JP6159373B2 - 冷凍機油、冷凍機用組成物、冷凍機及び冷凍機油の選定方法 - Google Patents

冷凍機油、冷凍機用組成物、冷凍機及び冷凍機油の選定方法 Download PDF

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Description

本発明は、冷凍機油、冷凍機用組成物、冷凍機及び冷凍機油の選定方法に関する。
一般的に、冷凍機は、少なくとも圧縮機、凝縮器、膨張機構(膨張弁等)、蒸発器、乾燥器等から構成され、冷媒と潤滑油(冷凍機油)の混合液体がこの密閉された系内を循環する構造となっている。
冷凍機用の冷媒は、クロロフルオローカーボン等の含塩素化合物が広く使用されていたが、オゾン層を破壊するなど環境汚染のおそれがあることから、塩素を含有しないハイドロフルオロカーボン(HFC)や、二酸化炭素等の自然系冷媒に代替されつつある。
塩素含有フロン冷媒用の冷凍機油としては、鉱物油やアルキルベンゼン等の合成炭化水素油が用いられていた。しかし、これらの油は、代替フロン冷媒に対する相溶性が低いことから冷凍機油としての性能を十分に発揮することが困難となった。
このため、近年の冷凍機油としては、ポリビニルエーテル類、ポリオキシアルキレングリコール類、及びポリオールエステル類等が広く使用されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2012−97638号公報
近年では、機器のコンパクト化等に伴って機器内の冷凍機油の使用量の減少が進み、冷凍機油の使用条件が過酷になっており、これまで以上に冷凍機油には高度な品質が要求されている。例えば、圧縮機の摺動部における摩擦熱によって、局部的に高温条件下に晒された冷凍機油が熱分解し、生成した分解物が金属部材を腐食したり、樹脂材料に悪影響を与えたりする可能性がある。このため、冷凍機油にはこれまで以上に高い安定性が求められている。
ポリビニルエーテル類、ポリオキシアルキレングリコール類、及びポリオールエステル類から選択される化合物を含む冷凍機油は、熱安定性及び酸化安定性が不十分である場合がある。しかし、特許文献1では、該問題について何ら検討していない。
本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、熱安定性及び酸化安定性に優れる冷凍機油を提供することを課題とする。
本発明者は鋭意検討した結果、合成時のポリビニルエーテル類、ポリオキシアルキレングリコール類、及びポリオールエステル類の色と、熱安定性及び酸化安定性との関連を見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は、以下の(1)〜(4)を提供する。
(1)ポリビニルエーテル類、ポリオキシアルキレングリコール類、及びポリオールエステル類からなる群から選択される少なくとも一種の化合物を含み、ASTM D1209−05に準拠するハーゼン色数が0〜10である冷凍機油。
(2)前記(1)の冷凍機油、及び冷媒を含む冷凍機用組成物。
(3)前記(1)に記載の冷凍機油、又は前記(2)に記載の冷凍機用組成物を含有する冷凍機。
(4)ポリビニルエーテル類、ポリオキシアルキレングリコール類、及びポリオールエステル類からなる群から選択される少なくとも一種の化合物を含む冷凍機油のASTM D1209−05に準拠するハーゼン色数を測定し、ハーゼン色数が0〜10の条件を満たすものを冷凍機油として選定する、冷凍機油の選定方法。
本発明によれば、熱安定性及び酸化安定性に優れた冷凍機油、冷凍機用組成物及び冷凍機を提供できる。また、本発明によれば、熱安定性及び酸化安定性に優れた冷凍機油を簡易に選定することができる。
以下、本発明の実施形態を説明する。
<冷凍機油>
本実施形態の冷凍機油は、ポリビニルエーテル類、ポリオキシアルキレングリコール類、及びポリオールエステル類からなる群から選択される少なくとも一種の化合物を含み、ASTM D1209−05に準拠するハーゼン色数が0〜10の冷凍機油である。
ポリビニルエーテル類、ポリオキシアルキレングリコール類、及びポリオールエステル類から選択される化合物を含む油(以下、「油X」という場合がある。)は、熱安定性及び酸化安定性が不十分である場合がある。従来、油Xの熱安定性及び酸化安定性が不十分となる原因は十分に検討されていなかった。
本発明者は鋭意検討した結果、油Xの中でもASTM D1209−05に準拠するハーゼン色数(APHA色)が0〜10である油は、熱安定性及び酸化安定性を良好にすることができることを見出した。具体的には、油Xの中でもハーゼン色数が0〜10である油は、高温環境下において油の変質を抑制することができ、このため、油の酸価の上昇、油の変色、金属の腐食等を抑制することができる。一方、油Xの中でハーゼン色数が10を超える油は、熱安定性及び酸化安定性を良好にすることができない。
油Xの中でハーゼン色数が10を超える油が熱安定性及び酸化安定性を良好にできない理由は、「ポリビニルエーテル類、ポリオキシアルキレングリコール類、及びポリオールエステル類の合成過程で副生成物が生成した場合、副生成物を原因として着色が生じる。」、「着色は副生成物中に含まれる不飽和基、カルボキシル基、ケトン基、アルデヒド基及びアルコール基等に由来し、これらの基が分子内に複数個存在することで、不対電子対が共鳴し、着色すると考えられる。」、「副生成物は熱等により変質しやいため、油中に副生成物を含むと、副生成物が変質することにより、油の酸価の上昇、油の変色、金属の腐食等が生じる。」ためと考えられる。言い換えると、油Xのハーゼン色数が0〜10であることは、油中の副生成物の割合が少ないことを意味し、副生成物の割合の少なさが油の熱安定性及び酸化安定性に寄与していると考えられる。
ハーゼン色数が0〜10である油中の副生成物の割合は、1質量%未満程度と推測される。
油Xのハーゼン色数は、熱安定性及び酸化安定性の観点から、0であることが好ましい。なお、ハーゼン色数が0とは、ASTM D1209−05に準拠した測定方法による検出限界以下の場合も含まれる。
[ポリビニルエーテル類(PVE)]
ポリビニルエーテル類(PVE)は、ビニルエーテル由来の構成単位を有する重合体であり、具体的には、下記一般式(A−1)で表される構成単位を有する化合物が挙げられる。PVEは一種又は二種以上を用いることができる。
前記一般式(A−1)におけるR1a、R2a及びR3aはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜8の炭化水素基を示し、それらは互いに同一であっても異なっていてもよい。ここで炭化水素基としては、具体的にはメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、各種ペンチル基、各種ヘキシル基、各種ヘプチル基、各種オクチル基等のアルキル基;シクロペンチル基、シクロヘキシル基、各種メチルシクロヘキシル基、各種エチルシクロヘキシル基、各種ジメチルシクロヘキシル基等のシクロアルキル基;フェニル基、各種メチルフェニル基、各種エチルフェニル基、各種ジメチルフェニル基等のアリール基;ベンジル基、各種フェニルエチル基、各種メチルベンジル基等のアリールアルキル基が挙げられるが、アルキル基が好ましい。
また、R1a、R2a及びR3aは水素原子又は炭素数3以下のアルキル基がより好ましく、全てが水素原子であることが最も好ましい。
4aは、炭素数2〜10の二価の炭化水素基を示すが、ここで炭素数2〜10の二価の炭化水素基としては、具体的にはエチレン基、フェニルエチレン基、1,2−プロピレン基、2−フェニル−1,2−プロピレン基、1,3−プロピレン基、各種ブチレン基、各種ペンチレン基、各種ヘキシレン基、各種ヘプチレン基、各種オクチレン基、各種ノニレン基、各種デシレン基等の二価の脂肪族炭化水素基;シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン、プロピルシクロヘキサン等の脂環式炭化水素に2個の結合部位を有する脂環式炭化水素基;各種フェニレン基、各種メチルフェニレン基、各種エチルフェニレン基、各種ジメチルフェニレン基、各種ナフチレン等の二価の芳香族炭化水素基;トルエン、エチルベンゼン等のアルキル芳香族炭化水素のアルキル基部分と芳香族部分にそれぞれ一価の結合部位を有するアルキル芳香族炭化水素基;キシレン、ジエチルベンゼン等のポリアルキル芳香族炭化水素のアルキル基部分に結合部位を有するアルキル芳香族炭化水素基等がある。これらの中で炭素数2〜4の脂肪族炭化水素基がより好ましい。また複数のR4aOは同一でも異なっていてもよい。また、一般式(A−1)におけるrは繰り返し数を示し、その平均値は0〜10が好ましく、0〜5がより好ましく、0〜2がさらに好ましい。
さらに、一般式(A−1)におけるR5aは炭素数1〜10の炭化水素基を示すが、この炭化水素基とは、具体的にはメチル基,エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、各種ペンチル基、各種ヘキシル基、各種ヘプチル基、各種オクチル基、各種ノニル基、各種デシル基等のアルキル基;シクロペンチル基、シクロヘキシル基、各種メチルシクロヘキシル基、各種エチルシクロヘキシル基、各種プロピルシクロヘキシル基、各種ジメチルシクロヘキシル基等のシクロアルキル基;フェニル基、各種メチルフェニル基、各種エチルフェニル基、各種ジメチルフェニル基、各種プロピルフェニル基、各種トリメチルフェニル基、各種ブチルフェニル基、各種ナフチル基等のアリール基;ベンジル基、各種フェニルエチル基、各種メチルベンジル基、各種フェニルプロピル基,各種フェニルブチル基等のアリールアルキル基を示す。
この中でも炭素数1〜8の炭化水素基が好ましく、炭素数1〜6のアルキル基がより好ましく、炭素数1〜3のアルキル基がさらに好ましい。なお、アルキル基は、直鎖状、分岐鎖状、環状のいずれでもよい。
前記一般式(A−1)で表される構成単位を有する化合物の中でも、R1a,R2a及びR3aがいずれも水素原子、rが0であって、R5aがエチル基又はメチル基である構成単位を含むものが好ましい。より具体的には、R1a,R2a及びR3aがいずれも水素原子、rが0であって、R5aがエチル基又はメチル基である構成単位を50質量%以上含むものが好ましく、70質量%以上含むものがより好ましく、80質量%以上含むものがさらに好ましい。
PVEは、前記一般式(A−1)で表される構成単位を有するものであるが、その繰り返し数は、目的とする動粘度に応じて適宜選択すればよい。また、PVEは、以下の一般式(A−2)で示されるビニルエーテル系モノマーの一種の単独重合、又は以下の一般式(A−2)で示されるビニルエーテル系モノマーの二種以上の共重合により合成することができる。
なお、通常の方法で合成した場合、得られたPVEのハーゼン色数は10を超えてしまう。このため、通常の合成反応終了後に、ハーゼン色数が10以下となるまで水素添加反応を行うことが好ましい。水素添加反応により、副生成物中の不飽和基、カルボキシル基、ケトン基、アルデヒド基及びアルコール基等が水素化され、熱安定性及び酸化安定性が高まると考えられる。
水素添加反応の条件は通常の合成反応終了後のハーゼン色数により異なるため一概には言えないが、水素圧0.1〜10MPa(好ましくは1〜6MPa)、反応温度10〜250℃(好ましくは50〜200℃)の条件とすることが好ましい。また、水素添加反応の際は、触媒として、ニッケル系触媒、白金系触媒、パラジウム系触媒、ルテニウム系触媒等の金属触媒、これらの金属触媒をアルミナや珪藻土等に担持した触媒、ラネー型触媒等を用いることが好ましい。後述するPAG、POEの水素添加反応も同様の条件である。

(式中、R1a,R2a,R3a,R4a及びR5a及びrは前記と同じである。)
このビニルエーテル系モノマーとしては、前記一般式(A−1)で表される構成単位を有する化合物に対応する各種のものがあるが、例えばビニルメチルエーテル、ビニルエチルエーテル、ビニル−n−プロピルエーテル、ビニルイソプロピルエーテル、ビニル−n−ブチルエーテル、ビニルイソブチルエーテル、ビニル−sec−ブチルエーテル、ビニル−tert−ブチルエーテル、ビニル−n−ペンチルエーテル、ビニル−n−ヘキシルエーテル、ビニル−2−メトキシエチルエーテル、ビニル−2−エトキシエチルエーテル、ビニル−2−メトキシ−1−メチルエチルエーテル、ビニル−2−メトキシ−プロピルエーテル、ビニル−3,6−ジオキサヘプチルエーテル、ビニル−3,6,9−トリオキサデシルエーテル、ビニル−1,4−ジメチル−3,6−ジオキサヘプチルエーテル、ビニル−1,4,7−トリメチル−3,6,9−トリオキサデシルエーテル、ビニル−2,6−ジオキサ−4−ヘプチルエーテル、ビニル−2,6,9−トリオキサ−4−デシルエーテル、1−メトキシプロペン、1−エトキシプロペン、1−n−プロポキシプロペン、1−イソプロポキシプロペン、1−n−ブトキシプロペン、1−イソブトキシプロペン、1−sec−ブトキシプロペン、1−tert−ブトキシプロペン、2−メトキシプロペン、2−エトキシプロペン、2−n−プロポキシプロペン、2−イソプロポキシプロペン、2−n−ブトキシプロペン、2−イソブトキシプロペン、2−sec−ブトキシプロペン、2−tert−ブトキシプロペン、1−メトキシ−1−ブテン、1−エトキシ−1−ブテン、1−n−プロポキシ−1−ブテン、1−イソプロポキシ−1−ブテン、1−n−ブトキシ−1−ブテン、1−イソブトキシ−1−ブテン、1−sec−ブトキシ−1−ブテン、1−tert−ブトキシ−1−ブテン、2−メトキシ−1−ブテン、2−エトキシ−1−ブテン、2−n−プロポキシ−1−ブテン、2−イソプロポキシ−1−ブテン、2−n−ブトキシ−1−ブテン、2−イソブトキシ−1−ブテン、2−sec−ブトキシ−1−ブテン、2−tert−ブトキシ−1−ブテン、2−メトキシ−2−ブテン、2−エトキシ−2−ブテン、2−n−プロポキシ−2−ブテン、2−イソプロポキシ−2−ブテン、2−n−ブトキシ−2−ブテン、2−イソブトキシ−2−ブテン、2−sec−ブトキシ−2−ブテン、2−tert−ブトキシ−2−ブテン等が挙げられる。これらのビニルエーテル系モノマーは公知の方法により製造することができる。
PVEは、ビニルエーテル由来の構成単位以外の構成単位を有する共重合体であってもよい。かかる共重合体としては、ビニルエーテル由来の構成単位(A)、及びポリ(オキシ)アルキレングリコール又はそのモノエーテル由来の構成単位(B)の構造を有するものが挙げられる。
なお、ポリ(オキシ)アルキレングリコールとは、ポリアルキレングリコール及びポリオキシアルキレングリコールの両方を指す。
[ポリオキシアルキレングリコール類(PAG)]
ポリオキシアルキレングリコール類(PAG)としては、下記一般式(B−1)で表される化合物が挙げられる。PAGは一種又は二種以上を用いることができる。
1b[−(OR2b−OR3b (B−1)
(式中、R1bは水素原子、炭素数1〜10の炭化水素基、炭素数2〜10のアシル基、結合部2〜6個を有する炭素数1〜10の炭化水素基又は炭素数1〜10の酸素含有炭化水素基、R2bは炭素数2〜4のアルキレン基、R3bは水素原子、炭素数1〜10の炭化水素基又は炭素数2〜10のアシル基又は炭素数1〜10の酸素含有炭化水素基、nは1〜6の整数、mはm×nの平均値が6〜80となる数を示す。)
前記一般式(B−1)において、R1b及びR3bの各々における炭素数1〜10の炭化水素基は直鎖状、分岐鎖状、環状のいずれであってもよい。該炭化水素基はアルキル基が好ましく、その具体例としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、各種ブチル基、各種ペンチル基、各種ヘキシル基、各種ヘプチル基、各種オクチル基、各種ノニル基、各種デシル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等を挙げることができる。前記炭化水素基は、炭素数を10以下とすることで冷媒との相溶性が良好となる。そのような観点から、炭化水素基の炭素数は、より好ましくは1〜4であり、さらに好ましくは1〜2であり、よりさらに好ましくは1である。
また、R1b及びR3bの各々における炭素数2〜10のアシル基が有する炭化水素基部分は、直鎖状、分岐鎖状、環状のいずれであってもよい。該アシル基の炭化水素基部分は、アルキル基が好ましく、その具体例としては、上述のR1b及びR3bとして選択し得るアルキル基のうち炭素数1〜9のものが挙げられる。該アシル基の炭素数が10以下とすることで冷媒との相溶性が良好となる。好ましいアシル基の炭素数は2〜4である。
1b及びR3bが、いずれも炭化水素基又はアシル基である場合には、R1bとR3bは同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。
1bが結合部位2〜6個を有する炭素数1〜10の炭化水素基である場合、この炭化水素基は鎖状のものであってもよいし、環状のものであってもよい。結合部位2個を有する炭化水素基としては、脂肪族炭化水素基が好ましく、例えばエチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ペンチレン基、ヘキシレン基、ヘプチレン基、オクチレン基、ノニレン基、デシレン基、シクロペンチレン基、シクロヘキシレン基等が挙げられる。その他の炭化水素基としては、ビフェノール、ビスフェノールF、ビスフェノールA等のビスフェノール類から水酸基を除いた残基を挙げることができる。また、結合部位3〜6個を有する炭化水素基としては、脂肪族炭化水素基が好ましく、例えばトリメチロールプロパン、グリセリン、ペンタエリスリトール、ソルビトール、1,2,3−トリヒドロキシシクロヘキサン、1,3,5−トリヒドロキシシクロヘキサン等の多価アルコールから水酸基を除いた残基を挙げることができる。
この脂肪族炭化水素基の炭素数が10以下とすることで冷媒との相溶性が良好となる。この脂肪族炭化水素基の好ましい炭素数は2〜6である。
さらに、R1b及びR3bの各々における炭素数1〜10の酸素含有炭化水素基としては、エーテル結合を有する鎖状の脂肪族基や環状の脂肪族基(例えば、テトラヒドロフルフリル基)等を挙げることができる。
前記R1b及びR3bの少なくとも一つはアルキル基であることが好ましく、炭素数1〜4のアルキル基であることがより好ましく、炭素数1〜2のアルキル基であることがさらに好ましく、炭素数1のアルキル基であることがよりさらに好ましい。また、前記R1b及びR3bの何れもが前記条件を満たすことが好ましい。
前記一般式(B−1)中のR2bは炭素数2〜4のアルキレン基であり、繰り返し単位のオキシアルキレン基としては、オキシエチレン基、オキシプロピレン基、オキシブチレン基が挙げられる。1分子中のオキシアルキレン基は同一であってもよいし、2種以上のオキシアルキレン基が含まれていてもよいが、1分子中に少なくともオキシプロピレン単位を含むものが好ましく、オキシアルキレン単位中に50モル%以上のオキシプロピレン単位を含むものがより好ましく、70モル%以上のオキシプロピレン単位を含むものがより好ましい。
前記一般式(B−1)中のnは1〜6の整数で、R1bの結合部位の数に応じて定められる。例えばR1bがアルキル基やアシル基の場合、nは1であり、R1bが結合部位2,3,4,5及び6個を有する脂肪族炭化水素基である場合、nはそれぞれ2,3,4,5及び6となる。
また、mはm×nの平均値が6〜80となる数である。該平均値は80以下となることで冷媒との相溶性が良好になる。ただし、m×nの平均値は、基油の粘度が所望の範囲となるように適宜設定されることが好ましい。
また、nは、好ましくは1〜3の整数、より好ましくは1である。nが1である場合には、R1b及びR3bのいずれか一方がアルキル基であることが好ましく、両方がアルキル基であることがより好ましい。同様に、nが2以上である場合には、1分子内に複数あるR3bのいずれか1つがアルキル基であることが好ましく、全てがアルキル基であることがより好ましい。
なお、nが2以上の場合には、1分子中の複数のR3bは同一であってもよいし、異なっていてもよい。
前記一般式(B−1)で表される化合物は、末端に水酸基を有していてもよい。なお、末端に水酸基を有する場合、全末端基に対する末端の水酸基の割合を50%以下とすることが好ましい。
PAGは、例えば、アルコール類に、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド等のアルキレンオキサイドを付加重合し、末端水酸基をエーテル化することにより合成することができる。
なお、通常の方法で合成した場合、得られたPAGのハーゼン色数は10を超えてしまう。このため、通常の合成反応終了後に、ハーゼン色数が10以下となるまで水素添加反応を行うことが好ましい。水素添加反応により、副生成物中の不飽和基、カルボキシル基、ケトン基、アルデヒド基及びアルコール基等が水素化され、熱安定性及び酸化安定性が高まると考えられる。
<ポリオールエステル類(POE)>
ポリオールエステル類(POE)としては、ジオール又は水酸基を3〜20個程度有するポリオールと、炭素数1〜24程度の脂肪酸とのエステルが好ましく用いられる。POEは一種又は二種以上を用いることができる。
なお、本実施形態において、単に「エステル」という場合は、完全エステルを意味するものとする。
ジオールとしては、例えばエチレングリコール、1,3−プロパンジオール、プロピレングリコール、1,4−ブタンジオール、1,2−ブタンジオール、2−メチル−1,3−プロパンジオール、1,5−ペンタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,6−ヘキサンジオール、2−エチル−2−メチル−1,3−プロパンジオール、1,7−ヘプタンジオール、2−メチル−2−プロピル−1,3−プロパンジオール、2,2−ジエチル−1,3−プロパンジオール、1,8−オクタンジオール、1,9−ノナンジオール、1,10−デカンジオール、1,11−ウンデカンジオール、1,12−ドデカンジオール等が挙げられる。
ポリオールとしては、例えば、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、トリメチロールブタン、ジトリメチロールプロパン)、トリトリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール、トリペンタエリスリトール、グリセリン、ポリグリセリン(グリセリンの2〜20量体)、1,3,5−ペンタントリオール、ソルビトール、ソルビタン、ソルビトールグリセリン縮合物、アドニトール、アラビトール、キシリトール、マンニトール等の多価アルコール、キシロース、アラビノース、リボース、ラムノース、グルコース、フルクトース、ガラクトース、マンノース、ソルボース、セロビオース、マルトース、イソマルトース、トレハロース、シュクロース、ラフィノース、ゲンチアノース、メレンジトース等の糖類、並びにこれらの部分エーテル化物、及びメチルグルコシド(配糖体)等が挙げられる。
ジオール及びポリオールの炭素数は特に制限されないが、炭素数3〜15が好ましく、4〜12がより好ましく、5〜10がさらに好ましい。
これらジオール及びポリオールの中でも、ネオペンチルグリコール、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、トリメチロールブタン、ジトリメチロールプロパン、トリトリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール及びトリペンタエリスリトール(以下、「多価アルコール群A」と称する場合がある。)が好ましい。
脂肪酸は特に制限されないが、通常炭素数1〜24のものが用いられる。炭素数1〜24の脂肪酸の中でも、潤滑性の点からは、炭素数3以上のものが好ましく、炭素数4以上のものがより好ましく、炭素数5以上のものがさらにより好ましい。また、冷媒との相溶性の点からは、炭素数18以下のものが好ましく、炭素数12以下のものがより好ましく、炭素数9以下のものがさらにより好ましい。
また、直鎖状脂肪酸、分岐状脂肪酸の何れであってもよく、潤滑性の点からは直鎖状脂肪酸が好ましく、加水分解安定性の点からは分岐状脂肪酸が好ましい。更に、飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸のいずれであってもよい。
脂肪酸としては、例えば、イソ酪酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ドデカン酸、トリデカン酸、テトラデカン酸、ペンタデカン酸、ヘキサデカン酸、ヘプタデカン酸、オクタデカン酸、ノナデカン酸、イコサン酸、オレイン酸等の直鎖または分岐のもの、あるいはα炭素原子が4級である、いわゆるネオ酸等が挙げられる。
これらの脂肪酸の中でも、イソ酪酸、吉草酸(n−ペンタン酸)、カプロン酸(n−ヘキサン酸)、エナント酸(n−ヘプタン酸)、カプリル酸(n−オクタン酸)、ペラルゴン酸(n−ノナン酸)、カプリン酸(n−デカン酸)、オレイン酸(cis−9−オクタデセン酸)、イソペンタン酸(3−メチルブタン酸)、2−メチルブタン酸、2−エチルブタン酸、2−メチルペンタン酸、2−エチルペンタン酸、2−メチルヘキサン酸、2−エチルヘキサン酸、及び3,5,5−トリメチルヘキサン酸(以下、「脂肪酸群A」と称する場合がある。)が好ましい。
POEとしては、前記多価アルコール群Aから選ばれる少なくとも一種と、前記脂肪酸群Aから選ばれる少なくとも一種とのエステルが好ましい。
POEは、ジオール又はポリオールと、脂肪酸とのエステル化反応により合成することができる。
なお、通常の方法で合成した場合、得られたPOEのハーゼン色数は10を超えてしまう。このため、通常の合成反応終了後に、ハーゼン色数が10以下となるまで水素添加反応を行うことが好ましい。水素添加反応により、副生成物中の不飽和基、カルボキシル基、ケトン基、アルデヒド基及びアルコール基等が水素化され、熱安定性及び酸化安定性が高まると考えられる。
PVE、PAG、及びPOEは、ポリスチレン換算の重量平均分子量(Mw)が5000未満のものが好ましく、より好ましくは200〜3000、さらに好ましくは250〜2000である。
本実施形態における冷凍機油としては、PVE、PAG、及びPOEからなる群から選択される少なくとも一種の化合物を主成分として含むことが好ましい。ここで、主成分として含むとは、該化合物を冷凍機油中に50質量%以上の割合で含むことを指す。
冷凍機油中の該化合物含有量は70質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることがさらに好ましく、95質量%以上であることがよりさらに好ましく、97質量%以上であることが特に好ましい。
また、冷凍機油中にPVE、PAG、及びPOEからなる群から選択される少なくとも一種の化合物を主成分として含む場合、当該主成分を構成する化合物は、PVE、PAG及びPOEの何れかの単一種とすることが好ましい。例えば、PVEから選択される化合物のみで当該主成分を構成することが好ましい。あるいはPAGから選択される化合物のみで当該主成分を構成することが好ましい。あるいはPOEから選択される化合物のみで当該主成分を構成することが好ましい。
冷凍機油は、本発明の効果を損なわない範囲で、PVE、PAG、及びPOE以外の合成油(例えば、ポリオールの全ての水酸基がエステル化されずに残った部分エステル等)、鉱油を含有してもよい。
[冷凍機油の物性]
冷凍機油の40℃の動粘度は、潤滑不良の抑制と動力損失とのバランスの観点から、3〜200mm/sであることが好ましく、3〜150mm/sであることがより好ましい。
冷凍機油の100℃の動粘度は、潤滑不良の抑制と動力損失とのバランスの観点から、1〜40mm/sであることが好ましく、1〜25mm/sであることがより好ましい。
冷凍機油の粘度指数は、50以上であることが好ましく、60以上であることがより好ましい。
冷凍機油の酸価は、安定性の観点から、0.05mgKOH/g以下であることが好ましく、0.03mgKOH/g以下であることがより好ましく、0.01mgKOH/g以下であることがさらに好ましい。酸価は、JIS K2501:2003の「指示薬滴定法」に準拠して測定することができる。
冷凍機油の水酸基価は、安定性の観点から、10mgKOH/g以下であることが好ましく、5mgKOH/g以下であることがより好ましく、3mgKOH/g以下であることがさらに好ましい。水酸基価は、JIS K0070:1992の「中和滴定法」に準拠して測定することができる。
冷凍機油の体積抵抗率は、2.0×10Ω・m以上であることが好ましく、5.0×10Ω・m以上であることがより好ましく、1.0×10Ω・m以上であることがさらに好ましい。体積抵抗率が2.0×10Ω・m以上となると、冷凍機油物の絶縁性が高まり、電動カーエアコン等のように駆動源が電動であっても、実用上問題となる1mA以上の漏れ電流が生じにくくなる。
冷凍機油の水分含有量は、1000ppm未満であることが好ましく、300ppm以下であることがより好ましく、150ppm以下であることがさらに好ましい。水分含有量を低くすることにより、冷凍機油の加水分解が生じにくくなり、冷凍機油の安定性が高まり、長期にわたって良好な潤滑性能を提供することができる。
<冷凍機用組成物>
本実施形態の冷凍機用組成物は、上述した本実施形態の冷凍機油と、冷媒を含有するものである。
[冷媒]
冷媒としては、フッ化炭化水素冷媒、フッ化エーテル化合物冷媒、フッ化アルコール化合物冷媒、フッ化ケトン化合物冷媒、自然冷媒等が挙げられる。冷媒は一種でもよいが、二種以上を混合して用いてもよい。
フッ化炭化水素冷媒としては、飽和フッ化炭化水素冷媒、不飽和フッ化炭化水素冷媒が挙げられる。
飽和フッ化炭化水素冷媒としては、ジフルオロメタン(R32)、フルオロエタン(R161)、1,1,1,2,2−ペンタフルオロエタン(R125)、1,1,1,2−テトラフルオロエタン(R134a)、1,1,2,2−テトラフルオロエタン(R134)、1,1,1−トリフルオロエタン(R143a)、1,1,2−トリフルオロエタン(R143)、1,1−ジフルオロエタン(R152a)等が挙げられる。
不飽和フッ化炭化水素冷媒としては、例えば、1,1,2−トリフルオロエテン(R1123)、1,2,3,3,3−ペンタフルオロプロペン(R1225ye)、2,3,3,3−テトラフルオロプロペン(R1234yf)、1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(R1234ze)、1,2,3,3−テトラフルオロプロペン(R1234yz)、(Z)−1,1,1,4,4,4−ヘキサフルオロ−2−ブテン(トランス−R1336mzz)等が挙げられる。
フッ化エーテル化合物としては、例えば、ヘキサフルオロジメチルエーテル、ペンタフルオロジメチルエーテル、ビス(ジフルオロメチル)エーテル、フルオロメチルトリフルオロメチルエーテル、トリフルオロメチルメチルエーテル、ジフルオロメトキシペンタフルオロエタン、1−トリフルオロメトキシ−1,2,2,2−テトラフルオロエタン、ペルフルオロオキセタン、ペルフルオロ−1,3−ジオキソラン、ペンタフルオロオキセタンの各種異性体、テトラフルオロオキセタンの各種異性体等が挙げられる。
フッ化アルコール化合物としては、例えば、モノフルオロメチルアルコール、ジフルオロメチルアルコール、トリフルオロメチルアルコール、ジフルオロエチルアルコールの各種異性体、トリフルオロエチルアルコールの各種異性体、テトラフルオロエチルアルコールの各種異性体、ペンタフルオロエチルアルコール、ジフルオロプロピルアルコールの各種異性体、トリフルオロプロピルアルコールの各種異性体、ヘキサフルオロプロピレングリコール等のフッ化プロピレングリコール、及びこのフッ化プロピレングリコールに対応するフッ化トリメチレングリコール等が挙げられる。
フッ化ケトン化合物としては、例えば、ヘキサフルオロジメチルケトン、ペンタフルオロジメチルケトン、ビス(ジフルオロメチル)ケトン、フルオロメチルトリフルオロメチルケトン、トリフルオロメチルメチルケトン、ペルフルオロメチルエチルケトン、トリフルオロメチル−1,1,2,2−テトラフルオロエチルケトン等が挙げられる。
自然系冷媒としては、二酸化炭素(炭酸ガス)や、プロパン、n−ブタン、イソブタン、2−メチルブタン、n−ペンタン、シクロペンタンイソブタン、ノルマルブタン等の炭化水素や、アンモニアが挙げられる。
前記冷媒の中でも、冷凍機油の安定性の観点から、ジフルオロメタン(R32)、及び2,3,3,3−テトラフルオロプロペン(R1234yf)からなる群から選択される少なくとも一種が好ましい。
冷凍機油と冷媒との含有量比(冷凍機油/冷媒)は、質量比で好ましくは1/99〜99/1、より好ましくは5/95〜60/40である。
[添加剤]
冷凍機油、及び冷凍機用組成物中には、酸化防止剤、極圧剤、酸捕捉剤、酸素捕捉剤及び銅不活性化剤からなる添加剤から選択される少なくとも一種を含有してもよい。各添加剤の含有量は、冷凍機油全量、及び冷凍機用組成物全量に対して、通常0.01〜5質量%、好ましくは0.05〜3質量%である。
酸化防止剤としては、2,6−ジ−tert−ブチル−4−メチルフェノール、2,6−ジ−tert−ブチル−4−エチルフェノール、2,2’−メチレンビス(4−メチル−6−tert−ブチルフェノール)等のフェノール系酸化防止剤、フェニル−α−ナフチルアミン、N,N’−ジ−フェニル−p−フェニレンジアミン等のアミン系酸化防止剤等が挙げられる。
極圧剤としては、リン酸エステル、酸性リン酸エステル、亜リン酸エステル、酸性亜リン酸エステル及びこれらのアミン塩等のリン系極圧剤、硫化油脂、硫化脂肪酸、硫化エステル等の硫黄系極圧剤、炭素数3〜60の脂肪酸金属塩等が挙げられる。
酸捕捉剤としては、フェニルグリシジルエーテル、アルキルグリシジルエーテル、アルキレングリコールグリシジルエーテル、グリシジルエステル、シクロヘキセンオキシド、α−オレフィンオキシド、エポキシ化大豆油等のエポキシ化合物が挙げられる。
酸素捕捉剤としては、4,4’−チオビス(3−メチル−6−t−ブチルフェノール)、ジフェニルスルフィド、ジオクチルジフェニルスルフィド、ジアルキルジフェニレンスルフィド、ベンゾチオフェン、ジベンゾチオフェン、フェノチアジン、ベンゾチアピラン、チアピラン、チアントレン、ジベンゾチアピラン、ジフェニレンジスルフィド等の含硫黄芳香族化合物、各種オレフィン、ジエン、トリエン等の脂肪族不飽和化合物、二重結合を有するテルペン類等が挙げられる。
銅不活性化剤としては、N−[N,N’−ジアルキル(炭素数3〜12のアルキル基)アミノメチル]トリアゾール等が挙げられる。
[冷凍機用組成物の物性]
冷凍機用組成物の動粘度、粘度指数、酸価、水酸基価、体積抵抗率及び水分含有量の好適な範囲は、上述した冷凍機油の好適な範囲と同様である。
<冷凍機>
本実施形態の冷凍機は、上述した本実施形態の冷凍機油、又は上述した本実施形態の冷凍機用組成物を含有するものである。
本実施形態の冷凍機は圧縮型冷凍機が好ましい。また、圧縮型冷凍機圧縮機は、凝縮器、膨張機構(膨張弁等)及び蒸発器を備える冷凍サイクルを有するもの、又は、圧縮機、凝縮器、膨張機構、乾燥器及び蒸発器を備える冷凍サイクルを有するものがより好ましい。
冷凍機油又は冷凍機用組成物は、例えば、圧縮機等に設けられる摺動部分を潤滑するために使用される。
なお、摺動部分は、特に限定されないが、摺動部分のいずれかが鉄等の金属を含むことが好ましく、金属−金属間で摺動するものであることが好ましい。
冷凍機は、例えば、エアコン、ガスヒートポンプ(GHP)、空調、冷蔵庫、自動販売機、ショーケース等の冷凍システム、給湯システム、及び暖房システム等に用いることができる。
<冷凍機油の選定方法>
本実施形態の冷凍機の選定方法は、ポリビニルエーテル類、ポリオキシアルキレングリコール類、及びポリオールエステル類からなる群から選択される少なくとも一種の化合物を含む冷凍機油のASTM D1209−05に準拠するハーゼン色数を測定し、ハーゼン色数が0〜10の条件を満たすものを冷凍機油として選定するものである。
従来、ポリビニルエーテル類、ポリオキシアルキレングリコール類、及びポリオールエステル類から選択される化合物を含む油(油X)の熱安定性及び酸化安定性が不十分となる原因は十分に検討されていなかった。このため、油Xは出荷前の信頼性試験の実施が必須であった。
本実施形態の冷凍機油の選定方法によれば、ASTM D1209−05に準拠するハーゼン色数の測定という簡易な手法で熱安定性及び酸化安定性に優れる油Xを選定することができ、信頼性試験の実施が不要となり、作業効率を大幅に向上することができる。
ハーゼン色数の判定条件は、0〜10とすることが好ましく、0とすることがより好ましい。なお、ハーゼン色数が0とは、ASTM D1209−05に準拠した測定方法による検出限界以下の場合も含まれる。
以下に、本発明を、実施例により、さらに具体的に説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定されるものではない。
1.測定
実施例及び比較例の冷凍機油及び冷凍機用組成物について、以下の測定を行った。結果を表2〜5に示す。
1−1.ハーゼン色数の測定
ASTM D1209−05に準拠して、実施例及び比較例の冷凍機油のハーゼン色数を算出した。結果を表2に示す。
1−2.40℃動粘度、100℃動粘度、粘度指数
JIS K2283:2000に準拠して、実施例及び比較例の冷凍機油の40℃動粘度、100℃動粘度及び粘度指数を測定した。結果を表2に示す。
1−3.重量平均分子量(Mw)
ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)を用いて、実施例及び比較例の冷凍機油の重量平均分子量(Mw)を測定した。GPCは、カラムとして東ソー株式会社製TSKgel SuperMultiporeHZ−M2本を用い、テトラヒドロフランを溶離液として、検出器に屈折率検出器を用いて測定を行い、ポリスチレンを標準試料として重量平均分子量(Mw)を求めた。結果を表2に示す。
1−4.酸価
JIS K2501:2003の「指示薬滴定法」に準拠して、実施例及び比較例の冷凍機油の酸価を測定した。結果を表2に示す。なお、後述の安定性試験1〜3の酸価も指示薬滴定法で測定した。
2.冷凍機油の合成
2−1.POE1〜20の合成
表1−1に記載のアルコール類の水酸基1当量に対して、表1−1に記載のカルボン酸のカルボキシル基が1.2当量になるようにフラスコ内に入れて混合し、窒素雰囲気下、常圧、230℃で加熱して15時間反応させエステル化し、組成物Aを得た。組成物Aから未反応のカルボン酸を除去し、活性白土を添加して吸着処理を行い、フィルターで活性白土を除去し、酸価0.03以下に調製し、POE11〜20を得た。
さらに、POE11〜20に対して、ハーゼン色数が表2の値になるまで水素添加反応(反応温度100℃、水素圧3.5MPa、触媒:ニッケル珪藻土)を行い、POE1〜10を得た。
2−2.PAG1〜4の合成
メタノール100部を気密容器に入れ窒素ガス置換し、水酸化カリウム5部とともに、表1−2に記載のアルキレンオキサイドを圧入し、110〜140℃で表2に記載の重量平均分子量となるまで重合し、ポリアルキレングリコールモノメチルエーテルを得た。ポリアルキレングリコールモノメチルエーテル1モルに対して1.05モルのナトリウムメトキシドを添加し、130℃で窒素ガス中、2.7kPaの圧力下で脱メタノールを行った。4時間反応させた後、ポリアルキレングリコールモノメチルエーテル1モルに対して0.54モルの二塩化メチレンを3時間かけて圧入し、さらに2時間熟成して、120〜140℃で攪拌し、組成物Bを得た。ろ過助剤のラジオライト0.2部とともに組成物Bをろ過し、酸価0.03以下に調製し、PAG3〜4を得た。
さらに、PAG3〜4に対して、ハーゼン色数が表1の値になるまで水素添加反応(反応温度:140℃、水素圧3.5MPa、触媒:ニッケル珪藻土)を行い、PAG1〜2を得た。
2−3.PVE1〜6の合成
撹拌機を取付けたガラス製の1Lフラスコに、トルエン106g、エタノール24.3g、及び三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体0.2gをそれぞれ添加した。また、別に用意した三角フラスコには、表1−3に記載のビニルエーテル系モノマー400gを添加した。
そして、撹拌機を作動し、前記1Lフラスコの撹拌された系内に、前記三角フラスコ内のビニルエーテル系モノマーを、ポンプによって、5mL/minで46g供給したところで一旦ポンプを停止した。
前記1Lフラスコの系内の温度が上昇したことを確認した後、ポンプを再起動し、当該1Lフラスコの撹拌された系内に、残りのビニルエーテル系モノマーを4時間かけて供給し、供給終了後には更に5分間撹拌を続け、組成物Cを得た。なお、ビニルエーテル系モノマーの供給中、系内は常に撹拌し続け、系内の温度はウォーターバスを用いて25℃に制御した。
組成物Cに活性白土を添加して吸着処理を行い、フィルターで活性白土を除去し、さらに、未反応のビニルエーテル系モノマー及び溶媒を除去して、酸価0.03以下に調製し、PVE4〜6を得た。
さらに、PVE4〜6に対して、ハーゼン色数が表2の値になるまで水素添加反応(反応温度140℃、水素圧3.5MPa、触媒:ニッケル珪藻土)を行い、PVE1〜3を得た。
2−1〜2−3で合成した冷凍機油を用いて、以下の安定性試験を行った。
[実施例1−1〜1−15]、[比較例1−1〜1−15]
<安定性試験1(シールドチューブ試験1)>
ガラス管に、表3の冷凍機油4mL、冷媒(R32)1g、添加剤(冷凍機油100質量部に対して、1質量部のトリクレジルホスフェート、0.5質量部の2,6−ジ−t−ブチルパラクレゾール、1質量部の2−エチルヘキシルグリシジルエーテル)、金属触媒(鉄、銅、アルミニウム)を充填して封管し、空気圧6.7kPa、温度175℃の条件で10日間保持した。その後、ガラス管内の冷凍機用組成物後の酸価を測定するとともに、油外観、鉄触媒外観を目視評価した。なお、ガラス管内の冷凍機用組成物の水分は50ppm以下に調製した。結果を表3に示す。
[実施例2−1〜2−6]、[比較例2−1〜2−6]
<安定性試験2(シールドチューブ試験2)>
冷凍機油を表4のものに変更し、冷媒をR32とR1234yfとの1:1混合物(質量比)に変更し、2−エチルヘキシルグリシジルエーテルの添加量を凍機油100質量部に対して1.5質量部に変更した以外は、安定性試験1と同様にして、冷凍機用組成物の酸価、油外観、鉄触媒外観を評価した。結果を表4に示す。
[実施例3−1〜3−6]、[比較例3−1〜3−6]
<安定性試験3(シールドチューブ試験3)>
冷凍機油を表5のものに変更し、冷媒をR1234yfに変更し、2−エチルヘキシルグリシジルエーテルの添加量を凍機油100質量部に対して3質量部に変更した以外は、安定性試験1と同様にして、冷凍機用組成物の酸価、油外観、鉄触媒外観を評価した。結果を表5に示す。
表1〜3の結果から、ポリビニルエーテル類、ポリオキシアルキレングリコール類、及びポリオールエステル類からなる群から選択される少なくとも一種の化合物を含む冷凍機油であって、ASTM D1209−05に準拠するハーゼン色数が0〜10である冷凍機油は、高温環境下において油の変質を抑制することができ、このため、油の酸価の上昇、油の変色、金属の腐食等を抑制することができ、熱安定性及び酸化安定性に優れることが確認できる。

Claims (19)

  1. ポリオールエステル類から選択される少なくとも一種の化合物を含み、ASTM D1209−05に準拠するハーゼン色数が0である冷凍機油。
  2. ポリオキシアルキレングリコール類から選択される少なくとも一種の化合物を含み、ASTM D1209−05に準拠するハーゼン色数が0〜10である冷凍機油。
  3. 前記ASTM D1209−05に準拠するハーゼン色数が0である請求項2に記載の冷凍機油。
  4. 前記化合物を冷凍機油中に50質量%以上含む請求項1〜の何れか1項に記載の冷凍機油。
  5. 前記化合物のみからなる請求項1〜の何れか1項に記載の冷凍機油。
  6. 前記ポリオールエステル類が、ネオペンチルグリコール、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール及びジペンタエリスリトールから選択される少なくとも一種と、2−メチルブタン酸、2−メチルペンタン酸、3,5,5−トリメチルヘキサン酸、2−エチルヘキサン酸及びn−ペンタン酸から選択される少なくとも一種とのエステルである請求項1に記載の冷凍機油。
  7. 前記ポリオキシアルキレングリコール類が、下記一般式(B−1)で表される化合物である請求項に記載の冷凍機油。
    1b[−(OR2b−OR3b (B−1)
    (式中、R1bは水素原子、炭素数1〜10の炭化水素基、炭素数2〜10のアシル基、結合部2〜6個を有する炭素数1〜10の炭化水素基又は炭素数1〜10の酸素含有炭化水素基、R2bは炭素数2〜4のアルキレン基、R3bは水素原子、炭素数1〜10の炭化水素基又は炭素数2〜10のアシル基又は炭素数1〜10の酸素含有炭化水素基、nは1〜6の整数、mはm×nの平均値が6〜80となる数を示す。)
  8. 前記ポリオキシアルキレングリコール類が、ポリプロピレングリコールポリエチレングルコールジメチルエーテル及びポリプロピレングリコールジメチルエーテルの何れかである請求項に記載の冷凍機油。
  9. 40℃の動粘度が3〜200mm/sである請求項1〜の何れか1項に記載の冷凍機油。
  10. 酸価が0.05mgKOH/g以下である請求項1〜の何れか1項に記載の冷凍機油。
  11. 請求項1〜10の何れか1項に記載の冷凍機油、及び冷媒を含む冷凍機用組成物。
  12. 前記冷媒が、ジフルオロメタン及び2,3,3,3−テトラフルオロプロペンからなる群から選択される少なくとも一種である請求項11に記載の冷凍機用組成物。
  13. 前記冷媒が、2,3,3,3−テトラフルオロプロペンのみからなる請求項11又は12に記載の冷凍機用組成物。
  14. 前記冷媒が、ジフルオロメタンのみからなる請求項11又は12に記載の冷凍機用組成物。
  15. 前記冷媒が、ジフルオロメタンと2,3,3,3−テトラフルオロプロペンとの混合冷媒である請求項11又は12に記載の冷凍機用組成物。
  16. さらに、酸化防止剤、極圧剤、酸捕捉剤、酸素捕捉剤及び銅不活性化剤からなる添加剤から選択される少なくとも一種を含む請求項1115の何れか1項に記載の冷凍機用組成物。
  17. 請求項1〜10の何れか1項に記載の冷凍機油、又は請求項1116の何れか1項に記載の冷凍機用組成物を含有する冷凍機。
  18. ポリオールエステル類から選択される少なくとも一種の化合物を含む冷凍機油のASTM D1209−05に準拠するハーゼン色数を測定し、ハーゼン色数が0の条件を満たすものを冷凍機油として選定する、冷凍機油の選定方法。
  19. ポリオキシアルキレングリコール類から選択される少なくとも一種の化合物を含む冷凍機油のASTM D1209−05に準拠するハーゼン色数を測定し、ハーゼン色数が0〜10の条件を満たすものを冷凍機油として選定する、冷凍機油の選定方法。
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