JP6651664B1 - 潤滑組成物の製造方法およびそれにより製造された潤滑組成物、ならびにそれを用いた圧縮機および冷凍システム - Google Patents

Abstract

【課題】高油温低速運転時のオルダムリンクの耐摩耗性を向上した冷凍機油（潤滑組成物）およびその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本開示の潤滑組成物の製造方法は、熱重量変化が０．６７５％以上０．８２５％以下となる温度を分解開始温度とし、潤滑特性を向上させる添加剤として、分解開始温度が７０℃以上９０℃以下の温度域にある潤滑試薬を選択する選択工程と、選択された潤滑試薬を基油に対して１重量％以上５重量％以下配合する配合工程とを備える。【選択図】図９

Description

本発明は、潤滑組成物の製造方法およびそれにより製造された潤滑組成物、ならびにそれを用いた圧縮機および冷凍システムに関するものである。

冷凍装置は、少なくとも圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器で構成される。冷凍装置では、各構成要素が冷媒配管により閉回路として連結されており、冷媒および冷凍機油が相溶した混合液が密閉された系内を循環する構造となっている。

地球温暖化対策の一環として、冷媒のＧＷＰ（地球温暖化係数、Ｇｌｏｂａｌ Ｗａｒｍｉｎｇ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）の低減が必須となり、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系の代替冷媒に移行して久しい。ＨＦＣ冷媒としては、Ｒ４１０Ａ，Ｒ３２などが知られている。Ｒ３２のＧＷＰはＲ４１０Ａの１／３程度である。

ＨＦＣ系冷媒は、以前使用されていたＣＦＣ（クロロフルオロカーボン）系あるいはＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）系冷媒よりも高い圧力下での使用が前提とされる。ＨＦＣ系冷媒を使用する冷凍装置の圧縮機においては圧力負荷が高くなる。

冷凍機油は、圧縮機の潤滑を担うものである。特許文献１に記載されるように、冷凍機油は、基油および潤滑剤を含む。

特開２０１３−１０８０３３号公報

圧縮機の一種に固定スクロールと旋回スクロールとを備えたスクロール圧縮機がある。スクロール圧縮機は、旋回スクロールの自転を防止しつつ公転旋回運動を行わせるためにオルダムリンクを備えている。オルダムリンクは、旋回スクロールの旋回運動に伴い、溝に沿って往復摺動する。

高負荷の冷凍装置におけるＨＦＣ冷媒の使用では、低速運転時のオルダムリンクの摩耗低減が課題である。特に、低速時には油膜が形成されにくく、潤滑状態が厳しくなる。加えて、高油温時は油粘度が低くなり、さらに潤滑特性が悪くなることが課題であった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、高油温低速運転時のオルダムリンクの耐摩耗性を現状よりも向上できる冷凍機油（潤滑組成物）およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示の潤滑組成物の製造方法およびそれにより製造された潤滑組成物、ならびにそれを用いた圧縮機および冷凍システムは以下の手段を採用する。

本開示は、熱重量変化が０．６７５％以上０．８２５％以下となる温度を分解開始温度とし、潤滑特性を向上させる添加剤として、前記分解開始温度が７０℃以上９０℃以下の温度域にある潤滑試薬を選択する選択工程と、選択された前記潤滑試薬を基油に対して１重量％以上５重量％以下配合する配合工程とを備える冷凍機油の製造方法を提供する。
前記基油は、分子構造内にエステル結合を有していてよい。

潤滑特性を向上させる添加剤は、熱により分解され重量が変化（減少）する。本発明者は鋭意検討の結果、熱重量が初期状態から０．６７５％以上０．８２５％以下、好ましくは０．７１２５％以上０．７８７５％以下、さらに好ましくは０．７５％減少する際の温度を分解開始温度と定義し、分解開始温度に基づき潤滑試薬を選択する。

本発明者らは鋭意検討の結果、オルダムリンクにトライボ膜が形成される場合、熱重量変化が０．７５％を中心として±１０％程度となる条件で評価すればよいことを見出した。熱重量変化率は熱重量分析チャートから得られる。熱重量変化が少なすぎると（例えば０．３％）変曲点が判りづらい。多すぎる場合には、耐摩耗性が改善されない潤滑試薬が選択肢に含まれる可能性が高くなる。

本発明者らの検討によれば、摩耗が顕著であった高油温低速運転時の油温は７０〜９０℃であり、オルダムリンクの摺動部温度は９０℃強であった。この温度域（７０℃以上９０℃以下）で分解が開始される潤滑試薬は、高油温低速運転時のオルダムリンクにおいて極圧剤／摩耗防止剤としての機能が発現されうる。分解開始温度が低温すぎると酸化安定性等、潤滑試薬の化学的安定性に問題が生じうる。また、分解開始温度が高温すぎると低速運転時のオルダムリンク表面でトライボ膜が形成されにくく、十分な潤滑性能が発現されない。

上記開示の一態様において、前記選択工程は、潤滑特性を向上させる前記添加剤の中から、前記分解開始温度が９０℃を超える温度域にある高温用潤滑試薬を選択するステップを含み、前記配合工程は、選択された前記高温用潤滑試薬を基油に配合するステップを含むことができる。

潤滑試薬よりも高い温度で分解が開始される（トライボ膜が形成される）高温用潤滑試薬をさらに配合することで、幅広い温度域で潤滑性能が発現されうる潤滑組成物となる。

また本開示は、突出するキーを有し、鉄またはアルミニウム合金製のオルダムリンクと、前記キーが挿入されるキー溝が形成され、前記オルダムリンクとは異なる材質の部材と、を備え、前記部材はアルミニウム合金または鉄製である上記態様に記載された製造方法で製造した潤滑組成物が供給された圧縮機を提供する。

オルダムリンクとキー溝を異なる材質にすることで、摺動時の同一材質による凝着を防止できる。

また本開示は、上記圧縮機を備えた冷凍システムを提供する。

また本開示は、基油と、潤滑特性を向上させる添加剤から選択された、７０℃以上９０℃以下の温度域において熱重量変化が０．６７５％以上０．８２５％以下を示す潤滑試薬と、を含み、前記潤滑試薬が、基油に対して１重量％以上５重量％以下配合されている潤滑組成物を提供する。

分解開始温度に基づいて使用環境に適した潤滑試薬を選択して、配合することで、高油温低速運転時のオルダムリンクの耐摩耗性を向上した潤滑組成物を製造できる。製造した潤滑組成物が供給された圧縮機では、オルダムリンク部分での摩耗量を抑制できる。

第１実施形態に係るスクロール圧縮機を示した縦断面図である。 図１のオルダムリンクと上部軸受を示した平面図である。 図２のオルダムリンクのキーの位置で切断した縦断面図である。 冷凍システムのブロック図である。 試薬Ａの熱重量分析チャート図である。 試薬Ｂの熱重量分析チャート図である。 試薬Ｃの熱重量分析チャート図である。 冷媒／冷凍機油に対する摩耗深さの関係を示す図である。 ＴＢＰ添加量と摩耗深さの関係を示す図である。

以下に、本開示に係る潤滑組成物の製造方法およびそれにより製造された潤滑組成物、ならびにそれを用いた圧縮機および冷凍システムの一実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
本実施形態に係る潤滑組成物の製造方法は、潤滑試薬を選択する選択工程と、選択された潤滑試薬を基油に配合する配合工程とを備えている。

（選択工程）
選択工程では、潤滑特性を向上させる冷凍機油の添加剤として、分解開始温度が７０℃以上９０℃以下の温度域にある潤滑試薬を選択する。

分解開始温度は、潤滑試薬が熱により重量変化（減少）し始める温度である。潤滑試薬の分解開始温度は、熱重量分析により得ることができる。熱重量分析では、サンプルと基準物質を同じように温度変化させ、それに要する電気エネルギーを測定して、酸化・分解等の反応温度を特定する。熱重量分析は、示差熱分析装置（ＤＴＡ）により実施できる。試薬の分解開始温度がカタログなどで公開されている場合は、それを利用してもよい。

本実施形態では、潤滑試薬の初期状態からの重量変化（減少）量が０．６７５％以上０．８２５％以下、好ましくは０．７１２５％以上０．７８７５％以下、さらに好ましくは０．７５％となる温度を「分解開始温度」と定義する。

（配合工程）
配合工程では、基油に対して潤滑試薬を１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下、好ましくは１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下で配合する。基油に潤滑試薬が配合されたものが潤滑油組成物（冷凍機油）となる。

基油は、ポリオールエステル（ＰＯＥ）、ポリビニルエーテル（ＰＶＥ）、ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）、鉱物油等であってよい。基油は、分子構造内にエステル結合を有するとよい。

配合工程では、熱安定性を向上させる添加剤等をさらに配合してもよい。

（圧縮機への適用）
上記実施形態に従って製造された潤滑組成物は、オルダムリンクを備えたスクロール圧縮機での使用に好適である。

オルダムリンクの材質は、鉄またはアルミニウム合金であるとよい。

図１は、潤滑組成物が供給されうるスクロール圧縮機縦断面図である。
スクロール圧縮機（スクロール流体機械）１は、空気調和装置の冷媒回路（冷凍システム）に設けられ、蒸発器から供給されたガス冷媒を圧縮して凝縮器へと高圧ガス冷媒を供給するものである。スクロール圧縮機１は、図１に示すように、ハウジング２内に、固定スクロール３と、固定スクロール３に対して公転旋回される旋回スクロール４とを備えている。

固定スクロール３は、上部軸受２１を介して、ハウジング２に対して固定されており、端板３１上に立設されたスクロール形状の壁体３３を備えている。旋回スクロール４は、端板４１上に立設されたスクロール形状の壁体４３を備えている。固定スクロール３の壁体３３と旋回スクロール４の壁体４３とは略同一形状となっている。固定スクロール３に対して旋回スクロール４を１８０°回転させて壁体３３，４３同士を噛み合わせることによって複数の密閉された圧縮空間Ｒ１が形成されるようになっている。

旋回スクロール４は、オルダムリンク２３により自転が規制された状態で、固定スクロール３に対して公転旋回運動するようになっている。

旋回スクロール４は、駆動させるモータ６によって回転させられる。モータ６によって回転させられる回転軸５は、クランクピン２７を介して旋回スクロール４に接続されている。クランクピン２７は、回転軸５の中心軸線に対して偏心して設けられている。クランクピン２７は、ドライブブッシュやドライブ軸受５２を介して、旋回スクロール４の端板４１の裏面（図において下面）に形成されたボスに対して回転可能に接続されている。回転軸５は、ハウジング２に固定された上部軸受２１と下部軸受２４により回転可能に支持されている。

ハウジング２の下部には、潤滑組成物（潤滑油Ｏ）を貯留する貯留領域２６が設けられている。潤滑油Ｏは、回転軸５の下端に設けられたポンプ５４により、回転軸５の内部の給油経路５３を通じて汲み上げられ、下部軸受２４、上部軸受２１、クランクピン２７周りに設けられたドライブ軸受５２、旋回スクロール４、オルダムリンク２３などの摺動部へと供給される。

ハウジング２には、低圧ガス冷媒を吸入する吸入配管２８と、圧縮後の高圧ガス冷媒を吐出する吐出配管２９とが設けられている。吸入配管２８および吐出配管２９は、図示しない空気調和機の冷媒回路に接続されている。

上述したスクロール圧縮機１は、以下のように動作する。
図示しない電源よりモータ６のステータ６１に駆動電流が供給されると、モータ６のロータ６２が回転して、駆動力が回転軸５に出力される。
回転軸５が回転されると、回転軸５の上端に回転軸５の中心軸から径方向の外側の一方向（偏心方向）に偏心して設けられたクランクピン２７を介して駆動力が旋回スクロール４に伝達される。これにより、旋回スクロール４は、オルダムリンク２３の作用によって、固定スクロール３に対して自転を阻止されつつ公転旋回される。

旋回スクロール４の旋回により、吸入配管２８から流入した冷媒が旋回スクロール４と固定スクロール３の間に吸入される。そして、旋回スクロール４の旋回に伴い、旋回スクロール４と固定スクロール３の間の圧縮空間Ｒ１の容積が減少することにより、圧縮空間Ｒ１内で冷媒が圧縮される。

圧縮された冷媒は、固定スクロール３の吐出ポート３２およびディスチャージカバー３７の吐出ポート３８を経て、吐出配管２９により冷媒回路へと吐出される。固定スクロール３にはマルチポート３２Ａが形成されており、マルチポート３２Ａには、固定スクロール３の端板３１にリテーナ３５を介して取り付けられたリード弁３６が設けられている。ディスチャージカバー３７の吐出ポート３８にも、ディスチャージカバー３７にリテーナ３７Ａを介して取り付けられたリード弁３７Ｂが設けられている。圧縮された冷媒の圧力が所定値に達すると、リード弁３６，３７Ｂを押し開いた冷媒が冷媒回路の凝縮器側へと吐出される。

図２および図３には、図１に示したオルダムリンク２３が示されている。オルダムリンク２３は、上部軸受２１の上方に設けられている。また、図１に示したように、オルダムリンク２３は、旋回スクロール４の端板４１の裏面側に設けられている。

図２に示したように、オルダムリンク２３は、平面視した場合に略リング形状とされている。図２のように平面視した場合に、左右の両側すなわち３時と９時の位置には、下方（上部軸受２１側）に突出するキー２３Ａが設けられている。また、図２のように平面視した場合に、上下の両側すなわち６時と１２時の位置には、上方（旋回スクロール４側）に突出するキー２３Ｂが設けられている。すなわち、２つのキー２３Ａが設けられた方向と、２つのキー２３Ｂが設けられた方向は、直交するように設けられている。下方へ突出する各キー２３Ａは、図３に示すように、上部軸受２１に形成されたキー溝２１Ａに挿入されている。上方へ突出する各キー２３Ｂは、図示しないが、旋回スクロール４の端板４１に形成されたキー溝に挿入されている。

上部軸受２１および旋回スクロール４は、オルダムリンク２３と異なる材質で構成されているとよい。オルダムリンク２３の材質が鉄である場合、上部軸受２１および旋回スクロール４に形成されたキー溝の材質はアルミニウムであるとよい。オルダムリンク２３の材質がアルミニウムである場合、上部軸受２１および旋回スクロール４に形成されたキー溝の材質は鉄であるとよい。

図４は、上記スクロール圧縮機１を含む冷凍システムのブロック図である。冷凍システムは、例えば図４に示すように、スクロール圧縮機１と、凝縮器１２と、膨張弁１３と、蒸発器１４とを備え、各要素が冷媒を流通搬送する配管１５ａ〜１５ｄを介して接続されている。

冷凍システム内では、凝縮器１２が、高温高圧の冷媒ガスを凝縮／液化して放熱し、膨張弁１３が、凝縮器１２を経た高温高圧の液冷媒を断熱膨張させて減圧し、蒸発器１４が、膨張弁１３を経た低温低圧の液冷媒を蒸発／気化して吸熱し、スクロール圧縮機１が、蒸発器１４を経た低温低圧の冷媒ガスを断熱圧縮する。スクロール圧縮機１を経た高温高圧の冷媒ガスは凝縮器１２に供給される。このように閉じた系内で熱搬送媒体としての冷媒を循環させることで、蒸発器１４から凝縮器１２への熱の移動を実現し、室内の空調（暖房および冷房）を可能にする。

スクロール圧縮機１に供給された潤滑組成物は、冷媒に混ざった状態で蒸発器１４、膨張弁１３および凝縮器を含む冷凍システムを廻り、圧縮機に戻ってくる。冷凍システムの潤滑組成物は冷媒と共に系内に密閉された状態で、冷凍システムが使用される期間はまず交換されることなく使用される。

実機環境において、高油温低速運転時のオルダムリンク２３付近の潤滑組成物の温度は８０℃±１０℃である。７０℃以上９０℃以下の温度域に分解開始温度がある潤滑試薬は、低速運転時のオルダムリンクの摺動面に低せん断なトライボ膜を形成し、摺動部の摩擦係数を下げ、結果として、摩耗量を低減する効果を有している。

〔第２実施形態〕
本実施形態において、選択工程は、高温用潤滑試薬を選択するステップをさらに含んでもよい。配合工程は、選択された高温用潤滑試薬を基油に配合するステップをさらに含んでもよい。

高温用潤滑試薬は、極圧剤または潤滑剤として機能する添加剤の中から、９０℃を超える温度域に分解開始温度があるものが１つまたは複数選択される。

高温用潤滑試薬は、基油に対して０．１ｗｔ％以上５ｗｔ％、好ましくは０．１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下で配合される。

〔試験〕
（潤滑試薬の選択）
以下の試薬Ａ〜Ｃについて、熱重量分析により分解開始温度を得た。

Ａ：トリフェニルホスフェート（ＴＰＰ）
Ｂ：エチルジエチルホスホノアセテート（ＪＣ−２２４）
Ｃ：トリブチルホスフェート（ＴＢＰ）

結果を図５から図７および表１に示す。

図５は試薬Ａ（ＴＰＰ）の熱重量変化を示す図である。図６は試薬Ｂ（ＪＣ−２２４）の熱重量変化を示す図である。図７は試薬Ｃ（ＴＢＰ）の熱重量変化を示す図である。図５から図７において、横軸は時間（分）、左縦軸は熱重量変化（％）、右縦軸は温度（℃）である。

表１には、図５，図６，図７から熱重量変化が０．７５％となる時点における温度を読み取り分解開始温度として記載した。

表１によれば、試薬Ａ，Ｂ，Ｃは酸価が低かった。試薬Ｂ，Ｃの分解温度は数℃しか変わらないが、分解開始温度には約８５℃の差がみられた。

（耐摩耗性）
リングオンディスクの冷媒雰囲気摩擦試験装置を用いて、ＪＩＳ Ｋ ７２１８に準じ、固定片と回転片とを摺動させて耐摩耗性を評価した。

固定片は、材質をＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金のＡＤＣ１２とし、表面に硬質アルマイトをコーティングした。回転片は、材質を片状黒鉛鋳鉄（ＦＣ２００）としたものを使用した。

実機では高油温低速時にオルダムリンクの摩耗が認められている。試験条件は、実機の運転条件に合わせて設定した。

表２に試験条件を示す。

図８，９に結果を示す。図８は、冷媒/冷凍機油に対する摩耗深さの関係を示す図である。図９は、試験２のＴＢＰ添加量と固定片の摩耗深さの関係を示す図である。同図において、横軸はＴＢＰ添加量（ｗｔ％）、縦軸は固定片の摩耗深さ（μｍ）である。

図８によれば、試験２のＴＢＰ（１ｗｔ％，５ｗｔ％添加）の摩耗深さは３μｍ程度であり、試験１，３と比較して摩耗量が最も低かった。ＪＣ−２２４を添加した試験３の摩耗量は、試験２のＴＢＰ添加なしと比較すると摩耗量は低下したが、Ｒ４１０Ａ冷媒を使用した試験１よりも摩耗量は多かった。

図９によれば、ＴＢＰを添加した試験２では、ＴＢＰの添加量が１％以上とすることで、耐摩耗性の向上効果が認められた。ＴＢＰを１ｗｔ％〜５ｗｔ％添加した試験では、固定片の摩耗深さが２．５〜３．２μｍ程度であった。一方、ＴＢＰを０．７５ｗｔ％、０．２５ｗｔ％添加した試験では、固定片の摩耗深さは２０μｍ，１９μｍであった。上記結果から、ＴＢＰを１ｗｔ％以上添加することにより耐摩耗性は顕著に向上することが確認された。
なお、図８によれば、ＪＣ−２２４を添加した試験３では、固定片の摩耗深さが５５μｍであった。Ｒ４１０Ａ冷媒を使用し、添加剤を添加しなかった試験１では、固定片の摩耗深さは４３μｍであり、ＪＣ−２２４を５ｗｔ％添加した油での耐摩耗性向上効果は認められなかった。

ＪＣ−２２４およびＴＢＰは共にリン系化合物であるが、両者は分解開始温度が異なる。ＴＢＰの分解開始温度は、本試験の試験開始時の油温度と同等以下である。そのため、ＴＢＰは試験中に分解されトライボ膜を形成し、一方で分解開始温度が本試験の試験開始温度よりも約８５℃高いＪＣ−２４４では、トライボ膜が形成されなかったものと予想される。

なお、上記実施形態では、オルダムリンクについて述べたが、ロータリー圧縮機のブレード摺動部においても、同様の効果が期待できる。

１ スクロール圧縮機（スクロール流体機械）
２ ハウジング
３ 固定スクロール
４ 旋回スクロール
１２ 凝縮器
１３ 膨張弁
１４ 蒸発器
１５ａ〜１５ｄ 配管
２１ 上部軸受
２１Ａ キー溝
２３ オルダムリンク
２３Ａ キー
２３Ｂ キー
２４ 下部軸受
２６ 貯留領域
２７ クランクピン
２８ 吸入配管
２９ 吐出配管
３１ 端板
３２，３８ 吐出ポート
３２Ａ マルチポート
３３ 壁体
３５ リテーナ
３６ リード弁
３７ ディスチャージカバー
３７Ａ リテーナ
３７Ｂ リード弁
４１ 端板
４３ 壁体
５２ ドライブ軸受
Ｒ１ 圧縮空間

Claims (6)

1. 熱重量変化が０．６７５％以上０．８２５％以下となる温度を分解開始温度とし、潤滑特性を向上させる添加剤として、前記分解開始温度が７０℃以上９０℃以下の温度域にある潤滑試薬を選択する選択工程と、
   選択された前記潤滑試薬を基油に対して１重量％以上５重量％以下配合する配合工程とを備える冷凍機油の製造方法。
2. 前記基油は、分子構造内にエステル結合を有する請求項１に記載の冷凍機油の製造方法。
3. 前記選択工程は、潤滑特性を向上させる前記添加剤の中から、前記分解開始温度が９０℃を超える温度域にある高温用潤滑試薬を選択するステップを含み、
   前記配合工程は、選択された前記高温用潤滑試薬を基油に配合するステップを含む請求項１または２に記載の冷凍機油の製造方法。
4. 突出するキーを有し、鉄またはアルミニウム合金製のオルダムリンクと、
   前記キーが挿入されるキー溝が形成され、前記オルダムリンクとは異なる材質の部材と、を備え、
   前記部材はアルミニウム合金または鉄製である請求項１から３のいずれかに記載の製造方法で製造した冷凍機油が供給された圧縮機。
5. 請求項４に記載の圧縮機を備えた冷凍システム。
6. 基油と、
   潤滑特性を向上させる添加剤から選択された、７０℃以上９０℃以下の温度域において熱重量変化が０．６７５％以上０．８２５％以下を示す潤滑試薬と、
   を含み、前記潤滑試薬が、
   基油に対して１重量％以上５重量％以下配合されている冷凍機油。

Images