-
Hermetisch gekapselte Kleinkältemaschine und Verfahren zu deren Betrieb
Die Erfindung betrifft eine hermetisch gekapselte Kleinkältemaschine mit einem Kältemittel
aus halogenisierten Kohlenwasserstoffen, einem Mineralöl und einer elektrischen
Motorisolation aus Kunststoff sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.
-
Die Lebensdauer einer hermetisch gekapselten Kleinkältemaschine dieser
Art hängt sehr stark von den in ihr auftretenden Temperaturen ab. Es ist bekannt,
daß mit steigender Temperatur nicht nur die Beständigkeit der im einzelnen verwendeten
Stoffe nachläßt, sondern auch in immer stärkerem Maße Reaktionen der Stoffe untereinander
auftreten. Beispielsweise wird aus cellulosehaltigen Isoliermaterialien Wasser ausgetrieben,
das mit den Ölen reagiert und Säuren bilden kann. Bei den bekannten mineralischen
Kälteölen treten Zerfallserscheinungen auf, sobald die Temperaturen 100 oder gar
125° C überschreiten. Wasserfreie Isolationen aus Kunststoff, die an sich bei höheren
Temperaturen noch beständig sind, verlieren ihre Isolierfähigkeit unter der Einwirkung
der bei höheren Temperaturen entstehenden reaktionsfähigen Zersetzungsprodukte aus
dem Kältemittel und dem Öl.
-
Es sind elektrische Isolationskunststoffe für Kältemaschinen bekanntgeworden,
die bei Temperaturen bis zu 150° C noch keine nachteiligen chemischen Reaktionen
mit dem Kältemittel und dem Schmieröl verursachen, z. B. Polyäthylenterephthalat
oder Polyamid, die einer speziellen Nachbehandlung unterzogen waren. Durch die Verwendung
solcher Kunststoffe war aber nicht sichergestellt, daß die Kältemaschine auch tatsächlich
bis zu 150° C belastet werden konnte, weil die meisten bekannten Öle sich bereits
unterhalb dieser Temperatur zersetzen und gegebenenfalls sogar den Isolationskunststoff
angreifen. Insbesondere bei Verwendung von Mineralölen war eine Temperaturbeständigkeit
bis in den Bereich von 130 bis 150° C hinein nur durch den Zusatz von Inhibitoren
möglich.
-
Die Temperatur von 150° C wurde bisher für kritisch gehalten. Oberhalb
dieses Grenzwertes verursachten die erwähnten Isolationskunststoffe nachteilige
chemische Reaktionen, selbst das durch Inhibitoren temperaturbeständig gemachte
Mineralöl zersetzte sich, wobei die Inhibitoren besonders aggressive Störprodukte
ergaben, und sogar die brauchbarsten Kältemittel aus halogenisierten Kohlenwasserstoffen
wandeln sich teilweise in zu stärkeren Reaktionen neigende Stoffe um. Deshalb wurde
bisher die Grenze von 150° C immer genau beachtet; in der praktischen Ausführung
der Kleinkältemaschinen liegen die zulässigen Temperaturen weit unter diesem Grenzwert.
Demgegenüber besteht die Erfindung darin, daß der Isolationskunststoff aus einem
Material besteht, das bis zu einer Grenztemperatur, die über 155° C und vorzugsweise
in dem Bereich von 160 bis 225° C liegt, gegenüber dem Kältemittel in der gekapselten
Maschine beständig ist und daß das Mineralöl ein paraffinbasisches Öl ist, bei dem
die unter -40° C auskristallisierenden Bestandteile ausraffmiert worden sind.
-
Die Erfindung gibt daher die Lehre, den Isolationskunststoff zunächst
nur danach auszusuchen, ob er bei den erwähnten hohen Temperaturen in Anwesenheit
des Kältemittels und gegebenenfalls seiner Zersetzungsprodukte in der gekapselten
Maschine beständig ist. Da das Kältemittel für einen gegebenen Zweck im allgemeinen
festgelegt ist, kann man mit verhältnismäßig einfachen Mitteln einen brauchbaren
Kunststoff bestimmen. Auf die weiter unten angeführten Beispiele sei verwiesen.
Fügt man diesem System dann das spezielle paraffinbasische Mineralöl hinzu, so ändern
sich die Beständigkeitswerte des Gesamtsystems gar nicht oder höchstens in einem
solchen Maße, daß eine Grenztemperatur von 155° C oder vorzugsweise 160 bis 225°
C erhalten bleibt.
-
Paraffinbasisches Öl wird für Kältemaschinen nur ungern verwendet,
weil bei Verdampfertemperaturen von -20, -30° C oder tiefer das Paraffin kristallin
ausscheidet, die Wärmeaustauschflächen belegt und die Leitungen verstopft. Paraffinbasisches
Öl muß daher, um überhaupt in Kältemaschinen verwendbar zu sein, weitgehend von
dem sich ausscheidenden Paraffin gereinigt werden. In der gesamten Kälteindustrie
ist daher naphthenbasisches Öl bevorzugt worden, dessen Fließgrenze im allgemeinen
von vornherein unter den möglicherweise auftretenden Verdampfertemperaturen
liegt.
Alle bekannten Versuche zur Erzeugung eines hochtemperaturbeständigen Mineralöls
erfolgten daher auf der Grundlage von naphthenbasischen ölen. Ganz im Gegensatz
dazu wird bei der Ausführung der Erfindung paraffinbasisches Öl verlangt und dessen
Reinigung von bei tiefer Temperatur auskristallisierenden Bestandteilen in Kauf
genommen. Es hat sich herausgestellt, daß - wenn man bei Temperaturen über 155°
C ein Mineralöl verwenden will - dies unbedingt ein paraffinbasisches Öl sein muß.
Nur dieses öl ist in der Lage, während langer Zeit Temperaturen in der Größenordnung
von 200° C auszuhalten. Überraschenderweise hat sich sogar gezeigt, daß dieses
öl kurzzeitig noch wesentlich höheren Temperaturen ausgesetzt werden kann.
Am Druckventil, an welchem sich üblicherweise bei Hochtemperaturversuchen Ölkoksniederschläge
bilden, zeigen sich diese Erscheinungen nicht einmal bei Temperaturen von 270° C.
-
In bekannter Weise sollten alle Teile der Motorisolation, also die
Nutauskleidung, die Nutverschlüsse, die Zwischenlagen und die Drahtisolation aus
Kunststoff bestehen, jedoch ist es zweckmäßig, für die Nutenisolation einerseits
und die Drahtisolation andererseits verschiedene Kunststoffe zu verwenden. Vorzugsweise
besteht die Nutenisolation aus einem Kunststoff, der in der gekapselten Maschine
bis zu 180° C beständig ist, während die Drahtisolation aus einem Kunststoff besteht,
der bis zu 220° C beständig ist.
-
Als Nutenisolation empfiehlt sich beispielsweise Terephthalsäuredimethylencyclohexylenpolyester.
Zwar ist ein spezieller Terephthalsäureester mit einer Temperaturbeständigkeit bis
150° C bekannt. Terephthalsäuredimethylencyclohexylenpolyester dagegen hat in einer
gekapselten Maschine in Anwesenheit des Kältemittels eine Temperaturbeständigkeit
bis 180° C.
-
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel können als Nutenisolation
fluorierte Polyäthylene, wie Polytetrafluoräthylen, vorzugsweise chlorhaltiges PolyfluoräthyIen,
Verwendung finden. Polytetrafluoräthylen ist an sich als Isolierstoff bekannt. überraschend
ist jedoch die Tatsache, daß man ihn in der erfindungsgemäßen Kombination bis weit
über die übliche Grenztemperatur von 150° C hinaus verwenden kann.
-
Außerdem kommt als Nutenisolation Epoxydharz in Frage, das außer seiner
guten Temperaturbeständigkeit die Eigenschaft besitzt, direkt am Metall des Motors
zu haften, so daß sich eine besonders stabile Isolation ergibt.
-
Für die Drahtisolation ist besonders eine Pyromellitsäurediamin-Kombination
geeignet, die in Anwesenheit des Kältenüttels bis 220° C beständig ist. Brauchbar
ist auch eine Isolation aus Pyrmedin-Compound. Die Ausdrücke »Kombination« bzw.
DCompound« im Zusammenhang reit Kunststoffen sollen bedeuten, daß in der Isolation
der Kunststoff nicht rein vorzuliegen braucht, sondern Zusätze enthalten kann.
-
Überraschenderweise ist als Drahtlack auch Polyäthylenterephthalat
in der erfindungsgemäßen Kombination, also bei Temperaturen über 155'C, geeignet.
-
Des weiteren ist eitle Drahtisolation brauchbar, bei der auf einen
Kupferdraht eia dünner Überzug aus einem Klasse C-Lack und darüber ein weiterer
ü'berzug aus Phenolformvar aufgetragen ist, wobei sich eine Temperaturbeständigkeit
der Klasse H ergibt.
-
Um das paraffinbasische öl für den erfindungsgemäßen Zweck besonders
geeignet zu machen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. So kann man beispielsweise
den Naphthenanteil auf einen unbeachtlichen Wert verringern. Dies steht im Gegensatz
zur bisherigen Technik, nach der ein möglichst hoher Naphthenanteil im C51 erstrebt
war.
-
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das paraffinbasische
Öl zusätzlich nach Art der Schmierstoffe für Düsenmaschinen, Gasturbinen und Turbokompressoren
raffiniert sein. Auf diesem Gebiet hat man bereits Erkenntnisse gewonnen, wie Schmieröle
behandelt werden müssen, damit sie sich nicht in der heißen Maschine in unerwünschte
Komponenten zersetzen.
-
Eine dieser Maßnahmen besteht beispielsweise darin, die stickstoffhaltigen
heterogenen Aromaten soweit wie möglich zu entfernen. Zwar ist es bei Kälteölen
bekannt, die Aromate herauszuraffinieren. Diese Aromate wurden aber im wesentlichen
als gleichrangig betrachtet und lediglich bis zu einer gewissen Grenze entfernt.
Erfindungswesentlich ist aber, daß der Anteil an stickstoffhaltigen heterogenen
Aromaten wesentlich kleiner ist als der Anteil an den übrigen Aromaten. Der Anilinpunkt,
d. h. diejenige Temperatur, bei der Anilin ausscheidet, sollte über g0° C liegen,
während er bei normalen Kälteölen etwa 60 bis 80° C beträgt. Da bei paraffinbasischen
ölen die Schmiereigenschaften in erheblichem Maße vom Aromatengehalt abhängen, sollen
die Aromaten nicht vollständig entfernt werden, sondern nur die weniger stabilen,
insbesondere die leicht oxydierbaren Aromaten.
-
Wenn Difluordichlormethan als Kältemittel verwendet wird, soll darauf
geachtet werden, daß die Isolationskunststoffe und das paraffinbasische
Öl
auch bei Anwesenheit von Difluormonochlormethan beständig sind, weil bei
den angestrebten hohen Temperaturen Teile des Difluordichlormethan sich in Difiuormonochlormethan
umsetzen.
-
Auch hinsichtlich des Trockenmittels im Kältekreislauf ist zu beachten,
daß infolge der hohen Temperaturen eine spezielle Auswahl notwendig ist. Vorzugsweise
soll als Trockenmittel ein synthetisches Natrium-Aluminium-Silikat (ein Zeolith
unter der Handelsbezeichnung LMS) verwendet werden. Dieses Material hat im Gegensatz
zu Silikagel den Vorteil, daß es auch nach längerer Betriebszeit und unter dem Einfluß
des umlaufenden Öls noch voll wirksam bleibt.
-
Wenn man die Kleinkältemaschine gemäß der Erfindung auslegt, kann
man den thermischen Überlastschalter auf eine Temperatur über 155° C einstellen,
vorzugsweise auf 160 bis 225° C. Eine Kleinkältemaschine mit im übrigen bekannten
Daten kann nunmehr stärker als früher belastet werden, d. h., eine Maschine bestimmter
Größe kann eine größere Leistung als bisher abgeben.
-
Zur Erläuterung der Erfindung sei noch auf die Zeichnung verwiesen,
in der schematisch eine hermetisch gekapselte Kleinkältemaschine veranschaulicht
ist.
-
In der Kapsel 1 ist der Motorverdichter 2, der im wesentlichen aus
dem antreibenden Elektromotor 3 und der Kolben-Zylinder-Anordnung 4 besteht, untergebracht.
Das Kältemittel wird über den
Stutzen 5 angesaugt und über den Druckstutzen
6 nach Verdichtung wieder abgegeben. Demnach steht der Kapselinnenraum 7 unter Saugdruck.
Das Kältemittel besteht aus einem halogenisierten Kohlenwasserstoff. Das Öl, das
sich im Sumpf 8 sammelt, besteht im wesentlichen aus einem Mineralöl auf Paraffinbasis,
bei dem die unter -40° C auskristallisierenden Bestandteile ausraffiniert worden
sind. Da vom Kältemittel fortlaufend Öl in den Kältekreislauf mitgerissen wird,
ergibt sich dort ein Kältemittel-Öl-Gemisch. Der Motor 3 besitzt eine Nuten- und
Drahtisolation aus Kunststoff, der bis zu einer Grenztemperatur, die über 155° C
und vorzugsweise in dem Bereich von 160 bis 225° C liegt, gegenüber dem Kältemittel
beständig ist. Die Beständigkeit gilt auch gegenüber dem Öl und dem Kältemittel-Öl-Gemisch.
In einem Schaltkasten 9 befindet sich der Überlastschalter 10, der auf eine übertemperatur
der Kapselwand anspricht. Dieser überlastschalter kann auf eine Temperatur von mindestens
155° C eingestellt werden.
-
Als besonders vorteilhaftes Beispiel für eine erfindungsgemäße Kombination
der einzelnen Materialien sei angeführt:
| Kältemittel ...... Difluordichlormethan |
| Mineralöl ....... Shell 6090 A-Clarus 929 |
| (beständig von -40 bis 180° C) |
| Nutenisolation ... Terephthalsäurediamethylen- |
| cyclohexylenpolyester |
| (beständig bis 180° C) |
| Drahtlack ....... Pyromellitsäurediaminkombi- |
| nation (beständig bis 220° C) |
| Ein zweites Beispiel für eine erfindungsgemäße |
| Kombination hat folgende Daten: |
| Kältemittel ...... Difluormonochlormethan |
| Mineralöl ....... Esso Zerise 43 |
| (beständig von -43 bis 180° C) |
| Nutenisolation ... chlorhaltiges Polyfluoräthylen |
| (beständig bis 210° C) |
| Drahtlack ....... Polyäthylenterephthalat |
| (beständig bis 180° C) |