JP2015017730A

JP2015017730A - 空気調和機

Info

Publication number: JP2015017730A
Application number: JP2013144110A
Authority: JP
Inventors: 美早廣瀬; Biso Hirose; 井関　崇; Takashi Izeki; 崇井関; 船山　敦子; Atsuko Funayama; 敦子船山; 荒木　邦成; Kuninari Araki; 邦成荒木; 亮太田; Akira Ota
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Global Life Solutions Inc
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2015-01-29

Abstract

【課題】本発明の目的は、圧縮機のモータの絶縁フィルムの加水分解を抑制した空気調和機を提供することにある。
【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、若しくは、Ｒ３２が５０重量％より多く含まれている混合冷媒からなる冷媒と、エステル其の数が４つ以上、飽和水分量が１０００ｐｐｍ以上、且つ、動粘度が４０ｍｍ²／ｓ〜１００ｍｍ²／ｓの範囲内であって、炭素数が５つ以下の脂肪酸を有するポリオールエステル油を備え、圧縮機はモータを内蔵し、モータの絶縁フィルムは、ポリエチレンテレフタレート又はポリエチレンナフタレートからなる空気調和機。
【選択図】図１

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（以下「ＧＷＰ」という。）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、圧縮機に内蔵されたモータの絶縁フィルムは、加工が容易であることが要求される。現在、絶縁フィルムには加工が容易なポリエチレンテレフタレート（以下「ＰＥＴ」という。）やポリエチレンナフタレート（以下「ＰＥＮ」という。）が用いられている。

しかし、ＰＥＴやＰＥＮは加水分解性を有するため、冷凍サイクル内の水分によってＰＥＴやＰＥＮが加水分解を起こすおそれがある。

加水分解を起こさない材料としてポリフェニレンサルファイドやポリエーテルエーテルケトンを絶縁フィルムに用いることで、モータの絶縁を維持することもできるが、コストアップや硬さによる生産性の悪化といった課題が生じる。

一方、特許文献１には、冷凍機油に吸湿性のあるポリビニルエーテルを用いることで、冷凍サイクル内の水分を吸湿し、絶縁フィルムの加水分解を抑制することが開示されている。

特許第４８３６３０５号

しかしながら、ポリビニルエーテル油は化学反応を起こして水を吸湿するわけではなく、単に水分を保持しているに過ぎない。そのため、ポリビニルエーテル油は、加熱すると保持した水分を放出する特性がある。

絶縁フィルムは圧縮機に内蔵されており、運転が開始されると、圧縮機の内部は高温になる。特に、冷媒としてＲ３２を用いた場合、Ｒ４１０Ａに比べて圧縮機の内部がより高温になりやすい。つまり、水分を含んだポリビニルエーテル油は圧縮機の内部で水分を放出し、絶縁フィルムが加水分解を起こすおそれがある。

本発明の目的は、圧縮機に内蔵されたモータの絶縁フィルムの加水分解を抑制した空気調和機を提供することにある。

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、若しくは、Ｒ３２が５０重量％より多く含まれている混合冷媒からなる冷媒と、エステル其の数が４つ以上、飽和水分量が１０００ｐｐｍ以上、且つ、動粘度が４０ｍｍ²／ｓ〜１００ｍｍ²／ｓの範囲内であって、炭素数が５つ以下の脂肪酸を有するポリオールエステル油を備え、圧縮機はモータを内蔵し、モータの絶縁フィルムは、ポリエチレンテレフタレート又はポリエチレンナフタレートからなる。

本発明によれば、圧縮機のモータの絶縁フィルムの加水分解を抑制した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。

以下、本発明の実施形態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。本実施形態の空気調和機は、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９と渦巻状ラップ１０を有する固定スクロール部材８と、ラップ１２を有する旋回スクロール部材１１をお互いにラップ１０とラップ１２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１１をクランクシャフト１３によって旋回運動させる。固定スクロール部材８及び旋回スクロール部材１１によって形成される圧縮室１４（１４ａ、１４ｂ・・・）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８及び旋回スクロール部材１１の中心に向かって移動していく。圧縮室１４が固定スクロール部材８及び旋回スクロール部材１１の中心近傍に達したとき、圧縮室１４が吐出口１５と連通して、圧縮室１４で圧縮されたガス冷媒が吐出パイプ１８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１７内に電動モータ１９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１３が回転し、圧縮動作を行う。電動モータ１９は冷媒および冷凍機油の雰囲気中で作動する。モータ１９の図示しないコイルの相間や積層鋼鈑の間には、絶縁を保持するために絶縁フィルムが配置されている。また、電動モータ１９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１３に設けられた油孔２１を通って、旋回スクロール部材１１とクランクシャフト１３との摺動部や滑り軸受け２０等の潤滑に供される。

絶縁フィルムには、加工が容易なＰＥＴまたはＰＥＮを用いている。しかし、このＰＥＴやＰＥＮは加水分解性を有するため、冷凍サイクル中に存在する水分を何らかの形で除去する必要がある。そこで、本実施形態では、冷凍サイクル中に存在する水分を除去する手段として、冷凍機油に吸湿性および水分との反応性を有するポリオールエステル油を用いている。

表３は、ポリオールエステル油による絶縁フィルムの加水分解の抑制について、実験した結果である。実施例１は、下記化学式（１）および（２）で表されるＲ３２に相溶するポリオールエステル油を用い、比較例は、吸湿性を有するが水分との反応性を有しない冷凍機油を用いた。具体的には、比較例１は下記化学式（３）（式中、ｍ＝９０、ｎ＝１０を表し、Ｒ²およびＲ³はメチルオキシ基及びエチルオキシ基を表す。）で表される側鎖エーテル油、比較例２は下記化学式（４）（式中、Ｒ⁴およびＲ⁵は水素もしくは炭素数１〜３のアルキル基を表す。）で表される環状エーテル油を用いた。

ルームエアコンを設置する際に、真空引きをせずに室内機と室外機を接続配管で接続した場合、外気の湿度や接続配管の長さによって異なるが、冷凍サイクル内に最大で１０００ｐｐｍの水分が混入すると考えられる。そのため、圧縮機１に混入する水分量を１、０００ｐｐｍと想定し、油中水分量を１、０００ｐｐｍとした。

また、冷媒としてＲ３２を採用した場合、圧縮機１の吐出温度が１４０℃まで上昇する可能性がある。そこで、冷媒としてＲ３２を採用した場合における絶縁フィルムの信頼性試験を行なった。表１は、Ｒ３２単体と冷凍機油との混合液中に絶縁フィルムを１４０℃で４０日間浸漬した後、冷凍機油の粘度及びＲ３２との臨界溶解温度、並びに、絶縁フィルムの引張強度及び伸度を測定した結果である。

実施例１は、表１に示す通り、冷凍機油の粘度及びＲ３２との臨界溶解温度は変わらず、絶縁フィルムの破断強度および伸度は初期値に対して８０％以上を保つ結果となった。

一方、比較例１は、表１に示す通り、冷凍機油の粘度やＲ３２との臨界溶解温度は変わらない結果となったが、絶縁フィルムの伸度が初期値に対して７０％以下となった。絶縁フィルムは使用する場所にもよるが、主に折り曲げたりチューブ状に巻きつけたりして使用することが多いため、引張強度よりもどの程度伸びるか、つまり伸度が重要となる。伸度が前歴の７０％を下回ると、使用中にフィルムの折り曲げ部に亀裂が生じたり、フィルムが破断したりする可能性が考えられるため、比較例１は絶縁フィルムの劣化を抑制できていないと言える。

また、比較例２は、表１に示す通り、絶縁フィルムの劣化物と思われる成分が析出し冷凍機油の白濁が見られた。絶縁フィルムの劣化物は油中に溶解しないため、キャピラリーチューブ等を閉塞する可能性がある。冷却するとその成分が凝集し、より白濁が濃くなり臨界溶解温度を測定することが出来なかった。絶縁フィルムの伸度も７０％以下となり、絶縁フィルムの劣化を抑制できない結果となった。

以上の結果より、絶縁フィルムの加水分解による劣化を抑制するためには、吸湿性および水分との反応性を有するポリオールエステル油を冷凍機油として使用することが有効であることが判る。

また、本実施形態の冷凍機油は、冷凍サイクル中の水分を吸湿するために、ポリオールエステル油の中でも吸湿性の高いものが好ましい。空気調和機には、上述した通り、１、０００ｐｐｍ程度の水分が混入する可能性があるため、冷凍機油の飽和水分量は１、０００ｐｐｍ以上であることが必要となる。

表２は、ポリオールエステル油に水分量が１、０００ｐｐｍとなるように水を注入して振り混ぜ、観察した結果である。冷凍機油成分Ａは多価アルコールとしてネオペンチルグリコール（エステル基の数：２）を使用したもの、冷凍機油成分Ｂは多価アルコールとしてトリメチロールプロパン（エステル基の数：３）を使用したもの、冷凍機油成分Ｃは多価アルコールとしてペンタエリスリトール（エステル基の数：４）を使用したもの、冷凍機油成分Ｄは表１の実施例１と同様のものであり多価アルコールとしてペンタエリスリトールとジペンタエリスリトール（エステル基の数：６）を使用したものをそれぞれ用いた。

表２に示す通り、構成中のエステル基の数が少ない冷凍機油成分Ａおよび冷凍機油成分Ｂは、水分が分離し、油中に沈殿している様子が観察された。

一方、冷凍機油成分Ｃおよび冷凍機油成分Ｄは、６０分以上経過しても、水分が分離しない結果となった。つまり、ポリオールエステル油は、エステル基の数が４つ以上であれば、飽和水分量が１、０００ｐｐｍ以上となることがわかった。

冷媒の種類によって相溶する冷凍機油は異なる。Ｒ３２と相溶性の悪い冷凍機油を使用すると、冬場の起動時に摺動部に冷凍機油が摺動部に供給されにくく、又、圧縮機１の外に吐出した冷凍機油が冷凍サイクルの低温部に滞留することで油戻り性が悪くなる。

そこで、冷凍機油とＲ３２との相溶性評価を行った。表３は、Ｒ３２との相溶性評価に用いた冷凍機油であり、表４は表３に記載の冷凍機油の相溶性評価である。冷凍機油成分Ｃ１乃至Ｃ５は、エステル其の数が最大４つのペンタエリスリトールである。冷凍機油成分Ｄは、エステル其の数が最大６つのペンタエリスリトールとジペンタエリスリトールである。冷凍機油成分Ｂ１は、エステル其の数が最大３つのトリメチロールプロパンである。冷凍機油成分Ａ１は、エステル其の数が最大２つのネオペンチルグリコールである。

比較例６に示すように、冷凍機油成分Ｃ２とＲ４１０Ａの低温側臨界溶解温度は１０℃以下である。しかし、比較例１に示すように、比較例８と同じ冷凍機油成分Ｃ２とＲ３２の低温側臨界溶解温度は２０℃以上であり、Ｒ４１０Ａを用いた空気調和機に使われてきた冷凍機油成分Ｃ２は、Ｒ３２との相溶性が悪い結果となった。

また、比較例２、３に示すように、冷凍機油成分Ｃ２に対し、粘度を変化させた冷凍機油成分Ｃ３や冷凍機油成分Ｃ４であっても、相溶性が改善されない結果となった。

一方、比較例６、７に示すように、比較的炭素数の少ない脂肪酸を使用した冷凍機油成分Ｂ１及び冷凍機油成分Ａ１とＲ３２の臨界溶解温度は−１０度以下となる結果となった。つまり、ポリオールエステル油は、比較的炭素数の少ない脂肪酸を原料にすることで、Ｒ３２との相溶性が改善されることがわかった。

ところで、本実施形態の空気調和機に用いる冷凍機油の粘度は、圧縮機１の種類によって異なるが、スクロール圧縮機やロータリ圧縮機の場合では４０℃における粘度が４０ｍｍ²／ｓ〜１００ｍｍ²／ｓの範囲が好ましい。粘度４０ｍｍ²／ｓ未満の場合は冷媒が溶解した冷凍機油の粘度が低くなってしまい、圧縮機１の内部での油膜が十分に保持されず潤滑性が保てない。また、粘度１００ｍｍ²／ｓを超えると粘性抵抗、摩擦抵抗等の機会損失が増大し、圧縮機効率を低下させる恐れがある。

比較例６、７に示すように、冷凍機油成分Ｂ１及び冷凍機油成分Ａ１は、Ｒ３２との相溶性に優れるが、構成中のエステル基の平均の数が少ないため、粘度が３０ｍｍ²／ｓ以下であり、空気調和機の冷凍機油として採用することはできない。

これに対して、比較的炭素数の少ない脂肪酸とエステル基の平均の数が４以上となるアルコールを使用した実施形態１、２に示す冷凍機油成分Ｄ１及び冷凍機油成分Ｃ１は、Ｒ３２との低温側臨界溶解温度が１０℃以下であり、動粘度も４０ｍｍ²／ｓ〜１００ｍｍ²／ｓの範囲にあり、冷凍空調装置に適用することが可能である。

以上、説明したとおり、本実施形態における冷凍機油は、エステル其の数が４つ以上、飽和水分量が１０００ｐｐｍ以上、且つ、動粘度が４０ｍｍ²／ｓ〜１００ｍｍ²／ｓの範囲内であって、炭素数が５つ以下の脂肪酸を有するポリオールエステル油である。

飽和水分量１、０００ｐｐｍ以上、Ｒ３２との低温側臨界溶解温度が１０℃以下、動粘度が４０ｍｍ²／ｓ〜１００ｍｍ²／ｓの範囲となる条件を満たす冷凍機油を作製するために、原料として、例えば、多価アルコールは、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトールなどがある。１価の脂肪酸は、ブタン酸、ペンタン酸、２−メチルプロパン酸、２−メチルブタン酸等の炭素数４〜５と比較的炭素数の少ない脂肪酸などが挙げられる。なお、基油の異常な粘度低下を防止するために、オクタン酸、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の炭素数８〜１２の比較的炭素数の多い脂肪酸を混合してもよい。

さらに、分子中にエステル基を少なくとも４個保有する化学式（１）または（２）で示される脂肪酸のエステル油（式中のＲ¹は炭素数４〜５のアルキル基又は炭素数８〜１２のアルキル基であり、式中のＲ¹の少なくとも１つは炭素数４〜５のアルキル基である）の群から選ばれる１種類又は２種類混合したものが好ましい。

本実施形態では、前記した冷凍機油に潤滑性向上剤、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。特にポリオールエステル油は、水分共存下で加水分解に起因する劣化が生じるため、酸化防止剤、酸捕捉剤の配合は必須である。酸化防止剤としてはフェノール系である２、６−ジ−ｔ−ブチル−ｐ−クレゾール（ＤＢＰＣ）が好ましい。

また、冷凍機油中に水分捕捉効果のある添加剤を配合することにより、さらに効果を上げることが出来る。

配合する添加剤の一例として、アルキルグリシジルエステルが挙げられる。この添加剤は、ポリオールエステル油が劣化して生成した酸のみでなく、水分そのものも捕捉する効果があるため、冷凍機油としての水分を吸収する能力が向上する。

本実施形態の形態においては、圧縮機が備えるモータの絶縁フィルムは、ＰＥＴまたはＰＥＮからなるが、エステル結合を有する他の重合樹脂やエステル結合を有する樹脂を用いた積層フィルムのような複合材でもよい。

また、本発明による空気調和機は、凝縮器と蒸発器とが分離されて冷媒管で連結されたセパレートタイプであっても、凝縮器あるいは蒸発器を複数有するマルチタイプであっても適用可能である。

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。

本実施形態では、冷媒としてＲ３２を用いる場合について説明したが、Ｒ３２が５０重量％より多く含まれている混合冷媒にも適用可能である。

１…圧縮機、２…四方弁、３…室外熱交換器、４…膨張手段、５…室内熱交換機

Claims

圧縮機、室外熱交換器、膨張機構及び室内熱交換器と、
Ｒ３２、若しくは、Ｒ３２が５０重量％より多く含まれている混合冷媒からなる冷媒と、
エステル其の数が４つ以上、飽和水分量が１０００ｐｐｍ以上、且つ、動粘度が４０ｍｍ²／ｓ〜１００ｍｍ²／ｓの範囲内であって、炭素数が５つ以下の脂肪酸を有するポリオールエステル油を備え、
前記圧縮機はモータを内蔵し、前記モータの絶縁フィルムは、ポリエチレンテレフタレート又はポリエチレンナフタレートからなる空気調和機。
前記ポリオールエステル油は、化学式（１）または（２）で示される脂肪酸のエステル油（式中のＲ¹は炭素数４〜５のアルキル基又は炭素数８〜１２のアルキル基であり、式中のＲ¹の少なくとも１つは炭素数４〜５のアルキル基である）の群から選ばれる１種類又は２種類混合したものであることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。