制冷循环以及热泵式热水供应装置 【技术领域】
本发明涉及采用二氧化碳制冷剂的制冷循环以及热泵式热水供应装置。背景技术
现有的制冷循环的制冷剂广泛采用CFC(氯氟代烃(クロロフルオロカ一ボン))、HCFC(氢化氯氟代烃(ハイドロクロロフルオロカ一ボン))，但是从保护臭氧层的观点出发，正在将其全部废除或减少。
作为替代制冷剂，其主流是分子中不含氯的不破坏臭氧层的HFC(氢化氟(ハイドロフルオロカ一ボン))制冷剂，具体地讲，具有与CFC12(二氟甲烷(ジクロロジフルオロメタン))相近的热力学特性的HFC134a(1，1，1，2-四氟乙烷)用于冰箱或汽车空调中，替代HCFC22的HFC系列的混合制冷剂，即R410A(HFC32/125：50/50重量％)或R407C(HFC32/125/134a：23/25/52重量％)等用于房间空调或组合空调中。
然而，虽然HFC不破坏臭氧层，但是从防止地球变暖的观点出发，对HFC也趋于限制。
近年来，从保护地球环境或不燃性、低毒性方面看，作为自然制冷剂的二氧化碳(CO2)受到瞩目。作为可以应用的产品，曾考虑到电动车空调、寒冷地区用暖气设备以及热水供应装置等。
地球环境问题要求更加节省能源、高效率化，以热水供应装置为例进行说明，采用二氧化碳热泵式的热水供应装置与一般家庭用热水供应装置的主流方式煤气式相比其优点是运转费用约可降低1/5，效率系数(COP：Coefficient of Performance)可以实现3.0以上的高效化。例如：在热泵式热水供应装置中应用前述HFC制冷剂时，由于制冷剂地热物理性，最高只能供给约60℃的热水，要获得更高温度就需要很高输出功率的压缩机。相反，采用二氧化碳制冷剂时，其优点是由于制冷剂的热物理性可以输出约90℃的热水。
另一方面，将冷冻机油用在封闭型电动压缩机上，发挥其润滑部润滑、封闭、冷却等作用。采用二氧化碳制冷剂的压缩机处于高温、高压(约10MPa)条件，所以冷冻机油的使用条件是严酷的，因此从保证压缩机的可靠性方面要求冷冻机油能够对应润滑性，尤其是能够对应节省能源、高效化。
作为采用二氧化碳的制冷循环以及压缩机的冷冻机油，主要采用与制冷剂有相溶性的聚二醇油和多元醇酯等合成油。
具体地讲，在日本特开平10-46169号公报、特开2001-66004号公报、特开2001-73945号公报，以及特开2001-153476号公报中公开了选择聚二醇油及聚乙烯醚中至少一种构成、并且100℃时的动粘度超过5mm2/s的冷冻机用润滑油组成物，以及采用这些冷冻机用润滑油组成物的制冷循环、压缩机等，在特开2000-273477号公报、特开2000-273479号公报、特开2000-345183号公报、特开2001-19987号公报中公开了采用多元醇酯的冷冻机油组成物。
然而，在密封型电动压缩机上，还要求作为电绝缘油的性能，因此聚二醇油由于其分子结构决定其电绝缘性能很低，无法满足超过作为电绝缘油的体积电阻率的规格值1013Ω·cm。从而担心为了向压缩机电机提供外部电源而安装的封闭端子之间发生短路，尤其是由于介电常数或介质衰耗因数较高导致漏电流而触电。
另一方面，由于多元醇酯其对二氧化碳制冷剂的相溶性过高，压缩机内的溶解粘度大幅下降，高压侧的密封性能不好，导致压缩效率下降，向制冷循环流出的油增多等，可能导致热交换效率下降。
基于上述理由，在热泵式热水供应装置中，优选对二氧化碳显示非相溶性并且电绝缘性优秀的烃油用作冷冻机油。关于采用对二氧化碳的溶解性小，或者采用非相溶的冷冻机油的压缩机，公开于特开2000-110725号公报中，但是，由于烷基苯其粘度指数较小，致使制冷循环的低温部的粘度增大，向压缩机的回油量减少。从而有引起压缩机滑动部的润滑不良之危险。氟油因为价格高，不太现实。发明内容
本发明是鉴于上述的问题而提出的，目的是提供可以通过采用对二氧化碳制冷剂显示非相溶性的冷冻机油来确保高可靠性并且可以实现节省能源和高效化的、关爱环境的制冷循环以及热泵式热水供应装置。
本发明的制冷循环及热泵式热水供应装置，其制冷循环设有：吸入并压缩二氧化碳制冷剂的压缩机、流入从该压缩机排出的前述二氧化碳制冷剂的放热用热交换器、将从该热交换器流出的前述二氧化碳制冷剂进行减压的减压器、和流入在前述减压器中被减压的前述二氧化碳制冷剂的吸热用热交换器；其特征是，作为压缩机的冷冻机油，采用对二氧化碳制冷剂显示非相溶性的聚-α-烯烃或烷烃类矿物油或环烷烃类矿物油或烷基苯中的任一种油或者混合油。
本发明的另一特征是，作为其冷冻机油采用与前述二氧化碳制冷剂显示非相溶性、动粘度在100℃时为2～15mm2/s的范围、并且前述冷冻机油的粘度指数超过100的任一种油或者混合油。
进而本发明的特征是，吸热用热交换器的制冷剂流路，其流入口位于上方、流出口置于下方。
如本发明所述，在具有通过压缩机、将从前述压缩机排出的制冷剂进行放热的放热用热交换器、将从热交换器流出的制冷剂进行减压的减压器、以及使在减压器中被减压的制冷剂吸收热量的吸热用热交换器进行循环的制冷循环，以及具备该制冷循环的热水供应装置中，作为压缩机的冷冻机油，通过采用对二氧化碳制冷剂显示非相溶性的烃油，在压缩机的滑动部上能够保持充分的油膜，从而，由于防止磨耗、保持密封性，所以能够提高压缩效率。
作为冷冻机油，由对二氧化碳显示非相溶性的烃油构成，具体地讲就是聚-α-烯烃或烷烃类矿物油或环烷烃类矿物油或烷基苯中的任一种油或者这些的混合油。考虑到冷冻机油在制冷循环低温部上的滞留，应优选容易确保向压缩机的回油量的粘度指数超过100以上的油种。作为其他的对二氧化碳显示非相溶性的化合物，还有氟油(全氟聚醚(パ一フルオロポリエ一テル))或硅油等，然而，由于价格昂贵，润滑性低劣等原因而不实用。
有关用在本发明的热水供应装置中的冷冻机油的粘度，由于二氧化碳的透过性较大，所以出于密封性的考虑，应优选比氟里昂类制冷剂对应油稍高的粘度级。具体地讲，在回转式制冷剂压缩机中，100℃的粘度优选2～8mm2/s，在涡旋式压缩机的情况下100℃的粘度优选7～15mm2/s的范围。100℃时的动粘度在其以下时，无法获得充足的压缩机耐摩性，不能保证充分的密闭性，从而导致压缩效率降低。另外，100℃时的动粘度在其以上时，由于粘性阻力、机械损失的增大，又会产生压缩机效率降低，粘性加大致使向压缩机的回油量减少的问题。在本发明中，即使在前述冷冻机油中添加防氧化剂、酸反应基调节剂、消泡剂、金属惰化剂等也完全没有问题。附图说明
图1是说明本发明的实施例的热水供应装置的概略图。
图2是本发明的实施例的热水供应装置单元的纵向剖视图。
图3是说明本发明的实施例的封闭型电动压缩机的剖视图。具体实施方式
下面，根椐实施例，详细地介绍本发明。本实施例中，记述了采用二氧化碳的热泵式热水供应装置，然而不仅限于此，还适用于电动车空调以及寒冷地区供暖设备等的制冷循环上。
图1表示本实施例中采用的热泵式热水供应装置的基本结构图。分为二氧化碳制冷剂进行循环的制冷循环和将供给的水进行加热的循环。
首先介绍制冷循环。收容在密闭容器等中的封闭型电动压缩机1，将低温、低压的制冷剂气体(二氧化碳制冷剂)进行压缩，再输出高温、高压的制冷剂气体，送到水制冷剂热交换器2(放热用热交换器)。被送至水制冷剂热交换器2中的制冷剂气体，其热量与被供给的低温水进行显热交换。然后，通过减压器3，变成低温、低压，送至热交换器4(吸热用热交换器)。进入到热交换器4中的制冷剂，从周围吸收热量并蒸发，经风扇5排出冷气。
从热交换器4出来的低温、低压的制冷剂气体被再次吸到压缩机1中，形成反复进行相同的循环的机构。由于二氧化碳制冷剂成为超临界循环，高压侧超过临界点，可以任意设定高压压力，因此能够很容易地获得接近100℃的高温水。
接下来，介绍加热水循环。首先，将供水口6提供的低温水送至水制冷剂热交换器2中，从制冷剂获得热量变为热水，一度送至热水贮存箱7中，从热水出口8供给热水。此时，被供给的水亦可与直接从水制冷剂热交换器2送来的热水混合进行温度调节而使用。而且，除了供给水以外，水制冷剂热交换器2还可将用以保温的热水贮存箱7中的热水在进行加热，图中没有表示，还可用于烧洗澡水等。
在热泵式热水供应装置中，有二种供应热水的方式，利用夜间电力启动热泵循环，将家庭一天中使用的热水贮存在热水贮存箱7中的贮存热水方式，和每次使用热水都启动热泵循环，仅提供所需量的热水的瞬间供给热水方式。
即使是后者的方式，也需要在热水供给之前将热水进行贮存的辅助热水贮存箱7。一般以贮存热水方式为主流，然而，仍然存在这样的问题：由于限制了热水的使用量，所以考虑到热水用光的问题或需要大容量的热水贮存箱等，无法将热水贮存箱收容到热泵循环单元内，必需另设热水贮存箱单元，从而，增加了设置空间等等。
对此，瞬间供水方式中的问题是必需高输出功率的压缩机，由于是随时运转进行热水的供应，所以不必担心热水用光。作为一例，图2表示瞬间供给热水方式的热水供应装置单元的简易的纵向剖视图，其优点在于：由于只要小容量的辅助热水贮存箱7即可，所以可以将热水贮存箱收容在热泵循环单元内，从而实现了设置场所的省空间化。另外，由于与贮存热水方式相比运转时间大幅度减少，所以兼具节省能源的优点。
热水供应装置的封闭型电动压缩机以回转式和涡旋式等容积式压缩机为主。作为压缩机构的例子，图3表示回转式压缩机的纵向剖视图。单级压缩方式时，象二氧化碳制冷剂那样，当高压侧变为10MPa时，压缩机构的表面压力非常高，油膜厚度变薄。从而可靠性下降，差压较大导致压缩效率低的问题，所以，这里表示双级压缩方式。
压缩机将其压缩部和电机10收容到密闭容器9内，在密闭容器底部贮存冷冻机油11。并且，在前述电机10上设置提供外部电力的密封端子12。
压缩部是在其与电机10直接连结的轴13进行回转，并且其偏心地装在轴13上的滚14A、14B的一部分与油缸15A、15B内壁进行线接触并且粘合的状态下进行回转的。将隔开低压室与高压室的阀插入在油缸15A、15B内壁上形成的开口中，进行往复运动，并且通过设在其一端上的无图示的弹簧压向滚14A、14B。通过第一吸入管16被吸入的低压制冷剂气体，由于滚14A的偏心运动被压缩，通过第一排出管17变成中间压被排出。该被排出的中间压的制冷剂气体，再通过第二吸入管18被吸进，由于滚15A的偏心运动被压缩，通过第二排出管19作为高压的制冷剂气体排到水制冷剂热交换器2。由于阀与滚14A、14B之间是线接触产生的摩擦，所以其表面压力很大。冷冻机油11通过设置在回转轴上的离心泵被汲上来，经油孔20，向压缩机的各滑动部提供润滑油。
(实施例1～5)
在实施例1～5中，采用前述热水供应装置进行2160小时运转的实机试验。在夏季条件20℃的恒温室内运转热水供应装置，将供给热水的温度设定为高温贮存热水条件是60℃。在实施例中，将对二氧化碳制冷剂显示非相溶性的下述化合物充入压缩机中。化合物E是将化合物A与B以50/50重量％进行混合之物。
A)聚-α-烯烃 100℃的粘度3.59mm2/s
B)烷烃类矿物油 100℃的粘度4.56mm2/s
C)环烷烃类矿物油 100℃的粘度4.25mm2/s
D)烷基苯100℃的粘度 3.78mm2/s
E)聚-α-烯烃+烷烃类矿物油(50/50重量％)
100℃的粘度4.12mm2/s
比较例1～2中，将对二氧化碳制冷剂显示相溶性的下述化合物充入压缩机中，进行与实施例1相同的实机试验。由于对二氧化碳制冷剂有相溶性，所以与实施例1～5相比，粘度加大。
F)受阻型多元醇酯 100℃的粘度10.2mm2/s
(季戊四醇/次季戊四醇类分支链混合脂肪酸酯)
G)聚二醇油 100℃的粘度9.7mm2/s
(聚乙烯/聚丙烯共聚体的两末端二甲基醚)
在确保热水供应装置的可靠性的基础上，控制压缩机的摩耗是非常重要的。因此，在评价热水供应装置上，要注意压缩机的摩耗状态，要检查试验前后的滚、阀的状态。还要检查运转后压缩机的冷冻机油残量。一般讲，与制冷剂的相溶性较差时，向压缩机的回油量变少，导致滑动部的润滑不良。再采用实施例1～5的热水供应装置，测量漏电流及COP值。关于COP，以100％表示比较例2的COP。本试验的目标是由于滚/阀的摩耗没有问题，保证充足的残油量，并且漏电流少，所以COP在将比较例2为100％的情况下要超过100％。表1表示实施例1～5以及比较例1～2的结果。表1中一并记载冷冻机油单独的体积电阻率、介电常数。
表1 冷冻 机油 100℃的 粘度 (mm2/s) 滚/阀 摩耗状况残油量 漏电流 (℃) 体积电阻率 (Ω·cm) 介电 常数 COP (％) 实 施 例 1 A 3.59 无问题无问题 无问题 1×1016 2.2 103 2 B 4.56 无问题无问题 无问题 1×1015 2.3 102 3 C 4.25 无问题无问题 无问题 1×1015 2.2 102 4 D 3.78 无问题无问题 无问题 1×1015 2.4 102 5 E 4.12 无问题无问题 无问题 1×1015 2.3 102 比 较 例 1 F 10.2 摩耗大无问题 无问题 1×1014 3.2 98 2 E 9.2 稍有摩耗无问题漏电流大 1×1011 5.5 100
从表1可明显看出，实施例1～5中所示的本发明的热水供应装置，与比较例1～2的热水供应装置相比，由于控制了摩耗，所以获得很高的可靠性。关于残油量，也对二氧化碳显示相溶性的比较例1～2无较大差异，所以，即使采用显示非相溶性的冷冻机油，也确保充足的向压缩机的回油量。
热水供应装置的制冷循环，不象冰箱那样变成低温，所以油很难滞留，这取决于制冷剂不向冷冻机油溶解从而可以降低冷冻机油的粘度等原因。还有，与实施例1～5的漏电流问题几乎没有相反，比较例2中所示的热水供应装置其漏电流非常大，有触电的问题。如表1中一并记载所示，冷冻机油的体积电阻率或介电常数由于使用的冷冻机油不同各异，尤其是比较例2中所示的聚二醇油，其电性能不好。
实施例1～5所示的本发明的热水供应装置，由于其制冷剂不溶解于冷冻机油中，所以能够确保压缩部有充分的密封性，与比较例2相比提高了COP。
与此相对，比较例1其制冷剂对冷冻机油的溶解性较大，溶解粘度下降，无法保证充分的密封性，COP下降。另外，实施例5，即使采用聚-α-烯烃与烷烃类矿物油的混合油，也获得与显示非相溶的一种冷冻机油相同的效果。虽然实施例中采用的是聚-α-烯烃与烷烃类矿物油的混合油，但是只要将对二氧化碳显示非相溶性的其他的冷冻机油彼此进行混合，都可得到一样的结果。
(实施例6～7)
接下来，将热水供应装置的设置温度设成比实施例1～5低的中间期条件7℃，其他条件与实施例1～5一样进行试验，测量项目是调查试验前后的滚、阀的状态以及运转后压缩机的冷冻机油残量。
本实施例中，将对二氧化碳制冷剂显示非相溶性，并且粘度指数超过100的下述化合物充入压缩机中。
A)聚-α-烯烃 100℃的粘度3.59mm2/s 粘度指数122
B)烷烃类矿物油 100℃的粘度4.56mm2/s 粘度指数101
比较例3～4中，将冷冻机油的粘度指数小于100的对二氧化碳制冷剂显示非相溶性的下述化合物充入压缩机中，进行与实施例6～7相同的实机试验。
C)环烷烃类矿物油 100℃的粘度4.25mm2/s 粘度指数15
D)烷基苯 100℃的粘度3.78mm2/s 粘度指数＜0
实施例6～7以及比较例3～4的结果如表2所示。
表2 冷冻机油 粘度指数 滚/阀 摩耗状况 残油量 实施例 6 A 122 无问题 无问题 7 B 101 无问题 无问题 比较例 3 C 15 稍有摩耗 减少 4 D ＜0 摩耗大 减少
从表2清楚地看出，实施例6～7中所示的本发明的热水供应装置，充分地保证了压缩机内的残油量，控制了摩耗，获得高可靠性。关于残油量，在冷冻机油的粘度指数超过100时，可确保充分的向压缩机的回油。
与此相对，在比较例3～4中所示的热水供应装置，其残油量减少，摩耗也增加。有关回油，由于冷冻机油滞留最多的是制冷循环的低温部即从减压器3到热交换器4，所以冷冻机油的粘度指数大，则因低温引起的粘度增加不大，保证了向压缩机回油，是有利的。
(实施例8)
接下来，将热水供应装置的设置温度设成比实施例6～7低的冬季条件-5℃，其他条件与实施例1～5一样进行试验，测量项目是调查试验前后的滚、阀的状态以及运转后压缩机的冷冻机油残量。
本实施例中，将实施例6中也取得效果的化合物A)充入压缩机中，采用将热交换器4的制冷剂流路的流入口从单元内的上部，流出口于下部进行设置的热水供应装置。
在比较例5中，采用将热交换器4的制冷剂流路与实施例8相反的流入口从单元内的下部，流出口于上部进行设置的热水供应装置。
将实施例8及比较例5的结果表示在表3中。
表3冷冻机油 热交换器制冷 剂流路 滚/阀 摩耗状况 残油量实施例8 A 上→下 无问题 无问题比较例5 A 下→上 稍有摩耗 减少
从表3清楚地看出，实施例8中所示的本发明的热水供应装置残油量较多，保证了向压缩机的充足的回油，控制了摩耗。
与此相对，比较例5所示的热水供应装置，其残油量变少，摩耗也增加。关于回油，由于冷冻机油滞留最多的是制冷循环的低温部即从减压器3到热交换器4，而热交换器4中将制冷剂流路其流入口从单元内的上部，流出口在下部进行配置，所以很明显向压缩机的回油变得容易。
(实施例9～11)
在实施例9～11中，在实施例6中取得效果的聚-α-烯烃受到关注，通过与实施例6～7相同的实机试验对相对粘度变化的效果依存性实施评价。采用的粘度范围是100℃时2.6～13.4mm2/s。在比较例6～7中采用聚-α-烯烃的粘度为100℃时2.0～15.0mm2/s的范围之外的冷冻机油。评价项目与实施例1～5相同，测量滚、阀的摩耗状态、冷冻机油的残油量、COP值。关于COP，将比较例2的COP作为100％表示。目标值如前所述。实施例9～11及比较例6～7的结果表示在表4中。
表4冷冻机油100℃的粘度(mm2/s)滚/阀摩耗状况残油量COP(％)实施例 9 A 2.6无问题无问题103 10 A 7.2无问题无问题102 11 A 13.4无问题无问题101比较例 6 A 1.5摩耗大无问题97 7 A 20.2摩耗大减少96
从表4明显看出，在实施例9～11中所示的本发明的热水供应装置，其滚、阀的摩耗状态都良好，亦可充分保证向压缩机的回油，尤其充分确保了压缩部的密封性，提高了COP。与此相对，在比较例6中，冷冻机油的粘度过低，形成不充分的油膜，滚、阀的摩耗加大，尤其保证不了充足的密封性，COP下降。相反，比较例7中，由于冷冻机油的粘度过高，所以，与制冷剂气体一起被排到制冷循环的油很难返回到压缩机，致使残油量减少。因此，向滑动部的供油量变少，摩耗加大。特别是，由于粘度过高，所以压缩机的粘性阻力、机械损失增大，导致COP下降。
从以上实施例的结果看，本发明的热水供应装置，通过控制压缩机的摩耗，可以充分保证向压缩机的回油，并且能够减少漏电流，从而获得进一步提高COP的热水供应装置。虽然本实施例中采用双级压缩回转式压缩机，但是，其他的涡旋式压缩机或者滚/阀做成一体化的悬挂式压缩机都能取得相同的效果。
上述本发明的主要特征归纳如下。
本发明的效果是：在通过吸入并压缩二氧化碳制冷剂的压缩机、将从前述压缩机排出的制冷剂进行放热的热交换器、将从前述热交换器流出的制冷剂进行减压的减压器、使在前述减压器中被减压的制冷剂进行吸热的热交换器进行循环的制冷循环中，作为封闭型电动压缩机的冷冻机油，采用对二氧化碳制冷剂显示非相溶性的聚-α-烯烃或烷烃类矿物油或环烷烃类矿物油或烷基苯中的任一种油或者混合油，从而得到可以控制压缩机的摩耗并且能够减少漏电流的热泵式热水供应装置。并且，通过将冷冻机油的动粘度设为100℃时2～15mm2/s的范围，将前述冷冻机油的粘度指数超过100，特别是使制冷剂吸收热量的热交换器上的制冷剂流路至上而下设置，可以确保向压缩机的回油量，充分保持压缩部的密封性，提高COP，从而获得没有降低与粘性阻力或机械损失息息相关的COP的制冷循环。
本发明的另一效果是：在具备前述制冷循环的热水供应装置中，作为封闭型电动压缩机的冷冻机油，采用对二氧化碳制冷剂显示非相溶性的聚-α-烯烃或烷烃类矿物油或环烷烃类矿物油或烷基苯中的任一种或者这些的混合油，从而得到可以控制压缩机的摩耗并且能够减少漏电流的热泵式热水供应装置。并且，通过将冷冻机油的动粘度设为100℃时2～15mm2/s的范围，将前述冷冻机油的粘度指数超过100，特别是使制冷剂吸收热量的热交换器上的制冷剂流路至上而下设置，可以确保向压缩机的回油量，充分保持压缩部的密封性，提高COP，从而获得没有降低与粘性阻力或机械损失息息相关的COP的热泵式热水供应装置。
如上说述，应用本发明，可以提供可确保高可靠性并且可以实现节省能源和高效化的、关爱环境的制冷循环以及热泵式热水供应装置。