JP7500886B1

JP7500886B1 - 圧縮機及び冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP7500886B1
Application number: JP2023568191A
Authority: JP
Inventors: 晃啓村上
Original assignee: Hitachi Johnson Controls Air Conditioning Inc
Current assignee: Hitachi Johnson Controls Air Conditioning Inc
Priority date: 2023-07-21
Filing date: 2023-07-21
Publication date: 2024-06-17
Anticipated expiration: 2043-07-21

Abstract

摺動部における摺動性を向上させた圧縮機を提供する。この課題の解決のため、圧縮機１００は、ハイドロフルオロオレフィン冷媒を５０質量％以上含む冷媒と、冷凍機油とを封入した高圧チャンバタイプの密閉容器１と、密閉容器１に収容され、鉄系材料により構成される摺動部９を有する圧縮機構部８と、を備え、前記冷凍機油は、ポリビニルエーテル又はポリオールエステルの少なくとも一方の冷凍機油を含み、４０℃における前記冷凍機油の動粘度が１０ｍｍ２／ｓ以上４０ｍｍ２／ｓ以下である。

Description

本開示は、圧縮機及び冷凍サイクル装置に関する。

冷蔵庫、冷凍庫、業務用空調機等の冷凍サイクル装置で主流となっているＲ４１０Ａ冷媒は、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が２０９０と高く、地球温暖化抑制を目的にＧＷＰ値の低い冷媒への変更が行われている。例えば、次世代の低ＧＷＰ候補冷媒のＲ４５４Ｃ冷媒は、Ｒ１２３４ｙｆを７８．５質量％含み、Ｒ３２を２１．５質量％含む混合冷媒である。

特許文献１の要約書には「冷媒と冷凍機油とを含む組成物であって、前記冷媒は、ＨＦＯ－１１４１、ＨＦＯ－１１３２（Ｅ／Ｚ）、ＨＦＯ－１１３２ａ、ＨＦＯ－１１２３、及びＨＦＯ－１１１４からなる群から選ばれる少なくとも一種の冷媒を含み、前記冷凍機油は、エンジニアリングプラスチック、有機膜、無機膜、ガラス及び金属部からなる群から選ばれる少なくとも一種で構成される基材との接触角が０．１°≦Θ≦９０°である、ことを特徴とする組成物。」が記載されている。

特開２０２２－１３２６７０号公報

ハイドロフルオロオレフィン冷媒（以下ＨＦＯ冷媒）とハイドロフルオロカーボン冷媒（以下ＨＦＣ冷媒）との併用する場合、ＨＦＯ冷媒とＨＦＣ冷媒との使用比率によっては、例えば冷凍能力等の性能が併用しない場合よりも低下することがある。例えば、Ｒ４５４Ｃ冷媒で試算すると、ＪＩＳ－Ｂ８６００「冷媒用圧縮機の定格温度条件」の表１の定格温度Ｈ条件では、理論冷凍能力がＲ４１０Ａ冷媒と比較すると約３５％低下する。冷凍能力の確保のためには、インバータで駆動される圧縮機の場合、運転回転数（回転速度）を増加させることで対応できる。しかし、軸受のＰＶ値が回転速度の増加分だけ増大する。このため、高い摺動性を有することが好ましい。

特許文献１に記載の発明では、冷媒の不均化について検討されている（段落００５９等）。しかし、圧縮機の摺動部（軸受等）において、摺動性を向上させる検討は行われていない。
本開示が解決しようとする課題は、摺動部における摺動性を向上させた圧縮機及び冷凍サイクル装置の提供である。

本開示の圧縮機は、ハイドロフルオロオレフィン冷媒を５０質量％以上含む冷媒と、冷凍機油とが封入される高圧チャンバタイプの密閉容器と、前記密閉容器に収容され、鉄系材料により形成される表面に形成された、前記ハイドロフルオロオレフィン冷媒に由来するフッ素を含む膜の表面において摺動する摺動部を有する圧縮機構部と、を備え、前記冷凍機油は、ポリビニルエーテル又はポリオールエステルの少なくとも一方の冷凍機油を含み、４０℃における前記冷凍機油の動粘度が１０ｍｍ^２／ｓ以上４０ｍｍ^２／ｓ以下であり、前記ハイドロフルオロオレフィン冷媒は、Ｒ１２３４ｙｆ又はＲ１２３４ｚｅのうちの少なくとも一種である。その他の解決手段は発明を実施するための形態において後記する。

本開示によれば、摺動部における摺動性を向上させた圧縮機及び冷凍サイクル装置を提供できる。

本開示の圧縮機を示す断面図である。摺動部近傍を示す断面図である。冷媒の種類及び冷凍機油の動粘度と、ＰＶ値との関係を示すグラフである。本開示の冷凍サイクル装置を示す系統図である。

以下、図面を参照しながら本開示を実施するための形態（実施形態と称する）を説明する。以下の一の実施形態の説明の中で、適宜、一の実施形態に適用可能な別の実施形態の説明も行う。本開示は以下の一の実施形態に限られず、異なる実施形態同士を組み合わせたり、本開示の効果を著しく損なわない範囲で任意に変形したりできる。また、同じ部材については同じ符号を付すものとし、重複する説明は省略する。更に、同じ機能を有するものは同じ名称を付すものとする。図示の内容は、あくまで模式的なものであり、図示の都合上、本開示の効果を著しく損なわない範囲で実際の構成から変更したり、図面間で一部の部材の図示を省略したり変形したりすることがある。また、同じ実施形態で、必ずしも全ての構成を備える必要はない。

図１は、本開示の圧縮機を示す断面図である。圧縮機１００は、ガス状の冷媒を圧縮する機器であり、例えばスクロール圧縮機である。圧縮機１００は、密閉容器１と、密閉容器１に収容された圧縮機構部８とを備える。圧縮機構部８は、フレーム３と、クランク軸４（駆動軸）と、主軸受５と、旋回軸受６とを備える。これらのうち、クランク軸４と主軸受５との接触部分に、摺動部９が形成される。従って、圧縮機構部８は、摺動部９を有する。なお、摺動部９はクランク軸４と主軸受５と間に限定されず、圧縮機１００において摺動する部分であればどこでもよい。

密閉容器１は、高圧チャンバタイプである。密閉容器１には、圧縮機構部８のほかにも、電動機７等が収容される。密閉容器１には、ＨＦＯ冷媒（ハイドロフルオロオレフィン冷媒）を５０質量％以上含む冷媒と、冷凍機油とが封入される。冷凍機油は、密閉容器１の内側下部で油溜まりＭとしても存在する。密閉容器１は、冷媒を吸入する吸入パイプＰａと、圧縮機構部８で圧縮された冷媒を排出する吐出パイプＰｂとを備える。吸入パイプＰａは、後記の吸入回路１３（図４）に接続される。吐出パイプＰｂは、後記の吐出回路１４（図４）に接続される。

圧縮機構部８は、クランク軸４の回転に伴って、冷媒を圧縮する機構である。圧縮機構部８は、固定スクロール２１と、旋回スクロール２２と、を備える。固定スクロール２１は、密閉容器１内に固定される固定部材である。固定スクロール２１は、円板状を呈する肉厚の台板２１ａと、台板２１ａの下側に立設される渦巻状のラップ２１ｂと、を備える。旋回スクロール２２は、その旋回によって固定スクロール２１との間に圧縮室Ｃを形成する移動部材である。旋回スクロール２２は、円板状の台板２２ａと、台板２２ａに立設される渦巻状のラップ２２ｂと、クランク軸４の上端部に嵌合されるボス部２２ｃと、を備える。旋回スクロール２２はフレーム３に支持される。

圧縮室Ｃは、ラップ２１ｂとラップ２２ｂとの間に形成される。圧縮室Ｃは、ガス状の冷媒を圧縮する空間であり、ラップ２２ｂの外線側及び内線側にそれぞれ形成される。台板２１ａの中心付近には、圧縮室Ｃで圧縮された冷媒を密閉容器１内の上部空間に導く吐出口Ｖが設けられる。

クランク軸４は、上下方向に延び、例えば鉄系材料（炭素鋼、クロムモリブデン鋼等）により構成される。クランク軸４は、主軸４ａと、主軸４ａの上側に連なる鍔部４ｂと、鍔部４ｂの上側に連なる偏心部４ｃと、を備える。主軸受５は、クランク軸４の上部を回転自在に軸支するものである。主軸受５は、フレーム３に固定される。主軸受５は例えばスラスト軸受であり、クランク軸４の表面４１に対し、回転可能に接触する。旋回軸受６は、偏心部４ｃを回転自在に軸支するものである。

主軸受５とクランク軸４との間には、上記のように、摺動部９が形成される。摺動部９は鉄系材料により構成され、本開示の例では、表面４１を備えるクランク軸４及び主軸受５が鉄系材料で構成される。ここでいう鉄系材料は、例えば、炭素鋼又はクロムモリブデン鋼である。これらは高い硬度を有するため、これらを使用することで耐摩耗性に優れ、高い信頼性を有する圧縮機１００を得ることができる。

図２は、摺動部９近傍を示す断面図である。摺動部９のうち鉄系材料により形成されるクランク軸４（部材の一例）の表面４１には、ＨＦＯ冷媒に由来するフッ素を含む膜４２（後記の物理吸着膜及び化学吸着膜）が形成される。膜４２は、通常は、圧縮機１００（図１）の使用に伴うクランク軸４の回転により形成されるが、圧縮機１００の使用前（例えば工場出荷時）に形成されてもよい。

密閉容器１（図１）に封入された冷媒は、上記のように、ＨＦＯ冷媒を５０質量％以上含む。ＨＦＯ冷媒は、分子中に二重結合（不飽和結合）を含む不飽和冷媒である。二重結合は、クランク軸４の摺動状態で、鉄系材料により形成される表面４１に強い吸着性を示す。このため、ＨＦＯ冷媒は、表面４１において、冷媒により構成される物理吸着膜（膜４２）を形成する。これにより、物理吸着膜は高い摺動性を示すことから、クランク軸４の摺動性が向上する。

また、形成された物理吸着膜の少なくとも一部は、摺動により生じた摩擦熱によって分解される。これにより、分解された物理吸着膜は、フッ素化合物により構成される化学吸着膜（膜４２）に変化する。化学吸着膜は、クランク軸４の摺動に対し、上記の物理吸着膜よりも更に高い摺動性を示す。これにより、摺動部９でのクランク軸４の摺動性を更に向上でき、圧縮機１００の耐焼き付き性及び信頼性を向上できる。

図３は、冷媒の種類及び冷凍機油の動粘度と、ＰＶ値との関係を示すグラフである。図３のグラフは、横軸が０．２４のときの軸受ＰＶ値の値を１００％とした相対的なグラフである。横軸は、クランク軸４の許容傾斜角に対する、クランク軸４の実際の傾斜角を示す。横軸の数値が１に近いほど、クランク軸４の傾斜が大きいといえる。従って、横軸の数値が大きいほど、摺動部９の状態が厳しい条件になっているといえる。縦軸は、主軸受５（図２）のＰＶ値（限界ＰＶ値）を示す。ＰＶ値は面圧（ｐ）と表面速度（ｖ）との積であり、摩擦熱と相関する。ＰＶ値が大きいほど摺動性が高く、耐久性が優れるといえる。従って、クランク軸４の許容傾斜角に対する、クランク軸４の実際の傾斜角が小さいほど、ＰＶ値は高くなる。

実線のグラフ（実施例１）は、冷媒としてＲ４５４Ｃ、冷凍機油としてポリビニルエーテル（４０℃における動粘度３２ｍｍ^２／ｓ）を使用した結果である。Ｒ４５４Ｃは、Ｒ１２３４ｙｆ（ＨＦＯ冷媒）を７８．５質量％と、Ｒ３２（ＨＦＣ冷媒）を２１．５質量％と、の割合で含む冷媒である。破線のグラフ（比較例１）は、冷媒としてＲ４１０Ａ、冷凍機油としてポリビニルエーテル（４０℃における動粘度６８ｍｍ^２／ｓ）を使用した結果である。Ｒ４１０Ａは、Ｒ１２５（ＨＦＯ冷媒）を５０質量％と、Ｒ３２（ＨＦＣ冷媒）を５０質量％と、の割合で含む冷媒である。

一点鎖線のグラフ（比較例２）は、冷媒としてＲ４４８Ａ、冷凍機油としてポリビニルエーテル（４０℃における動粘度３２ｍｍ^２／ｓ）を使用した結果である。Ｒ４４８Ａは、Ｒ１２３４ｙｆ（ＨＦＯ冷媒）を２０質量％と、Ｒ１２３４ｚｅ（ＨＦＯ冷媒）を７質量％と、Ｒ３２（ＨＦＯ冷媒）を２６質量％と、Ｒ１２５（ＨＦＣ冷媒）を２６質量％と、Ｒ１３４ａ（ＨＦＯ冷媒）を２１質量％と、の割合で含む冷媒である。従って、Ｒ４４８Ａでは、ＨＦＯ冷媒が２７質量％、ＨＦＣ冷媒が７３質量％の割合で含まれる。

以上の点を以下の表１に纏めた。

通常は、冷凍機油の動粘度が大きいほど摺動性が高い。このため、動粘度が比較的高い比較例１では、大きなＰＶ値を示すことから、高い摺動性（耐久性）を有するといえる。しかし、実施例１のグラフは、比較例１のグラフの概ね同じ位置に存在する。従って、動粘度が相対的に低い実施例１でも、高い摺動性（耐久性）を有することがわかった。この減少は、上記図２を参照したメカニズムに起因すると考えられる。即ち、実施例１の動粘度は比較例１の動粘度よりも低いため、冷媒を考慮しなければ摺動性も低くなると考えられるが、その低さを補うように、実施例１の冷媒が作用したためと考えられる。換言すれば、冷凍機油の動粘度が低くても、所定比率以上のＨＦＯ冷媒を使用することで、摺動性を向上できる。

別の観点では、実施例１と比較例２とでは、冷凍機油の動粘度が同じである。従って、冷凍機油に起因する作用だけを考慮すれば、ＰＶ値に関するグラフの位置はほぼ同じになると考えられる。しかし、使用した冷媒におけるＨＦＯ冷媒の比率が全く異なる。このような比率の相違により、実施例１のＰＶ値が、比較例２のＰＶ値よりも全体的に約２０％程度も増加した。従って、単にＨＦＯ冷媒を任意の量で使用するのではなく、ＨＦＯ冷媒を本開示の範囲（ＨＦＯ冷媒を５０質量％以上含む）で使用することで、摺動性を向上できることがわかった。

また、密閉容器１（図１）に封入された冷凍機油について、４０℃における冷凍機油の動粘度が１０ｍｍ^２／ｓ以上４０ｍｍ^２／ｓ以下である。これにより、相対的に低い動粘度を有する冷凍機油を使用しても、高い摺動性を得ることができる。特に、４０ｍｍ^２／ｓ以下にすることで、冷凍機油の粘性抵抗、摩擦抵抗等を低く抑え、圧縮機１００の効率を向上できる。

冷凍機油は、ポリビニルエーテル又はポリオールエステルの少なくとも一方の冷凍機油を含む。特にポリビニルエーテルは空気及び水に対して高い耐久性を有する。このため、ポリビニルエーテルは、例えば長い配管長を有する冷凍サイクル装置２００（図４）において好適に使用できる。一方で、ポリオールエステルは、ポリビニルエーテルよりは空気及び水に対する耐久性が低い。このため、ポリオールエステルは、相対的に短い配管長を有する冷凍サイクル装置２００（図４）に好適に使用できる。

密閉容器１（図１）に封入された冷媒は、上記のように、ＨＦＯ冷媒を５０質量％以上（少なくとも５０質量％）含む。ＨＦＯ冷媒の含有量は、封入された冷媒全体に対して、好ましくは７０質量％以上１００質量％以下、より好ましくは９０質量％以上１００質量％以下である。冷媒は、ＨＦＯ冷媒とＨＦＣ冷媒とを併用することが好ましい。併用によりＨＦＯ冷媒とＨＦＣ冷媒との各機能（例えば摺動性、冷凍能力等）を何れも発揮できる。

ＨＦＯ冷媒は、例えば、Ｒ１２３４ｙｆ又はＲ１２３４ｚｅのうちの少なくとも一種を含む。これらは高い冷凍能力を有する一方で、低い地球温暖化係数（ＧＷＰ）を有する。従って、これらのうちの少なくとも一種を含むことで、地球環境への負荷が小さく、高性能な圧縮機１００を得ることができる。

このとき、冷媒は、ＨＦＯ冷媒以外の少なくとも一部として、Ｒ３２を含むことが好ましい。Ｒ３２は、汎用されており高い冷凍性能を有するとともに、ＨＦＣ冷媒の中では低いＧＷＰを有する。このため、地球環境への負荷が小さく、高性能な圧縮機１００を得ることができる。

また、別の実施形態では、ＨＦＯ冷媒は、Ｒ１２３４ｙｆ又はＲ１２３４ｚｅのうちの少なくとも一種である第１冷媒と、Ｒ１１３２（Ｅ）又はＲ１１２３のうちの少なくとも一種である第２冷媒と、を含む。そして、封入されるＨＦＯ冷媒の全体において、第１冷媒は５０質量％以上の割合で含まれ、第２冷媒は５０質量％未満の割合で含まれる。このようにすることで、使用されるＨＦＯ冷媒の中でもＲ１２３４ｙｆ又はＲ１２３４ｚｅのうちの少なくとも一種である第１冷媒の比率を向上させて、これらによる機能（安定性、冷媒能力、効率等）を高めることができる。

第２冷媒がＲ１１３２（Ｅ）を含む場合、第１冷媒は、ＨＦＯ冷媒全体に対して好ましくは６５質量％以上１００質量％以下、より好ましくは７０質量％以上８５質量％以下、特に好ましくは７０質量％以上８０質量％以下である。また、第２冷媒がＲ１１２３を含む場合、第１冷媒は、ＨＦＯ冷媒全体に対して好ましくは５０質量％以上１００質量％以下、より好ましくは５５質量％以上８０質量％以下、特に好ましくは５５質量％以上７０質量％以下である。

図４は、本開示の冷凍サイクル装置２００を示す系統図である。冷凍サイクル装置２００は、図示の例では空調機であるが、例えば冷凍機、ショーケース等でもよい。冷凍サイクル装置２００は、圧縮機１００と、室外側熱交換器２６（凝縮器又は蒸発器の一例）と、暖房用の電子膨張弁２７及び冷房用の電子膨張弁２９（何れも膨張機構の一例）と、室内側熱交換器１１（蒸発器又は凝縮器の一例）と、を備える。圧縮機１００と、室外側熱交換器２６と、電子膨張弁２７，２９と、室内側熱交換器１１とが配管（不図示）で接続されることで吐出回路１４を冷媒が循環し、冷凍サイクルが形成される。冷凍サイクルは、閉回路である。室外側熱交換器２６には送風機２５が付設される。室内側熱交換器１１には送風機１０が付設される。

冷凍サイクル装置２００は、更に、圧縮機１００の吐出回路１４中に備えられた油分離器２３と、油分離器２３から圧縮機１００に冷凍機油を戻す直列回路１２とを備える。直列回路１２は、圧縮機１００の内側下部に形成された油溜まりＭ（図１）に冷凍機油を戻す回路である。冷凍サイクル装置２００は、更に、冷媒の循環方向を切換える四方切換弁２４と、レシーバ２８と、アキュームレータ１５と、吸入回路１３とを備える。

冷凍サイクル装置２００には、例えば、上記実施例１で使用した冷媒であるＲ４５４Ｃを使用できる。冷凍サイクル装置２００は、上記図１～図３を参照して説明した圧縮機１００を備える。このため、圧縮機１００の摺動部９（図１）における摺動性が高く、冷凍サイクル装置２００の信頼性を向上できる。

１密閉容器
１００圧縮機
１１室内側熱交換器
２００冷凍サイクル装置
２１固定スクロール
２２旋回スクロール
２６室外側熱交換器
４クランク軸
４１表面
４２膜
４ａ主軸
５主軸受
６旋回軸受
８圧縮機構部
９摺動部

Claims

ハイドロフルオロオレフィン冷媒を５０質量％以上含む冷媒と、冷凍機油とが封入される高圧チャンバタイプの密閉容器と、
前記密閉容器に収容され、鉄系材料により形成される表面に形成された、前記ハイドロフルオロオレフィン冷媒に由来するフッ素を含む膜の表面において摺動する摺動部を有する圧縮機構部と、を備え、
前記冷凍機油は、ポリビニルエーテル又はポリオールエステルの少なくとも一方の冷凍機油を含み、
４０℃における前記冷凍機油の動粘度が１０ｍｍ^２／ｓ以上４０ｍｍ^２／ｓ以下であり、
前記ハイドロフルオロオレフィン冷媒は、Ｒ１２３４ｙｆ又はＲ１２３４ｚｅのうちの少なくとも一種である
ことを特徴とする圧縮機。
前記冷媒は、前記ハイドロフルオロオレフィン冷媒以外の少なくとも一部として、Ｒ３２を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
前記鉄系材料は、炭素鋼又はクロムモリブデン鋼である
ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
圧縮機と、凝縮器と、膨張機構と、蒸発器とを備え、
前記圧縮機は、
ハイドロフルオロオレフィン冷媒を５０質量％以上含む冷媒と、冷凍機油とが封入される高圧チャンバタイプの密閉容器と、
前記密閉容器に収容され、鉄系材料により形成される表面に形成された、前記ハイドロフルオロオレフィン冷媒に由来するフッ素を含む膜の表面において摺動する摺動部を有する圧縮機構部と、を備え、
前記冷凍機油は、ポリビニルエーテル又はポリオールエステルの少なくとも一方の冷凍機油を含み、
４０℃における前記冷凍機油の動粘度が１０ｍｍ^２／ｓ以上４０ｍｍ^２／ｓ以下であり、
前記ハイドロフルオロオレフィン冷媒は、Ｒ１２３４ｙｆ又はＲ１２３４ｚｅのうちの少なくとも一種である
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。