JP7377439B2 - 冷媒組成物及び冷却装置 - Google Patents
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Description
本発明は、冷媒組成物及び冷却装置に関する。
特許文献１には、電動要素と、電動要素により駆動され、摺動部を有し、冷媒を圧縮する圧縮要素とを備えており、摺動部を潤滑させる冷凍機油に直径が１００ｐｍから１０ｎｍのフラーレンが添加されている冷媒圧縮機が開示されている。さらに、この文献には、フラーレンが潤滑油組成物（冷凍機油）に最大限溶解する割合は、０．１から０．２％であることが開示されている。
特許文献２には、圧縮機から吐出された気相冷媒中に含まれる冷凍機油をオイルセパレータで分離し、分離された冷凍機油は油戻し配管を通じて圧縮機吸入側に戻されることが開示されている
特許文献３及び４には、潤滑剤としてのフラーレン誘導体及びその製造方法が開示されている。
例えば特許文献１に記載のように、フラーレンは冷凍機油の性能を向上させるための成分として好ましく用いられている。しかし、フラーレンは、冷凍機油に対する溶解度は高くなく、また、冷媒として使用されるフルオロカーボンにはほとんど溶解しないため、使用中の環境変化などでフラーレンが固形分として析出する虞があった。このような析出が生じると、例えば、特許文献２に記載のオイルセパレータで冷凍機油成分を戻せなくなったり、油戻し配管を詰まらせたり、種々の障害が生じることがあった。
本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、前記障害が生じにくい冷媒組成物を提供することを課題としている。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
［１］ 冷媒とフラーレン誘導体とを含む冷媒組成物であって、
前記冷媒組成物中の冷媒がフルオロカーボンであり、
前記フラーレン誘導体は下記式（１）
（式中、ＦＬＮはフラーレン骨格を表し、ｎは１～５の整数を表し、ｍはそれぞれ独立に２～５の整数を表し、ｍとｎとの積は５～２５であり、Ａはそれぞれ独立にパーフルオロポリエーテル鎖を有する基を表し、Ｒはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数２４以下の炭化水素基を表す。）で表される構造を有する化合物であり、
前記冷媒に対する前記フラーレン誘導体の質量比が、１０－６～１０－２である
冷媒組成物。
［２］ 前記フルオロカーボンが、ハイドロフルオロカーボンである前項［１］に記載の冷媒組成物。
［３］ 前記フラーレン骨格がＣ６０またはＣ７０である前項［１］または［２］に記載の冷媒組成物。
［４］ 前記パーフルオロポリエーテル鎖は、
－（ＣＦ２）ｘＯ－ ・・・（２）
（ただし、式２中ｘは１～５の整数である。）
で表される部分構造を有する前項［１］～［３］のいずれかに記載の冷媒組成物。
［５］ 前記パーフルオロポリエーテル鎖は、
－（ＣＦ２ＣＦ２Ｏ）ｙ（ＣＦ２Ｏ）ｚ－ ・・・（３）
（ただし、式３中ｙおよびｚは、平均重合度を表し、それぞれ独立に１～５０である。）
で表される部分構造を有する前項［４］に記載の冷媒組成物。
［６］ 前項［１］～［５］のいずれかに記載の冷媒組成物を有する冷却装置。
前記冷媒組成物中の冷媒がフルオロカーボンであり、
前記フラーレン誘導体は下記式（１）
前記冷媒に対する前記フラーレン誘導体の質量比が、１０－６～１０－２である
冷媒組成物。
［２］ 前記フルオロカーボンが、ハイドロフルオロカーボンである前項［１］に記載の冷媒組成物。
［３］ 前記フラーレン骨格がＣ６０またはＣ７０である前項［１］または［２］に記載の冷媒組成物。
［４］ 前記パーフルオロポリエーテル鎖は、
－（ＣＦ２）ｘＯ－ ・・・（２）
（ただし、式２中ｘは１～５の整数である。）
で表される部分構造を有する前項［１］～［３］のいずれかに記載の冷媒組成物。
［５］ 前記パーフルオロポリエーテル鎖は、
－（ＣＦ２ＣＦ２Ｏ）ｙ（ＣＦ２Ｏ）ｚ－ ・・・（３）
（ただし、式３中ｙおよびｚは、平均重合度を表し、それぞれ独立に１～５０である。）
で表される部分構造を有する前項［４］に記載の冷媒組成物。
［６］ 前項［１］～［５］のいずれかに記載の冷媒組成物を有する冷却装置。
本発明によれば、析出しにくいフラーレン誘導体を含む冷媒成物を提供することができる。そのため、前記析出に起因する障害を避けることができる。
以下、本発明の一実施形態を挙げて詳細に説明する。なお、本発明はその要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
本実施形態の冷媒組成物は、冷媒とフラーレン誘導体を含む。
（冷媒）
前記冷媒組成物中の冷媒はフルオロカーボンである。フルオロカーボンの冷媒としては、クロロフルオロカーボン、ハイドロクロロフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボンなどが挙げられる。これらの中で、オゾン層破壊防止の観点からハイドロフルオロカーボンが好ましい。ハイドロフルオロカーボンの冷媒としては、ＨＦＣ－３２、ＨＦＣ－１２５、ＨＦＣ－１３４ａ、ＨＦＣ－１４３ａ、ＨＦＯ－１２３４ｙｆなどが挙げられ、さらに球温暖化防止の観点からＨＦＯ－１２３４ｙｆが好ましく挙げられる。
前記冷媒組成物中の冷媒はフルオロカーボンである。フルオロカーボンの冷媒としては、クロロフルオロカーボン、ハイドロクロロフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボンなどが挙げられる。これらの中で、オゾン層破壊防止の観点からハイドロフルオロカーボンが好ましい。ハイドロフルオロカーボンの冷媒としては、ＨＦＣ－３２、ＨＦＣ－１２５、ＨＦＣ－１３４ａ、ＨＦＣ－１４３ａ、ＨＦＯ－１２３４ｙｆなどが挙げられ、さらに球温暖化防止の観点からＨＦＯ－１２３４ｙｆが好ましく挙げられる。
（フラーレン誘導体）
フラーレンはフラーレン骨格のみで構成される化合物であり、フラーレン誘導体はフラーレン骨格に官能基の導入等がなされたものである。
本実施形態のフラーレン誘導体は、下記式（１）
（式中、ＦＬＮはフラーレン骨格を表し、ｎは１～５の整数を表し、ｍはそれぞれ独立に２～５の整数を表し、ｍとｎとの積は５～２５であり、ｍ×ｎ個のＡはそれぞれ独立にパーフルオロポリエーテル鎖を有する基を表し、ｎ個のＲはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数２４以下の炭化水素基を表す。）で表される構造を有する化合物である。
フラーレンはフラーレン骨格のみで構成される化合物であり、フラーレン誘導体はフラーレン骨格に官能基の導入等がなされたものである。
本実施形態のフラーレン誘導体は、下記式（１）
このようなフラーレン誘導体は、液体（油状物質）として得られやすく、また、フルオロカーボンへの溶解性が高い。そのため、固形分として析出し難く、前述の油戻し配管を詰まらせたりするなどの障害が生じにくい。なお、フラーレン誘導体が液体かどうかは、常温常圧（２０℃、０．１ＭＰａ）で判断を行う。さらに、前記冷媒組成物の使用環境が判明している場合は、その使用環境の範囲内で、前記フラーレン誘導体は液体であることが好ましい。
パーフルオロポリエーテル鎖を有する基（Ａ）は、パーフルオロポリエーテル基であってもよいが、好ましくは、摺動面に吸着しやすくするために置換基を有するパーフルオロポリエーテル基であることが好ましい。該置換基は、摺動面の種類により最適なものは異なるが、例えば、摺動面が金属である場合、水酸基、アリール基、アルケニル基またはアルキニル基で置換されたアリール基などが挙げられ、好ましくはアリール基、アルキニル基で置換されたアリール基が挙げられる。
１つのフラーレン骨格が有するパーフルオロポリエーテル鎖の数、すなわち前記ｍとｎとの積は、大きいほど、前記溶解性が高くなるが、フラーレン誘導体の合成が煩雑になる。同積が小さいとその逆である。そのため、前記冷媒組成物の使用環境下で十分な溶解度が得られる限り前記ｍとｎとの積は小さい方が好ましい。合成の容易さと溶解度とのバランスを勘案するとｍとｎとの積は５～２５であり、６～１５が好ましく、６～９がより好ましい。
前記パーフルオロポリエーテル鎖は、 －（ＣＦ２）ｘＯ－ ・・・（２）（ただし、式２中、ｘは１～５の整数）から選ばれる少なくとも一つの部分構造を有することが好ましい。パーフルオロポリエーテル鎖がこれらの部分構造を有することで、よりフルオロカーボンに対する溶解性が増す。また、数あるパーフルオロポリエーテル鎖の中でも、ｘが１～３となるパーフルオロポリエーテル化合物は、工業的に製造されており、容易に入手することができ、産業上利用しやすい。
さらに、前記パーフルオロポリエーテル鎖が、
－（ＣＦ２ＣＦ２Ｏ）ｙ（ＣＦ２Ｏ）ｚ－ ・・・（３）
（ただし、式３中、ｙおよびｚは、平均重合度を表し、それぞれ独立に１～５０である。）
で表される部分構造を有することが好ましい。なお、（ＣＦ２ＣＦ２Ｏ）と（ＣＦ２Ｏ）との配列は任意であり、ブロックであってもランダムであってもよい。
さらに、前記パーフルオロポリエーテル鎖が、
－（ＣＦ２ＣＦ２Ｏ）ｙ（ＣＦ２Ｏ）ｚ－ ・・・（３）
（ただし、式３中、ｙおよびｚは、平均重合度を表し、それぞれ独立に１～５０である。）
で表される部分構造を有することが好ましい。なお、（ＣＦ２ＣＦ２Ｏ）と（ＣＦ２Ｏ）との配列は任意であり、ブロックであってもランダムであってもよい。
また、前記パーフルオロポリエーテル鎖の式量は５００～６０００であることが好ましく、６００～３０００であることがより好ましい。前記式量を有すると、潤滑性やフルオロカーボンへの溶解性が向上する。なお、－（ＣＦ２）ｘＯ－または－（ＣＦ２ＣＦ２Ｏ）ｙ（ＣＦ２Ｏ）ｚ－で表される部分構造の何れの方向にフラーレン骨格が結合してもよい。
式（１）のＲは水素原子又は炭素数２４以下の炭化水素基である。前記炭化水素基としては炭素数２４以下のアルキル基が挙げられ、炭素数１～３のアルキル基が好ましい。Ｒとしては、水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基およびイソプロピル基から選ばれる基が好ましい。
さらに、前記冷媒に対する前記フラーレン誘導体の質量比は、１０－６～１０－２であり、好ましくは１０－６～１０－３であり、より好ましくは１０－５～１０－３である。前記フラーレン誘導体の質量比は、少なすぎると潤滑特性が得にくくなり、多すぎると経済的ではない。
（冷却装置）
本実施形態の冷媒組成物は、冷却装置（冷凍装置、冷蔵装置等）、特に、冷媒を圧縮する冷媒圧縮装置に好ましく適用できる。前記冷媒組成物に含まれるフラーレン誘導体はそれ自身で潤滑剤として作用するので、前記装置に冷凍機油は、必須ではなく、使用しても少量で済む。そのため、例えば、ＪＩＳ Ｋ ２２１１ ２００９の６．６項に記載の低温析出性に関する問題などは回避しやすくなる。
本実施形態の冷媒組成物は、冷却装置（冷凍装置、冷蔵装置等）、特に、冷媒を圧縮する冷媒圧縮装置に好ましく適用できる。前記冷媒組成物に含まれるフラーレン誘導体はそれ自身で潤滑剤として作用するので、前記装置に冷凍機油は、必須ではなく、使用しても少量で済む。そのため、例えば、ＪＩＳ Ｋ ２２１１ ２００９の６．６項に記載の低温析出性に関する問題などは回避しやすくなる。
以上、本発明の好ましい実施形態について述べたが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
（フラーレン誘導体）
特許文献３及び４に記載の潤滑剤となるフラーレン誘導体を合成した。より具体的には、特許文献３に記載の方法で、同文献に記載の化合物Ｃ３，Ｃ５，Ｃ７，Ｃ８，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１５及びＣ１６を得た。さらに、特許文献４に記載の方法で、同文献に記載の化合物Ｃ５（以下、「化合物Ｃ２５」という。）を得た。なお、化合物Ｃ１３は、前記式（１）のｎが異なる化合物の混合物であり、主としてｎが２～５の化合物が含まれていた。
これらフラーレン誘導体の構造式を以下に示す。ただし、下記構造式中に記載の、ｐ及びｑは平均重合度であり、（ＣＦ２Ｏ）と（ＣＦ２ＣＦ２Ｏ）との順序は任意である。
特許文献３及び４に記載の潤滑剤となるフラーレン誘導体を合成した。より具体的には、特許文献３に記載の方法で、同文献に記載の化合物Ｃ３，Ｃ５，Ｃ７，Ｃ８，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１５及びＣ１６を得た。さらに、特許文献４に記載の方法で、同文献に記載の化合物Ｃ５（以下、「化合物Ｃ２５」という。）を得た。なお、化合物Ｃ１３は、前記式（１）のｎが異なる化合物の混合物であり、主としてｎが２～５の化合物が含まれていた。
これらフラーレン誘導体の構造式を以下に示す。ただし、下記構造式中に記載の、ｐ及びｑは平均重合度であり、（ＣＦ２Ｏ）と（ＣＦ２ＣＦ２Ｏ）との順序は任意である。
（析出試験）
試料とするフラーレン誘導体１質量部とＨＦＯ－１２３４ｙｆ（２，３，３，３－テトラフルオロ－１－プロペン）９９質量部とを混合し冷媒組成物を得た。この冷媒組成物を攪拌しながら真空ポンプで減圧し、体積が約１／３０になるまで濃縮した。濃縮後の固形分の析出物の有無を観察した。これらの操作は、－３２℃の環境で行った。
試料とするフラーレン誘導体１質量部とＨＦＯ－１２３４ｙｆ（２，３，３，３－テトラフルオロ－１－プロペン）９９質量部とを混合し冷媒組成物を得た。この冷媒組成物を攪拌しながら真空ポンプで減圧し、体積が約１／３０になるまで濃縮した。濃縮後の固形分の析出物の有無を観察した。これらの操作は、－３２℃の環境で行った。
（実施例１～６）
フラーレン誘導体として化合物Ｃ８，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１５，Ｃ１６及びＣ２５のそれぞれについて析出試験を行った。結果を表１に示した。
フラーレン誘導体として化合物Ｃ８，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１５，Ｃ１６及びＣ２５のそれぞれについて析出試験を行った。結果を表１に示した。
（比較例１～３）
フラーレン誘導体として化合物Ｃ３，Ｃ５及びＣ７のそれぞれについて析出試験を行った。結果を表１に示した。
フラーレン誘導体として化合物Ｃ３，Ｃ５及びＣ７のそれぞれについて析出試験を行った。結果を表１に示した。
（比較例４）
フラーレン誘導体を用いなかったことを除き、前記析出試験と同様に操作及び観察を行った。結果を表１に示した。
フラーレン誘導体を用いなかったことを除き、前記析出試験と同様に操作及び観察を行った。結果を表１に示した。
表１より、析出試験において、各実施例では、冷媒に対する各フラーレン誘導体の質量比が１０－２と高濃度であるにもかかわらず、析出が見られなかった。しかし、比較例１～３では析出が見られた。なお、各実施例・比較例ともに析出試験前に析出は見らなかった。
この結果は、各実施例で用いたフラーレン誘導体が液体（黒色油状物質）であったが、比較例１～３で用いたフラーレン誘導体は固体であったことによると考えられる。
Claims (6)
- 冷媒とフラーレン誘導体とを含む冷媒組成物であって、
前記冷媒組成物中の冷媒がフルオロカーボンであり、
前記フラーレン誘導体は下記式（１）
で表される構造を有する化合物であり、
前記冷媒に対する前記フラーレン誘導体の質量比が、１０－６～１０－２である
冷媒組成物。 - 前記フルオロカーボンが、ハイドロフルオロカーボンである請求項１に記載の冷媒組成物。
- 前記フラーレン骨格がＣ６０またはＣ７０である請求項１または２に記載の冷媒組成物。
- 前記パーフルオロポリエーテル鎖は、
－（ＣＦ２）ｘＯ－ ・・・（２）
（ただし、式２中ｘは１～５の整数である。）
で表される部分構造を有する請求項１～３のいずれかに記載の冷媒組成物。 - 前記パーフルオロポリエーテル鎖は、
－（ＣＦ２ＣＦ２Ｏ）ｙ（ＣＦ２Ｏ）ｚ－ ・・・（３）
（ただし、式３中ｙおよびｚは、平均重合度を表し、それぞれ独立に１～５０である。）
で表される部分構造を有する請求項４に記載の冷媒組成物。 - 請求項１～５のいずれかに記載の冷媒組成物を有する冷却装置。
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