JP2006017339A

JP2006017339A - 冷凍サイクル

Info

Publication number: JP2006017339A
Application number: JP2004193557A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Iwanami; 重樹岩波; Shigeru Kawano; 茂川野; Teruhiko Kameoka; 輝彦亀岡; Shozo Ikejima; 昌三池島; Takashi Honda; 崇本田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2006-01-19
Also published as: US20060001002A1; DE102005030342A1

Abstract

【課題】冷凍サイクルにおける圧縮機が貧潤滑状態のときや高負荷状態のときでも圧縮機の焼きつきを防止し、信頼性に優れる冷凍サイクルを提供する。
【解決手段】冷媒を圧縮して吐出する圧縮機１を備え、圧縮機１を潤滑するための冷凍機油が冷媒循環経路中に封入された冷凍サイクルにおいて、断面形状が略円形の微細粒子１７を冷媒循環経路中に混入する。圧縮機の摺動面間に介在する微細粒子１７により、摺動面同士の直接の接触が防止される。また、微細粒子は断面形状が略円形であるため、対向する摺動面が相対移動する際に微細粒子１７が転がって転がり摩擦になる。したがって、圧縮機１の摺動部の摩擦係数が小さくなる。
【選択図】図４

Description

本発明は、圧縮機を潤滑するための冷凍機油が冷媒循環経路中に封入された冷凍サイクル、および冷凍サイクルに用いられる冷凍機油や冷媒に関するものである。

冷凍サイクルは、圧縮機により冷媒を循環させ、熱交換器で冷媒と送風空気とを熱交換して冷房、暖房等を行うようになっている。この冷凍サイクルの冷媒循環経路には、圧縮機の潤滑と圧縮過程での冷媒のシール性確保を目的として冷凍機油が封入され、冷凍機油を冷媒と共に冷媒循環経路中で循環させて、圧縮機の耐久性と性能確保を行っている。

冷凍サイクルは冷媒の凝縮・蒸発を利用しているため、冷凍サイクル停止時には圧縮機内部で冷媒が液化して冷凍機油を洗い流し、冷凍機油が圧縮機外へ流出する。特に放置後の再起動時には、圧縮機の摺動部の冷凍機油が微小となり、すなわち、圧縮機の摺動部は貧潤滑状態となり、圧縮機外へ流出した冷凍機油が圧縮機に戻るまでに圧縮機の摺動部で焼きつきが発生し、圧縮機自体が運転不能になるという問題があった。

これに対し、冷凍機油が圧縮機から流出するのを防止する機構を設けることも公知であるが、圧縮機の構造が複雑化するという問題があった。

また、近年環境問題より冷媒として炭酸ガスを用いるシステムが実用化されているが、作動圧力は従来のフロン系冷媒よりも非常に高く、摺動部の潤滑性確保は更に重要な課題となっている。

ところで、冷凍サイクル以外の用途において、潤滑性能向上のために潤滑油に微細粒子を混入したもの（例えば、特許文献１参照）や、潤滑性能向上のためにグリスやエンジンオイルに微細粒子を混入したもの（例えば、特許文献２参照）が知られている。

また、冷凍サイクルにおいて、熱伝達向上を目的として冷媒に微細粒子を混入したもの（例えば、特許文献３参照）や、熱伝達向上を目的として冷凍機油に微細粒子を混入したもの（例えば、特許文献４参照）が知られている。
特開２００２−２１３４３６号公報特開平５−１７１１６９号公報米国特許第６４３２３２０号明細書特開２００４−８５１０８号公報

しかしながら、特許文献３、４に記載のものは、上述したように熱伝達向上を目的として冷媒または冷凍機油に微細粒子を混入したものであって、その微細粒子は潤滑性能向上に適したものではない。したがって、特許文献３、４に記載のものでは、冷凍サイクルの圧縮機が貧潤滑状態のときや高負荷状態のときに、圧縮機の焼きつきを防止することは困難であった。

本発明は上記点に鑑みて、冷凍サイクルにおける圧縮機が貧潤滑状態のときや高負荷状態のときでも圧縮機の焼きつきを防止し、信頼性に優れる冷凍サイクルを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（１）を備え、圧縮機（１）を潤滑するための冷凍機油が冷媒循環経路中に封入された冷凍サイクルであって、断面形状が略円形の微細粒子（１７）が冷媒循環経路中に混入されていることを特徴とする。

これによると、圧縮機の摺動面間に介在する微細粒子により、摺動面同士の直接の接触が防止される。また、微細粒子は断面形状が略円形であるため、対向する摺動面が相対移動する際に微細粒子が転がって転がり摩擦になる。したがって、圧縮機の摺動部の摩擦係数が小さくなり、貧潤滑状態のときや高負荷状態のときでも圧縮機の焼きつきを防止することができる。

請求項２に記載の発明では、微細粒子（１７）の断面形状は、円、楕円、および多角形の、いずれか１つであることを特徴とする。

これによると、対向する摺動面が相対移動する際に、微細粒子が確実に転がるようにすることができる。

請求項３に記載の発明のように、微細粒子（１７）は、Ｃ６０、Ｃ７０、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、およびクラスターダイヤモンドの、いずれか１つを用いることができる。

請求項４に記載の発明のように、微細粒子（１７）の大きさは、数１００ｐｍ〜１００ｎｍとすることができる。

請求項５に記載の発明では、冷凍サイクルの圧縮機（１）を潤滑するための冷凍機油であって、断面形状が略円形の微細粒子（１７）が混入されていることを特徴とする。

この冷凍機油を冷凍サイクルに用いることにより、請求項１に記載の発明と同様の効果を得ることができる。

請求項６に記載の発明では、微細粒子（１７）の断面形状は、円、楕円、および多角形の、いずれか１つであることを特徴とする。

この冷凍機油を冷凍サイクルに用いることにより、請求項２に記載の発明と同様の効果を得ることができる。

請求項７に記載の発明のように、微細粒子（１７）は、Ｃ６０、Ｃ７０、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、およびクラスターダイヤモンドの、いずれか１つを用いることができる。

請求項８に記載の発明のように、微細粒子（１７）の大きさは、数１００ｐｍ〜１００ｎｍとすることができる。

請求項９に記載の発明では、冷凍サイクルの圧縮機（１）によって圧縮される冷媒であって、断面形状が略円形の微細粒子（１７）が混入されていることを特徴とする。

この冷媒を冷凍サイクルに用いることにより、請求項１に記載の発明と同様の効果を得ることができる。

請求項１０に記載の発明では、微細粒子（１７）の断面形状は、円、楕円、および多角形の、いずれか１つであることを特徴とする。

この冷媒を冷凍サイクルに用いることにより、請求項２に記載の発明と同様の効果を得ることができる。

請求項１１に記載の発明のように、微細粒子（１７）は、Ｃ６０、Ｃ７０、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、およびクラスターダイヤモンドの、いずれか１つを用いることができる。

請求項１２に記載の発明のように、微細粒子（１７）の大きさは、数１００ｐｍ〜１００ｎｍとすることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の一実施形態について説明する。

図１の冷凍サイクルは周知のものと同構成であり、圧縮機１は気相冷媒を吸引圧縮して高圧状態にするものである。この圧縮機１については後述する。

圧縮機１から吐出された高圧冷媒は冷媒配管Ｐ１を通って凝縮器２に流入し、凝縮器２は冷媒の熱を外気に放熱させることにより冷媒を凝縮させる。凝縮して液相となった冷媒は冷媒配管Ｐ２を通って膨張弁３へ流入し、膨張弁３は冷媒が通過する通路の面積を絞ることにより冷媒を減圧させる。

減圧された冷媒は冷媒配管Ｐ３を通って蒸発器４へ流入し、蒸発器４は車室内へ流れる送風空気から吸熱する。この時、冷媒は吸熱した熱により蒸発して気相状態となる。蒸発器４から流出した気相冷媒は、冷媒配管Ｐ４を通って再び圧縮機１へ吸引され、圧縮される。

なお、圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３、蒸発器４、および各冷媒配管Ｐ１〜Ｐ４は、本発明の冷媒循環経路を構成する。

冷凍サイクルは、図２に示すようなレイアウトで車両に搭載されており、圧縮機１および凝縮機２はエンジンルーム５内に配置され、蒸発器４は車室６内に配置されている。

図３に示すように、圧縮機１は周知の斜板型圧縮機であり、車両の内燃機関（図示せず）からベルト（図示せず）を介して動力がプーリ１１に伝達され、プーリ１１の回転はクラッチ板１２を介して回転軸１３に伝達され、回転軸１３と一体に斜板１４が回転されるようになっている。

斜板１４と複数のピストン１５はシュー１６を介して連結され、斜板１４の回転により、斜板１４とシュー１６が摺動しつつピストン１５を往復動させる。このピストン１５の往復動により気相冷媒を吸引圧縮して吐出する。

冷凍サイクルの冷媒循環経路には、フロン系冷媒であるＨＦＣ１３４ａが封入されるとともに、圧縮機１のシール性向上と摺動部の潤滑のため、冷凍機油が封入されている。

冷凍機油には、断面が略円形で、断面の平均粒径が数１００ｐｍ〜１００ｎｍの微細粒子が混入されている。この微細粒子としては、フラーレンの１つであるＣ６０を用いることができる。因みに、Ｃ６０は、略球形で、平均粒径が約７００ｐｍである。なお、冷凍機油は、冷凍サイクルを組み立てる際には圧縮機１に封入される。

上記構成において、車両の内燃機関により圧縮機１を駆動して冷凍サイクルの運転を開始すると、冷媒は圧縮機１で昇圧されて凝縮器２へ圧送され、膨張弁３で減圧され、蒸発器４を通過して圧縮機１へ戻るサイクルを繰り返す。この際、封入された冷凍機油は冷媒と共に冷媒循環経路を循環し、圧縮機１のシールと潤滑を確保する。

この状態にて冷凍サイクルの運転を停止すると、冷凍機油は圧縮機１内にある量が残り、次回の圧縮機１の起動時に、圧縮機１外へ出た冷凍機油が圧縮機１に戻ってくるまでの間の潤滑を確保する。

ところで、この冷凍サイクルの運転停止状態が、数日から数週間継続されると、一日の昼夜の温度差により冷媒は温度の低い圧縮機１で凝縮し、圧縮機１内に残っていた冷凍機油を希釈する。そして、凝縮により圧縮機１内が満液状態になると、圧縮機１から外部へオーバフローし、冷凍機油が圧縮機１から持ち出され、再び圧縮機１にて冷媒が凝縮してオーバフローすることが繰り返し行われる。この繰り返しにより圧縮機１内部の冷凍機油は極微量となる。

このように、圧縮機１内部の冷凍機油が極微量になっても、図４に示すように、例えば斜板１４とシュー１６の摺動面間に多数の微細粒子１７が介在して摺動面同士の直接の接触が防止される。また、微細粒子１７は断面形状が略円形であるため、斜板１４とシュー１６が相対移動する際に微細粒子１７が転がって転がり摩擦になる。したがって、斜板１４とシュー１６の摺動部の摩擦係数が小さくなり、焼きつきが防止される。

尚、微細粒子１７の粒径は圧縮機１の摺動面の面粗度数μｍに比べ十分小さいため、摺動面の磨耗や摩擦増加の悪影響をおよぼすことなく、焼きつき防止の効果を発揮する。

この効果の確認のために行った試験結果を図５、図６に示す。この試験は、図７に示す評価装置２０を用いて行った。具体的には、円筒状の試験片２１をプレート２２に一定荷重で押し付け、極微量のエンジンオイルまたは冷凍機油をプレート２２に塗布し、試験片２１を回転させて試験片２１とプレート２２を摺動させ、試験片２１とプレート２２間の摩擦係数を測定した。なお、この試験で用いた冷凍機油は、ポリアルキル基グリコール（ＰＡＧ）系冷凍機油である。

図５中の破線はＣ６０を添加していないエンジンオイルの結果を示し、この場合、初期は時間の経過に対し摩擦係数が安定し、約２１０秒経過してオイルきれを起こした時点ａで焼きつきに至った。

図５中の実線はＣ６０を添加したエンジンオイルの結果を示し、この場合、初期は時間の経過に対し摩擦係数が安定し、約２６０秒経過してオイルきれを起こした時点ｂで焼きつきに至った。

このように、エンジンオイルにＣ６０を添加した場合、Ｃ６０を添加していないエンジンオイルと比較すると、若干の摩擦係数の低下があるがほぼ同等の摩擦係数であり、また焼きつきに至るまでの時間も若干のびる程度であった。すなわち、エンジンオイルの場合、Ｃ６０の有無による差はあまりなかった。

図６中の破線はＣ６０を添加していない冷凍機油の結果を示し、この場合、約１０秒経過した時点ｃで摩擦係数が急増するとともに、摩擦係数の変動が激しくなって焼きつきの兆候が現れた。

図６中の実線はＣ６０を添加した冷凍機油の結果を示し、この場合、約６０秒経過した時点ｄで摩擦係数が急増して焼きつきの兆候が現れた。

このように、冷凍機油にＣ６０を添加すると摩擦係数の変動が抑制され、焼き付きの兆候が現れるまでの時間が大幅にのびた。このことから、特に冷凍機油にＣ６０等の微細粒子を添加することの効果が伺える。

（他の実施形態）
上記実施形態では冷凍機油中に微細粒子を混入したが、冷凍サイクルにおいては、冷媒は凝縮器２の下流にて液化して冷凍機油と相溶状態にあるため、あらかじめ冷媒に微細粒子を混入してもその効果は発揮できる。

また、上記実施形態では微細粒子をＣ６０としたが、転がりやすい形状の微細粒子、すなわち、断面形状が円、楕円、または多角形の微細粒子であればよい。具体的には、Ｃ７０等のフットボール状または楕円体の微細粒子でもよいし、断面形状が円形となるカーボンナノチューブやカーボンナノホーンでもよいし、断面形状が多角形のクラスターダイヤモンドでもよい。なお、多角形の場合、五角形以上が望ましい。また、複数の微細粒子を混入してもよい。

また、冷凍機油中に微細粒子が分散しにくい場合には、微細粒子外面に冷凍機油との親和材を有してもよい。

また、上記実施形態では、冷媒としてＨＦＣ１３４ａを例示したが、炭酸ガス冷媒（ＣＯ２）、Ｒ３２とＲ１２５を混合したＲ４１０冷媒、二種類以上の冷媒が混合された混合冷媒等を用いてもよい。

また、冷凍機油として、ポリアルキル基グリコール（ＰＡＧ）系冷凍機油、ポリオールエステル（ＰＯＥ）系冷凍機油、鉱油、アルキルベンゼン、ポリビニールエーテル（ＰＶＥ）系冷凍機油、ポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）系冷凍機油を用いてもよい。

本発明の一実施形態に係る冷凍サイクルを示す図である。図１の冷凍サイクルの車両搭載レイアウトを示す図である。図１の圧縮機１の断面図である。図４の圧縮機１における要部の拡大断面図である。試験結果を示す図である。試験結果を示す図である。試験に用いた評価装置の斜視図である。

符号の説明

１…圧縮機、１７…微細粒子。

Claims

冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（１）を備え、前記圧縮機（１）を潤滑するための冷凍機油が冷媒循環経路中に封入された冷凍サイクルであって、
断面形状が略円形の微細粒子（１７）が前記冷媒循環経路中に混入されていることを特徴とする冷凍サイクル。
前記微細粒子（１７）の断面形状は、円、楕円、および多角形の、いずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル。
前記微細粒子（１７）は、Ｃ６０、Ｃ７０、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、およびクラスターダイヤモンドの、いずれか１つであることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル。
前記微細粒子（１７）の大きさは、数１００ｐｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の冷凍サイクル。
冷凍サイクルの圧縮機（１）を潤滑するための冷凍機油であって、断面形状が略円形の微細粒子（１７）が混入されていることを特徴とする冷凍機油。
前記微細粒子（１７）の断面形状は、円、楕円、および多角形の、いずれか１つであることを特徴とする請求項５に記載の冷凍機油。
前記微細粒子（１７）は、Ｃ６０、Ｃ７０、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、およびクラスターダイヤモンドの、いずれか１つであることを特徴とする請求項５または６に記載の冷凍機油。
前記微細粒子（１７）の大きさは、数１００ｐｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１つに記載の冷凍機油。
冷凍サイクルの圧縮機（１）によって圧縮される冷媒であって、断面形状が略円形の微細粒子（１７）が混入されていることを特徴とする冷媒。
前記微細粒子（１７）の断面形状は、円、楕円、および多角形の、いずれか１つであることを特徴とする請求項９に記載の冷媒。
前記微細粒子（１７）は、Ｃ６０、Ｃ７０、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、およびクラスターダイヤモンドの、いずれか１つであることを特徴とする請求項９または１０に記載の冷媒。
前記微細粒子（１７）の大きさは、数１００ｐｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項９ないし１１のいずれか１つに記載の冷媒。