(57)【要約】【課題】  二酸化炭素冷媒を吸収圧縮する電動圧縮機の冷凍機油の油戻り性を確保でき、かつ電動圧縮機の漏れ電流を許容値以下に抑える。【解決手段】  二酸化炭素冷媒を吸収圧縮する密閉型電動圧縮機１Ａ、１Bに用いる冷凍機油として、複数の油を混合して誘電率が最大３．０となるように調整し、二酸化炭素と程好い相溶性を有する冷凍機油を用いることにより、非相溶性の冷凍機油を単独で用いた場合の問題であった圧縮機への油戻り性を確保して圧縮機摺動部における摩耗を防止するとともに、相溶性の冷凍機油を単独で用いた場合の問題であった電動圧縮機の漏れ電流を法定の許容値以下に抑える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素冷媒を吸入圧縮する密閉型電動圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒の熱を放熱する第１の熱交換器と、該第１の熱交換器から流出する冷媒を減圧する減圧器と、前記減圧器にて減圧された冷媒の熱を吸熱する第２の熱交換器とを介して循環する冷凍サイクルを備え、前記第１の熱交換器により給水を加熱して給湯するヒートポンプ式給湯機であって、前記密閉型電動圧縮機の冷凍機油は、複数の油を混合して誘電率が最大３．０となるように調整された冷凍機油であることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
【請求項２】
前記冷凍機油は、二酸化炭素との相溶性が高い油と、二酸化炭素との相溶性が低い油の少なくとも２つの油を混合してなることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項３】
前記二酸化炭素との相溶性が高い油は、ポリオールエステル油であり、前記二酸化炭素との相溶性が低い油は、ポリαオレフィン油と鉱油の少なくとも一方であることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項４】
前記冷凍機油は、前記ポリオールエステル油の混合割合が５乃至７０重量％の範囲であることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項５】
前記冷凍機油は、動粘度が１００℃で５乃至１５ｍｍ２／ｓの範囲であり、かつ粘度指数が１００以上であることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項６】
前記ポリオールエステル油は、下記の式１乃至２（式中、Ｒは炭素数５乃至１２のアルキル基を表す。）であることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ式給湯機。
【化１】
2006275339.tif 000005
【化２】
2006275339.tif 000006
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ式給湯機に係り、具体的には、二酸化炭素冷媒を用いた冷凍サイクルの密閉型電動圧縮機に用いる冷凍機油の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、冷凍サイクルに用いる冷媒として、地球環境保全、不燃性、低毒性といった観点から、自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ２）が注目されている。この二酸化炭素冷媒を適用可能な製品としては、ヒートポンプ式給湯機の他に、電動カーエアコン、寒冷地用暖房機器、自動販売器などが挙げられる。
【０００３】
また、地球環境問題の観点から更なる省エネルギー化及び高効率化が要求され、二酸化炭素冷媒を用いたヒートポンプ式給湯機が用いられている。このヒートポンプ式給湯機によれば、一般家庭用給湯機の主流であるガス式と比べてランニングコストが約１／５と低く、電気温水器と比べても成績係数（ＣＯＰ：Coefficient of Performance）が３．０以上の高効率化が可能であるという利点がある。また、ヒートポンプ式給湯機の冷媒として、ＨＦＣ（Hydro Fluoro Carbons）を適用すると、冷媒の熱物性から最高で約６０℃の給湯しかできず、また高出力の圧縮機が必要となるのに対し、二酸化炭素冷媒を用いたヒートポンプ式給湯機の場合は、冷媒の熱物性から約９０℃の出湯も可能である。
【０００４】
ここで、ヒートポンプ式給湯機には２通りの給湯方式があり、一つは、深夜電力を利用してヒートポンプサイクルを稼動し、家庭が一日で使用するお湯をタンクに貯めておく貯湯方式である。他の一つは、お湯を使用する度に、ヒートポンプサイクルを起動して必要量だけ給湯する瞬間式である。この瞬間式の場合、ヒートポンプサイクルによって実際に給湯可能になるまでの間の給湯を賄う、補助的な小容量の貯湯タンクは必要である。一般には、貯湯方式が主流であるが、貯湯タンクの容量によってお湯の使用量が制限されるため、大容量の貯湯タンクが必要となり、ヒートポンプサイクルユニット内に貯湯タンクを収納できず、別に貯湯タンクユニットが必要になることから、設置スペースが広くなるとともに、重量が重くなってしまう等の問題がある。これに対して、瞬間式の場合では高出力の圧縮機が必要となる問題があるが、その都度運転して給湯するので湯切れの心配もなく、補助的な小容量の貯湯タンクで済む。そのため、ヒートポンプサイクルユニット内に貯湯タンクを納めることができ、設置スペースが小さく、かつ軽量にすることができるから、マンション等の集合住宅といった狭いスペースにも設置し易い。また、貯湯方式と比べ稼働時間が大幅に少なくなるので、ＣＯＰも向上し、更なる省エネルギー化が図れる等の利点がある。
【０００５】
ところで、冷凍サイクルの圧縮機においては、摺動部の潤滑、密封、冷却等のために、一般に、圧縮機の冷凍機油を冷媒中に封入して用いられる。しかし、二酸化炭素冷媒を用いた冷凍サイクルにおける圧縮機の圧縮条件は、高温（１２０〜１３０℃）、高圧（約１５ＭＰａ）であることから、適用する冷凍機油の使用条件も厳しいものとなる。そのため、圧縮機の信頼性確保の面から潤滑性、更には省エネルギー化、高効率化に対応することができる性状の冷凍機油が要求されている。また、電動圧縮機の絶縁材には、エステル系絶縁フィルム（主に耐熱ＰＥＴ：Poly Ethylene Terephtalate
）が使用されていることから、系内に水分が多量に存在すると炭酸水素イオンとプロトンを生成するため、従来のＨＦＣ冷媒雰囲気よりも劣化が著しいので、吸水性の低い冷凍機油が好ましい。
【０００６】
二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプ式給湯機に採用されている冷凍機油は、特許文献１に記載されているように、冷媒との相溶性や熱化学安定性が優れるということから、両末端がアルキル化されたポリアルキレングリコール油が主流である。しかし、ポリアルキレングリコール油は、電気絶縁油としての体積抵抗率が規格（１０１３Ω・ｃｍ）を大きく下回り、更に誘電率εが非常に高い（ε＝約５．０）ため、電動圧縮機の稼動時における漏れ電流が増大し、電気用品安全法により定められた漏れ（リーク）電流の許容値（１．０ｍＡ以下）を満足することが難しいという問題がある。なお、電気用品安全法は、電気用品の製造、輸入、販売等を規制するとともに、電気用品の安全性の確保につき民間事業者の自主的な活動を促進することにより、電気用品による危険及び障害の発生を防止することを目的とする法律である。ところで、電動圧縮機の稼動時における漏れ電流は、電動機の回転数に相関して増大することが知られており、瞬間式のヒートポンプ給湯機のように、始動時から大容量の電動圧縮機を高速回転させる用途の場合は、漏れ電流が非常に大きくなる。また、ポリアルキレングリコール油は吸水性が高いことから、水分管理のための設備や時間が必要になる。さらに、ポリアルキレングリコール油は加水分解に対しては安定であるため、油中水分は電動圧縮機内のエステル系絶縁フィルムの加水分解に寄与し、絶縁特性を低下させてしまう。
【０００７】
一方、特許文献２には、ポリアルキレングリコール油以外の二酸化炭素と相溶性を持つ冷凍機油として、ポリオールエステル油が記載されている。しかし、ポリオールエステル油は、二酸化炭素冷媒との相溶性が高すぎることから、圧縮機内での溶解粘度が大幅に低下し、封入する油粘度も非常に高くなって、圧縮部のシール性が低下して、圧縮効率の向上が制限される。特に、二酸化炭素を用いたヒートポンプサイクルは、超臨界状態で運転されるため、相溶性が高すぎると圧縮機から流出して冷凍サイクルを循環する油が多くなり、圧力損失や熱交換効率が大幅に低下するおそれがある。
【０００８】
これに対して、特許文献３、４等には、誘電率等の電気特性に優れ、吸水性が低く、かつ二酸化炭素と非相溶性を示す炭化水素油を用いることが提案されている。しかし、炭化水素油は、潤滑性が劣るため、二酸化炭素を冷媒とする過酷な摺動条件には適用することができない。また、炭化水素油であっても、ポリαオレフィン油は、粘度指数が高く低温流動性に優れるが、圧縮機への戻り量の面では万全ではない。また、アルキルベンゼン油は粘度指数が小さいため冷凍サイクルの低温部での粘度が増大し滞留するため不向きである。
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−４６１６９号公報
【特許文献２】特開２０００−１０４０８４号公報
【特許文献３】特開２００１−２９４８８６号公報
【特許文献４】特開２０００−１１０７２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
基本的に、二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプ式給湯機の電動圧縮機に用いる冷凍機油として、特許文献３、４に記載されたような、二酸化炭素に溶け込まない又は溶け込みにくい性質（非相溶性）を有する例えばポリαオレフィン油や鉱物油などの炭化水素油を用いると、圧縮機の摺動部のシール性が良好で、圧縮効率が向上すので好ましい。また、これらの炭化水素油は、誘電率が小さく、かつ吸水性が低いから、漏れ電流の増大や絶縁劣化の問題はない。
【００１１】
しかし、炭化水素油は、二酸化炭素との相溶性が無くても、あるいは相溶性が小さくても、超臨界状態で運転される圧縮機の高温によって流動性が増し、冷凍機油が冷媒とともに圧縮機から流出して冷凍サイクルを循環することになる。その循環される冷凍機油は、冷凍サイクルの低温部に達すると、流動性が低下して滞留してしまうことになる。そのため、圧縮機への油戻り量が減少して、ついには圧縮機内の油量が減少して、摺動部の油切れが起こり、磨耗もしくは焼き付きなどの不具合が生ずるという問題がある。なお、ポリαオレフィン油は、粘度指数が高く、低温流動性に優れているが、圧縮機への油戻り量の面では必ずしも万全ではない。
【００１２】
そこで、圧縮機への油戻り量を確保するには、二酸化炭素と相溶性を有する冷凍機油が好ましいことになる。しかし、二酸化炭素との相溶性を有するポリアルキレングリコール油は、電気特性、特に誘電率が非常に高いため、電動圧縮機の稼動時における漏れ電流が増大し、法定の漏れ電流の許容値を満足することが難しいという問題がある。また、ポリアルキレングリコール油は、吸水性が高いことから、電動圧縮機の絶縁特性を低下させてしまうという問題がある。つまり、冷凍サイクル内に水分が存在すると、二酸化炭素冷媒が炭酸になってエステル系絶縁フィルムの大幅な機械強度の低下や、伸び低下を引き起こすという問題がある。
【００１３】
さらに、二酸化炭素との相溶性を有するポリオールエステル油は、二酸化炭素冷媒との相溶性が高過ぎるため、超臨界状態で運転される二酸化炭素を用いたヒートポンプサイクルの場合、圧縮機から流出して冷凍サイクルを循環する油が多くなり、圧力損失や熱交換効率が大幅に低下するおそれがある。
【００１４】
そこで、本発明は、二酸化炭素冷媒を吸収圧縮する電動圧縮機の冷凍機油の油戻り性を確保でき、かつ電動圧縮機の漏れ電流を許容値以下に抑えることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、上記課題を解決するため、密閉型電動圧縮機に用いる冷凍機油として、複数の油を混合して誘電率が最大３．０となるように調整された冷凍機油でを用いることを特徴とする。
【００１６】
基本的に、二酸化炭素冷媒を圧縮する電動圧縮機に用いる冷凍機油は、油戻り性を考慮すると、二酸化炭素と程好い相溶性を有する冷凍機油が好ましい。本発明は、油戻り性に優れる二酸化炭素との相溶性を有する冷凍機油は、誘電率が高く漏れ電流が大きくなるのに対し、二酸化炭素との相溶性を有しない（又は、相溶性が小さい）冷凍機油は油戻り性に劣るが、誘電率が低いので漏れ電流が小さいという、相反する特性に着目してなされたものである。
【００１７】
すなわち、複数の油を混合して誘電率が最大３．０となるように調整することにより、二酸化炭素と程好い相溶性を有する冷凍機油を得ることができる。これにより、非相溶性の冷凍機油を単独で用いた場合の問題であった圧縮機への油戻り性を確保して、圧縮機摺動部における摩耗を防止できるとともに、相溶性の冷凍機油を単独で用いた場合の問題であった電動圧縮機の漏れ電流を法定の許容値以下に抑えることができる。ここで、二酸化炭素と程好い相溶性を有する冷凍機油とは、圧縮機への油戻り量を確保することができる粘度指数と低温流動性に優れた冷凍機油を意味する。また、誘電率はＪＩＳ  Ｃ  ２１０１に規定の測定法により計測する。
【００１８】
そこで、混合する複数の油は、少なくとも、二酸化炭素との相溶性が高い油と、二酸化炭素との相溶性が低い油を混合することが好ましい。例えば、二酸化炭素との相溶性が高い油はポリオールエステル油であり、二酸化炭素との相溶性が低い油はポリαオレフィン油と鉱油の少なくとも一方を選択することが好ましい。鉱油としてはナフテン系鉱油やパラフィン系鉱油のいずれをも用いることができる。
【００１９】
この場合、ポリオールエステル油の混合割合は、５乃至７０重量％の範囲とし、残余は、潤滑性向上剤や酸化防止剤等の一般的な添加剤を除き、ポリαオレフィン油と鉱油の少なくとも一方とすることができる。さらに、好ましくは、ポリオールエステル油の混合割合は、５重量％〜３０重量％の範囲とする。ポリオールエステル油の配合割合が５重量％未満では圧縮機への充分な油戻り量が得られず、混合油の潤滑性も劣るため摺動部の摩耗が増加してしまう。また、ポリオールエステル油の配合割合が７０重量％を超えると、冷凍サイクルへの油流出が多くなり、圧力損失や熱交換効率が大幅に低下するおそれがある。しかも、ポリオールエステル油は、吸水性があることから、水分管理が容易でなくなり、加水分解に起因する油劣化が進行するので好ましくない。
【００２０】
また、ポリオールエステル油にポリαオレフィン油と鉱油の少なくとも一方を混合して得られる冷凍機油は、動粘度が１００℃で５乃至１５ｍｍ２／ｓの範囲であり、かつ粘度指数が１００以上であることが好ましい。つまり、二酸化炭素の透過性が大きいため、本発明の冷凍機油の粘度は、フロン系冷媒の冷凍機油と比べて若干高めの粘度グレードとすることが、シール性の上で好ましい。具体的には、ロータリー式冷媒圧縮機の場合は、１００℃の粘度が２〜８ｍｍ２／ｓ、スクロール式圧縮機の場合では，１００℃で７〜１５ｍｍ２／ｓの範囲が好ましい。つまり。１００℃における動粘度がこれ以下であると、圧縮機の十分な耐摩耗性が得られなくなること、更にはシール性が十分に保たれなくなり、圧縮効率が低下してしまうからである。また、１００℃における動粘度がこれを超えてしまうと粘性抵抗、機械損失が増大することから、圧縮機効率を低下させ、更には粘性が大きくなり圧縮機への油戻り量が少なくなってしまう問題があるからである。なお、冷凍機油の粘度はＪＩＳ  Ｋ  ２２８３に規定の測定法で計測する。
【００２１】
また、本発明の冷凍機油の粘度指数は、冷凍サイクル低温部での冷凍機油の滞留を考慮し、圧縮機への油戻り量が確保しやすい粘度指数が１００以上が好ましい。なお、本発明の冷凍機油には、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。
【００２２】
また、ポリαオレフィン油は、分子量分布を有しているが、炭素数が２０〜５０の範囲からなる成分が全体の５０重量％以上含むものが好ましい。炭素数が２０以下の成分を多く含むと圧縮機内で高圧化された超臨界状態の二酸化炭素冷媒により圧縮機から油流出し易くなり、炭素数が５０以上の成分を多く含むと低温での流動性が著しく低下するので好ましくない。
【００２３】
また、ポリオールエステル油としては、多価アルコールと１価の脂肪酸とから合成され、熱安定性に優れるヒンダードタイプが好ましい。例えば、多価アルコールとしては、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトールがある。１価の脂肪酸としては、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、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、これら単独又は２種類以上の混合脂肪酸を用いる。特に、冷凍機油の基油として、分子中にエステル結合を少なくとも４ケ保有する下記の一般式（化１）乃至（化２）で示される脂肪酸のエステル油の群から選ばれる少なくとも１種が好ましい。但し、同式中のＲは、炭素数５〜１２のアルキル基を表している。
【００２４】
【化１】
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【００２５】
【化２】
2006275339.tif 000004
【００２６】
また、鉱油としては、ナフテン系鉱油やパラフィン系鉱油を用いることができる。例えば、パラフィン基系原油、中間基系原油あるいはナフテン基系原油を常圧蒸留するか、あるいは常圧蒸留の残渣油を減圧蒸留して得られる留出油を常法に従って精製することによって得られる精製油、あるいは精製後更に深脱ロウ処理することによって得られる深脱ろう油、更には水素化処理によって得られる水素化処理油などが挙げられる。その際の精製法は特に制限はなく様々な方法が使用される。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、二酸化炭素冷媒を吸収圧縮する電動圧縮機の冷凍機油の油戻り性を確保でき、かつ電動圧縮機の漏れ電流を許容値以下に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。ここでは、本発明を二酸化炭素を用いたヒートポンプ式給湯機（以下、給湯機と略す。）に適用した実施形態を説明するが、本発明は、これに限定されるものではなく、二酸化炭素冷媒を用いた電動カーエアコン、寒冷地向暖房器具、自動販売器等にも適用できる。
【００２９】
図1に一実施形態の給湯機の基本的な系統構成図を示し、図2に本実施形態の主要機器の配置図を示す。図1に示すように、本実施形態の給湯機は、二酸化炭素冷媒が循環する冷媒サイクルと、給水された水を加熱するサイクルとに分類される。図中の実線が冷媒サイクルであり、破線が水サイクルとなっている。また、本実施形態の給湯機は、お湯を使用する度に、ヒートポンプサイクルを起動して必要量だけ給湯する瞬間式であるが、これに限定されるものではない。しかし、瞬間式の給湯機は、高出力圧縮機を搭載することから、特に、漏れ電流や圧縮機の摩耗が問題になる。また、瞬間式は高出力を要するため、本実施形態では、冷媒サイクルを二系統有するものを示しているが、これに限定されるものではない。
【００３０】
まず、二酸化炭素冷媒サイクルについて説明する。圧縮機１Ａ、１Ｂは、低温、低圧の冷媒ガスを圧縮し、高温及び高圧の冷媒ガスを吐出して水冷媒熱交換器２に送る。水冷媒熱交換器２に送られた冷媒ガスは、その熱を給水された低温の水に顕熱交換する。その後、電動膨張弁３A、３Ｂを通り、低温及び低圧の冷媒となって空気側熱交換器４Ａ、４Ｂへ送られる。空気側熱交換器４Ａ、４Ｂに入った冷媒は周囲から熱を吸収して蒸発し、送風ファン５Ａ、５Ｂにより冷気を放出する。空気側熱交換器４Ａ、４Ｂを出た低温及び低圧の冷媒ガスは、再び圧縮機１Ａ、１Ｂに吸込まれ、以下同じサイクルが繰り返される構成となっている。二酸化炭素冷媒は、超臨界サイクルとなるため高圧側は臨界点を超え、圧力を任意で設定できることから容易に１００℃近い高温水を得ることが可能である。
【００３１】
次に、水を加熱するサイクルについて説明する。給水口６から供給された低温の水は、水冷媒熱交換器２に送られて冷媒から熱を得てお湯となり、貯湯タンク７に一旦送られた後、出湯口８から給湯される。その際に給水された水は、水冷媒熱交換器２から直接送られてきたお湯と混合され、出湯口８に供給するお湯の温度を調節するためにも使用される。また、水冷媒熱交換器２は給水された水以外にも、保温のため貯湯タンク７のお湯を再加熱したり、図示はしていないが、風呂浴槽の追い炊き等、更には床暖房や浴室暖房といった家庭用のトータルエネルギーシステムとしての熱源にも使用される。
一般的なヒートポンプ式給湯機の貯湯方式では、大容量の貯湯タンクを必要とするため熱源ニユットと貯湯タンクユニットを別々のキャビネットに収納するが、本実施形態の瞬間式の場合は、貯湯タンク７は容量が小さい補助タンクで済む。そのため、図２に示すように、熱源ユニットと貯湯タンクユニットの一体型が可能であり、設備のコンパクト化が図れる。
【００３２】
圧縮機１Ａ、１Ｂとしては、スクロール式やロータリー式等の容積形圧縮機が主に用いられるが、一例として、横置スクロール式圧縮機を用いた密閉型電動圧縮機の縦断面図を図３に示す。図示のように、圧縮機１Ａ、１Ｂは、固定スクロール部材９の端板１０に直立する渦巻状ラップ１１と、この固定スクロール部材９と実質的に同一形状の端板１２とラップ１３からなる旋回スクロール部材１４とを、互いにラップ１１とラップ１３とを向い合わせにして噛み合わせて圧縮機構部を形成している。そして、旋回スクロール部材１４をクランクシャフト１５によって旋回運動させると、固定スクロール部材９及び旋回スクロール部材１４によって形成される圧縮室１５ａ、１５ｂ……のうち、最も外側に位置している圧縮室は、旋回運動にともなって容積が次第に縮小しながら、両スクロール部材９、１４の中心に向かって移動していく。圧縮室１５ａ、１５ｂ……が両スクロール部材９、１４の中心近傍に達したとき、圧縮室１５ａ、１５ｂ……が吐出口１６と連通して、両圧縮室内の圧縮ガスが吐出パイプ１７から圧縮機外に吐出される。
【００３３】
図３の圧縮機では、圧力容器１８内に電動モーター１９が内蔵されており、圧縮機は一定速あるいは図示し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１５が回転し、圧縮動作を行う。また、吐出パイプ１７の下部に油溜め部が設けられており、この冷凍機油２０は圧力差によってクランクシャフト１５に設けられた油孔２１を通って、旋回スクロール部材１４とクランクシャフト１５との摺動部、滑り軸受け２２等の潤滑に供給される。
【００３４】
次に、本実施形態の二酸化炭素を冷媒とする給湯機の圧縮機１Ａ、１Ｂに用いた冷凍機油の実施例について、以下に説明する。
（実施例１）
【００３５】
実施例１では、図１の実施形態の給湯機を用いて２１６０時間運転する実機試験を行った。この実機試験は、夏期条件である２０℃の恒温室内で給湯機を運転し、給湯温度を高温貯湯条件である６０℃に設定した。また、図４に、本発明の実施例及び比較例で用いる化合物（冷凍機油）Ａ〜Kの性状乃至特性を示す。同図において、化合物の種類のＰＡＯはポリαオレフィン油、ＰＯＥは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分岐鎖混合脂肪酸エステル）、ＰＡＧはポリアルキレングリコール油（ポリプロピレンの両末端ジメチルエーテル）である。
【００３６】
実施例１の冷凍機油は、図５に示すように、図４の化合物Ａ（ＰＡＯ）と化合物Ｂ（ＰＯＥ）を８０／２０重量％で混合して圧縮機に封入した。図５の比較例１〜３では、実施例１の混合油を構成する成分である化合物Ａ（ＰＡＯ）単独と、化合物Ｂ（ＰＯＥ）単独と、二酸化炭素用冷凍機油として主流である化合物Ｃ（ＰＡＧ）を圧縮機に封入し、実施例１と同様の実機試験を実施した。
【００３７】
ここで、実機試験における冷凍機油の評価項目について説明する。給湯機の信頼性を確保する上では、圧縮機の摩耗を抑制することが重要である。そのため給湯機の評価には圧縮機の摩耗状態に着眼し、試験前後での滑り軸受けとシャフト間の摩耗による隙間増加量を測定した。滑り軸受けとシャフト間の隙間増加量が増えるほど摩耗量が大きいことを示し、一般に隙間増加量が増えるに伴い振動や騒音が大きくなる。また、運転後の圧縮機の冷凍機油残量を調べ、試験に用いた冷凍機油の全酸価を測定した。一般に、冷媒との相溶性が劣ると圧縮機への油戻り量が少なくなり、摺動部の潤滑不良を起こすと言われる。更に、漏れ電流を測定するため、フィルタ回路の一方を交流電源とアースに接続し、もう一方の端子間の交流電圧を測定し、この電圧を１ｋΩで除した値を漏れ電流として測定した。給湯機の起動時に漏れ電流が多くなることから、運転開始１分間で最も高い電流値を図５に記載した。また、ＣＯＰ（Coefficient of Performance）を測定し、比較例３のＣＯＰを１００％（基準）として記載した。
【００３８】
本試験の目標値は、滑り軸受けとシャフト間の摩耗による隙間増加量が１５μｍ以下、漏れ電流値が１．０ｍＡ以下、試験後の圧縮機内残油量が減少しない、ＣＯＰが比較例３を１００％とした場合に１００％以上、全酸価０．１ｍｇＫＯＨ／ｇ以下であることの全項目を満たすことを目標とした。
【００３９】
実施例１及び比較例１〜３の評価結果は、図５に示すとおりである。同図中の(   )内は、混合油の重量混合割合を示す。図５には、実施例及び比較例の冷凍機油の誘電率、粘度指数を併記した。図５から明らかなように、本発明の実施例１の冷凍機油は、比較例１、２の冷凍機油と比べて、摩耗を抑制することができ、これによって給湯機の高い信頼性が得られる。また、実施例１の冷凍機油を用いた給湯機の漏れ電流は、問題がない程度であったのに対し、比較例３に示す冷凍機油を用いた給湯機は漏れ電流が非常に大きく、感電の問題がある。また、図５に併記したように、誘電率は使用した冷凍機油によって異なり、特に比較例３のポリアルキレングリコール油は電気特性が劣る。実施例１の冷凍機油を用いた給湯機の場合、残油量についても、二酸化炭素と相溶性を示す比較例２、３と大差がなく、十分な圧縮機への油戻りが確保されている。一方、比較例１は、冷媒と非相溶性を示す冷凍機油であるため冷媒サイクルの低温部である電動膨張弁３から空気側熱交換器４に大量に滞留してしまい圧縮機内の残油量が大幅に低下し、摩耗が増加している。
【００４０】
また、実施例１の冷凍機油を用いた給湯機は、混合油を構成する化合物Ａに二酸化炭素冷媒が溶解しないことから、圧縮部のシール性が十分に確保でき、比較例３と比較してＣＯＰが向上している。これに対して、比較例２は冷凍機油に対する冷媒の溶解性が非常に大きいため、圧縮機から冷媒サイクルへの油上がり量が増大して熱交換効率を低下させている。また、冷媒が溶け込み易いことから溶解粘度が低下し、圧縮機圧縮部での十分なシール性が保たれなくなっているのでＣＯＰが低下している。また、実施例１の冷凍機油の全酸価は問題がない程度であったが、比較例２のポリオールエステル油は加水分解に由来する劣化が生じているため全酸価値が高い。
【００４１】
図５に示した比較例１〜３のように、１種類の冷凍機油を単独で用いた給湯機の場合には、評価項目の全てを満たす給湯機は得られないことがわかる。なお、図５には示していないが、ポリαオレフィン油に代えて、鉱油を用いても実施例１と同様な結果が得られた。
（実施例２〜実施例６）
【００４２】
次に、給湯機の設置温度を実施例１よりも低い中間期条件の７℃に設定し、その他条件は実施例１と同様な試験を行い、図６に示す評価結果が得られた。なお、測定した評価項目も図５と同様である。
【００４３】
実施例２〜６は、実施例１において性能の向上を確かめられた化合物Ａと化合物Ｂの混合油を用い、混合油の濃度を変えたものである。また、比較例４、５は、化合物Ａと化合物Ｂにおける化合物Ｂの混合濃度が５重量％以下のもの、７０重量％を越えるものを用いた。比較例６は、二酸化炭素用冷凍機油として主流である化合物Ｃを用いて、同様の実機試験を実施した。
【００４４】
実施例２〜６及び比較例４〜６の評価結果は、図６に示すとおりである。同図中の(   )内は、混合油の重量混合割合を示す。図６には、実施例及び比較例の冷凍機油の誘電率、粘度指数を併記した。図６から明らかなように、本発明の実施例２〜６の冷凍機油を用いた給湯機は、化合物Ｂ（ＰＯＥ）の混合割合を５重量〜７０重量％とすることで、滑り軸受けとシャフト間の隙間増加量を低減でき、かつ、比較例６と比べて漏れ電流を大幅に抑制できることがわかる。また、残油量も十分であり、比較例６を基準としたＣＯＰも向上もしくは維持可能である。試験に用いた実施例２〜６の冷凍機油の全酸価も増加していないことを確認した。
【００４５】
これに対して、比較例４の化合物Ｂ（ＰＯＥ）の混合濃度を３重量％とした混合油を用いた給湯機は、二酸化炭素との相溶性が十分でないため残油量が少なくなり、滑り軸受け〜シャフト間の隙間増加量が大きくなっている。また、比較例５で示すように化合物Ｂ（ＰＯＥ）の混合濃度が７０重量％を超える混合油を用いた給湯機は、冷凍機油に対する冷媒の溶解性が非常に大きいため、圧縮機から冷媒サイクルへの油上がり量が増大して熱交換効率を低下させることがわかる。また、冷媒が溶け込み易いことから溶解粘度が低下し、圧縮機圧縮部での十分なシール性が保たれなくなっているのでＣＯＰが低下しており、試験油の全酸価が高い。
【００４６】
このように、化合物Ａ（ポリαオレフィン油）に対する化合物Ｂ（ポリオールエステル油）の混合割合が５重量〜７０重量％の範囲内の混合油を冷凍機油として用いた給湯機の場合は、評価項目を全て満たす給湯機が得られる。なお、化合物Ａ（ポリαオレフィン油）に対する化合物Ｂ（ポリオールエステル油）の混合割合は、混合油の相溶性や耐加水分解性を考慮して１０重量％〜３０重量％の割合で配合することがより好ましい。
（実施例７）〜（実施例９）
【００４７】
次に、給湯機の設置温度を実施例２〜６よりも低い冬期条件の−５℃設定し、その他条件は実施例１と同様な試験を行い、図７に示す評価結果が得られた。なお、測定した評価項目は図５と同様である。
【００４８】
実施例７〜９は、実施例２〜６において性能の向上を確かめられた化合物Ａ（ポリαオレフィン油）と化合物Ｂ（ポリオールエステル油）の混合油の濃度を８０／２０重量％で固定し、混合油の粘度を変えて実機試験を行ったのもである。実施例７では、冷凍機油として図４に示す化合物Ｄ（ＰＡＯ）と化合物Ｅ（ＰＯＥ）の混合油を用いた。実施例８は、実施例１と同様の混合油を用い、実施例９では化合物Ｆ（ＰＡＯ）と化合物Ｇ（ＰＯＥ）の混合油を用い、その粘度を５〜１５ｍｍ２／ｓの範囲とした。
【００４９】
一方、比較例７では、化合物Ｈ（ＰＡＯ）と化合物Ｉ（ＰＯＥ）の混合油を用い、実施例８は、化合物Ｊ（ＰＡＯ）と化合物Ｋ（ＰＯＥ）の混合油を用い、その粘度が５ｍｍ２／ｓ以下のもの、１５ｍｍ２／ｓを越えるものを用いた。比較例９では、化合物Ｃ（ＰＡＧ）を用いて、実施例７と同様の実機試験を実施した。
【００５０】
実施例７〜９及び比較例７〜９の試験結果を図７に示す。図中の(   )内は混合油の重量割合を示す。また、図７には、実施例及び比較例の冷凍機油の誘電率、粘度指数を併記している。図７から明らかなように、本発明の実施例２〜６の冷凍機油を用いた給湯機は、圧縮機に封入したＰＡＯ（ポリαオレフィン油）とＰＯＥ（ポリオールエステル油）との混合油の粘度を５〜１５ｍｍ２／ｓの範囲とすることで、滑り軸受けとシャフト間の隙間増加量を低減でき、かつ、比較例９と比べて漏れ電流を大幅に抑制できることがわかる。また、残油量も十分であり、比較例９を基準としたＣＯＰも向上もしくは維持可能である。試験に用いた冷凍機油の全酸価も増加していないことを確認した。
【００５１】
これに対して、比較例７の粘度が５ｍｍ２／ｓ以下の混合油を用いた給湯機は、粘度が低すぎ、十分な油膜が形成されず、滑り軸受けとシャフト間の隙間増加量が大きくなり、更に圧縮部での十分なシール性が保たれずにＣＯＰが低下している。逆に、比較例８で示すように、混合油の粘度が高すぎると、圧縮機の粘性抵抗、機械損失が増大することからＣＯＰを低下させている。
【００５２】
これらのことから、本発明の実施例７〜９によれば、ＰＡＯ（ポリαオレフィン油）とＰＯＥ（ポリオールエステル油）との混合油の粘度を５〜１５ｍｍ２／ｓの範囲とすることで、評価項目の全てを満たす給湯機が得られた。
（実施例１０）
【００５３】
次に、給湯機の設置温度を実施例７〜９よりも低い厳冬期条件の−１５℃設定し、その他条件は実施例１と同様な試験を行い、図８に示す評価結果が得られた。なお、測定した評価項目は図５と同様である。
【００５４】
実施例１０は、実施例８と同じく、化合物Ａ（ＰＡＯ）と化合物Ｂ（ＰＯＥ）の混合油の濃度を８０／２０重量％のものを用いて実機試験を行ったのもである。比較例１０は、比較例９と同じく、二酸化炭素用冷凍機油として主流である化合物Ｃ（ＰＡＧ）を用いた。
【００５５】
図８から明らかなように、実施例１０を用いた試験によれば、実施例８に比べて、滑り軸受け隙間増加量、漏れ電流及び全酸価が若干悪化するが、残油量については問題無し、ＣＯＰについては比較例１０に優るという結果が得られた。このことから、本発明の実施例１０の冷凍機油は、−１５℃の環境でも用いることができることがわかる。
【００５６】
以上、実施例１〜１０の冷凍機油を用いた給湯機の試験結果から、本発明に係る冷凍機油を用いた給湯機によれば、圧縮機への油戻り量を十分に確保して圧縮機の摩耗を抑制でき、かつ冷凍機油の誘電率を３．０以下に抑えることができるから、漏れ電流を許容値以下に抑制可能である。更に、圧縮機への油戻り量を十分に確保できるから、ＣＯＰを向上できる。
【００５７】
なお、本実施形態の給湯機においては、密閉型電動圧縮機として高圧チャンバ方式のスクロール式圧縮機を用いたが、本発明はこれに限らず、２段圧縮ロータリー式圧縮機やローラとベーンが一体化されたスイング式圧縮機でも同様な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施形態のヒートポンプ式給湯機の基本的な系統構成図を示す。
【図２】図１実施形態の主要機器の配置図を示す図である。
【図３】本発明が適用可能な密閉型電動圧縮機の一実施形態の横置スクロール式圧縮機の縦断面図を示す。
【図４】本発明の実施例の冷凍機油で用いる化合物Ａ（ＰＡＯ）と化合物Ｂ（ＰＯＥ）の性状乃至特性が異なる化合物を示す図である。
【図５】本発明の実施例１に係る冷凍機油を用いて実施したヒートポンプ式給湯機の試験結果の評価項目と、比較例１〜３の冷凍機油を用いて実施したヒートポンプ式給湯機の試験結果の評価項目とを対比して示す図である。
【図６】本発明の実施例２〜６に係る冷凍機油を用いて実施したヒートポンプ式給湯機の試験結果の評価項目と、比較例４〜６の冷凍機油を用いて実施したヒートポンプ式給湯機の試験結果の評価項目とを対比して示す図である。
【図７】本発明の実施例７〜９に係る冷凍機油を用いて実施したヒートポンプ式給湯機の試験結果の評価項目と、比較例７〜９の冷凍機油を用いて実施したヒートポンプ式給湯機の試験結果の評価項目とを対比して示す図である。
【図８】本発明の実施例１０に係る冷凍機油を用いて実施したヒートポンプ式給湯機の試験結果の評価項目と、比較例１０の冷凍機油を用いて実施したヒートポンプ式給湯機の試験結果の評価項目とを対比して示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１Ａ、１B  圧縮機
２  水冷媒熱交換器
３Ａ、３Ｂ  電動膨張弁
４Ａ、４Ｂ  空気側熱交換器
５Ａ、５Ｂ  送風ファン
６  給水口
７  貯湯タンク
８  出湯口
９  固定スクロール部材
１０、１２  端板
１１  渦巻状ラップ
１３  ラップ
１４  旋回スクロール部材
１５  クランクシャフト
１６  吐出口
１８  圧力容器
１９  電動モーター
２０  冷凍機油
２２  滑り軸受け
【図１】
2006275339.tif 000007
【図２】
2006275339.tif 000008
【図３】
2006275339.tif 000009
【図４】
2006275339.tif 000010
【図５】
2006275339.tif 000011
【図６】
2006275339.tif 000012
【図７】
2006275339.tif 000013
【図８】
2006275339.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成18年1月26日(2006.1.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素冷媒を吸入圧縮する密閉型電動圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒の熱を放熱する第１の熱交換器と、該第１の熱交換器から流出する冷媒を減圧する減圧器と、前記減圧器にて減圧された冷媒の熱を吸熱する第２の熱交換器とを介して循環する冷凍サイクルを備え、前記第１の熱交換器により給水を加熱して給湯するヒートポンプ式給湯機であって、前記密閉型電動圧縮機の冷凍機油は、複数の油を混合して誘電率が最大３．０となるように調整された冷凍機油であることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
【請求項２】
前記冷凍機油は、二酸化炭素との相溶性が高い油と、二酸化炭素との相溶性が低い油の少なくとも２つの油を混合してなることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項３】
前記二酸化炭素との相溶性が高い油は、ポリオールエステル油であり、前記二酸化炭素との相溶性が低い油は、ポリαオレフィン油と鉱油の少なくとも一方であることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項４】
前記冷凍機油は、前記ポリオールエステル油の混合割合が５乃至７０重量％の範囲であることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項５】
前記冷凍機油は、動粘度が１００℃で５乃至１５ｍｍ２／ｓの範囲であり、かつ粘度指数が１００以上であることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項６】
前記ポリオールエステル油は、下記の式１乃至２（式中、Ｒは炭素数４乃至１１のアルキル基を表す。）であることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ式給湯機。
【化１】
2006275339.tif 000015
【化２】
2006275339.tif 000016
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
また、ポリオールエステル油としては、多価アルコールと１価の脂肪酸とから合成され、熱安定性に優れるヒンダードタイプが好ましい。例えば、多価アルコールとしては、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトールがある。１価の脂肪酸としては、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、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、これら単独又は２種類以上の混合脂肪酸を用いる。特に、冷凍機油の基油として、分子中にエステル結合を少なくとも４ケ保有する下記の一般式（化１）乃至（化２）で示される脂肪酸のエステル油の群から選ばれる少なくとも１種が好ましい。但し、同式中のＲは、炭素数４〜１１のアルキル基を表している。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
【化１】
2006275339.tif 000017
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
【化２】
2006275339.tif 000018
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
実施例２〜６は、実施例１において性能の向上を確かめられた化合物Ａと化合物Ｂの混合油を用い、混合油の濃度を変えたものである。また、比較例４、５は、化合物Ａと化合物Ｂにおける化合物Ｂの混合濃度が５重量％未満のもの、７０重量％を越えるものを用いた。比較例６は、二酸化炭素用冷凍機油として主流である化合物Ｃを用いて、同様の実機試験を実施した。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
一方、比較例７では、化合物Ｈ（ＰＡＯ）と化合物Ｉ（ＰＯＥ）の混合油を用い、比較例８は、化合物Ｊ（ＰＡＯ）と化合物Ｋ（ＰＯＥ）の混合油を用い、その粘度が５ｍｍ２／ｓ未満のもの、１５ｍｍ２／ｓを越えるものを用いた。比較例９では、化合物Ｃ（ＰＡＧ）を用いて、実施例７と同様の実機試験を実施した。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
これに対して、比較例７の粘度が５ｍｍ２／ｓ未満の混合油を用いた給湯機は、粘度が低すぎ、十分な油膜が形成されず、滑り軸受けとシャフト間の隙間増加量が大きくなり、更に圧縮部での十分なシール性が保たれずにＣＯＰが低下している。逆に、比較例８で示すように、混合油の粘度が高すぎると、圧縮機の粘性抵抗、機械損失が増大することからＣＯＰを低下させている。