JP7213629B2 - 熱媒体液、及び工作機械の温度を制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱媒体液、及び工作機械の温度を制御する方法に関する。

工作機械では、高い工作精度を達成するため、工作機械の構成部品が膨張又は収縮しないように温度を制御する必要がある。工作機械の温度を制御する方法としては、温度制御用の熱媒体液を機械内に循環させる方法が挙げられる。この方法では、機械の温度が所定温度より高い場合、温度制御用の熱媒体液による冷却が行われ、一方、機械の温度が所定温度より低い場合、温度制御用の熱媒体液による加温が行われることによって、工作機械の温度を制御する。

従来、温度制御用の熱媒体液としては、鉱油を基材とする熱媒体液が用いられてきた。しかし、近年、より高い工作精度が求められるようになり、比熱の小さい鉱油では機械の温度制御が不十分となる場合がある。そのため、温度制御用の熱媒体液の基材として、鉱油より比熱の大きい水を用いることが検討されている（例えば特許文献１）。

特開平８－１０９３７０号公報

しかしながら、水を基材として用いる場合、工作機械にさびを発生させるおそれがあり、例えば特許文献１に記載されているような熱媒体液には、さび止め性の点で更なる改善の余地がある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、さび止め性に優れる熱媒体液、及び該熱媒体液を用いた工作機械の温度を制御する方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、含窒素化合物と脂肪族カルボン酸との両方を含有する熱媒体液において、含窒素化合物の化学構造の違いによってさび止め性に違いが生じること、及び、環構造を有する含窒素化合物を用いた場合にさび止め性が向上することを見出した。加えて、本発明者らの検討によれば、含窒素化合物の化学構造の違いによって、耐腐食性に違いが生じ得ることも判明した。本発明は、一態様において、基材としての水と、環構造を有する含窒素化合物と、脂肪族カルボン酸と、を含有し、工作機械の温度制御に用いられる熱媒体液を提供する。

含窒素化合物は、好ましくはアミン化合物である。アミン化合物は、好ましくは、環状アミン化合物及び脂環式アミン化合物からなる群より選ばれる少なくとも１種である。環構造は、好ましくは複素環である。複素環は、好ましくは、炭素原子、窒素原子及び酸素原子を含む複素環である。脂肪族カルボン酸は、好ましくは脂肪酸である。

本発明は、他の一態様において、基材としての水と、環構造を有する含窒素化合物と、脂肪族カルボン酸と、を含有する熱媒体液を用いて、工作機械の温度を制御する方法を提供する。

本発明によれば、さび止め性に優れる熱媒体液、及び該熱媒体液を用いた工作機械の温度を制御する方法を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

熱媒体液は、水、環構造を有する含窒素化合物（以下、単に「含窒素化合物」ともいう）、及び脂肪族カルボン酸を含有する。

水は、熱媒体液の基材として含まれるものである。水としては、例えば水道水、工業用水、イオン交換水、蒸留水などが挙げられるが、水分を含んでいればよく、特にこれらには限られない。水の含有量は、熱媒体液全量基準で、５０質量％以上、６０質量％以上、７０質量％以上、８０質量％以上、又は９０質量％以上であってよく、また、例えば９８質量％以下であってよい。

含窒素化合物は、構成元素として窒素原子を含む化合物であり、例えばアミン化合物であってよい。含窒素化合物一分子中に含まれる窒素原子の数は、１であっても２以上であってもよく、好ましくは１又は２である。含窒素化合物としては、さび止め性及び耐腐敗性の観点から、環構造を有するものが好ましい。環構造を有する含窒素化合物において、構成元素である窒素は、環構造中に含まれていてもよく、環構造以外の構造中に含まれていてもよい。環構造を有する含窒素化合物としては、単素環を有する含窒素化合物と、複素環を有する含窒素化合物とがあるが、耐腐敗性をより高める観点から、複素環を有する含窒素化合物がより好ましい。

単素環を有する含窒素化合物は、例えば単素環を有するアミン化合物であってよい。単素環を有するアミン化合物は、例えば脂環式アミン化合物又は芳香族アミン化合物であってよく、好ましくは脂環式アミン化合物である。単素環を有するアミン化合物は、例えば、下記式（１）で表される化合物であってよい。

式（１）中、Ｒ^１～Ｒ^３は、それぞれ独立に、水素原子、シクロアルキル基又はアリール基を表す。Ｒ^１～Ｒ^３の少なくとも１つは、シクロアルキル基又はアリール基を表し、好ましくはシクロアルキル基を表す。単素環を有するアミン化合物としては、Ｒ^１～Ｒ^３のうち２つがシクロアルキル基又はアリール基を表し、かつＲ^１～Ｒ^３のうち１つが水素原子であることが好ましく、Ｒ^１～Ｒ^３のうち２つがシクロアルキル基を表し、かつＲ^１～Ｒ^３のうち１つが水素原子であることがより好ましい。

シクロアルキル基は、無置換であってもよく、その一部がアルキル基で置換されていてもよい。シクロアルキル基の炭素数は、例えば３～１２であってよい。シクロアルキル基は、好ましくは置換又は無置換のシクロヘキシル基であり、より好ましくは無置換のシクロヘキシル基である。アリール基は、例えばフェニル基であってもよく、フェニル基の一部がアルキル基で置換された基であってもよい。アリール基の炭素数は、例えば６～１２であってよい。

脂環式アミン化合物としては、シクロヘキシルアミン、ジシクロヘキシルアミン等が挙げられる。芳香族アミン化合物としては、フェニルアミン、ジフェニルアミン、トリフェニルアミン、ベンジルアミン等が挙げられる。

複素環を有する含窒素化合物は、例えば複素環を有するアミン化合物であってよい。複素環を有するアミン化合物は、例えば、炭素原子及び窒素原子を含む複素環を有する環状アミン化合物（アミノ基を形成する窒素原子が環構造中に含まれている化合物）であってよい。環状アミン化合物が有する複素環は、例えば、下記式（２）又は（３）で表される複素環であってよい。

式中、Ｒ^４、Ｒ^５及びＲ^６は、それぞれ独立に、置換又は無置換のアルキレン基を表し、＊は結合手を表す。置換のアルキレン基は、例えばアルキレン基の一部の炭素原子が酸素原子で置換された基であってよい。Ｒ^４、Ｒ^５又はＲ^６で表されるアルキレン基の炭素数は、例えば２～７であってよい。

環状アミン化合物は、耐腐敗性に優れる観点から、好ましくは、炭素原子、窒素原子及び酸素原子を含む複素環を有する環状アミン化合物である。環状アミン化合物が有する複素環は、耐腐敗性に優れる観点から、好ましくは、下記式（４）で表される複素環である。

式（４）中、Ｒ^７及びＲ^８は、それぞれ独立に、単結合又はアルキレン基を表す。Ｒ^７又はＲ^８で表されるアルキレン基の炭素数は、例えば１～３であってよい。

環状アミン化合物は、式（２）、（３）又は（４）で表される複素環を１つ又は２つ以上有していてよく、好ましくは１つ又は２つ有しており、耐腐敗性に優れる観点から、より好ましくは２つ有している。環状アミン化合物が有する複素環としては、耐腐敗性に優れる観点から、式（４）で表される複素環が好ましい。

環状アミン化合物は、例えば、モルホリン、Ｎ－メチルモルホリン、Ｎ－エチルモルホリン、Ｎ－プロピルモルホリン、Ｎ，Ｎ－メチレンビスモルホリン等であってよく、耐腐敗性に優れる観点から、好ましくはＮ，Ｎ－メチレンビスモルホリンである。

複素環を有する含窒素化合物は、例えば、複素芳香環を有する含窒素複素芳香族化合物であってもよい。含窒素複素芳香族化合物は、例えば、ピリジン、ピリミジン、イミダゾール等であってよい。

含窒素化合物は、１種単独であってもよく、２種以上の混合物であってもよい。含窒素化合物の含有量は、熱媒体液全量基準で、例えば、０．１質量％以上、０．２５質量％以上、又は０．５質量％以上であってよく、また、例えば、１５質量％以下、１０質量％以下、５質量％以下、又は２質量％以下であってよい。

脂肪族カルボン酸は、Ｒ－（ＣＯＯＨ）_ｍで表される。Ｒは、ｍ価の脂肪族炭化水素基を表す。ｍは、１以上の整数を表し、好ましくは１又は２、より好ましくは１を表す。すなわち、脂肪族カルボン酸は、好ましくは、１価の脂肪族カルボン酸（脂肪酸）又は２価の脂肪族カルボン酸であり、より好ましくは１価の脂肪族カルボン酸（脂肪酸）である。

脂肪酸は、飽和脂肪酸であってもよく、不飽和脂肪酸であってもよい。脂肪酸の炭素数は、潤滑性に優れる観点から、好ましくは３以上、より好ましくは５以上、更に好ましくは８以上である。脂肪酸の炭素数は、気相防錆性の点で更に優れる観点から、好ましくは１８以下、より好ましくは１６以下、更に好ましくは１２以下である。脂肪酸は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよい。脂肪酸としては、具体的には、カプリル酸、カプリン酸、ラウリン酸、ベラルゴン酸等が挙げられる。

２価の脂肪族カルボン酸は、飽和の脂肪族カルボン酸であっても不飽和の脂肪族カルボン酸であってもよく、好ましくは飽和の脂肪族カルボン酸である。２価の脂肪族カルボン酸の炭素数は、潤滑性に優れる観点から、好ましくは２以上、より好ましくは３以上、更に好ましくは４以上である。２価の脂肪族カルボン酸の炭素数は、気相防錆性の点で更に優れる観点から、好ましくは１２以下、より好ましくは１１以下、更に好ましくは１０以下である。２価の脂肪族カルボン酸は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよい。２価の脂肪族カルボン酸としては、具体的には、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸等が挙げられる。

脂肪族カルボン酸は、１種単独であってもよく、２種以上の混合物であってもよい。脂肪族カルボン酸の含有量は、熱媒体液全量基準で、例えば、０．０５質量％以上、０．１質量％以上、又は０．１２質量％以上であり、また、例えば、５質量％以下、３質量％以下、又は１質量％以下であってよい。

熱媒体液は、環構造を有するアミン化合物及び脂肪酸以外のその他の添加剤を更に含有してよい。その他の添加剤としては、増粘剤、流動点降下剤、金属不活性化剤、環構造を有するアミン化合物以外のｐＨ調整剤、消泡剤、着色剤、環構造を有するアミン化合物及び脂肪酸以外のさび止め剤、極圧剤、金属系清浄剤、無灰分散剤等が挙げられる。

増粘剤は、例えば、ポリオキシアルキレン化合物である。ポリオキシアルキレン化合物の数平均分子量は、例えば、５０００～２００００である。本発明における数平均分子量は、ＧＰＣ分析により測定される標準ポリスチレン換算の数平均分子量を意味する。

ポリオキシアルキレン化合物としては、例えば、グリセリンと、プロピレンオキサイド及びエチレンオキサイドの重合体との合成物が挙げられる。増粘剤の含有量は、例えば、熱媒体液全量基準で、１～２０質量％であってよい。

流動点降下剤としては、例えば、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、ポリメタクリレート、ポリイソブチレン、ポリスチレン等が挙げられる。流動点降下剤の含有量は、例えば、熱媒体液全量基準で、５～４０質量％であってよい。

環構造を有する含窒素化合物以外のｐＨ調整剤としては、脂肪族アミン、脂肪族アルカノールアミン等のアミン化合物、水酸化カリウムなどが挙げられる。脂肪族アミンは、例えば、メチルアミン、ジメチルアミン、トリエチルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン等であってよい。脂肪族アルカノールアミンは、例えば、エタノールアミン、ジエタノールアミン等であってよい。環構造を有する含窒素化合物以外のｐＨ調整剤の含有量は、例えば、熱媒体液全量基準で、０．０１～１０質量％であってよい。

消泡剤としては、例えば、シリコーン等が挙げられる。消泡剤の含有量は、例えば、熱媒体液全量基準で、０．０００５～１質量％であってよい。

着色剤としては、例えば、アシッドブルーが挙げられる。着色剤の含有量は、例えば、０．０００５～０．００２質量％であってよい。

熱媒体液の４０℃における動粘度は、好ましくは０．５ｍｍ^２／ｓ以上、より好ましくは１ｍｍ^２／ｓ以上、更に好ましくは１．５ｍｍ^２／ｓ以上である。熱媒体液の４０℃における動粘度は、好ましくは１０ｍｍ^２／ｓ以下、より好ましくは５ｍｍ^２／ｓ以下、更に好ましくは３ｍｍ^２／ｓ以下である。本発明における動粘度は、ＪＩＳ Ｋ２２８３に準拠して測定された動粘度を意味する。

熱媒体液のｐＨは、例えば、７以上、７．５以上、又は８以上であってよい。熱媒体液のｐＨは、例えば、１２以下、１１．５以下、又は１１以下であってよい。本発明におけるｐＨは、ＪＩＳ Ｚ８８０２により得られた値を意味する。

熱媒体液の凍結温度は、好ましくは０℃以下、より好ましくは－１０℃以下、更に好ましくは－１５℃以下である。本発明における凍結温度は、ＪＩＳ Ｋ２２３４に準拠して測定された動粘度を意味する。

熱媒体液の４０℃における比熱は、好ましくは２．５Ｊ／（ｇ・Ｋ）以上、より好ましくは３．０Ｊ／（ｇ・Ｋ）以上、更に好ましくは３．６Ｊ／（ｇ・Ｋ）以上である。本発明において、４０℃における比熱とは、示差走査熱量計を用いて－５０℃から１０℃／分で昇温した際の４０℃の測定値を意味する。

本実施形態に係る熱媒体液は、水を基材として含有していながら、さび止め性に優れるため、工作機械の温度制御に好適に用いられる。この熱媒体液によれば、工作機械の温度を制御することで、工作機械の加工精度を維持できる。すなわち、本発明の一実施形態は、基材としての水と、環構造を有する含窒素化合物と、脂肪族カルボン酸と、を含有する熱媒体液を用いて、工作機械の温度を制御する方法である。この方法では、工作機械内に熱媒体液を循環させる。これにより、工作機械の温度が所定温度より高い場合、熱媒体液による冷却が行われ、一方、工作機械の温度が所定温度より低い場合、熱媒体液による加温が行われる。

以下、実施例に基づいて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

実施例及び比較例においては、以下に示す添加剤を用いて表１～３に記載の組成（熱媒体液全量基準での質量％）を有する熱媒体液を調製した。

（アミン化合物）
Ａ１：モルホリン
Ａ２：ジシクロヘキシルアミン
Ａ３：Ｎ，Ｎ－メチレンビスモルホリン
ａ１：ジエタノールアミン
（脂肪酸）
Ｂ１：カプリン酸
（その他の添加剤）
Ｃ１：増粘剤（ポリオキシアルキレン化合物、（株）ＡＤＥＫＡ、アデカカーポールＧＨ－１０）
Ｃ２：プロピレングリコール
Ｃ３：トリルトリアゾール
Ｃ４：５０％水酸化カリウム溶液
Ｃ５：消泡剤（東レ・ダウコーニング、ＦＳアンチフォーム５４４コンパウンド）
Ｃ６：着色剤（アシッドブルー１、紅不二化学工業株式会社、パテントピュアブルーＶＸ１５０％）

実施例及び比較例の各熱媒体液について、以下に示す手順でさび止め性を評価した。結果を表１～３に示す。
直径１８ｍｍ、長さ６０ｍｍの鋳鉄棒を用意し、この鋳鉄棒の約半分を熱媒体液１５ｇに浸漬させた。２５℃で放置し、鋳鉄棒の熱媒体液に接している部分と接していない部分の少なくとも一方に、さびが発生するまでの時間を測定した。

実施例の各熱媒体液について、ＪＩＳ Ｋ２２６５－４（クリーブランド開放（ＣＯＣ）法）に準拠して引火点を測定した。結果を表１～３に示す。

実施例１～５の各媒体液について、以下に示す手順で凍結温度を測定した。結果を表４に示す。
温度計を装着した空気ジェケット付試験管に熱媒体液１００ｍＬを入れて、試験管をドライアイス及び冷媒用薬品（メタノール）の入ったデュワー瓶に入れた。デュワー瓶にドライアイスを更に投入して冷却速度１℃／分で冷却し、熱媒体液の凍結温度を測定した。

実施例１～４の各媒体液について、示差走査熱量計を用いて－５０℃から１０℃／分で昇温した際の４０℃の測定値（比熱）を算出した。結果を表５に示す。

実施例５，９，１２及び比較例２，３について、以下に示す手順で耐腐敗性試験を実施した。結果を表６に示す。
水２００ｇ、ブイヨン（栄研化学株式会社社、普通ブイヨン培地）２ｇ及び腐敗液（ＪＸＴＧエネルギー株式会社、ユニソルブルＥＭ、生菌数：１０^７個／ｍＬ）の混合物を、振とう機を用いて室温（２５℃）で７時間振とうさせて種菌を得た。各実施例及び比較例の熱媒体液３００ｇ、鉱油（４０℃動粘度：約２０ｍｍ^２／ｓ、粘度指数：１０３、硫黄含有量：０．０９質量％）１５ｇ、及び鋳鉄３０ｇの混合物に対して、種菌１５ｇを加えて静置した後、１週間が経過した時点で、種菌６ｇを追加して試料を得た。その後、更に１週間が経過した時点で、試料中の生菌数をバイオチェッカー（三愛石油株式会社製、サンアイバイオチェッカーＴＴＣ）を用いて測定した。生菌数が少ないほど、耐腐敗性に優れているといえる。

Claims (2)

1. 基材としての水と、
   環構造を有する含窒素化合物と、
   炭素数８以上１２以下の脂肪酸と、
   を含有し、工作機械の温度制御に用いられる熱媒体液であって、
   前記含窒素化合物が、シクロヘキシルアミン、ジシクロヘキシルアミン、モルホリン、Ｎ－メチルモルホリン、Ｎ－エチルモルホリン、Ｎ－プロピルモルホリン、及びＮ，Ｎ－メチレンビスモルホリンからなる群より選ばれる少なくとも一種であり、
   熱媒体液全量基準で、前記水の含有量が６０質量％以上であり、前記含窒素化合物の含有量が０．１質量％以上５質量％以下であり、前記脂肪酸の含有量が０．０５質量％以上１質量％以下である、熱媒体液（ただし、金属加工油を希釈したクーラントを除く）。
2. 基材としての水と、
   環構造を有する含窒素化合物と、
   炭素数８以上１２以下の脂肪酸と、
   を含有する熱媒体液を用いて、工作機械の温度を制御する方法であって、
   前記含窒素化合物が、シクロヘキシルアミン、ジシクロヘキシルアミン、モルホリン、Ｎ－メチルモルホリン、Ｎ－エチルモルホリン、Ｎ－プロピルモルホリン、及びＮ，Ｎ－メチレンビスモルホリンからなる群より選ばれる少なくとも一種であり、
   熱媒体液全量基準で、前記水の含有量が６０質量％以上であり、前記含窒素化合物の含有量が０．１質量％以上５質量％以下であり、前記脂肪酸の含有量が０．０５質量％以上１質量％以下である、方法（ただし、前記熱媒体液が金属加工油を希釈したクーラントである方法を除く）。