JPH1036865A - アンモニア冷媒の圧縮に用いる潤滑油組成物およびアンモニア冷媒の圧縮機の潤滑方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アンモニア冷媒用潤滑油組成物の提供、
およびそれを用いるアンモニア冷媒の圧縮機の潤滑方法
の提供。 【解決手段】 複数のジオキソラン環またはジオキサン
環を有する環状化合物を基油とし、粘度８〜２２０ｍｍ
²／ｓ（１００℃）である潤滑油組成物を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】アンモニア冷媒を用いた冷凍
装置、冷蔵装置、空調機器、ヒートポンプ装置など（以
下、冷凍装置ともいう）に用いる潤滑油、またはその潤
滑方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】冷凍装置の冷媒として、ジクロロジフル
オロメタンなどのクロロフルオロカーボン冷媒が広く用
いられてきた。近年、オゾン層破壊などの環境問題から
クロロフルオロカーボン冷媒の利用が規制され、オゾン
層保護のためこれを破壊しないハイドロフルオロカーボ
ン冷媒が開発された。しかしこの冷媒は従来の鉱油基油
を用いた冷凍機油とは相溶性が悪く、このような冷凍機
油とともに使用した場合、低温において二層分離を起こ
し、凝縮器や蒸発器に油を付着させて伝熱効率を低下さ
せるという問題を生じる。このためハイドロフルオロカ
ーボン冷媒と相溶性のよい冷凍機油の開発が進められ、
ポリエーテル系化合物や、環状ケタールあるいは環状ア
セタール化合物が提案されている（ＷＯ９６／０６８３
９）。しかしながら、フッ素系冷媒はいずれにしても高
価である。そこで、近年、これらの代替冷媒としてアン
モニア冷媒が注目されている。アンモニア冷媒は、冷媒
としての特性が優れ、鉱油基油を用いた冷凍機油に溶解
しないため、冷媒が長期間にわたって安定している。し
かし、冷媒と冷凍機油が相溶しないため、フルオロカー
ボンを用いた冷凍装置とは異なった構成が採られてい
る。

【０００３】すなわち、冷凍装置内で、圧縮機では潤滑
のために冷凍機油が用いられ、冷凍機油の一部分が冷媒
と混合されるため、圧縮後に冷凍機油を冷媒から完全に
分離して蒸発器に導入している。具体的に図３の冷凍シ
ステムを参照して説明する。圧縮機１によりアンモニア
冷媒が圧縮される。この際、油溜め１４から供給される
冷凍機油が用いられ、その一部分がアンモニア冷媒中に
混じる。吐出側油分離器１２により大部分の油が冷媒か
ら除去される。冷凍機油がおおかた除去されたアンモニ
ア冷媒は、凝縮器２で冷され液化される。残留する油分
を除去するために、受液器１３で液化された冷媒からさ
らに油が除かれる。そして、十分に油の除かれた冷媒
が、受液器１３から蒸発器４に導かれる。蒸発器４で
は、膨張弁３により冷媒は減圧気化し、この際、蒸発器
４を介して熱交換が行われる。気化した冷媒は、吸込側
油分離器１５を介して圧縮機１に循環される。

【０００４】このため、アンモニア冷媒を用いた冷凍装
置は、フルオロカーボンを用いた場合に比べて複雑であ
る。また、蒸発器に冷凍機油が混入した場合、蒸発器の
壁面に冷凍機油が付着し、冷却効率が低下するため、系
内の洗浄が必要となる。このため、アンモニア冷媒を用
いた冷凍装置などの適用が限られていた。

【０００５】近年、このような課題を解決し、フルオロ
カーボンを用いた冷凍装置と同様の構成とするため、ア
ンモニア冷媒に溶解する冷凍機油が開発されている。こ
のような冷凍機油として、ポリエーテル化合物（ＷＯ
９４／１２５９４）などが知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】鉱油からなる冷凍機油
を用いたアンモニア冷媒の冷凍装置では、十分な冷凍機
油の分離を行うため装置が複雑であり、また、系内の洗
浄などのメンテナンスが必要である。

【０００７】他方、装置を単純化するため、前記のよう
にアンモニア冷媒と相溶するポリエーテル化合物を冷凍
機油として用いることもできる。しかし、このようなポ
リエーテル化合物は、吸水性が高い、電気的絶縁性が低
い。

【０００８】本発明の目的は、アンモニア冷媒を用いた
冷凍装置のための圧縮機の潤滑方法であって、冷凍装置
の構成を簡易とし、また、メンテナンスも簡便で、か
つ、長期間の使用においても腐食などの問題を生じない
圧縮機の潤滑方法、および、それに用いる潤滑油を提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記の課
題を解決するため、鋭意検討した結果、複数のジオキソ
ラン環またはジオキサン環を有する環状化合物を基油と
して用いた潤滑油組成物が、アンモニア冷媒と相溶し、
かつ、アンモニア冷媒との反応性が低いことを見いだし
た。

【００１０】すなわち、本発明によるアンモニア冷媒の
圧縮に用いる潤滑油組成物は、複数のジオキソラン環ま
たはジオキサン環を有する環状化合物を基油として含
み、４０℃における粘度が８〜２２０ｍｍ²／ｓのもの
である。前記環状化合物が、下記の一般式（１）で表わ
される化合物を主成分とすることが、さらに、これらの
潤滑油組成物はアミン系酸化防止剤を含有することがと
くに好ましい。なお、ここで、下記の一般式（１）で表
わされる化合物とは、その立体異性体も含むものであ
る。

【００１１】

【化２】

【００１２】（ここで、Ｒ¹¹，Ｒ¹²，Ｒ¹³，Ｒ¹⁴，
Ｒ¹⁵，Ｒ¹⁶は、同一または異なった水素原子または炭素
数１〜８のアルキル基である。ただし、Ｒ¹¹とＲ¹²，Ｒ
¹³とＲ¹⁴，Ｒ¹⁵とＲ¹⁶は同時に水素原子ではない。） 上記潤滑油組成物を用いるアンモニア冷媒の圧縮機の潤
滑方法は、アンモニア冷媒を圧縮・凝集した後、該潤滑
油組成物を溶解したアンモニア冷媒を蒸発器に導入し、
循環させるものである。上記潤滑油組成物は、アンモニ
ア冷媒に溶解するため、潤滑油組成物が溶解した状態で
循環させても冷凍システム内に潤滑油組成物が留まるこ
とがなく、システム内の洗浄の必要がなく、簡便で、操
作の簡単な冷凍装置を構成できる。

【００１３】複数のジオキソラン環またはジオキサン環
を有する環状化合物を基油として含む本発明の潤滑油の
４０℃における粘度は、１５〜１５０ｍｍ²／ｓ、特に
は３２〜１００ｍｍ²／ｓであることが、圧縮機の効率
・潤滑性から好ましい。所定の粘度とするために、本発
明の潤滑油組成物は、通常、２または３の環構造を有す
る。環構造内の炭素原子が、他の環構造の炭素原子に直
接に結合していることが、また、環を構成する酸素原子
以外は、炭素原子および水素原子から構成され、炭素の
不飽和結合を持たないことが化学的に安定であり、電気
絶縁性が高いなどの点から好ましい。特に、アンモニア
との反応性が低いことから、１，３ジオキソラン環のみ
を有する構造が好ましい。

【００１４】水酸基価は、１０ｍｇＫＯＨ／ｇ以下、特
には、５ｍｇＫＯＨ／ｇ以下、さらに２ｍｇＫＯＨ／ｇ
以下であることが、アンモニア冷媒との反応性が低く、
系を腐食しにくいことから好ましい。

【００１５】圧縮機内に電気絶縁が必要なモータなどを
含む場合には、潤滑油組成物の体積抵抗率が、１０¹¹Ω
・ｃｍ以上、好ましくは１０¹²Ω・ｃｍ以上であること
が好ましい。

【００１６】本発明の潤滑油組成物を構成する環状化合
物としては、複数のジオキソラン環またはジオキサン環
を有する環状化合物が使用されるが、以下の例を挙げる
ことができる。

【００１７】

【化３】

【００１８】（ここで、Ｒ¹¹，Ｒ¹²，Ｒ¹³，Ｒ¹⁴，
Ｒ¹⁵，Ｒ¹⁶は、同一または異なった、水素原子または炭
素数１〜８のアルキル基である。ただし、Ｒ¹¹とＲ¹²，
Ｒ¹³とＲ¹⁴，Ｒ¹⁵とＲ¹⁶は同時に水素原子ではない。）

【００１９】

【化４】

【００２０】（ここで、Ｒ²¹，Ｒ²²，Ｒ²³，Ｒ²⁴，
Ｒ²⁵，Ｒ²⁶は、同一または異なった、水素原子または炭
素数１〜８のアルキル基である。ただし、Ｒ²¹とＲ²²，
Ｒ²³とＲ²⁴，Ｒ²⁵とＲ²⁶は同時に水素原子ではない。）

【００２１】

【化５】

【００２２】（ここで、Ｒ¹¹，Ｒ¹²，Ｒ¹³，Ｒ¹⁴は、同
一または異なった、水素原子または炭素数１〜８のアル
キル基である。ただし、Ｒ¹¹とＲ¹²，Ｒ¹³とＲ¹⁴は同時
に水素原子ではない。）

【００２３】

【化６】

【００２４】（ここで、Ｒ²¹，Ｒ²²，Ｒ²³，Ｒ²⁴は、同
一または異なった、水素原子または炭素数１〜８のアル
キル基である。ただし、Ｒ²¹とＲ²²，Ｒ²³とＲ²⁴は同時
に水素原子ではない。）

【００２５】

【化７】

【００２６】（ここで、Ｒ¹¹，Ｒ¹²，Ｒ¹³，Ｒ¹⁴は、同
一または異なった、水素原子または炭素数１〜８のアル
キル基である。ただし、Ｒ¹¹とＲ¹²，Ｒ¹³とＲ¹⁴は同時
に水素原子ではない。）

【００２７】

【化８】

【００２８】（ここで、Ｒ²¹，Ｒ²²，Ｒ²³，Ｒ²⁴は、同
一または異なった、水素原子または炭素数１〜８のアル
キル基である。ただし、Ｒ²¹とＲ²²，Ｒ²³とＲ²⁴は同時
に水素原子ではない。） 上記式中のＲ¹¹〜Ｒ²⁶の同一の炭素元素に結合する２つ
のアルキル基の炭素数の和は、２〜５、特には、３〜４
であることが、アンモニア冷媒への溶解性の点から好ま
しい。またアルキル基は、直鎖状でも分枝状でもよい。

【００２９】本発明の潤滑油組成物としてとくに好まし
いのは上記一般式（１）で表わされる環状化合物であ
る。また、本発明の潤滑油組成物は、単一の環状化合物
から構成されていてもよく、また環状化合物の混合物か
ら構成されていてもよい。さらに本発明の目的の範囲内
で、他の潤滑油組成物を混合して使用することもでき
る。 室温（２０℃）以下でアンモニア冷媒と相溶し、
かつ、体積抵抗率が高く（例えば、１０¹³Ω・ｃｍ以上
と）なる範囲内で他の潤滑油基油を混合して、上記一般
式（１）で表わされる環状化合物を主成分として用いる
ことが好ましい。

【００３０】本発明の潤滑油組成物を構成する環状化合
物それ自体は公知のものである。その製造方法について
はたとえば前記のＷＯ９６／０６８３９にも開示されて
いる。

【００３１】たとえば、前記一般式（１）および（２）
で表わされる化合物は、ソルビトールとカルボニル化合
物またはその反応性誘導体とをパラトルエンスルホン酸
などの酸触媒の存在下に反応させることによって得るこ
とができる。

【００３２】また、前記一般式（３）、（４）で表わさ
れる化合物については、エリスリトールとカルボニル化
合物またはその反応性誘導体とをパラトルエンスルホン
酸などの酸触媒の存在下に反応させることによって得る
ことができる。

【００３３】前記一般式（５）、（６）で表わされる化
合物については、ジグリセリン、ジトリメチロールプロ
パンとカルボニル化合物またはその反応性誘導体とをパ
ラトルエンスルホン酸などの酸触媒の存在下に反応させ
ることによって得ることができる。

【００３４】本発明の潤滑油組成物には、必要により酸
化防止剤、耐摩耗剤、金属不活性剤、消泡剤などの添加
剤を用いることができる。酸化防止剤としては、アミン
系酸化防止剤が好ましく、とくにアンモニアと反応性が
低いため、酸素原子を含まない芳香族アミン化合物がよ
り好ましく用いられる。具体的には、ｐ，ｐ’−ジオク
チルジフェニルアミン、３，３’−ジオクチルジフェニ
ルアミンなどのアルキル化ジフェニルアミンが特に好ま
しく用いられ、フェニル−１−ナフチルアミン、フェニ
ル−２−ナフチルアミン、フェノチアジン、３，７−ジ
オクチルフェノチアジン、アルキルフェニル−１−ナフ
チルアミン、アルキルフェニル−２−ナフチルアミンが
もちいられる。添加量としては、潤滑油組成物に対し
て、通常、０．０５〜２．０重量％であり、特には０．
１〜１．０重量％が好ましい。

【００３５】本発明の潤滑油組成物は、アンモニア冷媒
に溶解するため、蒸発器内に潤滑油組成物が溜ることが
なく、それによる伝熱効率の低下をきたすおそれはな
い。また、冷媒と潤滑油組成物の分離も容易である。

【００３６】アンモニア冷媒への溶解量は、アンモニア
冷媒の５重量％以下の潤滑油組成物を溶解して用いるこ
とができ、特に、０．１〜２重量％溶解しているものを
用いることが好ましい。

【００３７】

【発明の実施の形態】

実施例１ 基油の化合物の構造、製法：前記一般式（１）で表わさ
れる構造を有し、Ｒ¹¹、Ｒ¹³およびＲ¹⁵がエチル基、Ｒ
¹²，Ｒ¹⁴およびＲ¹⁶がメチル基である化合物を用いた。

【００３８】酸触媒（パラトルエンスルホン酸）の存在
下で、Ｄ−ソルビトールとメチルエチルケトンを反応さ
せ、蒸留精製し、その後カラムクロマトグラフィーによ
り精製した。得られた化合物の水酸基価は、１ｍｇＫＯ
Ｈ／ｇである。

【００３９】冷凍機油の配合：前記化合物に対し、１．
０重量％のｐ，ｐ’−ジオクチルジフェニルアミンを配
合して、冷凍機油とした。その性状を下記に示す。

【００４０】粘度：１００℃で４．４５ｍｍ²／ｓ、４
０℃で６４．４ｍｍ²／ｓ 全酸価：０．０１ｍｇＫＯＨ／ｇ 飽和吸水量：０．２６％（温度２５℃、湿度８０％） 電気絶縁性：２５℃で６×１０¹³Ω・ｃｍ アンモニアとの相溶性：図２、冷凍機油：アンモニア＝
１：９（容積比）で−２℃で相溶する 安定性（シールドチューブテスト）：アンモニア７ｍｌ
と冷媒機油３ｍｌを触媒としての鉄線とともにガラス管
に封入し、１５０℃で１４日間放置した。その結果、冷
媒機油の外観に変化はなく、スラッジも発生しなかっ
た。

【００４１】実施例２ 基油の化合物の構造、製法：前記一般式（１）および
（２）で表わされる構造を有し、Ｒ¹¹，Ｒ¹³，Ｒ¹⁵，Ｒ
²¹，Ｒ²³およびＲ²⁵が水素原子、Ｒ¹²，Ｒ¹⁴，Ｒ¹⁶，Ｒ
²²，Ｒ²⁴およびＲ²⁶がプロピル基であり、一般式（１）
の化合物３５重量％、一般式（２）の化合物６５重量％
の比率で混合された化合物を用いた。

【００４２】酸触媒（パラトルエンスルホン酸）の存在
下で、Ｄ−ソルビトールとブチルアルデヒドを反応さ
せ、蒸留精製した。得られた混合された化合物の水酸基
価は、１ｍｇＫＯＨ／ｇである。

【００４３】冷凍機油の配合：前記混合された化合物に
対し、１．０重量％のｐ，ｐ’−ジオクチルジフェニル
アミンを配合して、冷凍機油とした。その性状を下記に
示す。

【００４４】粘度：１００℃で５．５ｍｍ²／ｓ、４０
℃で６８．２ｍｍ²／ｓ 飽和吸水量：０．２５％（温度２５℃、湿度８０％） 電気絶縁性：２５℃で２×１０¹³Ω・ｃｍ アンモニアとの相溶性：冷凍機油：アンモニア＝１：９
（容積比）で＋１０℃で相溶する 安定性（シールドチューブテスト）：実施例１と同様に
評価した結果、冷媒機油の外観に変化はなく、スラッジ
も発生しなかった。

【００４５】用いる冷凍機の構造、その動作：図１の冷
凍システムを参照して説明する。本実施例の冷凍機油を
用いて潤滑されている圧縮機１によりアンモニア冷媒が
圧縮される。圧縮されたアンモニア冷媒は、少量の冷凍
機油を含むが、そのまま凝縮器２で冷され液化される。
液化された冷媒は、膨張弁３を介して蒸発器４に導かれ
て減圧気化し、蒸発器４を介して熱交換が行われる。気
化した冷媒は、そのまま圧縮機１に循環される。

【００４６】圧縮機１において冷媒に少量の冷凍機油が
混合されるが、本実施例の冷凍機油はアンモニア冷媒に
溶解するため、油分離することなくそのまま循環しても
冷凍機油が蒸発器４内に留まることはなく、したがっ
て、伝熱係数を悪化させることがない。したがって、冷
媒と、潤滑油を厳密に分離する必要がないため、装置が
単純化され、用いる冷媒も少ない。また、系内を洗浄す
る必要もない。

【００４７】他の冷凍機油との比較を表１に示す。

【００４８】

【表１】

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の潤滑油組
成物は、アンモニア冷媒に相溶し、かつ活性なアンモニ
アに対し安定であり、この冷媒系を従来のフロン系冷媒
に代えて用いることにより、オゾン層の保全に寄与する
とともに、アンモニア冷媒を使用する冷凍システム自体
を簡易化することが可能となり、装置の単純化、小形
化、コストの低減を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の潤滑油組成物を用いたアンモニア冷媒
による冷凍システムを示す説明図。

【図２】本発明の潤滑油組成物（一般式（１）における
Ｒ¹¹，Ｒ¹³およびＲ¹⁵がエチル基、Ｒ¹²，Ｒ¹⁴およびＲ
¹⁶がメチル基である）とアンモニアとの相溶関係を示す
説明図。

【図３】従来のアンモニア冷媒を用いた冷凍システムを
示す説明図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 萩原 敏也 和歌山市湊1334番地 花王株式会社研究所 内 (72)発明者 小林 勇一郎 和歌山市湊1334番地 花王株式会社研究所 内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のジオキソラン環またはジオキサン
   環を有する環状化合物を基油として含み、４０℃におけ
   る粘度が８〜２２０ｍｍ²／ｓであるアンモニア冷媒の
   圧縮に用いる潤滑油組成物。
2. 【請求項２】 前記環状化合物が、以下の一般式（１）
   で表わされる化合物を主成分とする請求項１記載のアン
   モニア冷媒の圧縮に用いる潤滑油組成物。 【化１】 （ここで、Ｒ¹¹，Ｒ¹²，Ｒ¹³，Ｒ¹⁴，Ｒ¹⁵，Ｒ¹⁶は、同
   一または異なった、水素原子または炭素数１〜８のアル
   キル基である。ただし、Ｒ¹¹とＲ¹²，Ｒ¹³とＲ¹⁴，Ｒ¹⁵
   とＲ¹⁶は同時に水素原子ではない。）
3. 【請求項３】 アミン系酸化防止剤を含有する請求項１
   〜２記載のアンモニア冷媒の圧縮に用いる潤滑油組成
   物。
4. 【請求項４】 アンモニア冷媒の圧縮に請求項１〜３記
   載の潤滑油組成物を用い、アンモニア冷媒を圧縮・凝集
   した後、該潤滑油組成物を溶解したアンモニア冷媒を蒸
   発器に導入し、循環させるアンモニア冷媒の圧縮機の潤
   滑方法。