧縮機構部の鉄系摺動部品は、鉄と硫黄とを主成分とする化合物層を１×１０^−３〜５０μｍの厚さで形成してなる表面層、またはビッカース硬度が４００以上で、かつ厚さが２μｍ以上の表面硬化層を少なくとも一方の摺動表面に有することを特徴とする。本発明のＨＣ系冷媒を使用することにより、飽和炭化水素だけの冷媒より摺動部の潤滑性は向上するが、より長期の安定した摺動特性を維持するために摺動部表面に上述の処理を施すことが好ましい。このような処理を施すことにより耐久性に優れた冷媒圧縮機が得られる。
【００２１】
本発明のＨＣ系冷媒は従来のＨＣＦＣ系冷媒等と異なり冷媒圧縮機内の有機材料を劣化させることが少ない。したがって、従来使用することが困難であったホルマール、ポリエステル線等も使用することができ、より安価な工業材料を選択することができる。
【００２２】
【実施例】
本発明の冷媒および冷媒圧縮機を用いた冷凍装置について図面により詳細に説明する。
実施例１
冷媒圧縮機を図２をもとに説明する。図２は密閉型回転式圧縮機の例を示す。密閉されたケーシング１内にステータ２とロータ３とで構成されるモータ機構４が設置されている。またモータ機構４の下部に圧縮機構５を設け、シャフト８を介してモータ機構４により圧縮機構５を駆動する。圧縮機構５によって、図示しないアキュームレータを介して供給管６から導入された冷媒を圧縮し、ケーシング１内に一旦吐出させた後、ケーシング１の上部に設けられた吐出管７から冷凍機側に冷媒を供給する。なお、圧縮機構５を潤滑するために冷凍機油２０が収容されている。なお、図２において、９は軸受け、１０はシリンダ、１１はサブベアリング、１２はクランク、１３はローラ、１４はブレード、１５はスプリングを表す。図３は密閉型往復運動式冷媒圧縮機であり、密閉型回転式圧縮機とともに冷凍装置に多用されている。圧縮機構５はピストン１６と往復運動式用シリンダ１７によって構成され、冷凍機油２０によって潤滑されている。
【００２３】
冷媒圧縮機のステータ２に用いられる電線はポリエステルイミドを下層にポリアミドを上層にしたダブルコートエナメル線を用いた。なお、電線としてはこの他にポリエステルイミド、ポリアミドイミドエステル、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリイミド線を、 HC 系冷媒のみの場合にあっては、ホルマール、アクリル、ポリエステル、ポリウレタン、ポリアミド線を使用することができる。また、これら表面に自己接着層を持たせた電線、自己潤滑性を持たせた電線等を使用することができる。さらにステータのコイル部分を樹脂モールドすることもできる。
【００２４】
層間および対地間絶縁材として使用される絶縁紙およびしばり糸の材料としてはポリエチレンテレフタレートを用いた。なお、この他にポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリブチレンテレフタレート、ポリサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミドおよびポリイミドを使用することができる。
【００２５】
クラスターはポリブチレンテレフタレートを、マフラーはポリエチレンテレフタレートを成型して用いた。なお、この他にポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリサルホンを使用することができる。
【００２６】
圧縮機構５における摺動表面はリン酸塩被膜処理を施しビッカース硬度が４００以上で、かつ厚さが 2μm 以上の表面硬化層を形成した。なお、摺動表面はこの他にイオン窒化処理、鉄と硫黄とを主成分とする化合物層を形成することによる処理を行うこともできる。また、特に図２に示す密閉型回転式圧縮機のブレード１４はセラミックスを使用することができる。
【００２７】
冷媒圧縮機で圧縮された冷媒は冷凍サイクル内を循環する。冷蔵庫を例にとり、冷凍サイクルを図４により説明する。冷媒は圧縮機構である圧縮機２３により圧縮され、凝縮機構である受台パイプ２４、放熱パイプ２５、クリーンパイプ２６を通り冷却され、膨脹機構であるキャピラリーチューブ２１を通り膨脹し、蒸発機構である蒸発器２２において蒸発し、冷蔵庫２７内を冷却する。その後再び圧縮機２３で圧縮される。なお、図４において、２８は乾燥剤を入れる容器を示す。乾燥剤として細孔径が 4.0オングストローム以下で、ナトリウム・カリウム型アルミノケイ酸塩からなるＡ型の合成ゼオライトを用いた。
【００２８】
このような密閉型冷凍サイクル内にプロパン９９質量％およびプロピレン１質量％からなる冷媒を封入した。冷媒圧縮機は図３に示す圧縮機を用い、その潤滑性を保つためにスニソ４Ｇを封入した。なお、冷媒に極少量の付臭剤を添加することもできる。また冷媒として使用したプロパンに含まれる硫黄量は０．Ｏ０１質量％であった。
【００２９】
上述の冷凍サイクルを有する冷蔵庫は、冷蔵庫内を−３０℃程度に冷却することができた。また、プロピレン１質量％を含まない冷媒を使用した場合に比較して摺動部材表面の摩耗量は６０％減少した。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１の冷媒は、飽和炭化水素のみからなる冷媒に比較して、不飽和炭化水素を含むことにより冷媒圧縮機の摺動材表面における摺動特性が向上する。
【００３５】
請求項２から請求項３の冷凍装置は、ＨＣ系冷媒と冷凍機油との相溶性が良好となるので、冷媒圧縮機の摺動部への油戻りが維持され、摺動部材の信頼性が向上する。また、数ある候補油の中から信頼性が高く安価な油を選択することができるので工業上有用である。
【００３７】
請求項４の冷凍装置は、冷凍サイクル内への水の吸着を防ぐことができるので、冷凍装置の寿命が向上する。
【００３８】
請求項５の冷媒圧縮機は、摺動部材の特性低下が起こりにくくなる。
【００４０】
請求項６から請求項７の冷媒圧縮機は、摺動部表面にリン酸塩被膜処理等の処理を施すので耐久性に優れた冷媒圧縮機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】不飽和炭化水素と摺動材表面との相互作用を示す図である。
【図２】密閉型回転式冷媒圧縮機を破断して示す図である。
【図３】密閉型往復動式冷媒圧縮機を破断して示す図である。
【図４】冷蔵庫用の冷凍サイクルを示す図である。
【符号の説明】
１………ケーシング、２………ステータ、３………ロータ、４………モータ機構、５………圧縮機構、６………供給管、７………吐出管、８………シャフト、９………軸受、１０………シリンダ、１１………サブベアリング、１２………クランク、１３………ローラ、１４………ブレード、１５………スプリング、１６………ピストン、１７………往復運動式用シリンダ、２０………冷凍機油、２１………キャピラリーチューブ、２２………蒸発器、２３………コンプレッサ、２４………受台パイプ、２５………放熱パイプ、２６………クリーンパイプ、２７………冷蔵庫、２８………乾燥剤容器。

Claims

不飽和炭化水素を０．００１〜１．０質量％の範囲で含む飽和炭化水素からなることを特徴とする冷媒。
冷媒を圧縮、凝縮、膨脹、蒸発させる冷凍サイクルを有する冷凍装置において、冷媒として請求項１記載の冷媒を用いることを特徴とする冷凍装置。
請求項２記載の冷凍装置において、冷凍機油として前記冷媒と相溶性を有する油を用いることを特徴とする冷凍装置。
請求項２または３記載の冷凍装置において、前記冷凍サイクル内に配置する乾燥剤は、細孔径が４．０オングストローム以下で、ナトリウム・カリウム型アルミノケイ酸塩からなるＡ型の合成ゼオライトであり、破壊強度が５．０ｋｇ以上で、摩耗強度が０．１質量％以下であることを特徴とする冷凍装置。
冷媒を圧縮、凝縮、膨脹、蒸発させる冷凍サイクルに用いられる冷媒圧縮機において、冷媒として請求項１記載の冷媒を用いることを特徴とする冷凍圧縮機。
請求項５記載の冷媒圧縮機において、圧縮機構部の鉄系摺動部品は、摺動表面にリン酸塩被膜処理およびイオン窒化処理から選ばれた少なくとも１つの処理を施したことを特徴とする冷媒圧縮機。
請求項５記載の冷媒圧縮機において、圧縮機構部の鉄系摺動部品は、鉄と硫黄とを主成分とする化合物層を１×１０^−３〜５０μｍの厚さで形成してなる表面層、またはビッカース硬度が４００以上で、かつ厚さが２μｍ以上の表面硬化層を少なくとも一方の摺動表面に有することを特徴とする冷媒圧縮機。