(57)【要約】    【課題】  R410Aとエステル油の組合せにおいて寒冷地よる長期使用に耐え得る信頼性の高い冷媒圧縮機と冷凍装置とを実現することにある。    【解決手段】  本発明はR410Aとエステル油の組合せにおいて臨界溶解温度が０℃以下であるエステル油を使用することにより、寒冷地における圧縮機起動時の低温寝込み現象による摺動部への液冷媒供給を回避することができる。そのため、摺動部の潤滑不良発生を低減させ、信頼性の高い冷媒圧縮機及びそれを備えた冷凍装置が実現できる。    【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍サイクルに用いる冷媒圧縮機であって、冷凍機油を貯溜する密閉容器内に回転子と固定子とを有するモータと、前記回転子に嵌着された回転軸と、この回転軸を介して前記モータに連結された圧縮機構部とを収納してなる冷媒圧縮機において、少なくともR32，R125，R134aの単独若しくは２種類以上の混合冷媒と、その冷媒との臨界溶解温度が0℃以下であり、Ｐ134a(R134a=100%)，A0(R32/R134a＝65/35)，Ｂ0(R32/R125＝23/77)，P125(R125=100%)で規定される冷媒組成の範囲で冷凍機油としてこれら冷媒との粘度が40℃ 56〜72mm2/sのペンタエリスリトールと脂肪酸より合成されたエステル油を用いた冷媒圧縮機。
【請求項２】
冷媒組成がＰ134a,A-20(R32/R134a＝35/65)，Ｂ-20(R32/R125＝52/48)P125で囲まれた冷媒組成の範囲で冷媒との臨界溶解温度−20℃以下である請求項１記載の冷媒圧縮機。
【請求項３】
少なくとも、圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器とこれらを接続する冷媒配管により構成された冷凍装置において、請求項１の冷媒圧縮機を具備して成る冷凍装置。
【請求項４】
炭素数５のノルマル脂肪酸(ｎ-C5)30％と炭素数9のイソ脂肪酸(ｉ-C9)70％の質量比率がおおよそ25〜35：75〜65である原料脂肪酸とペンタエリスリトールからなる40℃で56〜72mm2/sの粘度を有するエステル油(VG68)を基油とした冷凍機油を用いる冷凍装置。
【請求項５】
請求項３で記載したエステル油に対して他のエステル油を5〜95％混合し、R410Aに対する臨界溶解温度が0℃以下としたことを特徴とする冷凍装置。
【請求項６】
前記冷凍機油に酸化防止剤，酸捕捉剤，極圧添加剤、消泡剤、腐食防止剤等の添加剤を少なくとも１種類以上添加したエステル油を用いる請求項３、４、又は５記載の冷凍装置。
【請求項７】
請求項５の酸捕捉剤がカルボジイミド類、エポキシ類の１種類以上を0.05〜3.0質量％を加えたことを特徴とする請求項５記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＨＦＣ(ハイドロフルオロカーボン：フッ化炭化水素)系冷媒を用いた家庭用ヒートポンプ式冷凍サイクルで使用される冷媒圧縮機及びその圧縮機を用いた冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ルームエアコンの冷媒はHCFC系のR22を用いていた。しかし、地球環境保護の観点から、分子中に塩素を含まないHFC系のものに移行した。その代替品としてはR32、R125、R134aの単独若しくはこれらの2種類以上を混合したR410A、R407Cが採用されてきた。
【０００３】
しかしながらHFC系冷媒は従来の鉱油との相溶性が劣り、冷凍サイクル内で圧縮機への油戻り性が低下する。そこで、必要な溶解度をもつ冷凍機油として、エステル油などの合成油を用い冷凍サイクルの基本構成を変更することなく、油戻りを確保する方法をとってきた。非塩素系冷媒とエステル油を用いた圧縮機としては、特許文献１に開示されたものがある。
【０００４】
【特許文献１】特開平8-120288号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
エステル油は脂肪酸が一般式C・(CH2OCOR2)4、R2がC数が5〜12の範囲の１個又は複数とされている。ルームエアコンには冷媒がR407CのものとR410Aのものが使用され、冷凍機油として上記公知例に代表されるiC8とiC9脂肪酸とペンタエリスリトールよりなる冷凍機油が使用されてきた。しかし、暖房性能を比較した場合R407CよりR410Aの方が冷媒COPが優れルームエアコン用冷媒はR410Aが主流となったが、従来の冷凍機油との相溶性は悪くなり臨界溶解温度で２０deg.上昇し溶解に関する種々の問題が懸念されるようになった。
【０００６】
また、冷凍機油は冷媒希釈による摺動部油膜低下のため粘度グレードを上げることになった。特に寒冷地等外気温の低い所においては、ルームエアコンの室外側の冷媒が室外側に集まり冷媒と冷凍機油が二層分離する低温寝こみ現象により、冷媒が圧縮機の底部に偏在することになる。実際には圧縮機の起動時、スクロール圧縮機では差圧給油方式、ロータリ圧縮機では機械式給油により潤滑油を吸引し軸／軸受け部へ送る。この時に極めて粘度の低い冷媒では冷凍機油が軸／軸受け部へ供給される潤滑不良が発生し、起動不良や焼付等の信頼性の問題を起こす要因となる。
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明の目的は、例えば寒冷地においても低温寝込み現象が起こりづらく高い信頼性を備えた圧縮機及び冷凍装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を解決するために本発明の冷凍装置は、R32、R125,R134aからなるHFC系冷媒と、そのＨＦＣ系冷媒とで臨界溶解温度が０℃以下望ましくは−20℃以下となる溶解度ダイヤグラムから求めたエステル油との組合せを備えるものである。この冷媒範囲であれば使用する圧縮機の起動時の低温寝込み現象による摺動部潤滑不良を回避することができる。
【０００９】
また上記目低を達成するために本発明の圧縮機は、脂肪酸の一般式C・(CH2OCOR2)4のR2のC数(炭素数)が4と9の混合により成るエステル油であって、R32、R125、R134aの混合冷媒において特に外気温が０℃を下回る地域、特に−２０℃を下回る地域においても相溶性を大幅に改善した冷凍機油とＨＦＣ系冷媒とが共存する状態で備えるものである。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明の冷凍装置及び圧縮機では、寒冷地での低温寝込み現象による摺動部への液冷媒供給を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１に代表的な冷媒圧縮機として縦形スクロール圧縮機の断面図を示す。空調冷凍サイクルに用いる冷媒圧縮機にはロータリ形圧縮機、スクロール形圧縮機等があるが、中でもスクロール形圧縮機は摺動部が面接触となるため瞬時に温度上昇が起こりにくく、残存率の高い高性能の酸捕捉剤が十分に反応する温度まで上昇することは少ない。この冷媒圧縮機は、油溜めを兼ねた密閉容器１内に圧縮機構部２と電動機部３とが収納されている。圧縮機構部２は旋回スクロール４、固定スクロール５、フレーム６、クランク軸７、オルダムリング８を主要構成要素としている。密閉容器１にはサイクル構成部品の蒸発器と連通する吸入パイプ９が密封接続されている。
【００１２】
電動機部３は回転子１０と固定子１１を備え、回転子１０には鋳鉄製のクランク軸７が嵌着されている。クランク軸７は偏心部１２を有し、その他端側に軸の内部を中空にした軸穴１３を有している。フレーム６の外周部は密閉容器１に固定されており、クランク軸７の回転を受ける軸受を具備している。クランク軸７の偏心部１２には旋回スクロール４が回転自在に取付けられ、フレーム６に設けられた溝と旋回スクロール４の反ラップ側の台板に設けられた溝にはオルダムリング８が摺動自在に配設されている。これらの構成により旋回スクロールは自転することなく公転する。また、底部には油溜め１４に冷凍機油が貯溜されており、この冷凍機油は、摺動部へと給油される。
【００１３】
この冷媒圧縮機がヒートポンプ用冷凍サイクルで使用する冷媒は、HFCのR410AやR407Cである。この場合の冷凍機油はHFCと相溶性の良いエステル油である。従来のHFC系冷媒用の冷凍機油としては、４０℃の時の粘度が２〜７０ｃＳｔ、１００℃の時の粘度が１〜９ｃＳｔのものとし、エステル油の化学式がC・(CH2OCOR2)4−(1)でR2が5〜12の範囲のものが含まれており、ヒートポンプサイクルとしてはR2がiC7酸と iC8酸の混合酸であるものを用いられていた。
【００１４】
本発明ではR2がiC4酸と iC8酸を混合させることにより飛躍的にHFC冷媒相溶性に伴う種々技術課題を解決できたものである。冷媒相溶性の優れる冷凍機油は冷媒の循環と共に摺動部へと供給され、摺動部の潤滑に寄与する。
【００１５】
図２（ａ）にスクロール圧縮機で代表される差圧式給油機構断面図、図２（ｂ）にロータリ圧縮機で代表される軸穴の中に油に旋回力を与えるフィンを備えた機械式給油機構断面図を示す。冷凍機油１４が、次に述べるように二層分離した状態を示していて、上層は比重の軽い分離した冷凍機油１４ａで、下層は冷凍機油１４ａより比重の重い液冷媒１４ｂである。
【００１６】
現在、ルームエアコンは特に国内では室外機と室内機が分離しているセパレートタイプが主流である。寒冷地であってもセパレートタイプの室外機は屋外に設置される。この室外機では、圧縮機の停止時に外気温が０℃以下となると、温度の高い室内側の冷媒が温度の低い室外機に移動する。このとき圧縮機に貯留している冷凍機油１４は、戻り冷媒により二層分離を起こす。冷凍機油であるエステル油より比重の重い冷媒１４ｂは圧縮機の底部に溜る。圧縮機起動時には、クランク軸７の先端が液冷媒１４ｂに浸っているので、液冷媒１４ｂがクランク軸７を通り、軸穴１３より摺動部に供給される。そのため、摺動部には一時的に低粘度の液冷媒が供給され潤滑油膜が切断され摺動部の潤滑不良が発生し、圧縮機の起動不良の要因となる。
【００１７】
この現象は冬場にのみ発生し、特に外気温度が−20℃に達する極寒冷地で運転停止状態が続いた後起動させた場合に多発する。大型機種ほど封入冷媒量が多く、封入冷媒量が多いほど起動不良が生じやすい。4.0kwクラス以上の空気調和機では、冷凍機油420mlに対し冷媒量1450gであり、2.8kwクラスの空気調和機における冷媒量が1300ｇの機種より、起動不良が発生し易くなっている。しかし、一度起動すると分離していた冷凍機油１４ａと液冷媒１４ｂが攪拌され混ざり合い、また圧縮機の温度が上昇するため、摺動部に冷凍機油が供給されるようになる。従って起動時の段階で液冷媒のみが摺動部に供給されなければ圧縮機の起動不良は改善される。なお、差圧式給油機構、機械式給油機構とも圧縮機底部より冷媒及び冷凍機油が供給される仕組みは同じである。
【００１８】
図３に基本的な冷凍サイクル構成図を示す。冷媒圧縮機１５、凝縮器１６、膨張機構１７、蒸発器１８よりなる冷凍サイクルを備えた冷凍装置について説明する。冷媒圧縮機１５は、低温低圧の冷媒ガスを圧縮し、高温高圧の冷媒ガスを吐出し凝縮器１６に送る。凝縮器１６に送られた冷媒ガスは、その熱を空気中に放出しながら高温高圧の冷媒液となり、膨張機構１７に送られる。膨張機構を通過する高温高圧の冷媒液は絞り効果により低温低圧の湿り蒸気となり蒸発器１８へ送られる。蒸発器１８に入った冷媒は周囲から熱を吸収して蒸発し、蒸発器１８を出た低温低圧の冷媒ガスは圧縮機１５に吸い込まれ、以下同じサイクルが繰り返される。この冷凍サイクルにおいて、ルームエアコンなどでは中温度の蒸発器温度(−１０℃以下)を必要としている。ここで冷媒と相溶性の劣る冷凍機油を使用した場合、熱交換器や膨張機構で冷媒と分離した冷凍機油が蓄積し、圧縮機への油戻り性が落ちる。圧縮機から持ち出される冷凍機油が増加することにより摺動部に供給される油量が不足する現象が起きる。
【００１９】
図４はR410Aとエステル油の相溶性試験の結果である。この二層分離温度曲線の下側が分離状態であり、最も高いところが臨界溶解温度である。この臨界溶解温度が低いほど相溶性に優れる冷凍機油と言える。
【００２０】
ここでＲ410Ａとエステル油の相溶性を比べた場合、従来のエステル油Aの臨界溶解温度は＋９℃であるが、本発明における油Bは臨界溶解温度が−２３℃と大幅に改善されている。これは原料脂肪酸の成分が異なるためである。油Aは、炭素数８のイソ有機酸(ｉ-C８)と炭素数9のイソ有機酸(ｉ-C9)の比率が50：50である原料脂肪酸とペンタエリスリトールからなるエステル油であった。本発明の油Bは、炭素数５のノルマル脂肪酸(ｎ-C5)と炭素数9のイソ脂肪酸(ｉ-C9)の比率が30：70である原料脂肪酸とペンタエリスリトールからなるエステル油であり、種々の実験から見出したのである。また、この特性は酸化防止剤や酸捕捉剤、極圧添加剤、消泡剤、腐食防止剤等の添加剤を添加しても適量であれば冷媒溶解特性はかわらない。
【００２１】
図５は各冷媒と冷凍機油の臨界溶解温度である。油Ａと油Ｂを比較したところ、R32を除き、いずれの冷媒においても油Ｂの方が臨界溶解温度が低くなっていることが判る。
【００２２】
図６は油Ｂの冷媒溶解度ダイヤグラムである。また、図７は油Ａの冷媒溶解度ダイヤグラムである。本油Ｂは従来の油Ａに比べて冷媒相溶性が優れているため、例えばR32，R125，R134aの三成分のダイヤグラムを作成した場合、冷媒溶解部分が広くなっている。このダイヤグラムによるとR410A、R407Cとも−20℃以下の冷媒溶解を示し2層分離が解消されていることがわかる。また、三成分の混合比率が異なる例えばR407A(R32/125/134a=20/40/40wt%)、 R407B(R32/125/134a=10/70/20wt%)、R407D(R32/125/134a=15/15/70wt%)、R407E(R32/125/134a=25/15/60wt%)、R410B(R32/125=45/55wt%)等の冷媒についても−20℃以下の冷媒溶解範囲に入っていることが判る。また、本発明で使用されるエステル油に対する冷媒の溶解度は、冷媒ごとにそれぞれ異なることから、サイクル内では封入冷媒組成とは異なる部分も存在すると推測される。しかしその場合でも十分に溶解範囲に入っているといえる。
【００２３】
図８は油Ｂ／油Ａの混合比率とＲ410Aとの臨界溶解温度である。R410Aとの相溶性に劣る油Ａと相溶性に優れる油Ｂを混合させた場合、その混入比率により臨界溶解温度も変化することがわかる。油Ａと油Ｂをブレンドした場合、油Ｂが25％を超える比率ならば臨界溶解温度は0℃以下であり、他の冷凍機油についても最適混合比率を見出すことにより臨界溶解温度0℃以下を満足することができる。
【００２４】
さらに−20℃以下を寒冷地向けに対する冷媒とする場合は油Ｂの混合率を90％よりも多い割合に保つことにより達成できる。
【００２５】
上述の説明のとおり、以上説明した本発明にて使用される冷凍機油を備えた本発明の冷凍装置及び圧縮機では、R410AやR407Cに代表されるHFC冷媒の組成が、図６のＰ134a(R134a=100%)、A0(R32/R134a＝65/35)、Ｂ0(R32/R125＝23/77)、P125(R125=100%)に囲まれた範囲と本発明のエステル油の組合せにおいて臨界溶解温度が０℃以下であるエステル油を用いることにより、寒冷地での低温寝込み現象による摺動部への液冷媒供給を回避することができる。そのため、摺動部の潤滑不良の発生を低減し、信頼性の高い冷媒圧縮機及び冷凍装置をそれぞれ提供することができる。
【００２６】
またさらに、外気冷媒が−20℃以下になる極寒冷地においては図６に示したＰ134a(R134a=100%)、A-20(R32/R134a＝35/65)、Ｂ-20(R32/R125＝52/48)、Ｐ125(R125=100%)の範囲の混合冷媒において相溶性改善による圧縮機及びヒートポンプ冷凍サイクルの信頼性改善の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施例である縦形スクロール圧縮機の断面図である。
【図２】圧縮機の給油機構断面図である。
【図３】本発明の一実施例である冷凍サイクル構成図である。
【図４】R410Aとエステル油の相溶性試験結果の説明図である。
【図５】各冷媒に対する臨界溶解温度を示す表である。
【図６】油Ｂの冷媒溶解度ダイヤグラムである。
【図７】従来油の冷媒溶解度ダイヤグラムである。
【図８】油Ｂ／油Ａの比率とR410Aの臨界溶解温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  ケース
２  圧縮機構部
３  電動機
４  旋回スクロール
５  固定スクロール
６  フレーム
７  クランク軸
８  オルダムリング
９  吸入パイプ
１０  固定子
１１  回転子
１２  偏心部
１３  軸穴
１４  冷凍機油
１５  冷媒圧縮機
１６  凝縮器
１７  膨張機構
１８  蒸発器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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