JP5872387B2 - 圧縮機及び空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機及び空調装置に関する。

空調機器分野に使用される冷媒のＲ４１０Ａは、ＨＦＣ（Hydrofluorocarbons）３２／ＨＦＣ１２５（５０／５０重量％）の混合物であり、ＧＷＰ（Global Warming Potential）＝２０８８と高いため、ＧＷＰが低い代替冷媒を用いた空調装置の開発が急務である。

この代替冷媒としては、熱物性、低ＧＷＰ、低毒性、低可燃性などの理由から、２，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ１２３４ｙｆ（Hydrofluoroolefin）（ＧＷＰ＝４）、１，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ１２３４ｚｅ）（ＧＷＰ＝１０）若しくはジフルオロメタン（ＨＦＣ３２）の単独冷媒又はこれらの混合冷媒が候補とされている。その他の冷媒としては、プロパン、プロピレンなどのハイドロカーボン、及びフルオロエタン（ＨＦＣ１６１）、ジフルオロエタン（ＨＦＣ１５２ａ）などの低ＧＷＰのハイドロフルオロカーボンが挙げられている。これらの冷媒候補の中で、可燃性、冷暖房能力、非共沸冷媒の温度勾配による機器効率低下、取り扱い易さ、冷媒コスト、機器の変更（開発）などを考慮すると、ジフルオロメタン（ＨＦＣ３２）が最も良い。

冷凍機油は、密閉型電動圧縮機に使用され、その摺動部の潤滑、密封、冷却等の役割を果たすものである。冷凍機油で重要な特性の一つが、冷媒との相溶性である。しかし、ＨＦＣ３２では冷凍機油との相溶性が低いため、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３には、ＨＦＣ３２との相溶性を向上した冷凍機油が開示されている。

特開２０１０−２３５９６０号公報 特開２００２−１２９１７８号公報

しかし、ＨＦＣ３２は断熱指数が小さいことにより、吐出温度が高くなり、これによって圧縮機の温度も高くなることから冷媒吸い込み時に過熱損失が起こる。さらに分子量が小さく分子速度が速いため圧縮機の圧縮部からの冷媒漏れが生じ易い。このため体積効率低下に起因する圧縮機効率の低下が発生してしまう。上記の特許文献のものは、いずれも冷媒漏れについて十分考慮されていない。

本発明の目的は、冷媒漏れを抑制して圧縮機効率を向上させることにある。

上記目的を達成するために、本発明は、摺動部を有する圧縮室を備え、冷媒であるジフルオロメタンと、冷凍機油とを封入した圧縮機において、前記冷凍機油は、化学式（１）で表される化合物（式中、Ｒ¹〜Ｒ⁶は炭素数３〜８のアルキル基）と化学式（２）で表される化合物との混合物であり、前記化学式（２）で表される化合物を２０モル％以上含み、４０℃における動粘度が３０〜９０mm²／ｓのポリオールエステル油であり、前記冷媒と前記ポリオールエステル油との低温側臨界溶解温度が＋１０℃以下であり、前記ポリオールエステル油に４０℃における動粘度が１８０mm²／ｓを超える圧縮部シール剤を前記ポリオールエステル油に対して１〜３０重量％含むことを特徴とする。

本発明によれば、冷媒漏れを抑制して圧縮機効率を向上させることができる。

空調装置の構成を示す概略図である。 スクロール式密閉型圧縮機を示す断面図である。

以下、本発明の実施例について詳細に説明する。
圧縮機は、摺動部を有する圧縮室を備え、冷媒であるジフルオロメタンと、冷凍機油とを封入したものである。ここで、冷凍機油は、４０℃における動粘度が３０〜９０mm²／ｓの下記化学式（１）で表される化合物及び化学式（２）で表される化合物（式中、Ｒ¹〜Ｒ⁶は、炭素数３〜８のアルキル基を表し、同じでも異なってもよい）からなる混合物であり、化学式（２）で表される化合物を２０モル％以上含むポリオールエステル油である。そして、冷媒とポリオールエステル油との低温側臨界溶解温度が＋１０℃以下であり、４０℃における動粘度が１８０mm²／ｓを超える圧縮部シール剤を、ポリオールエステル油に対して１〜３０重量％含む冷凍機油である。

実施例は、ジフルオロメタンを用いた圧縮機及びこれを用いた空調装置について開示するものである。冷媒は、ジフルオロメタンであり、冷凍機油は、ポリオールエステル油である。

ポリオールエステル油は、多価アルコールと一価の脂肪酸との縮合反応により得られる。ポリオールエステル油としては、熱安定性に優れるヒンダードタイプが好ましく、原料となる多価アルコールとして好ましいものは、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトールである。

また、原料となる一価の脂肪酸としては、ｎ−ブタン酸、ｎ−ペンタン酸、ｎ−ヘキサン酸、ｎ−ヘプタン酸、ｎ−オクタン酸、２−メチルプロピオン酸、２−メチルブタン酸、３−メチルブタン酸、２−メチルペンタン酸、２−エチルブタン酸、２−メチルヘキサン酸、２−エチルヘキサン酸、イソオクタン酸、３，５，５−トリメチルヘキサン酸等があり、これらを単独又は２種類以上を混合して用いる。

冷凍機油の粘度グレードは、圧縮機の種類により異なるが、スクロール式圧縮機においては、４０℃における動粘度が４６〜９０mm²／ｓの範囲であることが好ましい。また、ロータリー式圧縮機においては、４０℃における動粘度が３０〜７０mm²／ｓの範囲であることが好ましい。

圧縮部シール剤は、４０℃における動粘度が１８０mm²／ｓを超える液状化合物である。ヒンダードタイプのポリオールエステル油の場合は、ジペンタエリスリトール系の脂肪酸エステル（化学式（３）（式中、Ｒ⁷、Ｒ⁸は炭素数７〜８のアルキル基））が高粘度となりやすく、冷媒漏れを低減することができる。ジペンタエリスリトールは、原料にペンタエリスリトールやトリペンタエリスリトールなどを多く含むため純物質ではないがここではジペンタエリスリトール系と表記することにする。また、コンプレックスタイプのポリオールエステル油（コンプレックスエステル油）（化学式（４）（式中、Ｒ⁹、Ｒ¹⁰は炭素数３〜９のアルキル基、Ｒ¹¹は炭素数１〜９のアルキレン基、ｎは正数））は、多価アルコールと二価の脂肪酸と一価の脂肪酸とが結合したエステル化合物である。

ここで、原料となる多価アルコールとして好ましいものは、例えば、ネオペンチルグリコール、トリメチロールプロパン及びペンタエリスリトールである。また、原料となる一価の脂肪酸としては、ｎ−ペンタン酸、ｎ−ヘキサン酸、ｎ−ヘプタン酸、ｎ−オクタン酸、２−メチルブタン酸、２−メチルペンタン酸、２−メチルヘキサン酸、２−エチルヘキサン酸、イソオクタン酸、３，５，５−トリメチルヘキサン酸等があり、これらを単独又は２種類以上を混合して用いる。さらに、原料となる二価の脂肪酸としては、プロパン二酸、ブタン二酸、ペンタン二酸、ヘキサン二酸、ヘプタン二酸、オクタン二酸等があり、これらを単独又は２種類以上を混合して用いる。前記したジペンタエリスリトール系の脂肪酸エステルを混合したり、また、粘度調整用として通常のポリオールエステル油成分などを混ぜてもよい。

また、エチレン−α−オレフィン共重合体は任意の高粘度が得られやすく、せん断安定性にも優れており、数平均分子量が８００〜４０００のものが良い。エチレン−α−オレフィン共重合体を構成するα−オレフィンとしては、炭素数が、３〜１０のものが用いられ、プロピレン、１−ブテン、イソブテン、１−ペンテン、１−ヘキセン、１−オクテン、１−デセンなどが挙げられる。これらのα−オレフィンは一種を用いてもよく、二種以上を組合せて用いてもよい。また、エチレンの含有量は、２０〜８０モル％がより好ましく、α−オレフィンとランダム及びブロック共重合のいずれであってもよい。

前記した冷凍機油に潤滑性向上剤、酸化防止剤、酸捕捉剤、消泡剤、金属不活性剤等を添加しても全く問題はない。特に、ポリオールエステル油は、水分共存下で加水分解に起因する劣化が生じるため、酸化防止剤及び酸捕捉剤の配合が望ましい。

酸化防止剤としては、フェノール系であるＤＢＰＣ（２，６−ジ−ｔ−ブチル−ｐ−クレゾール）が好ましい。酸捕捉剤としては、一般に、エポキシ環を有する化合物である脂肪族のエポキシ系化合物やカルボジイミド系化合物が使用される。特に、カルボジイミド系化合物は、脂肪酸との反応性が極めて高く、脂肪酸から解離した水素イオンを捕捉することから、ポリオールエステル油の加水分解反応が抑制される効果が非常に大きい。カルボジイミド系化合物としては、ビス（２，６−イソプロピルフェニル）カルボジイミドが挙げられる。酸捕捉剤の配合量は、冷凍機油に対して０.０５〜１.０重量％とすることが好ましい。

図１は、空調装置の概略を示したものである。空調装置は、室内機１と室外機２を備えている。室内機１には、室内熱交換器５が内蔵されている。また、室外機２には、圧縮機３、四方弁４、室外熱交換器７及び膨張装置６が内蔵されている。

室内を冷房する場合、圧縮機３にて断熱的に圧縮された高温高圧の冷媒ガスは、吐出パイプ及び四方弁４を通って室内熱交換器５（凝縮手段として使用される）で冷却され、高圧の液冷媒となる。この冷媒は、膨張装置６（例えば、温度式膨張弁など）で膨張し、僅かにガスを含む低温低圧液となって室外熱交換器７（蒸発手段として使用される）に至り、室内の空気から熱を得て低温ガスの状態で再び四方弁４を通って圧縮機３に至る。室内を暖房する場合は、四方弁４によって冷媒の流れが逆方向に変えられ、逆作用となる。

圧縮機３としては、スクロール式圧縮機を用いた。図２は、スクロール式圧縮機の概略構造を示したものである。圧縮機３は、端板９に垂直に設けられた渦巻状ラップ１０を有する固定スクロール部材８と、この固定スクロール部材８と実質的に同一形状のラップ１２を有する旋回スクロール部材１１と、旋回スクロール部材１１を支持するフレーム１６と、旋回スクロール部材１１を旋回運動させるクランクシャフト１３と、電動モータ１９と、これらを内蔵する圧力容器１７とを含む。渦巻状ラップ１０とラップ１２とは、互いに向い合わせにして噛み合わせ、圧縮部を形成してある。

旋回スクロール部材１１は、クランクシャフト１３によって旋回運動させると、固定スクロール部材８と旋回スクロール部材１１との間に形成される圧縮室１４のうち、最も外側に位置している圧縮室１４が旋回運動に伴って容積を次第に縮小しながら、固定スクロール部材８及び旋回スクロール部材１１の中心部に向かって移動していく。圧縮室１４が固定スクロール部材８及び旋回スクロール部材１１の中心部近傍に達すると、圧縮室１４が吐出口１５と連通し、圧縮室１４の内部の圧縮ガスが吐出パイプ１８から圧縮機３の外部に吐出される。

圧縮機３においては、一定速あるいは図示していないインバータによって制御された電圧に応じた回転速度でクランクシャフト１３が回転し、圧縮動作を行う。また、電動モータ１９の下方には、油溜め部２２が設けられており、油溜め部２２の油は、圧力差によってクランクシャフト１３に設けられた油孔２１を通って、旋回スクロール部材１１とクランクシャフト１３との摺動部、滑り軸受け２０等の潤滑に供される。

（実施例１〜３及び比較例１、２）
日本工業規格（ＪＩＳ Ｃ ９６１２−２００５；ルームエアコンディショナ）に基づき、通年エネルギー消費効率ＡＰＦを算出した。また、別途、圧縮機の性能試験を実施し、代表条件からの体積効率を測定した。実施例に用いた冷媒は、ジフルオロメタンであり、主剤である冷凍機油と添加剤である圧縮部シール剤を下記に示す。

（冷凍機油）
（Ａ）ヒンダードタイプポリオールエステル油（ペンタエリスリトール／ジペンタエリス
リトール系の２−メチルブタン酸／２−エチルヘキサン酸の混合脂肪酸エステル油）
：４０℃粘度６８.７mm²／ｓ
（Ｂ）ヒンダードタイプポリオールエステル油（ペンタエリスリトール系の２−エチルヘ
キサン酸／３，５，５−トリメチルヘキサン酸の混合脂肪酸エステル油）：４０℃粘
度６４.９mm²／ｓ

（圧縮部シール剤）
（Ｆ）ヒンダードタイプポリオールエステル油（ジペンタエリスリトール系の２−エチル
ヘキサン酸／３，５，５−トリメチルヘキサン酸の混合脂肪酸エステル油）：４０℃
粘度２１７mm²／ｓ
（Ｇ）コンプレックスタイプポリオールエステル油（ネオペンチルグリコールとジカルボ
ン酸とモノカルボン酸とが結合したエステルであり、ジカルボン酸としてアジピン酸
、モノカルボン酸として３，５，５−トリメチルヘキサン酸を用いたエステル油）：
４０℃粘度２６０mm²／ｓ
（Ｈ）エチレン−α−オレフィン共重合体（商品名：ルーカントＨＣ−４０：三井化学株
式会社製、ルーカントは同社の登録商標）：４０℃粘度３８０mm²／ｓ

実施例１〜３では、冷凍機油（Ａ）に圧縮部シール剤として（Ｆ）（Ｇ）（Ｈ）をそれぞれ５.０重量％配合した。いずれも配合後の冷凍機油の動粘度は７０mm²／ｓ近傍である。冷凍機油（Ａ）はジフルオロメタンとの低温側臨界溶解温度が−２℃であり、相溶性を示す冷凍機油である。圧縮機に封入される冷媒及び冷凍機油の相溶性は、前述したように冷凍サイクルから圧縮機への油戻り（圧縮機内部の油量を確保）あるいは熱交換効率の維持等、圧縮機の信頼性を保証する面で重要な特性の一つである。ジフルオロメタンと冷凍機油との相溶性評価は、ＪＩＳ Ｋ ２２１１に準じて測定した。相溶性評価においては、冷媒に混合した油の濃度（油濃度）を横軸とし、溶解温度を縦軸としたグラフを作成した。このグラフは、一般に、二層に分離する温度の油濃度依存性を示すものであり、極大値を有する曲線となる。この極大値を低温側臨界溶解温度と定義した。

比較例１では、現行の機器で使用される冷媒Ｒ４１０Ａと冷凍機油（Ｂ）を用いた組合せとした。低温側臨界溶解温度は＋９℃であり、圧縮部シール剤は配合されていない。この比較例１を効率の基準値（ＡＰＦ比）１００％とした。比較例２は、実施例１〜３から圧縮機シール剤が配合されていない組合せとした。測定項目は、通年エネルギー消費効率ＡＰＦと圧縮機の体積効率比を空調装置の代表運転条件である暖房定格、暖房中間、冷房定格、冷房中間の４条件において比較した。比較例１の現行機器を基準１００％として、実施例１〜３と比較例２のＡＰＦと体積効率比を検討した。

表１に結果を示す。比較例１と比較例２とを比べるとジフルオロメタンを用いた場合、ＡＰＦが約１.０％向上している。これは、ジフルオロメタンの潜熱が大きく、圧力損失が小さいためにＡＰＦが向上すると考えられる。しかし、圧縮機の体積効率をみると、ＡＰＦは向上したにもかかわらず、ジフルオロメタンを用いた圧縮機では、体積効率がいずれの条件においても低下する。ジフルオロメタンは断熱指数が小さく吐出温度が高くなるため圧縮機の温度も高くなり、吸い込み時の過熱損失が生じ易い。さらに分子量が小さく分子速度が速いため圧縮機の圧縮部から冷媒が漏れやすいため、体積効率低下が発生してしまう。これに対して、実施例１〜３で示すようにジフルオロメタンと冷凍機油（Ａ）に圧縮部シール剤を５重量％配合した空調機器では、比較例２と比べて圧縮機の体積効率が向上しており、機器のＡＰＦも増加することがわかった。

（実施例４〜６及び比較例３、４）
実施例４〜６で冷凍機油の潤滑性を評価した。シェル式四球摩擦摩耗試験機を用い、冷凍機油の潤滑性を評価した。１／２インチＳＵＪ２鋼球を試験片とし、荷重：２８０Ｎ、温度：１２０℃、回転速度：１２００／min、時間：１０minで試験した後の固定試験片の摩耗痕径（３個平均）と摩擦係数を測定した。冷凍機油（Ｂ）と圧縮部シール剤（Ｆ）は実施例１〜３のものと同じである。

（冷凍機油）
（Ａ）ヒンダードタイプポリオールエステル油（ペンタエリスリトール／ジペンタエリス
リトール系の２−メチルブタン酸／２−エチルヘキサン酸の混合脂肪酸エステル油）
：４０℃粘度６８.７mm²／ｓ
ジペンタエリスリトール配合量約５０モル％
（Ｃ）ヒンダードタイプポリオールエステル油（ペンタエリスリトール／ジペンタエリス
リトール系の２−メチルブタン酸／２−エチルヘキサン酸の混合脂肪酸エステル油）
：４０℃粘度６７.３mm²／ｓ
ジペンタエリスリトール配合量約３５モル％
（Ｄ）ヒンダードタイプポリオールエステル油（ペンタエリスリトール／ジペンタエリス
リトール系の２−メチルブタン酸／２−エチルヘキサン酸の混合脂肪酸エステル油）
：４０℃粘度６６.２mm²／ｓ
ジペンタエリスリトール配合量約２５モル％
（Ｅ）ヒンダードタイプポリオールエステル油（ペンタエリスリトール／ジペンタエリス
リトール系の２−メチルブタン酸／２−エチルヘキサン酸の混合脂肪酸エステル油）
：４０℃粘度６５.３mm²／ｓ
ジペンタエリスリトール配合量約１０モル％

冷凍機油として、（Ａ）（Ｃ）（Ｄ）はジペンタエリスリトールを２０モル％以上配合し、いずれの冷凍機油にも圧縮部シール剤として（Ｆ）を５.０重量％配合している。

各冷凍機油の潤滑性を評価した結果を表２に示す。比較例４で示すように冷凍機油成分にジペンタエリスリトールが配合されていない場合は、摩耗痕径が大きく、摩擦係数が高い。これに対して、実施例４〜６で示すように冷凍機油成分にジペンタエリスリトールが２０重量％以上配合されたものは、摩耗痕径と摩擦係数が抑制されており、潤滑性が優れていることがわかる。これはジペンタエリスリトールの摩擦面に対する吸着能力が大きく、摩擦面の表面エネルギーが低下し、耐摩耗性と摩擦係数の低減効果が得られたことによる。比較例３で示すように冷凍機油成分にジペンタエリスリトール配合量が２０重量％未満のものは、摩耗痕径が大きく、摩擦係数も高く、十分な潤滑性が得られないことがわかった。

（実施例７〜９及び比較例５、６）
次に、実施例１で効果を確認した冷凍機油と圧縮部シール剤を用いて、圧縮機シール剤の配合量についての検討を行った。測定項目、測定方法、冷凍機油（Ａ）、圧縮部シール剤（Ｆ）は実施例１〜３のものと同じである。

実施例７〜９では、冷凍機油（Ａ）に圧縮部シール剤として（Ｆ）を１〜３０重量％の範囲で配合した。比較例５では圧縮部シール剤として（Ｆ）を０.５重量％とし、比較例６では圧縮部シール剤として（Ｆ）を４０重量％配合して、試験を実施した。

結果を表３に示す。比較例２と比べると実施例７〜９では、ＡＰＦが０.５〜１.０％向上している。これは、圧縮部シール剤により圧縮機の圧縮部のシール性が向上した効果による。これに対して比較例５で示すように、圧縮部シール剤として（Ｆ）を０.５重量％とした実施形態では、比較例２と比べて圧縮機の体積効率やＡＰＦの向上は得られていない。また、比較例６で示すように圧縮部シール剤として（Ｆ）を４０重量％も配合してしまうと、冷凍機油の動粘度も大きく増加してしまい、粘性抵抗が増大することによるＡＰＦが低下する。このことから、冷凍機油に対して圧縮部シール剤の配合量は、１.０〜３０重量％の範囲が良い。

以上の結果から、圧縮機の圧縮部からの冷媒漏れを低減し、圧縮機の体積効率を向上させることができ、空調装置の通年エネルギー消費効率ＡＰＦを向上させることができる。

圧縮機としては、スクロール式圧縮機の他、ロータリー式圧縮機、ツインロータリー式圧縮機、２段圧縮ロータリー式圧縮機、及びローラとベーンが一体化されたスイング式圧縮機においても同様の効果が得られることを確認した。

本発明は、圧縮機及び空調装置に適用可能である。

１ 室内機
２ 室外機
３ 圧縮機
４ 四方弁
５ 室内熱交換器
６ 膨張装置
７ 室外熱交換器
８ 固定スクロール部材
９ 端板
１０ 渦巻状ラップ
１１ 旋回スクロール部材
１２ ラップ
１３ クランクシャフト
１４ 圧縮室
１５ 吐出口
１６ フレーム
１７ 圧力容器
１８ 吐出パイプ
１９ 電動モータ
２０ 滑り軸受け
２１ 油孔
２２ 油溜め部

Claims (4)

1. 摺動部を有する圧縮室を備え、冷媒であるジフルオロメタンと、冷凍機油とを封入した圧縮機において、
   前記冷凍機油は、化学式（１）で表される化合物（式中、Ｒ¹〜Ｒ⁶は炭素数３〜８のアルキル基）と化学式（２）で表される化合物との混合物であり、前記化学式（２）で表される化合物を２０モル％以上含み、４０℃における動粘度が３０〜９０mm²／ｓのポリオールエステル油であり、
   前記冷媒と前記ポリオールエステル油との低温側臨界溶解温度が＋１０℃以下であり、
   前記ポリオールエステル油に４０℃における動粘度が１８０mm²／ｓを超える圧縮部シール剤を前記ポリオールエステル油に対して１〜３０重量％含むことを特徴とする圧縮機。
   
2. 前記圧縮部シール剤は、下記化学式（３）で表される化合物（式中、Ｒ⁷、Ｒ⁸は、炭素数７〜８のアルキル基）又は化学式（４）で表わされる化合物（式中、Ｒ⁹、Ｒ¹⁰は炭素数３〜９のアルキル基。Ｒ¹¹は炭素数１〜９のアルキレン基。ｎは正数）又は数平均分子量が８００〜４０００のエチレン−α−オレフィン共重合体であることを特徴とする請求項１記載の圧縮機。
   
3. 前記圧縮室が旋回スクロール部材と固定スクロール部材とで形成され、前記冷凍機油の４０℃における動粘度が４６〜９０mm²／ｓであることを特徴とする請求項１記載の圧縮機。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の圧縮機と、凝縮器と、膨張装置と、蒸発器とが配管で接続された空調装置。