JP2014228154A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】エステル結合を有する油は、冷凍サイクル内部の水分により、加水分解しやすい。加水分解により、圧縮機の樹脂材料の劣化等が進むおそれがある。そこで、本発明は、高い潤滑性を実現しつつ、冷凍機油の加水分解を抑制する空気調和機を提供することを目的とする。【解決手段】圧縮機、室外熱交換器、膨張機構及び室内熱交換器と、Ｒ３２冷媒又はＲ３２が５０重量％より多く含まれている混合冷媒と、ジペンタエリスリトールと脂肪酸からなるエステル結合を有する油及びエーテル結合を有する油を含む冷凍機油とを備えた空気調和機。【選択図】図３

Description

本発明は、空気調和機に関する。

空気調和機では、冷媒としてＲ４１０Ａが使用されている。しかし、地球環境に及ぼす影響を低減するために、地球温暖化係数がＲ４１０Ａの１／３程度であるジフルオロメタン（以下「Ｒ３２」という。）へ移行することが検討されている。

ところで、冷媒の種類によって、相溶する冷凍機油は異なる。Ｒ３２との相溶性が高い冷凍機油として、エステル結合を有する油が挙げられるが、従来のエステル結合を有する油はＲ３２存在下において十分な潤滑性を得ることができない。

特許文献１は、ジペンタエリスリトールと脂肪酸とのエステル油を冷凍機油全量基準で１０質量％以上含有し、且つエステル油を構成する脂肪酸における炭素数５〜７の脂肪酸の割合が２０モル％以上であるＲ３２用冷凍機油を冷凍サイクルに使用することで、Ｒ３２とともに用いた場合であっても、十分に高い冷媒相溶性と十分に高い潤滑性とを有するＲ３２用冷凍機油を提供できることを開示している。

特開２００２−１２９１７８

しかしながら、ジペンタエリスリトールを原料とするエステル結合を有する油は、冷凍サイクル内部の水分により、加水分解しやすい。加水分解により、圧縮機の樹脂材料の劣化等が進むおそれがある。

そこで、本発明は、高い潤滑性を実現しつつ、冷凍機油の加水分解を抑制する空気調和機を提供することを目的とする。

本発明の空気調和機は、圧縮機、室外熱交換器、膨張機構及び室内熱交換器と、Ｒ３２冷媒又はＲ３２が５０重量％より多く含まれている混合冷媒と、エステル結合を有する油及びエーテル結合を有する油を含む冷凍機油とを備えた。

本発明によれば、高い潤滑性を実現しつつ、冷凍機油の加水分解を抑制する空気調和機を提供することができる。

冷暖房兼用の空気調和機の概略図である。 密閉型圧縮機の概略図である。 エステル結合を有する油とエーテル結合を有する油の吸湿量に関する実験結果である。 エステル結合を有する油の吸湿量に関する実験結果である。

以下、本発明の実施例に係る空気調和機について説明する。

図１は冷暖房兼用の空気調和機の概略図である。本実施例の空気調和機は、圧縮機１、室外熱交換器３、膨張機構４、室内熱交換器５を配管で接続し、冷媒が循環する。

冷房運転の場合、圧縮機１で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、四方弁２を介して室外熱交換器３に流れる。高温高圧のガス冷媒は、凝縮器として機能する室外熱交換器３で冷却され、高圧の液冷媒となる。高圧の液冷媒は、膨張機構４で膨張され、僅かにガスを含む低温低圧の液冷媒となって、室内熱交換器６に流れる。低温低圧の液冷媒は、蒸発器として機能する室内熱交換器６で加熱され、低温のガス冷媒となり、再び四方弁２を介して圧縮機１に戻る。暖房運転の場合、四方弁２によって冷媒の流れが変えられ、冷媒は冷房運転と逆方向に流れる。

なお、四方弁２を用いずに、冷房あるいは暖房のいずれか一方のみの機能を有するように構成してもよい。また、膨張機構４として、電子膨張弁、キャピラリーチューブや温度式膨張機構などを用いることができる。

図２は圧縮機の概略図である。圧縮機１は、端板７と渦巻状ラップ８を有する固定スクロール部材６と、ラップ１０を有する旋回スクロール部材９をお互いにラップ８とラップ１０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、旋回スクロール部材９をクランクシャフト１１によって旋回運動させる。固定スクロール部材６及び旋回スクロール部材９によって形成される圧縮室１２（１２ａ、１２ｂ・・・）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、固定スクロール部材６及び旋回スクロール部材９の中心に向かって移動していく。圧縮室１２が固定スクロール部材６及び旋回スクロール部材９の中心近傍に達したとき、圧縮室１２が吐出口１３と連通して、圧縮室１２で圧縮されたガス冷媒が吐出パイプ１６を通じて圧縮機１の外に吐出される。

圧縮機１は、圧力容器１５内に電動モータ１７を内蔵しており、圧縮機１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１１が回転し、圧縮動作を行う。電動モータ１７は冷媒および冷凍機油の雰囲気中で作動する。モータ１７の図示しないコイルの相間や積層鋼鈑の間には、その絶縁を保持するために絶縁フィルムが配置されている。しかし、絶縁フィルムは、安価なポリエチレンテレフタレートやポリエチレンナフタレート等のフィルムを用いている。

また、電動モータ１７の下部に油溜め部が設けられており、油溜め部に溜まっている冷凍機油は圧力差によってクランクシャフト１１に設けられた油孔１９を通って、旋回スクロール部材９とクランクシャフト１１との摺動部や滑り軸受け１８等の潤滑に供される。

冷凍機油としてはＲ３２との相溶性や潤滑性の良好なジペンタエリスリトールと脂肪酸からなるエステル結合を有する油を用いている。本実施例における結合を有する油は、Ｒ３２との相溶性を保つために炭素数が少ない脂肪酸を原料とし、粘性を向上させるためにジペンタエリスリトールを原料としている。

しかしながら、ジペンタエリスリトールを原料とするエステル結合を有する油は冷凍サイクル内に存在する水分により加水分解を起こし劣化する恐れがある。

そこで、本実施例ではエステル結合を有する油（以下「エステル油」という。）中に添加油としてエーテル結合を有する油（以下「エーテル油」という。）を添加している。すなわち、本実施例の冷凍機油は、エステル油及びエーテル油を含む。エーテル油は吸湿性が高く、且つ、加水分解性を持たない。そのため、エステル油にエーテル油を添加することで、冷凍サイクル内の水分によるエステル油の加水分解を抑制することができる。

本実施例によれば、Ｒ３２との相溶性、潤滑性を維持しつつ、エステル油の加水分解を抑制して長期に渡り冷凍機油を安定的に保つことが出来る。

なお、エーテル油を単独で冷凍機油として用いる場合、潤滑性を向上させるために、極圧添加剤を添加する必要がある。しかし、本実施例における冷凍機油には、エーテル油よりもエステル油のほうが多く含まれている。エステル油は潤滑性が高いため、極圧添加剤の添加を避けることができる。

エステル油に添加するエーテル油は式（１）（式（１）中、ｍ、ｎはそれぞれ分子構造の繰り返し単位の個数であってｍ＝８０〜９９、ｎ＝１〜２０の数値を表し、Ｒ²及びＲ³はエチルオキシ基及びイソブチルオキシ基を表す）又は式（２）（式（２）中、ｍは分子構造の繰り返し単位の個数であって６〜８０の数値を表し、Ｒ⁴は炭素数３〜５のアルキル基を表す）である。

冷凍機油として使用するエステル油はＲ３２と相溶性を示し熱化学安定性の高い式（３）〜（６）（式中、Ｒ₁は炭素数５〜９のアルキル基を表す）のいずれかであることが好ましい。さらに、高粘度の維持及び潤滑性の向上のため式（５）と式（６）のいずれか、若しくは、混合したものが好ましい。

図３は、エステル油とエーテル油の吸湿量に関する実験結果である。エステル油には、式（５）と式（６）に記載されたものを混合した冷凍機油を用いた。エーテル油には、式（１）に記載されたものであって、後述する冷凍機油成分Ａを用いた。温度を３０℃、相対湿度を８０±５ＲＨ％に設定した恒温槽内に、直径５２ｍｍのビーカ（接触表面積２１．２ｃｍ²）にエステル油を７０ｇ入れ、別の直径５２ｍｍのビーカにエーテル油を７０ｇ入れ、時間ごとの水分量を測定した。

図３に示すように、恒温槽内を密閉空間にした状態で、ある水分量、例えば１，０００ｐｐｍに到達するまでの時間は、エーテル油がエステル油より早い結果となった。

つまり、密閉されており、水分量の総量が変わらない冷凍サイクル内で考えると、エステル油にエーテル油を添加することで、優先的にエーテル油に水分を吸湿させ、エステル油の加水分解を抑制できることがわかった。

図４は、エステル油の吸湿量に関する実験結果である。温度を３０℃、相対湿度を８０±５ＲＨ％に設定した恒温槽内に、直径５２ｍｍのビーカ（接触表面積２１．２ｃｍ²）にエステル油を７０ｇ入れ、１００時間経過するまで時間ごとの水分量を測定した。

図４に示す通り、Ｒ３２と相溶性を示すエステル油の飽和水分量は２，５００ｐｐｍとなった。飽和水分量が吸水速度に影響を与えるため、エステル油に添加するエーテル油の飽和水分量は２，５００ｐｐｍ以上が好ましい。図示していないが、測定の結果、式（１）及び式（２）に記載されたエーテル油の飽和水分量は４，０００ｐｐｍ以上となった。飽和水分量とは、吸湿することができる水の質量の最大値をいう。

次に、本実施例に用いるエーテル油とＲ３２との相溶性について説明する。冷凍機油は圧縮機１の油溜めに存在し、圧縮機１の起動時に各摺動部へと供給され、少量は圧縮機１の外へ吐出される。エーテル油がＲ３２に相溶する場合、圧縮機１の外へ吐出されてもＲ３２に溶け込んだままであるため、冷凍サイクル中を循環し、再び圧縮機１に戻る。エーテル油は高温下で吸湿した水分を放出する特徴がある。そのため、エーテル油がＲ３２に相溶する場合、冷凍サイクル中で水分を吸湿し、水分を保持したエーテル油が圧縮機１に戻る。そして、圧縮機１でエーテル油が加熱されると、逆に水分を放出するおそれがある。

そこで、本実施例では、Ｒ３２に相溶しないエーテル油を用いている。本実施例によれば、冷凍サイクルを循環する間にエーテル油とＲ３２は分離するため、エーテル油が圧縮機１以外の冷凍サイクル中に残留しやすい。エーテル油が冷凍サイクル中に分布することで、冷凍サイクル中に存在する水分を広く吸湿することができる。本実施例によれば、水分を保持したエーテル油が圧縮機１に戻りづらいため、エーテル油が水分を保持しやすく、エステル油の加水分解を抑制することができる。

特に、冷媒としてＲ３２を採用した場合、従来、冷媒として用いられてきたＲ４１０Ａに比べて、圧縮機１の吐出温度が上昇しやすく、圧縮機１の吐出温度が１００℃を超える可能性がある。このような圧縮機１に水分を吸湿したエーテル油が戻ると、より水分を放出しやすい。

Ｒ３２に相溶しないエーテル油を用いる本実施例によれば、冷媒としてＲ３２を採用した場合においても、エーテル油が水分を保持しやすく、エステル油の加水分解を抑制することができる。

本実施例では、圧縮機１のモータの絶縁フィルムに、安価なポリエチレンテレフタレートやポリエチレンナフタレートを用いている。しかしながら、ポリエチレンテレフタレートやポリエチレンナフタレートは加水分解性を有する。そのため、圧縮機１内に水分が存在すると、絶縁フィルムの劣化が促進するおそれがある。圧縮機１以外の冷凍サイクル中で、Ｒ３２とエーテル油が分離し、エーテル油が残留する本実施例によれば、絶縁フィルムの加水分解を抑制することができる。

表１は、Ｒ３２とエーテル油の相溶性を示した表である。相溶性評価は、ＪＩＳ Ｋ ２２１１に準じて測定した。冷媒と冷凍機油を耐圧ガラス容器に封入し、温度を変化させた状態での内容物の観察を行った。内容物が白濁していれば冷凍機油が冷媒から分離した状態（以下「二層分離」という。）、透明であれば冷凍器油が冷媒に溶解した状態と判定した。

表１において、冷凍機油成分Ａは、式（１）（式中、ｍ＝９１、ｎ＝９を表し、Ｒ²及びＲ³はエチルオキシ基及びイソブチルオキシ基を示す。）である。冷凍機油成分Ａは、式（１）に示す通り、アルコキシビニルの重合体であって、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の共重合体エーテルである。４０℃における動粘度は、６４．９ｍｍ²／ｓである。

冷凍機油成分Ｂは、式（１）（式中、ｍ＝８８、ｎ＝１２を表し、Ｒ²及びＲ³はエチルオキシ基及びイソブチルオキシ基を表す）である。冷凍機油成分Ｂも、式（１）に示す通り、アルコキシビニルの重合体であって、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の共重合体エーテル油である。４０℃における動粘度は、５０．１ｍｍ²／ｓである。

冷凍機油成分Ｃは、式（２）（式中、ｍは分子構造の繰り返し単位の個数であって、６〜８０の数値を表し、Ｒ⁴は炭素数３のアルキル基を表す）である。冷凍機油成分Ｃは、式（２）に示す通り、ポリプロピレングリコール系であって、末端はメチルキャップである。４０℃における動粘度は、７１．９ｍｍ²／ｓである。

冷凍機油成分Ｄは、式（１）（式中、ｍ＝９０、ｎ＝１０を表し、Ｒ²及びＲ³はメチルオキシ基及びエチルオキシ基を表す）である。冷凍機油成分Ｄは、アルコキシビニルの重合体であって、アルコキシ基（Ｒ²及びＲ³）をメチルオキシ基及びエチルオキシ基とした共重合体エーテル油である。４０℃における動粘度は、６５．２ｍｍ²／ｓである。

冷凍機油成分Ｅは、式（１）（式中、ｍ＝８０、ｎ＝２０を表し、Ｒ²及びＲ³はメチルオキシ基及びエチルオキシ基を表す）である。冷凍機油成分Ｅは、アルコキシビニルの重合体であって、アルコキシ基（Ｒ²及びＲ³）をメチルオキシ基及びエチルオキシ基とした共重合体エーテル油である。４０℃における動粘度は、５１．７ｍｍ²／ｓである。

ここで、二層分離は、温度と冷凍機油の濃度に依存する。表１に、Ｒ３２に最も溶解しやすいエーテル油の濃度における低温側溶解温度（以下「低温側臨界溶解温度」という。）を示す。

表１に示す通り、アルコキシ基がメチルオキシ基及びエチルオキシ基のポリビニルエーテルである冷凍機油成分Ｄ及びＥは、低温側臨界溶解温度が低い。本実施例における空気調和機の温度域は、マイナス３０℃よりも高いため、冷凍機油成分Ｄ及びＥのエーテル油はＲ３２に相溶し、水分を保持したエーテル油が圧縮機１に戻る。

一方、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のポリビニルエーテルである冷凍機油成分Ａ及びＢ、並びに、ポリプロピレン系のポリエチレングリコール油である冷凍機油成分Ｃは、Ｒ３２との低温側臨界溶解温度が２０℃以上である。

冷媒としてＲ３２を採用した空気調和機は、膨張機構４の出口から圧縮機１の入口までの領域（以下「低圧領域」という。）における冷媒の温度が、およそマイナス２０℃から２０℃の間で変化する。つまり、エーテル油の低温側臨界溶解温度が２０℃以上であれば、低圧領域において、エーテル油を冷媒から分離させることができる。すなわち、冷凍機油成分Ａ乃至Ｃのいずれかに記載のエーテル油を用いることで、低圧領域でエーテル油をＲ３２から分離させ、水分を保持したエーテル油が圧縮機１に戻るのを抑制することができる。

なお、空気調和機を設置する際に混入する水の量は、機器ごとに異なるが、４００ｍｌの冷凍機油に対して最大でも７００ｐｐｍである。上述した通り、エーテル油の飽和水分量は４０００ｐｐｍ以上である。つまり、空気調和機に冷凍機油を４００ｍｌ封入する場合、空気調和機内の水を全てエーテル油に吸湿させるためには、エーテル油を７０ｍｌ、エステル油を３３０ｍｌにすることが望ましい。但し、図３に示す通り、エステル油とエーテル油は同時に水を吸湿するため、空気調和機内の水を全てエーテル油に吸湿させることはできない。従って、エーテル油の封入量を７０ｍｌ以下にしてもよい。

また、本実施例では、冷凍サイクル中の低圧領域に油溜めを設置している。本実施例によれば、圧縮機１の外に吐出されたエーテル油を油溜めが障害となり、冷凍サイクル中に残留し易くすることができる。

例えば、室内熱交換器５又は室外熱交換器６の冷媒流路のパイプの一部又は全部の内面に凹凸を設ける。室内熱交換器５又は室外熱交換器６が蒸発器として機能する際に、エーテル油が冷媒から分離する。分離したエーテル油は、室内熱交換器５又は室外熱交換器６のくぼみが障害となり、エーテル油をくぼみに残留させることができる。

なお、冷房運転及び暖房運転の両方で低圧領域に油溜めを設けるために、室内熱交換器５及び室外熱交換器６の両方に冷媒流路の一部又は全部に凹凸を設けるのが望ましい。

また、圧縮機１の吸込みパイプから四方弁２までの間は常に低圧領域となっているため、この区間のパイプの一部または全部の内面に凹凸をつけることで、くぼみが障害となり、エーテル油をくぼみに残留させることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

本実施例の冷媒は、Ｒ３２が５０重量％より多く含まれている混合冷媒で構成してもよい。例えば、Ｒ３２及びＲ１２５からなる冷媒や、Ｒ３２及びＲ１２３４ｙｆからなる冷媒や、Ｒ３２、Ｒ１２３４ｙｆ及びＲ１２３４ｚｅからなる冷媒を用いることができる。また、エステル油単独では相溶性と潤滑性を両立することが困難な他の冷媒にも用いることができる。

１…圧縮機、２…四方弁、３…室外熱交換器、４…膨張機構、５…室内熱交換器

Claims (6)

1. 圧縮機、室外熱交換器、膨張機構及び室内熱交換器と、
   Ｒ３２冷媒又はＲ３２が５０重量％より多く含まれている混合冷媒と、
   エステル結合を有する油及びエーテル結合を有する油を含む冷凍機油とを備えた空気調和機。
2. 圧縮機、室外熱交換器、膨張機構及び室内熱交換器と、
   Ｒ３２冷媒又はＲ３２が５０重量％より多く含まれている混合冷媒と、
   ジペンタエリスリトールと脂肪酸からなるエステル結合を有する油及びエーテル結合を有する油を含む冷凍機油とを備えた空気調和機。
3. 前記エーテル結合を有する油は、低温側溶解臨界温度が２０℃以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の空気調和機。
4. 前記エーテル結合を有する油は、式（１）（式（１）中、ｍ、ｎはそれぞれ分子構造の繰り返し単位の個数であってｍ＝８０〜９９、ｎ＝１〜２０の数値を表し、Ｒ²及びＲ³はエチルオキシ基及びイソブチルオキシ基を表す）又は式（２）（式（２）中、ｍは分子構造の繰り返し単位の個数であって６〜８０の数値を表し、Ｒ⁴は炭素数３〜５のアルキル基を表す）であることを特徴とする請求項３に記載の空気調和機。
   
5. 前記室内熱交換器又は前記室外熱交換器の冷媒流路の一部又は全部に凹凸を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の空気調和機。
6. エステル結合を有する油及びエーテル結合を有する油を含むＲ３２冷媒用冷凍機油。