JPWO2012086518A1 - 冷凍空調用圧縮機及び冷凍空調装置 - Google Patents
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Abstract
Description
。炭化水素系冷媒も特許文献1と同様で各種冷凍機油と相溶性を有するが、ジフルオロメ
タンとは相溶しにくい。
(冷凍機油成分)
冷凍空調用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低下等、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。
(B)ヒンダードタイプポリオールエステル油(H−POE)(トリメチロールプロパン系の3,5,5−トリメチルヘキサン酸の脂肪酸エステル油):40℃粘度51.6mm2/s
(C)ヒンダードタイプポリオールエステル油(H−POE)(ペンタエリスリトール系の2−メチルヘキサン酸/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60.1mm2/s
(D)ヒンダードタイプポリオールエステル油(H−POE)(ジペンタエリスリトール系のペンタン酸/2−メチルブタン酸の混合脂肪酸エステル油):40℃粘度64.8mm2/s
(E)ヒンダードタイプポリオールエステル油(H−POE)(ジペンタエリスリトール系のヘキサン酸/2−メチルブタン酸の混合脂肪酸エステル油):40℃粘度71.2mm2/s
(F)コンプレックスタイプポリオールエステル油(C−POE)(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ブタン二酸とペンタン二酸との混合脂肪酸、モノカルボン酸として2−メチルヘキサン酸/2−エチルヘキサン酸の混合脂肪酸を用いたエステル油):40℃粘度32.6mm2/s
(G)コンプレックスタイプポリオールエステル油(C−POE)(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ブタン二酸とペンタン二酸との混合脂肪酸、モノカルボン酸として2−メチルヘキサン酸/2−エチルヘキサン酸の混合脂肪酸を用いたエステル油):40℃粘度50.8mm2/s
(H)コンプレックスタイプポリオールエステル油(C−POE)(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ブタン二酸とペンタン二酸との混合脂肪酸、モノカルボン酸として2−メチルヘキサン酸/2−エチルヘキサン酸の混合脂肪酸を用いたエステル油):40℃粘度71.5mm2/s
(I)ポリビニルエーテル油(PVE)(アルコキシビニルの重合体であり、アルコキシ基がメチルオキシ基及びエチルオキシ基である共重合体エーテル油):40℃粘度65.2mm2/s
(J)ポリビニルエーテル油(PVE)(アルコキシビニルの重合体であり、アルコキシ基がメチルオキシ基及びエチルオキシ基である共重合体エーテル油):40℃粘度51.7mm2/s
(K)ヒンダードタイプポリオールエステル油(H−POE)(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
(L)ヒンダードタイプポリオールエステル油(H−POE)(トリメチロールプロパ
ン/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56.3mm2/s
(M)ヒンダードタイプポリオールエステル油(H−POE)(ペンタエリスリトール系の2−メチルヘキサン酸/2−エチルヘキサン酸の混合脂肪酸エステル油):40℃粘度31.4mm2/s
(N)ヒンダードタイプポリオールエステル油(H−POE)(ペンタエリスリトール/ネオペンチルグリコール系の2−エチルヘキサン酸の脂肪酸エステル油):40℃粘度14.9mm2/s
(O)ヒンダードタイプポリオールエステル油(H−POE)(ネオペンチルグリコール系の2−エチルヘキサン酸の脂肪酸エステル油):40℃粘度7.5mm2/s
(P)ポリビニルエーテル油(PVE)(アルコキシビニルの重合体であり、アルコキシ基がエチルオキシ基及びイソブチルオキシ基である共重合体エーテル油):40℃粘度64.9mm2/s
(Q)ポリビニルエーテル油(PVE)(アルコキシビニルの重合体であり、アルコキシ基がエチルオキシ基及びイソブチルオキシ基である共重合体エーテル油):40℃粘度50.1mm2/s
(R)ナフテン系鉱油:40℃粘度54.1mm2/s
(S)ポリαオレフィン油:40℃粘度61.8mm2/s
(T)ヒンダードタイプポリオールエステル油(H−POE)(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
(U)ヒンダードタイプポリオールエステル油(H−POE)(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64.4mm2/s
(V)ヒンダードタイプポリオールエステル油(H−POE)(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74.8mm2/s
(W)ポリビニルエーテル油(PVE)(アルキルビニルの重合体であり、アルコキシ基がエチルオキシ基のエーテル油):40℃粘度67.8mm2/s
表1は、冷媒であるジフルオロメタン(HFC32)と冷凍機油との相溶性評価の結果を示したものである。
が、低温側臨界溶解温度が+20℃以上であるため、使用することは難しい。
冷凍空調器用圧縮機に適用できる冷凍機油には、冷媒との相溶性以外にも熱化学安定性や電気絶縁性、潤滑性が必要である。熱化学安定性は特にポリオールエステル油の場合、加水分解性が問題となる。電気絶縁性としては体積抵抗率を測定した。潤滑性にはファレックス試験機を用いて耐摩耗性を評価した。下記に評価方法を示す。
<加水分解性試験>
加水分解性の試験方法は下記の通りである。冷媒(ジフルオロメタン)と冷凍機油を0.5g/3mlで外径13mm、内径8mmのガラスアンプル管に封入してシールドチューブ試験を実施した。油中の水分を1000ppmに調整し、触媒には銅、鉄、アルミ線を紙ヤスリで磨いたものを共存させ、150℃、21日間加熱した後の油を1/10N−KOH水溶液(イソプロパノール性)で滴定し全酸価を求めた。
<体積抵抗率>
冷凍機油の体積抵抗率測定は電極に250Vの直流電圧を1分間印加し、1分後の抵抗値を求める。測定温度は20℃である。体積抵抗率(ρ)は、次式によって算出した。電気絶縁油としての規格値は1×1013Ω・cm以上となる。
ρ=3.6πCoR
R:抵抗値(Ω)
Co:油を入れない状態の電極間の静電容量(pF)
<潤滑性>
潤滑性の評価にはファレックス摩擦試験機を用いた。試験機の摩擦部はオイルカップ内に浸漬しており、試験片は2個のVブロックとその間で回転するピンとから構成される。ピンの回転速度は290min-1(すべり速度0.1m/s)である。試験片はトルエンを用いて十分に洗浄し、脱脂したものを用いた。なお、ピンの材質はSAE3135(NiCr鋼)、Vブロックの材質はAISI 1137(硫黄快削鋼)である。
洗浄した試験片を所定の位置にセットし、荷重0.45kN、時間3h、温度80℃で運転した後の摩耗量を測定した。なお、室温から80℃まで昇温する間、0.22kNで約10分間ならし運転を行った。ここでの摩耗量はラチェットの目盛り変化からピンとVブロックの合計の摩耗深さを計算により求めた。
実施例15〜17及び比較例12〜16で行った評価結果を表2に示す。HFC32では断熱指数が大きいため圧縮機での吐出温度が約5〜15℃も上昇する。このためR410A冷媒を採用したエアコンで用いられてきた冷凍機油よりも熱に対する安定性が非常に重要である。温度が高いと有機物に対する劣化が大きくなることは一般的な知見である。このためポリオールエステル油の加水分解性もその一つの評価方法であり、分解生成物の脂肪酸が多量に存在するとサイクルの目詰まりや圧縮機摺動部の腐食摩耗などを引き起こす懸念がある。また、高温ではポリオールエステル油自体の吸着能力が低下するため油性効果が低くなるため潤滑性も優れるものが必要である。
比較例12〜14で示す化合物は、直鎖脂肪酸を用いているため潤滑性は優れているが、耐加水分解性が劣り、さらには体積抵抗率が規格値を満たしていない。R410A冷媒との相溶性に優れた冷凍機油を用いた比較例15,16は加水分解性、電気絶縁性、潤滑性は十分満足できる。しかしながら、比較例16のようにR410Aを冷媒に用いた場合は優れた相溶性を有するが、ジフルオロメタンを冷媒に用いる比較例15では表1で示すように相溶性に問題がある。これに対して、分鎖脂肪酸を用いたポリオールエステル油である実施例15〜17の化合物は、表1で示す相溶性を満たす他、加水分解性、電気絶縁性、潤滑性も同様に満足することができることがわかった。直鎖脂肪酸を用いたポリオールエステル油は耐加水分解性や体積抵抗率の低下がみられることから好ましくは分鎖脂肪酸を用いたポリオールエステル油の方が良い。すなわち、上記化学式(1)、(2)、(3)及び(4)で表されるポリオールエステル油のうち、Rが分岐アルキル基で構成されるポリオールエステル油が好ましい。更に、実施例15に対して実施例16,17は摩耗量が小さく、優れた潤滑性が得られた。これは、実施例16,17の化合物が、ジペンタエリスリトールとペンタエリスリトールの混合物であり、吸着官能基が多いジペンタエリスリトールが含まれているため金属摺動面に対して吸着能力が大きく、油性効果が発現しやすく優れた潤滑性が得られたためである。特に、吸着能力の高いジペンタエリスリトールにペンタエリスリトールを混合することで、より優れた熱化学安定性や電気絶縁性が得られている。ここで、ジペンタエリスリトールの吸着能力による油性効果を発現させるために、ジペンタエリスリトールは40モル%以上含まれていることが好ましい。このように、ジペンタエリスリトールとペンタエリスリトールの混合物から構成され、ジペンタエリスリトールが40モル%以上含まれる分岐鎖脂肪酸を用いたポリオールエステル油が好ましい。
(実施例18〜21及び比較例17〜18)
図1は、本実施例で用いた冷暖房兼用のルームエアコンの概略を示したものである。
このルームエアコンを用いて、圧縮機内の油に対する冷媒溶解量と冷媒溶解時の油粘度を測定した。機種は4.0kWクラス機を用いた。R410Aとジフルオロメタンでは、能力が異なるため封入量、回転数を変更して能力が一定になるように試験を実施した。冷媒の封入量はジフルオロメタンを1500g封入した。なお、冷凍機油は500mlを封入した。代表試験条件として冷媒能力を2.0kWに調整した運転を実施した。エアコンの性能を維持するため、更には圧縮機の長期信頼性を十分に確保するには、圧縮機内の油に対する冷媒溶解量をコントロールする必要があり、それに伴って冷媒溶解時の油粘度が重要なパラメータとなる。R410Aを用いたエアコンの運転条件と比べてジフルオロメタンを用いた場合、圧縮機の吐出温度が約5℃〜15℃上昇するため冷凍機油の温度に対する粘性が低下するが、冷媒溶解量が低下するため粘度が増加するといった現象がみられる。通常、R410A用の圧縮機をベースにジフルオロメタンの圧縮機も開発を行うため可能な限り粘度を合せた方が開発しやすい利点がある。R410Aの場合、前記代表条件における温度が53℃、圧力が2.40MPaの環境下で油に対する冷媒溶解量は26〜31wt%、冷媒溶解時の油粘度は3.0〜5.0mm2/sとなる。ジフルオロメタンの場合、前記代表条件で温度が60℃、圧力が2.50MPaの環境下においても冷媒溶解時の油粘度が3.0〜5.0mm2/sであることが必要となり、その時の油に対する冷媒溶解量が17〜22重量%である。粘度が低すぎると圧縮部のシール性が低下するため圧縮機の体積効率が低下してしまう。さらに油膜が薄くなり長期信頼性が低下する懸念が生じる。これに対して粘度が高くなりすぎると圧縮機の機械損失が増加し、圧縮機効率が低下してしまう。
実施例18〜21及び比較例17〜18で行った測定結果を表3に示す。実施例18〜21では油に対する冷媒溶解量が約20wt%であり、適正な冷媒溶解時の油粘度が維持できていることを確認できた。比較例17ではジフルオロメタンと油との溶解性が良すぎるため動粘度が低下してしまっている。これに対して比較例18ではジフルオロメタンと油との溶解性や動粘度は適正な範囲となっているが、比較例1で示したように低温側臨界溶解温度が高すぎるため適用は難しい。
実施例22〜27及び比較例12〜16においては、図1に示すルームエアコンを用い、室内機を恒温室(室温35℃、湿度75%)に設置して2160時間運転する実機試験を行った。
2:四方弁
3:室外熱交換器
4:膨張手段
5:室内熱交換器
6:固定スクロール部材
7:端板
8:渦巻状ラップ
9:旋回スクロール部材
10:ラップ
11:クランクシャフト
12、12a、12b:圧縮室
13:吐出口
14:フレーム
15:圧力容器
16:吐出パイプ
17:電動モータ
18:滑り軸受け
19:油孔
20:油溜め部
50:ルームエアコン
51:室内機
52:室外機
Claims (11)
- 摺動部を有する冷媒圧縮部を備え、冷媒であるジフルオロメタンと、冷凍機油とを封入した冷凍空調用圧縮機であって、前記冷凍機油は、40℃における動粘度が30〜100mm2/sであり、前記冷媒と前記冷凍機油との低温側臨界溶解温度が+10℃以下であることを特徴とする冷凍空調用圧縮機。
- 前記冷凍機油は、60℃、2.5MPaの条件下における油に対する冷媒溶解量が17〜22重量%であり、冷媒溶解時の油粘度が3.0〜5.0mm2/sであることを特徴とする請求項1に記載の冷凍空調用圧縮機。
- 前記冷凍機油は、ポリオールエステル油又はポリビニルエーテル油であることを特徴とする請求項1に記載の冷凍空調用圧縮機。
- 前記冷凍機油は、ポリオールエステル油又はポリビニルエーテル油であることを特徴とする請求項2に記載の冷凍空調用圧縮機。
- 請求項1〜10のいずれか一項に記載の冷凍空調用圧縮機を用いたことを特徴とする冷凍空調装置。
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