KR101587205B1

KR101587205B1 - 냉동 공조용 압축기 및 냉동 공조 장치

Info

Publication number: KR101587205B1
Application number: KR1020147001575A
Authority: KR
Inventors: 료 오타; 다카시 이세키; 구니나리 아라키
Original assignee: 히타치 어플라이언스 가부시키가이샤
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2012-06-18
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2032-06-18
Also published as: CN103733003A; WO2013046822A1; JP5562920B2; JP2013076533A; CN103733003B; KR20140039311A

Abstract

냉매로서 디플루오로메탄(HFC32)을 이용한 냉동 공조용 압축기의 내마모성을 향상시켜 장기 신뢰성을 높임과 함께, 이 압축기를 이용한 냉동 공조 기기의 고효율화를 실현한다. 슬라이딩부를 갖는 냉매 압축부를 구비하며, 냉매인 디플루오로메탄과, 냉동기 오일을 봉입한 냉동 공조용 압축기로서, 상기 냉동기 오일은, 40℃에서의 동점도가 40∼100㎟/s이며, 상기 냉동기 오일이 환상 케탈 화합물 혹은 환상 아세탈 화합물이며, 냉매와 냉동기 오일의 저온측 임계 용해 온도를 -10℃ 이하로 한다.

Description

냉동 공조용 압축기 및 냉동 공조 장치{COMPRESSOR FOR REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING, AND REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING DEVICE}

본 발명은, 히트펌프 사이클을 이용한 냉동 공조용 압축기 및 냉동 공조 장치에 관한 것이다.

냉동 공조 기기 분야에 있어서는, 지구 환경 대책을 위하여 오존층 파괴 물질 냉매나 단열재로 이용되고 있던 CFC(Chlorofluorocarbons)나, HCFC(Hydrochlorofluorocarbons)의 대체, 및, 지구 온난화 대책으로서의 고효율화나, 냉매로 이용되고 있는 HFC(Hydrofluorocarbons)의 대체가 적극적으로 진행되어 왔다.

오존층 파괴 물질인 CFC나 HCFC의 대체로서는, 오존층을 파괴하지 않는 것, 독성이나 연소성이 낮은 것, 및 효율을 확보할 수 있는 것을 주안점으로 하여, 냉매 및 단열재의 선정 및 기기 개발이 진행되었다. 그 결과, 냉장고의 단열재에 있어서는, CFC11을 HCFC141b, 시클로펜탄의 순으로 발포제를 대체하여 왔고, 현재는, 진공 단열재와의 병용으로 이행하고 있다.

냉매로서는, 냉장고나 자동차 에어컨에 있어서 CFC12를 HFC134a(GWP(Global Warming Potential)=1430)의 순으로 대체하고, 룸 에어컨이나 패키지 에어컨에 있어서 HCFC22를 R410A(HFC32/HFC125(50/50중량%) 혼합물 : GWP=2088)로 대체했다.

그러나, 1997년에 교토에서 개최된 기후 변동 협약 조약 제 3 회 체약국 회의(COP3)에서, HFC 배출량이 온실 효과 가스로써 CO₂ 환산되어 규제 대상으로 되었기 때문에, HFC의 삭감이 진행되게 되었다.

그래서, 가정용 냉장고에 있어서는, 냉매 봉입량(封入量)이 적고, 가연성 냉매도 제조상 사용 가능한 것으로 판단되어, HFC134a를 가연성의 R600a(이소부탄 : GWP=3)로 대체했다. 또한, 여론의 고조에 의해, 현재는, 자동차 에어컨용의 HFC134a 및 룸 에어컨 및 패키지 에어컨용의 R410A에도 시선이 향해 있다. 또한, 업무용 냉장고에 있어서는, 냉매 봉입량이 많아, 가연성 냉매를 봉입했을 경우의 리스크 때문에, 현재도 HFC134a가 사용되고 있다.

현실적으로는, 2001년에 시행된 가전 리사이클법(특정 가정용 기기 재상품화법)이나, 2003년 시행된 자동차 리사이클법(사용 완료 자동차의 재자원화 등에 관한 법률)에 의해 기기의 리사이클이 의무화되어, 냉매로서 이용되고 있는 HFC 등이 회수되어 처리되고 있기 때문에, HFC 등의 직접적인 대기 방출량은 삭감되고 있다. 그러나, EU(유럽연합)는, 2006년 지침(Directive 2006/40/EC)에 있어서, 2011년 1월 출하부터, 자동차 에어컨에 이용하는 냉매로서 GWP>150인 냉매의 사용을 금했다. 이것을 받아들여, 자동차 에어컨 업계에서는 다양한 움직임을 보이고 있으며, 룸 에어컨도 R410A가 언젠가는 규제되는 것이 아닐까라는 염려가 일고 있다. 상기 EU 지침에 의거하여, 2011년에 정치형(定置型) 에어컨을 포함한 규제 재검토의 가능성도 있어, 대체 냉매의 검토가 가속되고 있다.

이들 대체 냉매로써는, HFC134a와 동등한 열 물성을 가지며, 저(低)GWP, 저독성, 저가연성 등의 이유에서, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜(HFO1234yf(Hydrofluoroolefines)(GWP=4), 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜(HFO1234ze)(GWP=10), 혹은 디플루오로메탄(HFC32)의 단독 냉매, 또는 이들의 혼합 냉매가 후보로 되어 있다. 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜과 혼합하는 냉매로써는, 디플루오로메탄(HFC32)이 주가 된다.

또한, 저연소성을 위하여 허용되는 GWP에 따라서는, HFC134a나 HFC125를 혼합하는 것도 생각할 수 있다.

그 외의 냉매로서는, 프로판, 프로필렌 등의 하이드로카본, 및 플루오로에탄(HFC161), 디플루오로에탄(HFC152a) 등의 저GWP의 하이드로플루오로카본을 들 수 있다. 이들 냉매 후보 중에서, 가연성, 냉난방 능력, 비공비(非共沸) 냉매 온도 구배에 따른 기기 효율 저하, 취급 용이성, 냉매 코스트, 또한 상기 냉매 물성에 의거한 기기의 변경(개발) 등을 고려하면, 디플루오로메탄(HFC32)이 가장 좋을 것으로 생각되며, 본 냉매를 이용한 룸 에어컨, 패키지 에어컨의 개발이 급선무이다.

디플루오로메탄 냉매용의 냉동기 오일로서, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에, 디플루오로메탄에 대하여 상용성(相溶性)을 나타내는 폴리올에스테르 오일이 개시되어 있다.

일본국 특개2010-235960호 공보 일본국 특개2002-129178호 공보

패키지 에어컨이나 멀티 타입 에어컨에서는, 사이클을 구성하는 배관이 길어, 1대당 냉매의 봉입량이 많기 때문에, 가연성이 높은 냉매를 이용하는 것이 곤란할 것으로 생각된다. 또한, 배관이 길기 때문에, 냉매와의 상용성이 우수한 냉동기 오일을 이용할 필요가 있다.

또한, 냉동기 오일은, 밀폐형 전동 압축기에 사용되며, 그 슬라이딩부의 윤활, 밀봉, 냉각 등의 역할을 수행하는 것이다. 냉동 공조용 냉동기 오일에서 가장 중요한 특성은 냉매와의 상용성이며, 실외기에 배치되는 압축기 내에서 액 냉매와 냉동기 오일의 2층 분리가 발생하면, 각 슬라이딩부에 분리된 액 냉매가 공급되어 버려, 윤활 불량을 일으킬 염려가 있다. 또한, 압축기 운전 중에 기계적인 작용에 의해 냉동기 오일이 미스트 형상으로 되어 사이클측으로 토출되는데, 상용성이 떨어지면, 사이클의 저온부에서 냉동기 오일이 체류해 버려, 압축기에의 오일 복귀량이 감소한다. 특히, 패키지 에어컨이나 멀티 타입 에어컨에서는, 사이클을 구성하는 배관이 길기 때문에, 냉매와의 상용성이 우수한 냉동기 오일을 이용할 필요가 있다.

특허문헌 1, 2에는, 냉동기 오일로서, 디플루오로메탄에 대하여 상용성을 나타내는 폴리올에스테르 오일이 개시되어 있지만, 냉동 공조용 압축기의 장기 신뢰성 및 오일 복귀 특성을 확보하기 위해서는, 디플루오로메탄에 대한 상용성이 아직 충분치 않아, 상용성이 보다 우수한 냉동기 오일을 이용하는 것이 요구된다.

이와 같이 종래의 냉동기 오일로는, 디플루오로메탄에 대한 상용성이 충분치 않기 때문에, 윤활 불량을 일으킬 염려가 있으며, 특히, 사이클을 구성하는 배관이 긴 패키지 에어컨이나 멀티 타입 에어컨에는 적합하지 않다.

본 발명의 목적은, 냉매로서 디플루오로메탄(HFC32)을 이용한 냉동 공조용 압축기의 내마모성(耐磨耗性)을 향상시켜 장기 신뢰성을 높임과 함께, 이 압축기를 이용한 냉동 공조 기기의 고효율화를 실현하는 것에 있다.

본 발명은, 슬라이딩부를 갖는 냉매 압축부를 구비하며, 냉매인 디플루오로메탄과, 냉동기 오일을 봉입한 냉동 공조용 압축기에 있어서,

상기 냉동기 오일은, 40℃에서의 동점도(動粘度)가 40∼100㎟/s(초)이며, 하기 화학식(1)으로 표시되는 화합물(식 중, R¹∼R²은, 수소 혹은 탄소수 1∼3의 알킬기를 나타냄)을 베이스 오일로 하는 것을 특징으로 한다.

[화 1]

상기 냉동기 오일은, 하기 화학식(1)으로 표시되는 40℃에서의 동점도가 40∼100㎟/s인 화합물(식 중, R¹∼R²은, 수소 혹은 탄소수 1∼3의 알킬기를 나타냄)로 이루어지는 베이스 오일과, 하기 화학식(2)으로 표시되는 첨가 폴리올에스테르 오일(식 중, R³은 탄소수 7∼9의 알킬기를 나타냄)을 함유하며, 상기 첨가 폴리올에스테르 오일의 조성이 1∼10중량%인 것을 특징으로 한다.

[화 2]

[화 3]

또한, 상기에 기재된 냉동 공조용 압축기에 있어서, 상기 냉매와 냉동기 오일의 저온측 임계 용해 온도가 -10℃ 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 슬라이딩부를 갖는 냉매 압축부를 구비하며, 냉매인 디플루오로메탄과, 냉동기 오일을 봉입한 냉동 공조용 압축기에 있어서, 상기 냉동기 오일은, 40℃에서의 동점도가 40∼100㎟/s이고, 상기 냉동기 오일이 환상(環狀) 케탈 화합물 혹은 환상 아세탈 화합물이며, 냉매와 냉동기 오일의 저온측 임계 용해 온도가 -10℃ 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 냉매로서 디플루오로메탄을 이용한 냉동 공조용 압축기의 장기 신뢰성 및 오일 복귀 특성을 확보하면서, 환경을 배려한 냉동 공조 장치를 얻을 수 있다.

도 1은 룸 에어컨의 구성을 나타내는 개략도.
도 2는 룸 에어컨용의 스크롤식 밀폐형 압축기를 나타내는 단면도.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 냉동 공조용 압축기 및 이것을 이용한 냉동 공조 장치에 대하여 설명한다.

상기 냉동 공조용 압축기는, 슬라이딩부를 갖는 냉매 압축부를 구비하며, 냉매인 디플루오로메탄과, 냉동기 오일을 봉입한 것이다. 여기에서, 냉동기 오일은, 40℃에서의 동점도가 40∼100㎟/s이며, 냉매와 냉동기 오일의 저온측 임계 용해 온도는 -10℃ 이하이다. 덧붙여서, 공조기용의 냉동기 사이클의 증발기에 있어서는, 냉방 온도로 -10℃ 이하가 요구된다.

상기 냉동 공조용 압축기에 있어서, 냉동기 오일은, 환상 케탈 화합물 혹은 환상 아세탈 화합물이다.

상기 냉동 공조용 압축기에 있어서, 냉동기 오일은, 하기 화학식(1)으로 표시되는 화합물(식 중, R¹∼R²은, 수소 혹은 탄소수 1∼3의 알킬기를 나타냄)로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 한 종류를 베이스 오일로서 함유한다.

[화 4]

상기 냉동 공조 장치는, 상기 냉동 공조용 압축기를 이용한 것이다. 상기 냉동 공조용 압축기는, 모터가 내장된 스크롤식 혹은 로터리식 밀폐형 압축기이며, 냉동기 오일의 40℃에서의 동점도가 40∼100㎟/s 이하이다.

이하, 실시예를 이용하여 상세히 설명한다.

실시예는, 디플루오로메탄을 이용한 압축기 및 이것을 이용한 냉동 공조 장치에 대하여 개시하는 것이다.

실시예의 냉매는 디플루오로메탄이며, 냉동기 오일은 환상 케탈 화합물 혹은 환상 아세탈 화합물이며, 이들은 다가 알코올과 케톤 혹은 알데히드의 축합 반응에 의하여 얻어진다. 원료가 되는 다가(多價) 알코올과 케톤 혹은 알데히드는, 반응 생성물로서 얻어지는 동점도, 인화점, 비점, 순도, 냉매와의 상용성, 전기 절연성 등으로부터 결정하는 것이 바람직하다. 다가 알코올은, 4∼8가(價)가 바람직하며, 탄소수 4∼10 정도가 좋다. 구체적으로는, 에리트리톨, 디글리세린, 아라비노스, 리보오스, 소르비톨, 만니톨, 갈락티톨, 이디톨, 탈리톨, 알리톨, 4,7-디옥사데칸-1,2,9,10-테트라올, 5-메틸-4,7-디옥사데칸-1,2,9,10-테트라올, 4,7,10-트리옥사트리데칸-1,2,12,13-테트라올, 1,6-디메톡시헥산-2,3,4,5-테트라올, 3,4-디에톡시헥산-1,2,5,6-테트라올 등의 다가 알코올이나, 펜타에리트리톨, 디트리메틸올에탄, 디트리메틸올프로판, 디펜타에리트리톨, 트리펜타에리트리톨, 2,9-디에틸-2,9-디히드록시메틸-4,7-디옥사데칸-1,10-디올, 2,12-디에틸-2,12-디히드록시메틸-5,8-디메틸-4,7,10-트리옥사트리데칸-1,13-디올 등의 힌더드 알코올이며, 포화 지방족 알코올이 바람직하다.

케톤이나 알데히드는 탄소수 2∼6이 좋으며, 구체적으로는, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸프로필케톤, 메틸이소프로필케톤, 메틸부틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 아세트알데히드, 프로피온알데히드, 부틸알데히드, 이소부틸알데히드, 2-메틸부틸알데히드 등을 들 수 있다.

다음으로, 첨가 폴리올에스테르 오일은, 하기 화학식(2)으로 표시되는 화합물(식 중, R³은 탄소수 7∼9의 알킬기를 나타냄)이며, 다가 알코올과 1가의 지방산의 축합 반응에 의해 얻어지는 열 안정성이 우수한 힌더드 타입이 바람직하다.

[화 5]

원료가 되는 다가 알코올로서 바람직한 것은, 디펜타에리트리톨이다. 디펜타에리트리톨 중에는, 불순물로서 펜타에리트리톨이나 트리펜타에리트리톨이 많이 함유되어 있다.

또한, 원료가 되는 1가의 지방산으로서는, 2-에틸헥산산, 3,5,5-트리메틸헥산산 등이 있으며, 이들을 단독 또는 2종류 이상을 혼합하여 이용한다.

첨가 폴리올에스테르 오일로서, 콤플렉스 타입의 폴리올에스테르 오일(콤플렉스 에스테르 오일)이어도 되며, 이것은 다가 알코올과 2가의 지방산과 1가의 지방산이 결합한 에스테르 화합물이다.

여기에서, 원료가 되는 다가 알코올로서 바람직한 것은, 예를 들면, 네오펜틸글리콜, 트리메틸올프로판 및 펜타에리트리톨이다. 또한, 원료가 되는 1가의 지방산으로서는, n-펜탄산, n-헥산산, n-헵탄산, n-옥탄산, 2-메틸부탄산, 2-메틸펜탄산, 2-메틸헥산산, 2-에틸헥산산, 이소옥탄산, 3,5,5-트리메틸헥산산 등이 있으며, 이들을 단독 또는 2종류 이상을 혼합하여 이용한다. 또한, 원료가 되는 2가의 지방산으로서는, 프로판이산, 부탄이산, 펜탄이산, 헥산이산, 헵탄이산, 옥탄이산 등이 있으며, 이들을 단독 또는 2종류 이상을 혼합하여 이용한다.

실시예의 공조 장치 및 냉동기에 이용하는 냉동기 오일의 점도 그레이드는, 압축기의 종류에 따라 다르지만, 스크롤식 압축기에 있어서는, 40℃에서의 동점도가 40∼100㎟/s의 범위인 것이 바람직하다. 또한, 로터리식 압축기에 있어서는, 40℃에서의 동점도가 40∼70㎟/s의 범위인 것이 바람직하다. 덧붙여, 40℃에서의 점도가 40㎟/s 이하이면, 유막 형성성 및 씰(seal)성이 나빠지고, 점도가 100㎟/s를 초과하면 점성 저항, 마찰 저항 등에 의해 기계 손실이 증대하여, 압축기 저항을 저하시킨다. 따라서, 40℃에서의 동점도가 40∼100㎟/s의 범위인 냉동기 오일이면, 상기 제반 조건을 만족시킬 수 있다.

전기 절연의 내열 클래스는, 전기 절연의 내열 클래스 및 내열성 평가 JEC-6147(전기 학회 전기 규격 조사 표준 규격)에서 규정되어 있으며, 냉동 공조기용 압축기에 채용되어 있는 절연 재료도 상기 규격의 내열 종류에 따라 선정된다. 그러나, 냉동 공조 기기용의 유기 절연 재료의 경우, 냉매 분위기 중이라는 특수한 환경에서 사용되기 때문에, 온도 이외에도 압력에 따른 변형·변성을 억제하는 것, 또는 냉매나 냉동기 오일과 같은 유극성(有極性) 화합물에도 접촉하기 때문에, 내용제성, 내추출성, 열적·화학적·기계적 안정성, 내냉매성(크레이징(피막에 스트레스을 부여한 후, 냉매에 침지하면 발생하는 미세한 주름 형상 크랙), 블리스터(피막에 흡수된 냉매가, 온도 상승에 의하여 야기되는 피막의 기포)) 등도 고려해야만 한다.

특히, HFC32에서는 단열 지수가 작기 때문에 토출되는 냉매 온도가 높다. 이 때문에, 높은 내열 클래스(E종(種) 120℃ 이상)의 절연 재료를 사용할 필요가 있다.

압축기 내에서 가장 많이 사용되는 절연 재료는, PET(폴리에틸렌테레프탈레이트)이다. 용도로서는, 분포권(分布捲) 모터의 철심과의 코일 절연에 필름재가 이용되며, 코일의 결박 끈, 모터의 리드선의 피복재에 섬유 형상의 PET가 사용되어 있다. 이 이외의 절연 필름로서는, PPS(폴리페닐렌설파이드), PEN(폴리에틸렌나프탈레이트), PEEK(폴리에테르에테르케톤), PI(폴리이미드), PA(폴리아미드) 등을 들 수 있다. 또한, 코일의 주절연 피복 재료에는, THEIC 변성 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리에스테르이미드, 폴리에스테르아미드이미드 등이 사용되며, 폴리에스테르이미드-아미드이미드의 더블 코팅을 실시한 이중 피복 구리선이 바람직하게 사용된다.

본 발명에 있어서는, 상기한 냉동기 오일에 윤활성 향상제(트리크레질포스페이트 등의 극압(極壓) 첨가제도 함유됨), 산화 방지제, 산 포착제, 소포제, 금속 불활성제 등을 첨가해도 전혀 문제가 없다. 특히, 폴리올에스테르 오일은, 수분 공존 하에서 가수분해에 기인하는 열화가 발생하기 때문에, 산화 방지제 및 산 포착제의 배합은 필수이다.

산화 방지제로서는, 페놀계인 DBPC(2,6-디-t-부틸-p-크레졸)가 바람직하다.

산 포착제로서는, 일반적으로, 에폭시환(環)을 갖는 화합물인 지방족의 에폭시계 화합물이나 카르보디이미드계 화합물이 사용된다. 특히, 카르보디이미드계 화합물은, 지방산과의 반응성이 극히 높아, 지방산으로부터 해리한 수소 이온을 포착하기 때문에, 폴리올에스테르 오일의 가수분해 반응이 억제되는 효과가 매우 크다. 카르보디이미드계 화합물로서는, 비스(2,6-이소프로필페닐)카르보디이미드를 들 수 있다. 산 포착제의 배합량은, 냉동기 오일에 대하여 0.05∼1.0중량%로 하는 것이 바람직하다. 또한, 환상 케탈 화합물 혹은 환상 아세탈 화합물은, 내마모성이 떨어지기 때문에, 윤활성 향상제로서 트리크레질포스페이트로 대표되는 제 3 급 포스페이트 등을 배합하는 것이 바람직하다.

(실시예 1 및 비교예 1∼8)

(냉매와의 상용성 평가)

냉동 공조용 압축기에 봉입되는 냉매 및 냉동기 오일의 상용성은, 전술한 바와 같이 냉동사이클로부터 압축기에의 오일 복귀(압축기 내부의 유량을 확보) 혹은 열교환 효율의 유지 등, 압축기의 신뢰성을 보증하는 면에서 중요한 특성 중 하나이다.

디플루오로메탄과 냉동기 오일의 상용성 평가는, JIS K 2211에 준하여 측정했다.

임의의 양의 오일(냉동기 오일)과 냉매를 혼합하여 조제한 혼합물을 내압 글래스 용기에 봉입하고, 온도를 변화시킨 상태에 있어서의 내용물의 관찰을 행했다. 내용물이 백탁(白濁)되어 있으면 2층 분리, 투명하면 용해로 판정했다.

일반적으로, 상기한 혼합물의 온도가 충분히 높은 온도이면, 2층 분리되지 않고 용해되지만, 이 혼합물의 온도를 서서히 저하시켜 가면 2층 분리되게 된다. 여기에서 행한 상용성 평가에 있어서는, 혼합물의 온도를 20℃에서부터 서서히 저하시켜서 측정을 행했다. 이 때문에, 용해되는 온도(용해 온도)가 20℃ 이상인 경우의 데이터는 구하고 있지 않다. 20℃ 이상에서 용해되는 오일은, 냉동 공조용의 압축기에 이용하는 오일로서는 부적당하다.

상용성 평가에 있어서는, 냉매에 혼합한 오일의 농도(오일 농도)를 가로 축으로 하고, 용해 온도를 세로 축으로 한 그래프를 작성했다. 이 그래프는, 일반적으로, 2층으로 분리되는 온도의 오일 농도 의존성을 나타내는 것이며, 극대값을 갖는 곡선으로 된다. 이 극대값을 저온측 임계 용해 온도로 정의한다.

이용한 냉동기 오일은, 하기와 같다. 여기에서, 40℃ 점도는, 40℃에서의 냉동기 오일의 동점도이다.

(A) 소르비톨 1몰과 메틸에틸케톤 3몰로부터 얻어지는 환상 케탈 화합물 : 40℃ 점도 63.1㎟/s

(B) 힌더드 타입 폴리올에스테르 오일(H-POE)(펜타에리트리톨계의 2-에틸헥산산/3,5,5-트리메틸헥산산의 혼합 지방산 에스테르 오일) : 40℃ 점도 64.9㎟/s

(C) 힌더드 타입 폴리올에스테르 오일(H-POE)(트리메틸올프로판계의 3,5,5-트리메틸헥산산의 지방산 에스테르 오일) : 40℃ 점도 51.6㎟/s

(D) 폴리비닐에테르 오일(PVE)(알콕시비닐의 중합체이며, 알콕시기가 에틸옥시기 및 이소부틸옥시기인 공중합체 에테르 오일) : 40℃ 점도 64.9㎟/s

(E) 폴리비닐에테르 오일(PVE)(알콕시비닐의 중합체이며, 알콕시기가 에틸옥시기인 에테르 오일) : 40℃ 점도 67.8㎟/s

(F) 나프텐계 광유(鑛油) : 40℃ 점도 54.1㎟/s

(G) 힌더드 타입 폴리올에스테르 오일(H-POE)(네오펜틸글리콜계의 2-에틸헥산산의 지방산 에스테르 오일) : 40℃ 점도 7.5㎟/s

표 1은, 냉매인 디플루오로메탄(HFC32)과 냉동기 오일의 상용성 평가의 결과를 나타낸 것이다. 본 표에 있어서, 현재의 냉매 R410A를 이용한 냉동 공조 장치에 주로 사용되고 있는 냉동기 오일의 상용성 평가의 결과는, 비교예 7 및 8로써 나타내고 있다.

[표 1]

본 표로부터, 냉매인 HFC32와 냉동기 오일의 상용성의 정도인 저온측 임계 용해 온도가 냉동기 오일의 종류에 따라서 크게 다른 것을 알 수 있다. 본 표에 의해, HFC32와 상용하는 냉동기 오일을 선정할 수 있다.

실시예 1에 나타내는 냉매와 냉동기 오일의 조합에 있어서는, 저온측 임계 용해 온도가 -10℃ 이하로 되어있다.

냉동기 오일(B), (D)을 이용하여 HFC32에 대한 상용성을 평가한 결과를 비교예 1 및 3에 나타냈지만, 저온측 임계 용해 온도가 +20℃ 이상으로 되어도 상용성이 떨어져 버린다.

그 외에, 비교예 2에서 나타내는 바와 같이, 폴리올에스테르 오일의 동점도를 변화시켜도 상용성이 개선되지 않는 것을 알 수 있다.

비교예 6에서 나타내는 바와 같이, HFC32에 대하여 상용성이 우수한 오일도 있지만, 동점도가 40㎟/s 이하로, 공조 장치에서 적용하는 것은 곤란하다.

또한, 비교예 5는, 다른 오일 종류에 있어서의 상용성의 평가 결과를 나타낸 것이지만, 저온측 임계 용해 온도가 +20℃ 이상이기 때문에, 상용성이 떨어져 사용하는 것은 어렵다.

이들에 반하여, 실시예 1에 있어서는, HFC32와의 상용성이 우수하며, 저온측 임계 용해 온도가 -10℃ 이하이기 때문에, 냉동 공조 장치에 적용하는 것이 가능하다.

(실시예 2∼6)

(철계 재료에의 흡착성 평가)

냉동기 오일로서 중요 특성인 상용성이 얻어진 실시예 1의 화합물에 있어서, 윤활성을 얻기 위하여, 하기 화학식(2)으로 표시되는 첨가 폴리올에스테르 오일(식 중, R³은 탄소수 7∼9의 알킬기를 나타냄)을 상기 화합물에 대하여 1∼10중량% 배합함으로써 냉동 공조용 압축기 및 장치의 신뢰성이 대폭적으로 향상된다.

[화 6]

첨가 폴리올에스테르 오일은, 다가 알코올과 1가의 지방산의 축합 반응에 의해 얻어지는 열안정성이 우수한 힌더드 타입이 바람직하다.

첨가 폴리올에스테르 오일로서, 콤플렉스 타입의 폴리올에스테르 오일(콤플렉스 에스테르 오일)이어도 되며, 다가 알코올과 2가의 지방산과 1가의 지방산이 결합한 에스테르 화합물이다.

냉동기 오일 주제(主劑)인 환상 케탈 화합물, 혹은 환상 아세탈 화합물의 40℃에서의 동점도가 40㎟/s로부터 100㎟/s 이하이며, 첨가 폴리올에스테르 오일의 40℃에서의 동점도가 180㎟/s 이상인 것이 바람직하다.

상기 냉동 공조용 압축기는, 철계 재료에 의해 형성된 슬라이딩부를 포함하며, 슬라이딩부에 있어서의 접촉면 압이 10㎫ 이상이다.

상기 냉동 공조용 압축기에 있어서, 첨가 폴리올에스테르 오일은, 철계 재료에 대한 흡착 능력이 냉동기 오일 주제보다 10배 이상 높아, 냉동기 오일 주제의 윤활성이 떨어지면 압축기 슬라이딩부에 있어서의 유막 강도가 저하되어 버리기 때문에 마모가 진행하여, 냉동 공조 장치의 신뢰성도 저하되어 버린다. 이 때문에, 냉동기 오일 성분의 슬라이딩부에 대한 흡착성이 중요한 파라미터로 된다. 슬라이딩부는 철계 재료에 의해 구성되어 있는 부위가 많고, 그 표면에는 산화철이 형성되어 있다. 본 명세서에 있어서의 냉동기 오일의 철계 재료에의 흡착 능력은, 실질적으로 냉동기 오일의 산화철에의 흡착 능력으로 생각할 수 있다.

이러한 관점에 기초하여, 본 실시예에 있어서는, 평균 입경 1㎛의 Fe₃O₄(사삼산화철)의 분말(비(比)표면적 1.57㎡/g)을 이용하여 냉동기 오일의 흡착 능력의 평가를 행했다.

용매에 희석한 냉동기 오일 성분의 흡착 전후의 농도를 핵자기공명 분석(NMR)에 의해 정량하여, 산화철 분말에 흡착한 양을 산출했다. 용매로는 헥산을 이용하며, 각 냉동기 오일 성분이 0.3mol-ppm으로 되도록 조정했다. 20㎖ 스크류관에 산화철 분말을 3g 채취 후, 냉동기 오일 성분의 용액을 10g 넣고, 초음파 세정기에서 30분간 분산시켜서 48시간 방치 후의 상징액(上澄液)의 1H-NMR 분석을 행했다.

여기에서, mol-ppm은, 몰 기준의 ppm(parts per million)이다. 즉, 용액(용매 및 용질의 혼합물)의 몰수를 분모로 하고, 용질의 몰수를 분자로 하여 산출한 백만 분률이다.

시험에 제공된 화합물로서 (A)(B)(D)(F) 및, (H) 힌더드 타입 폴리올에스테르 오일(POE)(디펜타에리트리톨계의 2-에틸헥산산/3,5,5-트리메틸헥산산의 혼합 지방산 에스테르 오일) : 40℃ 점도 217㎟/s를 이용하여 상기 흡착성의 평가를 실시했다. 그 평가 결과로서, 산화철 분말에 대한 화합물의 흡착량을 측정한 결과를 표 2에 나타낸다.

[표 2]

각 화합물에 따라 산화철 분말에 대한 흡착량(흡착 능력)이 다르며, 유극성 화합물 쪽이 철계 재료에 흡착하기 쉬운 것을 알 수 있다. 유극성 화합물에 있어서도, 분자 구조 중에 에스테르기가 많이 존재하는 화합물(H)이 흡착량이 많은 것을 알 수 있다. 즉, (H)는, 철계 재료(산화철)에 대한 흡착 능력이, 다른 냉동기 오일 성분(A)(B)(D)(F)에 비하여 4.0배 이상 높은 것을 알 수 있다. 특히, 본 발명의 환상 케탈 화합물(A)과 비교하면, 10배 이상 높아진다. 이것으로부터, 냉동기 오일 성분(A)은, (H)를 첨가함으로써 압축기 슬라이딩부에 있어서 윤활막을 형성하기 쉬운 것으로 생각할 수 있다.

이것은, 다음의 이유에 따른 것으로 생각된다.

에스테르기에 함유되는 카르보닐(C=O)의 산소는 마이너스로 대전하는 경향이 있다. 이에 반하여, 산화철 표면은 일반적으로 수화(水和)되어, 수산기로 되어있다. 이 때문에, 산화철 표면의 수산기에 존재하는 수소와 에스테르기의 산소 사이에 쿨롱의 힘에 의한 인력이 발생하여, 흡착하기 쉬워지는 것으로 생각된다.

이 결과로부터, (H)를 본 발명에 있어서의 첨가 폴리올에스테르 오일로서 이용하는 것으로 했다.

(실시예 7∼10 및 비교예 9∼11)

(윤활성 평가)

실시예에서 흡착성이 확인된 냉동기 오일의 윤활성을 평가했다. 쉘식 4구 마찰 마모 시험기를 이용하여, 냉동기 오일의 윤활성을 평가했다. 1/2인치 SUJ2 강구를 시험편으로 하여, 하중 : 280N, 온도 : 120℃, 회전 속도 : 1200/min, 시간 : 10min으로 시험한 후의 고정 시험편의 마모흔(磨耗痕) 직경(3개 평균)과 마찰 계수를 측정했다. 냉동기 오일 주제로써, (A)를 이용하고, 그것에 (H) 첨가 폴리올에스테르 오일을 배합한 것을 평가했다. 또한, (A)에 TCP : 트리크레질포스페이트를 배합한 냉동기 오일을 평가했다. 비교예 9∼11로서, (A) 단독, (A)에 대하여 (H)의 배합량이 1.0중량% 미만인 냉동기 오일, 및 10중량%를 초과하는 냉동기 오일을 평가했다.

각 냉동기 오일의 윤활성을 평가한 결과를 표 3에 나타낸다.

[표 3]

비교예 9에서 나타내는 바와 같이, (A) 단독으로 시험을 행한 것에 대해서는, 마모흔 직경이 크고, 마찰 계수가 높다. 이에 반하여, 실시예 7∼9에서 나타내는 (H) 첨가 폴리올에스테르 오일을 1∼10중량% 배합한 냉동기 오일은, (A) 단독에 비하여, 마모흔 직경과 마찰 계수가 억제되어 있어, 윤활성의 향상 효과가 얻어졌다. 이것은 첨가 폴리올에스테르 오일의 철계 재료에 대한 흡착 능력이 냉동기 오일 주제보다도 크기 때문에, 마찰면이 저표면 에너지화되어, 내마모성과 마찰 계수의 저감 효과가 얻어진 것에 따른다.

또한, 실시예 10에서 나타내는 바와 같이 일반적인 윤활성 향상제인 TCP를 (A)에 배합한 것에 대해서도, 대폭적으로 마모흔 직경과 마찰 계수가 억제되어 있어, 윤활성의 향상 효과가 얻어졌다. 첨가 폴리올에스테르 오일에 있어서는, 비교예 10에서 나타내는 바와 같이 배합량이 적으면, 충분한 윤활성 향상 효과가 얻어지지 않는 것을 알 수 있다. 또한, 비교예 11에서 나타내는 바와 같이 배합량이 많으면, 윤활성 향상 효과는 얻어지지만, 동점도가 높아지고, 또한 상용성이 저하되어 버리는 문제가 발생하기 때문에 10중량% 이하로 하는 편이 좋다.

(실시예 11, 12 및 비교예 12∼16)

(공조 실기(實機) 평가)

도 1은, 본 실시예에서 이용한 냉난방 겸용의 룸 에어컨의 개략을 나타낸 것이다.

룸 에어컨(50)은, 실내기(51)와 실외기(52)에 의해 구성되어 있다. 실내기(51)에는, 실내 열교환기(5)가 내장되어 있다. 또한, 실외기(52)에는, 압축기(100), 사방 밸브(2), 실외 열교환기(3) 및 팽창 수단(4)(팽창부)이 내장되어 있다. 압축기(100)는, 슬라이딩부를 갖는 냉매 압축부를 구비한 것이다.

실내를 냉방할 경우, 압축기(100)에서 단열적으로 압축된 고온 고압의 냉매 가스가, 토출 파이프 및 사방 밸브(2)를 통하여 실외 열교환기(3)(응축 수단으로써 사용됨)에 의해 냉각되어, 고압의 액 냉매로 된다. 이 냉매는, 팽창 수단(4)(예를 들면, 캐필러리 튜브나 온도식 팽창 밸브 등)에 의해 팽창하여, 가스를 약간 함유하는 저온 저압액으로 되어 실내 열교환기(5)(증발 수단으로서 사용됨)에 도달하여, 실내의 공기로부터 열을 얻어 저온 가스의 상태로 다시 사방 밸브(2)를 통하여 압축기(1)에 도달한다. 실내를 난방할 경우에는, 사방 밸브(2)에 의하여 냉매의 흐름이 역 방향으로 바뀌어, 역작용으로 된다. 압축기(100)로서는, 스크롤식 압축기를 이용하고 있다.

도 2는, 상기한 스크롤식 압축기의 개략 구조를 나타낸 것이다.

압축기(100)는, 단판(端板)(7)에 수직으로 설치된 소용돌이 형상 랩(8)을 갖는 고정 스크롤 부재(6)와, 이 고정 스크롤 부재(6)와 실질적으로 동일 형상인 랩(10)을 갖는 선회 스크롤 부재(9)와, 선회 스크롤 부재(9)를 지지하는 프레임(14)과, 선회 스크롤 부재(9)를 선회 운동시키는 크랭크샤프트(11)와, 전동 모터(17)와, 이들을 내장하는 압력 용기(15)를 포함한다. 소용돌이 형상 랩(8)과 랩(10)은, 서로 마주보도록 하여 맞물려 있으며, 압축기구부를 형성하고 있다.

선회 스크롤 부재(9)는, 크랭크샤프트(11)에 의하여 선회 운동시키면, 고정 스크롤 부재(6)와 선회 스크롤 부재(9) 사이에 형성되는 압축실(12)(12a, 12b 등) 중, 가장 외측에 위치해 있는 압축실(12)이 선회 운동에 수반하여 용적을 점차 축소시키면서, 고정 스크롤 부재(6) 및 선회 스크롤 부재(9)의 중심부를 향하여 이동해 간다. 압축실(12)이 고정 스크롤 부재(6) 및 선회 스크롤 부재(9)의 중심부 근방에 도달하면, 압축실(12)이 토출구(13)와 연이어 통하여, 압축실(12) 내부의 압축 가스가 토출 파이프(16)로부터 압축기(100)의 외부로 토출된다.

압축기(100)에 있어서는, 일정 속도, 혹은 도시하지 않은 인버터에 의하여 제어된 전압에 따른 회전 속도로 크랭크샤프트(11)가 회전하여, 압축 동작을 행한다. 또한, 전동 모터(17)의 아래쪽에는, 오일 저류부(20)가 설치되어 있으며, 오일 저류부(20)의 오일은, 압력차에 의하여 크랭크샤프트(11)에 설치된 오일 구멍(19)을 통하여, 선회 스크롤 부재(9)와 크랭크 샤프트(11)의 슬라이딩부, 미끄럼 베어링(18) 등의 윤활에 제공된다.

실시예 11, 12 및 비교예 12∼16에 있어서는, 도 1에 나타내는 룸 에어컨을 이용하여, 실내기를 항온실(실온 35℃, 습도 75%)에 설치하고, 2160시간 운전하는 실기 시험을 행했다. 모터의 철심과 코일의 절연에는, 내열 PET 필름(B종 130℃)을 이용하고, 코일의 주(主)절연에는, 폴리에스테르이미드-아미드이미드의 더블 코팅을 실시한 이중 피복 구리선을 이용했다.

룸 에어컨의 평가에 있어서는, 스크롤식 압축기의 마모 상태에 착안하여, 실기 시험의 전후에 있어서의 프레임∼샤프트간의 마모에 따른 극간 증가량을 측정했다. 프레임∼샤프트간의 극간 증가량이 증가할수록 마모량이 큰 것을 나타내고 있으며, 일반적으로, 극간 증가량이 증가함에 따라 진동이나 소음이 커진다.

냉매로써는, 디플루오로메탄(HFC32)을 이용했다. 디플루오로메탄의 이점은, 현재의 R410A기의 냉동 공조 사이클을 거의 그대로 사용할 수 있는 점에 있다. 냉동 공조 사이클에 있어서는, 냉매와 냉동기 오일의 상용성이 압축기에의 오일 복귀량을 확보하기 위한 중요한 특성이며, 냉매와 마찬가지로 냉동기 오일도 순환할 필요가 있다. 상용성이 떨어지면, 압축기로부터 기계적 요소에 의해 토출된 냉동기 오일이 순환하지 않아, 특히 저온부에서 분리된 오일이 체류하기 때문에, 압축기의 유량이 적어져, 슬라이딩부의 윤활에 지장을 초래한다. 이 때문에, 사이클 중에 있어서의 운전 조건 온도 범위에서 냉매와 냉동기 오일이 용해되어 있는 것이 바람직하다.

본 실시예에 있어서는, 디플루오로메탄에 대하여 상용성을 가지며, 윤활성 향상 효과가 확인된 실시예 8과 실시예 10의 냉동기 오일을 채택했다. 비교예로서는, 디플루오로메탄에 대한 상용성이 떨어지는 (B) 및 (D)를 평가했다. 또한, 현행의 냉매인 R410A를 이용한 (B) 및 (D)에 대해서도 비교 평가를 행했다.

본 시험에 있어서 바람직한 것으로 여겨지는 압축기의 상태는, 시험 후의 프레임∼샤프트간의 마모에 따른 극간 증가량(미끄럼 베어링 극간 증가량)이 10㎛ 이하인 것, 및 압축기의 잔유량(殘油量)이 확보되어 있는 것이다.

표 4는, 실시예 11, 12 및 비교예 12∼16의 결과를 나타낸 것이다.

[표 4]

본 표에 있어서, 비교예 15 및 16에 나타내는 바와 같이, 현행의 R410A기는, 압축기의 프레임∼샤프트간의 극간 증가량도 적고, 압축기 내의 냉동기 오일 잔유량도 충분히 확보되어 있다. 그러나, 비교예 12 및 13에서 나타내는 바와 같이, 디플루오로메탄과의 상용성이 떨어지는 조합으로 실시했을 경우에는, 압축기의 냉동기 오일 잔량이 감소해 있어, 충분한 유막이 확보되지 않기 때문에, 프레임∼샤프트간의 극간 증가량이 커져 있다. 디플루오로메탄에 대한 상용성이 우수해도 비교예 14와 같이 충분한 윤활성이 얻어지지 않을 경우에는, 압축기의 냉동기 오일 잔량이 확보되어 있어도, 필요한 유막 두께가 얻어지지 않기 때문에, 프레임∼샤프트간의 극간 증가량이 커져 버린다.

이에 반하여, 실시예 11, 12에 나타내는 냉동 공조 장치는, 프레임∼샤프트간의 극간 증가량을 대폭적으로 저감할 수 있으며, 또한 압축기의 냉동기 오일 잔유량을 확보할 수 있기 때문에, 냉동 공조 장치에 있어서 높은 신뢰성이 얻어진다.

이상의 실시예의 결과로부터, 본 발명의 냉동 공조 장치는, 압축기의 마모를 억제할 수 있으며, 장기 절연 신뢰성을 충분히 확보할 수 있다.

그 외에도, 로터리식 압축기, 트윈 로터리식 압축기, 2단 압축 로터리식 압축기, 및 롤러와 베인이 일체화된 스윙식 압축기에 있어서도, 마찬가지의 효과가 얻어지는 것을 확인했다.

본 발명은, 냉동 공조용 압축기 및 냉동 공조 장치에 적용 가능하다.

100 : 압축기
2 : 사방 밸브
3 : 실외 열교환기
4 : 팽창 수단
5 : 실내 열교환기
6 : 고정 스크롤 부재
7 : 단판
8 : 소용돌이 형상 랩
9 : 선회 스크롤 부재
10 : 랩
11 : 크랭크샤프트
12, 12a, 12b : 압축실
13 : 토출구
14 : 프레임
15 : 압력 용기
16 : 토출 파이프
17 : 전동 모터
18 : 미끄럼 베어링
19 : 오일 구멍
20 : 오일 저류부
50 : 룸 에어컨
51 : 실내기
52 : 실외기

Claims

슬라이딩부를 갖는 냉매 압축부를 구비하며, 냉매인 디플루오로메탄과, 냉동기 오일을 봉입(封入)한 냉동 공조용 압축기에 있어서,
상기 냉동기 오일은, 하기 화학식(1)으로 표시되는 40℃에서의 동점도(動粘度)가 40∼100㎟/s인 화합물(식 중, R¹∼R²은, 수소 혹은 탄소수 1∼3의 알킬기를 나타냄)로 이루어지는 베이스 오일과, 하기 화학식(2)으로 표시되는 첨가 폴리올에스테르 오일(식 중, R³은 탄소수 7∼9의 알킬기를 나타냄)을 함유하며, 상기 첨가 폴리올에스테르 오일의 조성이 1∼10중량%인 것을 특징으로 하는 냉동 공조용 압축기.
[화 1]

[화 2]
제 1 항에 있어서,
상기 냉동기 오일은, 환상(環狀) 케탈 화합물 혹은 환상 아세탈 화합물인 것을 특징으로 하는 냉동 공조용 압축기.
제 1 항에 있어서,
상기 냉매와 냉동기 오일의 저온측 임계 용해 온도가 -10℃ 이하인 것을 특징으로 하는 냉동 공조용 압축기.
제 2 항에 있어서,
상기 냉매와 냉동기 오일의 저온측 임계 용해 온도가 -10℃ 이하인 것을 특징으로 하는 냉동 공조용 압축기.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 냉동 공조용 압축기를 이용한 것을 특징으로 하는 냉동 공조 장치.