JP2008275275A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、冷凍装置に組み込まれる圧縮機において構成部品の摩擦係数を低減することにある。
【解決手段】本発明に係る冷凍装置１は、冷媒回路２、冷媒、潤滑油及び低摩擦係数化剤を備える。冷媒回路では、圧縮機１１と、利用側熱交換器３１と、熱源側熱交換器１３と、膨張機構１５とが接続される。冷媒は、冷媒回路に充填される。潤滑油は、主に圧縮機に充填される。低摩擦係数化剤は、アミンフォスフェートを有効成分とし、潤滑油に混入される。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷凍装置、特に主に圧縮機の構成部品の摩擦係数を低減した冷凍装置に関する。

一般的に、冷凍装置に組み込まれる潤滑油には、摩耗防止剤としてトリクレジルホスフェートや、トリフェニルフォスフェート及びアルキルホスフォロチオネート等が添加されている（例えば、特許文献１〜３参照）。これらの化合物は圧縮機の構成部品の表面の鉄と反応して、リン酸鉄、リン化鉄又は硫化鉄等の皮膜を形成することによって構成部品の摩耗を防止している。
特開２００１−２５５０３０号公報 特開平９−３０２３７３号公報 特表平０７−５０６８６９号公報

しかし、このような皮膜は、鉄よりも硬度が高く、摺動面の摩擦係数を大きくしてしまい、引いては圧縮機の効率を低下させることに繋がるおそれがあった。

本発明の課題は、冷凍装置に組み込まれる圧縮機において構成部品の摩擦係数を低減することにある。

第１発明に係る冷凍装置は、冷媒回路、冷媒、潤滑油及び低摩擦係数化剤を備える。冷媒回路では、圧縮機と、利用側熱交換器と、熱源側熱交換器と、膨張機構とが接続される。冷媒は、冷媒回路に充填される。潤滑油は、主に圧縮機に充填される。低摩擦係数化剤は、アミンフォスフェートを有効成分とし、潤滑油に混入される。

本願発明者が鋭意、実験結果を積み重ねて検討したところ、圧縮機の潤滑油にアミンフォスフェートを添加すれば、圧縮機において構成部品の摩擦係数を低減することができることが明らかとなった。このため、この冷凍装置では、圧縮機の構成部品の摩擦係数を低減することができる。

第２発明に係る冷凍装置は、第１発明に係る冷凍装置であって、アミンフォスフェートは、ＩＲＧＡＬＵＢＥ３４９（チバスペシャリティケミカルズ社製）（登録商標）である
。

本願発明者が鋭意、実験結果を積み重ねて検討したところ、アミンフォスフェートとしてこのＩＲＧＡＬＵＢＥ３４９（チバスペシャリティケミカルズ社製）（登録商標）を添加すれば、圧縮機における構成部品の摩擦係数の低減効果が大きいことが明らかとなった。このため、この冷凍装置では、圧縮機の構成部品の摩擦係数を大きく低減することができる。

第３発明に係る冷凍装置は、第２発明に係る冷凍装置であって、アミンフォスフェートは、潤滑油に混入したときに全量に対して１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下となるように前記潤滑油に添加される。

本願発明者が鋭意、実験結果を積み重ねて検討したところ、アミンフォスフェートの添加量が１ｗｔ％未満であると十分な低摩擦係数化を実現することできず、アミンフォスフェートの添加量が５ｗｔ％よりも大きくなると逆に摩擦係数が上昇する傾向が表れた。このため、この冷凍装置では、圧縮機の構成部品の摩擦係数を大きく低減することができるとともにその摩擦係数を適切な範囲に収めておくことができる。

第１発明に係る冷凍装置では、圧縮機の構成部品の摩擦係数を低減することができる。

第２発明に係る冷凍装置では、圧縮機の構成部品の摩擦係数を大きく低減することができる。

第３発明に係る冷凍装置では、圧縮機の構成部品の摩擦係数を大きく低減することができるとともにその摩擦係数を適切な範囲に収めておくことができる。

＜空気調和装置の構成＞
本発明の実施の形態に係る空気調和装置１の概略冷媒回路２を図１に示す。

この空気調和装置１は、冷房運転及び暖房運転が可能な空気調和装置であって、主に冷媒回路２及び送風ファン２６，３２等から構成されている。なお、この冷媒回路２には、フロン系冷媒、炭化水素系冷媒、及び二酸化炭素より成る群から選択される少なくとも１つの冷媒が充填される。

冷媒回路２には主に、圧縮機１１、四路切換弁１２、室外熱交換器１３、電動膨張弁１５及び室内熱交換器３１が配備されており、各装置は、図１に示されるように、冷媒配管を介して接続されている。

そして、本実施の形態において、空気調和装置１は、分離型の空気調和装置であって、室内熱交換器３１及び室内ファン３２を主に有する室内ユニット３０と、圧縮機１１、四路切換弁１２、室外熱交換器１３及び電動膨張弁１５を主に有する室外ユニット１０と、室内ユニット３０の冷媒液等配管と室外ユニット１０の冷媒液等配管とを接続する第１連絡配管４１と、室内ユニット３０の冷媒ガス等配管と室外ユニット１０の冷媒ガス等配管とを接続する第２連絡配管４２とから構成されているともいえる。なお、室外ユニット１０の冷媒液等配管と第１連絡配管４１とは室外ユニット１０の第１閉鎖弁１８を介して、室外ユニット１０の冷媒ガス等配管と第２連絡配管４２とは室外ユニット１０の第２閉鎖弁１９を介してそれぞれ接続されている。

（１）室内ユニット
室内ユニット３０は、主に、室内熱交換器３１及び室内ファン３２等を有している。

室内熱交換器３１は、空調室内の空気である室内空気と冷媒との間で熱交換をさせるための熱交換器である。

室内ファン３２は、ユニット３０内に空調室内の空気を取り込み、室内熱交換器３１を介して冷媒と熱交換した後の空気である調和空気を再び空調室内への送り出すためファンである。

そして、この室内ユニット３０は、このような構成を採用することによって、冷房運転時には室内ファン３２により内部に取り込んだ室内空気と室内熱交換器３１を流れる液冷媒とを熱交換させて調和空気（冷気）を生成し、暖房運転時には室内ファン３２により内部に取り込んだ室内空気と室内熱交換器３１を流れるガス冷媒又は超臨界冷媒とを熱交換させて調和空気（暖気）を生成することが可能となっている。

（２）室外ユニット
室外ユニット１０は、主に、圧縮機１１、四路切換弁１２、室外熱交換器１３、電動膨張弁１５及び室外ファン２６等を有している。

圧縮機１１は、吸入管を流れる低圧のガス冷媒を吸入し、圧縮して超臨界状態とした後、吐出管に吐出するための装置である。なお、この圧縮機１１には、ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）、ポリビニルエーテル（ＰＶＥ）、ポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）、ポリ（オキシエチレン）アルキルエーテル（ＰＯＥ）、ナフテン油、パラフィン油、カーボネート油、及びアルキルベンゼン油より成る群から選択される少なくとも１つの潤滑油が注入されている。また、この潤滑油には、低摩擦係数化剤としてアミンフォスフェート化合物が添加されている。なお、アミンフォスフェート化合物は潤滑油に混入したときに全量に対して１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下となるように前記潤滑油に添加されるのが好ましい。また、この潤滑油には、その他、酸化防止剤や、酸捕捉剤、消泡剤、銅不活性化剤等が添加されている。なお、この潤滑油に耐摩耗性向上剤としてトリクレジルフォスフェート等が添加されてもかまわない。かかる場合であっても、アミンフォスフェート化合物の低摩擦係数化剤としての効能が低下することがないためである。

なお、冷媒が二酸化炭素である場合にはポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）を潤滑油として使用するのが好ましく、冷媒がフロン系冷媒である場合にはポリビニルエーテル（ＰＶＥ）を潤滑油として使用するのが好ましい。

四路切換弁１２は、各運転に対応して、冷媒の流れ方向を切り換えるための弁であり、冷房運転時には圧縮機１１の吐出側と室外熱交換器１３のガス側又は高温側とを接続するとともに圧縮機１１の吸入側と室内熱交換器３１のガス側とを接続し、暖房運転時には圧縮機１１の吐出側と室内熱交換器３１のガス側又は高温側とを接続するとともに圧縮機１１の吸入側と室外熱交換器１３のガス側とを接続することが可能である。

室外熱交換器１３は、冷房運転時において圧縮機１１から吐出された高圧のガス冷媒又は超臨界冷媒を空調室外の空気を熱源として冷却させることが可能であり、暖房運転時には室内熱交換器３１から戻る液冷媒を蒸発させることが可能である。

電動膨張弁１５は、室外熱交換器１３の液側又は低温側から流出する液冷媒又は超臨界冷媒（冷房運転時）あるいは室内熱交換器３１の液冷媒又は超臨界冷媒（暖房運転時）を減圧するためのものである。

室外ファン２６は、ユニット１０内に室外の空気を取り込み、室外熱交換器１３を介して冷媒と熱交換した後の空気を排気するためファンである。

＜空気調和装置の動作＞
空気調和装置１の運転動作について、図１を用いて説明する。この空気調和装置１は、上述したように冷房運転及び暖房運転を行うことが可能である。

（１）冷房運転
冷房運転時は、四路切換弁１２が図１の実線で示される状態、すなわち、圧縮機１１の吐出側が室外熱交換器１３のガス側又は高温側に接続され、かつ、圧縮機１１の吸入側が第２閉鎖弁１９を介して室内熱交換器３１のガス側に接続された状態となる。また、このとき、第１閉鎖弁１８及び第２閉鎖弁１９は開状態とされる。

この冷媒回路２の状態で、圧縮機１１が起動されると、ガス冷媒が、圧縮機１１に吸入され、圧縮されて高温高圧のガス冷媒又は超臨界状態となった後、四路切換弁１２を経由して室外熱交換器１３に送られ、室外熱交換器１３において冷却され液冷媒又は低温の超臨界冷媒となる。

そして、この液冷媒又は冷却された超臨界冷媒は、電動膨張弁１５に送られる。そして、電動膨張弁１５に送られた液冷媒又は超臨界冷媒は、減圧されて低温の液冷媒となった後に第１閉鎖弁１８を経由して室内熱交換器３１に供給され、室内空気を冷却するとともに蒸発されてガス冷媒となる。

そして、そのガス冷媒は、第２閉鎖弁１９及び四路切換弁１２を経由して、再び、圧縮機１１に吸入される。このようにして、冷房運転が行われる。

（２）暖房運転
暖房運転時は、四路切換弁１２が図１の破線で示される状態、すなわち、圧縮機１１の吐出側が第２閉鎖弁１９を介して室内熱交換器３１のガス側又は高温側に接続され、かつ、圧縮機１１の吸入側が室外熱交換器１３のガス側に接続された状態となっている。また、このとき、第１閉鎖弁１８及び第２閉鎖弁１９は開状態とされる。

この冷媒回路２の状態で、圧縮機１１が起動されると、ガス冷媒が、圧縮機１１に吸入され、圧縮されて高温高圧のガス冷媒又は超臨界状態となった後、四路切換弁１２及び第２閉鎖弁１９を経由して室内熱交換器３１に供給される。

そして、このガス冷媒又は超臨界冷媒は、室内熱交換器３１において室内空気を加熱するとともに冷却されて液冷媒又は低温の超臨界冷媒となる。そして、この液冷媒又は低温の超臨界冷媒は、第１閉鎖弁１８を通って第１電動膨張弁１５に送られる。第１電動膨張弁１５に送られた液冷媒又は低温の超臨界冷媒は、減圧されて低温の液冷媒となった後に室外熱交換器１３に送られて、室外熱交換器１３において蒸発されてガス冷媒となる。そして、このガス冷媒は、四路切換弁１２を経由して、再び、圧縮機１１に吸入される。このようにして、暖房運転が行われる。

＜圧縮機の摺動部品の低摩擦係数化＞
以下、低摩擦係数化剤の効果について実施例及び比較例を示しながら検証する。

ＡＳＴＭ Ｄ２７１４−９４（１９９８）に示される「FALEX Block on Ring試験」を一部変更して摩擦係数の測定を行った。測定条件は以下の通りである。

−測定条件−
（１）ブロック材質 ：浸炭焼き入れ鋼
（２）リング材質 ：工具鋼
（３）荷重 ：１７７．４Ｎ
（４）回転数 ：１０ｒｐｍ
（５）滑り速度（周速 ）：１８ｍｍ／ｓ
（６）油温 ：室温（２０度Ｃ）
（７）慣らし運転 ：２００ｒｐｍで９０ｍｉｎ
（８）サンプル ：化式（１）のアミンフォスフェートを添加したポリビニルエーテル油（ポリビニルエーテル油／アミンフォスフェートの重量比は９９：１である）

（アミン，Ｃ１１−１４ 側鎖アルキル，モノヘキシル及びジヘキシルフォスフェート）
（９）サンプル量 ：１２０ｍＬ
測定結果は表１の通りである。

また、ＪＰＩ−５Ｓ−３２−９０に示される「潤滑油の耐摩耗性試験方法（シェル四球式）」に従って上記と同一のサンプルについて摩耗痕径の測定を行った。測定条件は以下の通りである。

−測定条件−
（１）回転数 ：１５００ｒｐｍ
（２）試験時間：３０分間
（３）荷重 ：２９４Ｎ
（４）油温 ：室温（２０度Ｃ）
測定結果は表１の通りである。

サンプルを、化式（１）のアミンフォスフェートを添加したポリアルキレングリコール油（ポリアルキレングリコール油／アミンフォスフェートの重量比は９９：１である）に代えた以外は実施例１と同様にして摩擦係数及び摩耗痕径の測定を行った。

測定結果は表１の通りである。

サンプルを、化式（１）のアミンフォスフェートを添加した鉱物油（鉱物油／アミンフォスフェートの重量比は９９：１である）に代えた以外は実施例１と同様にして摩擦係数及び摩耗痕径の測定を行った。

測定結果は表１の通りである。

（比較例１）
サンプルを、トリクレジルホスフェートを添加した鉱物油（鉱物油／トリクレジルホスフェートの重量比は９９：１である）に代えた以外は実施例１と同様にして摩擦係数及び摩耗痕径の測定を行った。

測定結果は表１の通りである。

（比較例２）
サンプルを、アルキルホスフォロチオネートを添加した鉱物油（鉱物油／アルキルホスフォロチオネートの重量比は９９：１である）に代えた以外は実施例１と同様にして摩擦係数及び摩耗痕径の測定を行った。

測定結果は表１の通りである。

（比較例３）
サンプルを、トリフェニルフォスフェートを添加した鉱物油（鉱物油／トリフェニルフォスフェートの重量比は９９：１である）に代えた以外は実施例１と同様にして摩擦係数及び摩耗痕径の測定を行った。

測定結果は表１の通りである。

（比較例４）
サンプルを、ジチオリン酸亜鉛を添加した鉱物油（鉱物油／ジチオリン酸亜鉛の重量比は９９：１である）に代えた以外は実施例１と同様にして摩擦係数及び摩耗痕径の測定を行った。

測定結果は表１の通りである。

表１より、アミンフォスフェートを潤滑油に添加すると、潤滑油の種類によらずに耐摩耗性を十分低く抑えたまま摩擦係数を低減することができることがわかる。

ＡＳＴＭ Ｄ２７１４−９４（１９９８）に示される「FALEX Block on Ring試験」を一部変更して摩擦係数の測定を行った。測定条件は以下の通りである。

−測定条件−
（１）ブロック材質 ：浸炭焼き入れ鋼
（２）リング材質 ：工具鋼
（３）荷重 ：１７７．４Ｎ
（４）回転数 ：１０ｒｐｍ
（５）滑り速度（周速 ）：１８ｍｍ／ｓ
（６）油温 ：室温（２０度Ｃ）
（７）慣らし運転 ：２００ｒｐｍで９０ｍｉｎ
（８）サンプル ：実施例１において示される化式（１）のアミンフォスフェートを添加したパラフィン系鉱物油（ＶＧ３２）（パラフィン系鉱物油／アミンフォスフェートの重量比は１００：０，９９．８：０．２，９９．０：１．０，９７．０：３．０及び９５．０：５．０である）
（９）サンプル量 ：１２０ｍＬ
測定結果は表２の通りである。なお、図２には、表２の測定結果をグラフ化したもの（アミンフォスフェートの添加量に対して摩擦係数をプロットしたグラフ）を示した。

表１及び図２により、Ｉｒｇａｌｕｂｅ３４９は添加量が１ｗｔ％以上で低摩擦係数化剤として有効に機能することが明らかになった。また、Ｉｒｇａｌｕｂｅ３４９は１ｗｔ％以上添加してもそれ以上の低摩擦係数化効果を得れないことが明らかとなった。また、Ｉｒｇａｌｕｂｅ３４９は５ｗｔ％以上添加すると摩擦係数が上昇する傾向にあることも判明した。この結果より、Ｉｒｇａｌｕｂｅ３４９の添加量は１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下とするのがコスト効率面から好ましいことが判明した。

＜空気調和装置の特徴＞
本実施の形態に係る空気調和装置１では、圧縮機１１の潤滑油として、低摩擦係数化剤としてのアミンフォスフェートを添加した潤滑油が使用されている。本願発明者が鋭意、実験結果を積み重ねて検討したところ、圧縮機の潤滑油として、低摩擦係数化剤としてのアミンフォスフェートが添加された潤滑油を使用すれば、圧縮機において構成部品の摩擦係数を低減することができることが明らかとなった。このため、この空気調和装置１では、圧縮機１１の構成部品の摩擦係数を低減することができる。

また、本実施の形態において、アミンフォスフェートは、潤滑油に混入したときに全量に対して１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下となるように潤滑油に添加されている。本願発明者が鋭意、実験結果を積み重ねて検討したところ、アミンフォスフェートの添加量が１ｗｔ％未満であると十分な低摩擦係数化を実現することできず、アミンフォスフェートの添加量が５ｗｔ％よりも大きくなると逆に摩擦係数が上昇する傾向が表れた。このため、この空気調和装置１では、圧縮機１１の構成部品の摩擦係数を大きく低減することができるとともにその摩擦係数を適切な範囲に収めておくことができる。

＜変形例＞
先の実施の形態では図１に示されるような空気調和装置１が採用されたが、図３に示されるような空気調和装置１０１が採用されてもかまわない。なお、このような空気調和装置１は二酸化炭素等冷媒のような高圧側で超臨界状態となる冷媒を利用する場合に有用となる。

なお、図３において、符号１４は内部熱交換器を示し、符号１６は中間圧受液器を示し、符号１７は電動膨張弁を示し、符号１１０は室外機を示している。

本発明に係る冷凍装置は、圧縮機の構成部品の摩擦係数を低減することができるという特徴を有し、更新需要向けの冷凍装置として有用である。

本発明の実施の形態に係る空気調和装置の冷媒回路図である。 摺動部品の摩擦係数に及ぼすアミンフォスフェート添加量の影響を示すグラフである。 本発明の変形例に係る空気調和装置の冷媒回路図である。

符号の説明

１ 空気調和装置（冷凍装置）
２ 冷媒回路
１１ 圧縮機
１３ 室外熱交換器（熱源側熱交換器）
１５ 電動膨張弁（膨張機構）
３１ 室内熱交換器（利用側熱交換器）

Claims (3)

1. 圧縮機（１１）と、利用側熱交換器（３１）と、熱源側熱交換器（１３）と、膨張機構（１５）とが接続される冷媒回路（２）と、
   前記冷媒回路に充填される冷媒と、
   主に前記圧縮機に充填される潤滑油と、
   前記潤滑油に混入され、アミンフォスフェートを有効成分とする低摩擦係数化剤と
   を備える冷凍装置（１）。
2. 前記アミンフォスフェートは、ＩＲＧＡＬＵＢＥ３４９（チバスペシャリティケミカルズ社製）（登録商標）である
   請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記アミンフォスフェートは、前記潤滑油に混入したときに全量に対して１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下となるように前記潤滑油に添加される
   請求項２に記載の冷凍装置。

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