JP5221835B2 - エネルギー保存型動力伝達装置用流体 - Google Patents

Description

本発明は、伝達装置、差動装置又は動力伝達装置用流体を用いる他の装置において、エネルギーのむだな消費を削減することができる動力伝達装置用流体組成物に関する。

ここ１０年にわたり、ギアー装置の製造業者、なかでも自動車製造業者は、ギアー装置のエネルギー消費を削減するための方法を探究し続け、そのような方法による自動車を開発してきた。無段変速機や６速自動変速機のような自動車のトランスミッション装置の改良により、自動車におけるエネルギーの浪費の削減には大きな進展があった。手動変速機や、車軸や定速減速装置に用いられる差動装置などでは、さらなるエネルギー保存を確保するためのハードウェアの改良はほとんどできない。そこで、これらの製造業者らは、省エネルギーを達成するために潤滑油の改良に努めている。課題となるのは、ギアーのかみ合いで損失してしまうエネルギーを削減することである。このエネルギーは熱となって失われる。そのため、ギアーのかみ合いで失われるエネルギーを低減することでバルクオイルの流体温度が下がる。潤滑油ベースストック又は添加剤を適切に選択することによって上記課題を実行できる潤滑油があれば、その潤滑油はまさにエネルギー保存型の動力伝達用流体と呼ぶことができよう。
潤滑油の粘度を下げれば潤滑油を使用している装置における無駄なエネルギー消費を削減できる、ということはよく知られている。この技術は低温作業温度で潤滑油粘度が高い場合において特に重要である。適切な流体力学的膜が装置中に設けられる限りこの技術は働く。粘度が低くなりすぎると、流体力学的膜はうまくできず摩擦が増大し、その結果エネルギーの損失が増えることになる。流体粘度を下げてエネルギーの消費を抑制することを、「チャーニングロス（churninglosses）」を抑制する言うことがある。しかしながら、本発明者等は潤滑油ベースストックを適切に選択することによって、粘度とは無関係にギアーのかみ合いでのエネルギー損失を減らすことができることを見出し、より粘度の高いエネルギー保存型の潤滑剤処方の提供を可能にした。
本発明において、動力伝達用流体とは、機械的エネルギーの伝達に関わるギアーと接触して使用される潤滑油であればいずれのものも含むものと定義する。これらの装置としては、一般に、自動車用に使用される自動変速機、手動変速機、無段変速機、自動化手動変速機、トランスファーケース、車軸及び差動装置が含まれるが、これらに限定されるものではない。また、これらの装置には、工業用変速機同様、工業用分野で使用される定置ギアーも含まれる。

課題を解決するための手段

高粘度ポリα−オレフィン、特定のポリオールエステル、その他の潤滑油ベースストックから作成したベースとなる流体を含み、用途に応じて適切な機能性添加剤パッケージを含有する動力伝達装置用流体は、同じ組成でポリオールエステルを含有しないものと比べると卓越したエネルギー節約性能をもたらすことができることを見出した。

本発明は、エネルギー保存型動力伝達装置用流体(energy conserving power transmission fluid)組成物に関するもので、組成物は、
（ａ）１００℃における動粘度が４０〜５００ｍｍ²／ｓのポリα−オレフィンベースストックを１〜４９重量％と、
（ｂ）１００℃における動粘度が２〜１０ｍｍ²／ｓの潤滑油ベースストックを１〜９５重量％と、
（ｃ）炭素数５〜３０のモノカルボン酸と、式Ｒ（ＯＨ）_nで表され式中ｎが少なくとも２であり、かつ５以下であり、Ｒは脂肪族又は脂環式のヒドロカルビル基を表すポリオールとのポリオールエステルを１〜４９重量％と、
（ｄ）有効量の機能性添加剤パッケージとを含有し、組成物の１００℃における動粘度は少なくとも４ｍｍ²／ｓである。
ポリオールエステルを有する本発明の組成物の安定温度は、適切な方法でテストを行った場合、ポリオールエステルを含有せずにテストに供した同じ組成物と比べて少なくとも２℃低い。

ポリα−レフィン
ポリα−オレフィン（ＰＡＯ）は末端不飽和アルケンのオリゴマーである。本発明で用いるポリα−オレフィンは、その粘度に特徴を有する。本発明では、高粘度ポリα−オレフインは、１００℃において約４０〜約５００ｍｍ²／ｓの動粘度を有するものと定義する。高粘度ポリα−オレフィンの製造についてはこの分野では既知であり、例えば米国特許第4,041,098号に記載されている。
ポリα−オレフィンは、いずれの末端不飽和オレフィン又は末端不飽和オレフィンの混合物からも製造することができる。好ましいポリα−オレフィンは１−オクテン又は１−デセン、或いはそれらの混合物から作成される。これらのポリα−オレフィンは飽和又は不飽和でもよい。好ましいＰＡＯの動粘度は約４０〜約２５０ｍｍ²／ｓ、もっとも好ましくは約４０〜約１００ｍｍ²／ｓである。また、最も好ましいＰＡＯは水素添加により飽和しているものである。
本発明の組成物は、高粘度ポリα−オレフィンを少量含有する。通常、その量は１〜４９重量％となる。その正確な量は、最終製品となる潤滑油の所望の動粘度に応じて決める。

潤滑油ベースストック
本発明で使用される潤滑油は、天然潤滑油、合成潤滑油、又は天然潤滑油と合成潤滑油の混合物からの誘導体のどちらかである。また、好ましい潤滑油としては、合成ワックスやスラックワックスの異性化によって得たベースストックや、原油の芳香族極性成分を水素化分解（溶媒処理よりむしろ好ましい）により生成したベースストックも含まれる。この潤滑油は、１００℃において約２ｍｍ²／ｓ〜約１０ｍｍ²／ｓ（ｃＳｔ）の動粘度を有する。天然潤滑油とは、動物油及び植物油（例えば、ヒマシ油やラード油）、石油系油、鉱物油、並びに石炭やケツ岩から誘導される油が挙げられる。好ましい天然潤滑油は、鉱物油である。

本発明において有用な鉱物油には、すべての一般的な鉱物油ベースストックが含まれる。この中には、化学構造上ナフテン系又はパラフィン系のオイル、並びに、酸、アルカリ及びクレー、又は塩化アルミニウムのような他の物質を使用して従来の手法で精製したオイルが含まれるが、これらのオイルは、例えば溶剤抽出、又は、フェノール、二酸化硫黄、フルフラール、ジクロロジエチルエーテル等の溶媒で処理して得られた抽出オイルでもよい。これらのオイルは水素処理法若しくはハイドロファイニングで精製してもよいし、又はチリング若しくは触媒脱ロウ法により脱ロウしてもよく、又は水素化分解してもよい。鉱物油は天然の原料資源から生成してもよいし、或いは、異性化したワックス物質又は他の精製プロセスによる残留物から構成してもよい。
鉱物油の中でも特に有用なのは、厳密に水素処理又は水素化分解された鉱物油である。これらのプロセスにおいて、鉱物油は水素化触媒の存在下、高温で非常に高い水素圧にさらされる。代表的な処理条件としては、水素化触媒上で水素圧が約３０００ｌｂｆ／ｉｎ²（ｐｓｉ）（２０６９００００Ｐａ）、温度が３００〜４５０℃の範囲である。このプロセスによって潤滑油から硫黄や窒素が取り除かれ、原料油中のアルキレン又は芳香族構造が飽和する。その結果、極めて良好な耐酸化性と粘度指数を有する基油となる。上記のプロセスの二つ目の利点は、原料油の低分子量成分、例えばワックスなどを直鎖から分岐構造へ異性化することができ、それによって低温度特性が非常に向上した基油を最終的に提供することができるという点である。この水素処理した基油に、卓越した低温流動性を与えるために、水素処理した基油を接触分解又は従来の手段のどちらかでさらに脱ロウしてもよい。上記のプロセスを一つ以上用いて作成した潤滑基油の市販品の例としては、Ｃｈｅｖｒｏｎ社の「ＲＬＯＰ」、Ｐｅｔｒｏ−Ｃａｎａｄａ社の「Ｐ６５」「Ｐ１００」、Ｙｕｋｏｎｇ社の「Ｙｕｂａｓｅ ４」、Ｉｍｐｅｒｉａｌ Ｏｉｌ社の「Ｃａｎａｄａ ＭＸＴ」、Ｆｏｒｔｕｍ社の「Ｎｅｘｂａｓｅ ３０６０」、Ｓｈｅｌｌ社の「ＸＨＶＩ５．２」が挙げられる。

合成潤滑油としては、オレフィン類のオリゴマー、ポリマー及び共重合体のような炭化水素油及びハロ置換炭化水素油（例えば、ポリブチレン、ポリプロピレン、プロピレン、イソブチレン共重合体、塩化ポリラクテン、ポリ（１−ヘキセン）、ポリ（１−オクテン）、ポリ（１−デセン）等、及びそれらの混合物）；アルキルベンゼン類（例えば、ドデシルベンゼン、テトラデシルベンゼン、ジノニルベンゼン、ジ（２−エチルヘキシル）ベンゼン等）；ポリフェニル類（例えば、ビフェニル、ターフェニル、アルキル化ポリフェニル等）；並びにアルキル化ジフェニルエーテル類、アルキル化ジフェニルスルフィド、及びこれらの誘導体、類似体、同族体等が挙げられる。合成油の中で好ましいものは、α−オレフィンのオリゴマー、とりわけ１−デセンのオリゴマー、及び他のポリα−オレフィンが好ましい。
潤滑油ベースストックとしては、１００℃における動粘度が２．０ｍｍ²／ｓ（ｃＳｔ）〜１０．０ｍｍ²／ｓ（ｃＳｔ）となる。好ましい鉱物油の１００℃における動粘度は２〜６ｍｍ²／ｓ（ｃＳｔ）であり、最も好ましいのは３〜５ｍｍ²／ｓ（ｃＳｔ）の鉱物油である。
潤滑油ベースストックは、本発明の組成物において約１〜９５重量％、好ましくは５〜７５重量％含まれているとよい。

ポリオールエステル
本発明のポリオールエステルは、トリメチロールプロパン、ネオペンチルグリコール、ペンタエリトリトール及び長鎖のカルボン酸のようなポリヒドロキシ種の化合物から作成される。本発明において有用なエステルとしては、炭素数５〜３０のモノカルボン酸とポリオールから作られるエステル類、及びネオペンチルグリコール、トリメチロールプロパン、ペンタエリトリトール、ジペンタエリトリトール、トリペンタエリトリトール等のポリオールエーテル類が挙げられる。
好適なポリオールは、式Ｒ（ＯＨ）_nで表され、式中Ｒは脂肪族または脂環式のヒドロカルビル基（好ましくはアルキル基）を表し、ｎは少なくとも２であり、かつおよそ５以下であり、好ましくは３〜５である。ヒドロカルビル基は約２〜約２０個以上の炭素原子を含んでいるとよく、さらにヒドロカルビル基は塩素、窒素及び／又は酸素原子のような置換基を有していてもよい。ポリヒドロキシ化合物は通常一つ以上のオキシアルキレン基を有していてもよく、そのためポリヒドロキシ化合物には、ポリエーテルポリオール類のような化合物が含まれる。カルボン酸エステルの形成に使用するポリヒドロキシ化合物に含まれる炭素原子の数（即ち、炭素数を指すが本出願明細書を通して使われている炭素数という用語は、場合に応じて酸又はアルコールのいずれかにおける炭素原子の総数を指す）、及びヒドロキシル基の数（即ち、ヒドロキシル価）は、広い範囲にわたって異なるものでもよい。
ポリオールとしてとりわけ有用であるのが以下のアルコールである。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、モノペンタエリトリトール、工業銘柄のペンタエリトリトール、及びジペンタエリトリトール。もっとも好ましいアルコールは、工業銘柄のペンタエリトリトール（例えば約８８％のモノペンタエリトリトール、１０％のジペンタエリトリトール、１〜２％のトリペンタエリトリトール）、モノペンタエリトリトール、ジペンタエリトリトール及びトリメチロールプロパンである。

本発明で使用するポリオールエステルの調製に適した脂肪族モノカルボン酸としては、約５〜３０個の炭素原子を含む飽和、不飽和両方の酸があり、例えば、ステアリン酸、イソステアリン酸、オレイン酸、リノール酸、ラウリン酸、トール油脂肪酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、デカン酸、カプリン酸、吉草酸等が挙げられる。
好ましいポリオールエステルとして、１００℃における動粘度が１３．１９ｍｍ²／ｓ、４０℃における動粘度が９１．６６ｍｍ²／ｓのイソステアリン酸トリメチロールプロパンの市販品「Ｐｒｉｏｌｕｂｅ」が挙げられる。
ポリオールエステルは、１〜４９重量％、好ましくは５〜５０重量％、さらに好ましくは５〜２５重量％含まれる。

機能性添加剤パッケージ
機能性添加剤パッケージは所望の最終用途によって決める。一般的に、動力伝達用流体の機能性パッケージには、酸化防止剤、磨耗防止剤、摩擦改質剤、無灰分散剤、極圧添加剤、腐蝕抑制剤、粘度調整剤、及び消泡剤が含まれ、各添加剤はそれぞれの正常な付帯機能を達成できる通例の量、例えば１〜２５重量％含まれる。個々の成分の正確な量、個々の成分が含まれているか否かは、意図する用途による。高分子粘度調整剤を含まない組成物が好ましい。

自動車用ギヤオイル
自動車用ギヤオイル添加剤パッケージには、一種以上の高度に硫化した炭化水素又はエステル、亜リン酸塩又は燐酸塩、腐蝕抑制剤、分散剤及び消泡剤を含んだタイプがある。市販のギヤオイル添加剤パッケージとしては、例えば、Ｌｕｂｒｉｚｏｌ社の「Ａｎｇｌａｍｏｌ ９９」、「Ａｎｇｌａｍｏｌ ６０４３」及び「Ａｎｇｌａｍｏｌ ６０８５」；Ｅｔｈｙｌ社の「Ｈｉｔｅｃ ３２０」、「Ｈｉｔｅｃ ３２３」、「Ｈｉｔｅｃ ３５０」及び「Ｈｉｔｅｃ ３８５」；ＥｘｘｏｎＭｏｂｉｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社の「Ｍｏｂｉｌａｄ Ｇ−２５２」、「Ｍｏｂｉｌａｄ Ｇ−２５１」及び「Ｍｏｂｉｌａｄ Ｇ−２００１」が挙げられる。
二つ目のタイプの自動車用ギヤオイル添加剤パッケージは、コロイド状に分散した三硼酸カリウム粒子からなる。この技術については米国特許第3,853,772号、同第3,912,639号、同第3,912,643号、及び同第4,089,790号に記載されている。この技術に基づいた市販のギヤオイルパッケージの一例として、ＣｈｅｖｒｏｎＴｅｘａｃｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社のＯｒｏｎｉｔｅ部門から市販されている「ＯＬＯＡ ９１５１Ｘ」が挙げられる。
自動軍用ギヤオイル添加剤パッケージは、通常、最終製品である潤滑油の重量に対して約１〜約１５重量％用いられる。

手動変速機用流体
手動変速機用流体は、特化した添加剤パッケージから、又は自動車用ギヤオイルパッケージの処方割合を減らしたものから直接処方することができる。手動変速機用流体の添加剤パッケージは、通常、一種以上の磨耗防止剤、無灰分散剤、腐蝕抑制剤、摩擦改質剤、消泡剤を含有し、さらに粘度調整剤が含まれることもある。市販の手動変速機用流体の添加剤パッケージとしては、Ｉｎｆｉｎｅｕｍ社の「Ｉｎｆｉｎｅｕｍ Ｔ４８０４」が挙げられるが、これは消泡剤、酸化防止剤、防錆剤、スルホン酸マグネシウム系洗浄剤、封止膨潤剤（seal swellant）、アミンホスフェート系磨耗防止剤、ホウ化ポリイソブテニルコハク酸イミド系分散剤及び摩擦改質剤を含み、それぞれが正常な付帯機能を達成できる通例の量を含有している。
手動変速機用流体添加剤は、通常、最終製品の潤滑油の重量に対して約１〜約１０％含まれる。

自動変速機用流体
自動変速機用流体の添加剤パッケージは、通常、無灰分散剤、磨耗防止剤、酸化防止剤、腐蝕抑制剤、摩擦改質剤、封止膨潤剤（seal swell agent）、消泡剤を含み、さらに粘度調整剤が含まれることがある。市販の自動変速機用流体の添加剤パッケージとしては、Ｌｕｂｒｉｚｏｌ社の「Ｌｕｂｒｉｚｏｌ ６９５０」、「Ｌｕｂｒｉｚｏｌ ７９００ 」及び「Ｌｕｂｒｉｚｏｌ ９６１４」；Ｅｔｈｙｌ社の「Ｈｉｔｅｃ ４０３」、「Ｈｉｔｅｃ ４２０」及び「Ｈｉｔｅｃ ４２７」；並びにＩｎｆｉｎｅｕｍ社の「Ｉｎｆｉｎｅｕｍ Ｔ４５２０」及び「Ｉｎｆｉｎｅｕｍ Ｔ４５４０」が挙げられる。
自動変速機用流体添加剤は、通常、最終製品の潤滑油の重量に対して約１〜約２０％含まれる。
自動変速機用流体における添加剤の代表的な量を以下にまとめる。

動力伝達用途において、潤滑剤の相対的なエネルギー保存能力を求めるのに実用性を有する方法がいくつかある。どちらの方法も一般的に認められてはいないが、両方法ともに実際の用途上ではかかわってきた。いずれの方法ともに前提となるのは、大きな負荷のかかった機械的接触における熱の発生の減少である。定常状態における装置の操作温度が低ければ低いほど、エネルギーは熱に変換しにくくなるという仮説がたてられる。結果として、よりたくさんのエネルギーを伝達に利用できることになる。
ＡＲＫＬ（軸方向スラストボールベアリング(axial thrust ball bearing)）テスト。このテストはフォルクスワーゲン社が開発してきたもので、テスト方法はフォルクスワーゲン社の「ＰＶ １４５４」を利用できる。このテストでは、高い負荷（５０００Ｎ）がかかったボール型スラストベアリングを試料となる潤滑油（４０ｍｌ）中で１２０分間回転させる（回転数４０００ｒｐｍ）。テスト用ベアリングと潤滑油は熱電対を備えた断熱ハウジングに収納する。１２０分間の運転時間が終了した時点で定常状態の温度を以下の式を使って求める。
【数１】
Ｔ_steadystate ＝（３０℃−Ｔ_ambient）＋Ｔ_{test oil}

ＦＺＧ定常状態温度 − この手法はＡＳＴＭの試験方法Ｄ−５１８２に記載されているようなＦＺＧ歯車試験機を用いる。定常状態温度安定化試験を行うには、試験機にバルクオイルの温度を検出するための熱電対を設け、「Ｃ」字型ギアーを装着し１２５０ミリリットルのテスト用潤滑油をいれる。負荷レベル４で短時間の試運転（１５分間）を行ったあと、負荷レベル８まで試験機に負荷をかけ１４５０ｒｐｍで６時間運転する。運転期間中、潤滑油温度を観測し、テスト終了時点での安定化した温度を記録する。基準となる潤滑油との比較において、この値がもっとも頻繁に使われる。
以下の実施例は、クレームした本発明を具体的に説明するために示すものであるが、実施例で述べた具体的な詳細部分に本発明は限定されないものとする。すべての「部」及び「パーセント」は、特に指示がないかぎり重量基準である。

本発明の利点を具体的に例証する目的で、二種類の自動車用ギヤオイルを調製した。液１はクレームした発明を代表するポリオールエステルを含み、液２は本発明の範囲ではないアゼライン酸の一般的なジエステルを含有する。その他の点において、二つの流体は同一である。この二種の流体の組成については、それぞれの動粘度とともに下記の表１に示す。ＰＡＯ−１００（水素添加したポリデセン−１）のＰＡＯ−６（水素添加したポリデセン−１）に対する割合は、この二種の流体の動粘度をちょうど同じようにするために変えた。

【表２】
表１
テスト用流体組成物^*

^*質量％による。
¹ＥｘｘｏｎＭｏｂｉｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社（テキサス州ヒューストン）のギヤオイル添加剤パッケージ
²Ｃｒｏｍｐｔｏｎ社（コネチカット州ミドルベリー）の「Ｓｙｎｔｏｎ １００」で、１００℃における動粘度（ｋｖ）は１００ｍｍ²／ｓ
³ＥｘｘｏｎＭｏｂｉｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社（テキサス州ヒューストン）の「ＳＨＦ ６３」で、１００℃における動粘度（ｋｖ）は６ｍｍ²／ｓ
⁴Ｕｎｉｑｕｅｍａ社（オランダ、ゴーダ）の「Ｐｒｉｏｌｕｂｅ ３９９９」
⁵Ｃｏｇｎｉｓ社（オハイオ州シンシナティ）の「Ｅｍｅｒｙ ２９５８」

二種の供試潤滑油は、前述のＦＺＧテスト方法を用いて熱安定性について評価した。テストの結果は以下の表２に示す。
【表３】
表２
熱安定化温度

本発明以外のエステルを使った場合と比較すると、本発明のエステルを使うととによってメリットが得られることがこの実施例からわかる。

Claims (5)

1. エネルギー保存型自動車用ギヤオイル組成物であって、
   （ａ）１００℃における動粘度が４０〜１００ｍｍ²／ｓのポリα−オレフィンベースストックを１〜４９重量％と、
   （ｂ）１００℃における動粘度が３〜６ｍｍ²／ｓの潤滑油ベースストックを１〜９５重量％と、
   （ｃ）炭素数５〜３０の脂肪族モノカルボン酸と、式Ｒ（ＯＨ）_nで表され、式中Ｒは脂肪族または脂環式のヒドロカルビル基を表し、ｎが少なくとも２であるポリオールとのポリオールエステルを１〜４９重量％と、
   （ｄ）有効量の自動車用ギヤオイル添加剤パッケージとを含有し、組成物の１００℃における動粘度が少なくとも４ｍｍ²／ｓであるエネルギー保存型自動車用ギヤオイル組成物。
   
2. 高分子粘度調整剤を含まない請求項１記載の組成物。
   
3. 潤滑油ベースストックがポリα−オレフィンである請求項１記載の組成物。
   
4. 潤滑油ベースストックが鉱物油である請求項１記載の組成物。
   
5. ポリオールエステルがイソステアリン酸トリメチロールプロパンである請求項１記載の組成物。