DE2817031A1

DE2817031A1 - Zentrifugal-kompressor-kuehlsystem

Info

Publication number: DE2817031A1
Application number: DE19782817031
Authority: DE
Inventors: Gordon C Gainer; Russell M Luck
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Snydergeneral Corp Minneapolis Minn Us
Priority date: 1977-04-22
Filing date: 1978-04-19
Publication date: 1978-10-26
Also published as: JPS53143609A; MX148867A; BE866111A; CA1098893A; FR2388227A1; IT7822610A0; PH14212A; US4159255A; IT1095610B; JPS5835557B2; AU520718B2; AU3509978A; ES469024A1; FR2388227B1; GB1603134A

Description

• Die Erfindung betrifft modifizierte Castor-öl-Schmierzusammensetzungen zur Anwendung bei Zentrifugal-Kompressor-Kühlsystemen und insbesondere solche Schmierzusammensetzungen, die eine hohe Schmierfähigkeit besitzen, thermisch und chemisch in Anwesenheit und in Kontakt mit teilweise oder vollständig fluorinierten Halocarbongaskühlmitteln, wobei die Kühlmittel nur wenig löslich in den Schmierzusammensetzungen sind. Der Ausdruck "Halocarbon" wird hier für Kohlenwasserstoffverbindungen verwendet, bei denen ein hoher Anteil oder auch alle monovalenten Wasserstoffatome an den Kohlenstoffatomen durch Fluor- oder Chloratome ersetzt sind.

Kühlsysteme, die Halocarbonkühlmittel verwenden, wie beispielsweise Dichlorodifluormethan, erfordern spezielle Schmiermittel, Diese Schmiermittel müssen gegenüber thermischer und chemischer Zersetzung bei hohen Temperaturen resistent sein, die während der Gaskompression sowie in der Anwesenheit der Halocarbone vorhanden sind.

Um eine Luftkonditionierung für Bürogebäude, Kaufläden, Wohnungen und Motels, um nur einige Beispiele zu nennen, zu liefern, ist

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es wünschenswert und wichtig, leise und nur eine geringe Vibration aufweisende Kompressoren zu verwenden, die kompakt sind und einen möglichst kleinen Raum für die Kühlleistung erfordern, die gebraucht wird, um unter zu erwartenden Betriebsbedingungen die entsprechende Wärme zu beseitigen. Viele dieser Air-Conditioner-Einheiten verwenden gekühltes Wasser, das von Wärmeaustauschern erzeugt wird, die mit dem Kompressor in Verbindung stehen, um dadurch eine geeignete Luftkonditionierung im Gebäude zu erhalten.

Kolbenartige Einheiten sind nicht nur verhältnismäßig groß für eine bestimmte Leistung, sie sind auch geräuschvoll und vibrieren. Zentrifugal-Kompressoren, die beispielsweise von elektrischen Motoren mit einer Leistung von 50 bis 600 PS angetrieben werden, haben sich als viel kompakter erwiesen, sie benötigen nur einen Bruchteil des Raumes, der für kolbenartige Einheiten mit gleicher PS-Leistung erforderlich ist. Unter Berücksichtigung der Leistung, der hohen Drehgeschwindigkeiten von bis zu 36000 UpM beim Zentrifugal-Kompressor und des großen Volumens an Kühlmittel, das pro Zeiteinheit behandelt wird, sind diese Kompressor-Einheiten außerordentlich ruhig und durch eine sehr geringe Vibration gekennzeichnet.

Ein schwerwiegendes Problem tritt jedoch beim Anlauf dieser Zentrifugal-Kompressoren auf. Der Anlauf einer Zentrifugen-Einheit vom kalten Zustand, nominal 15 bis 24 C, auf einen vollen Betriebszustand nimmt oft mehrere Stunden in Anspruch. Unter allen Bedingungen wird zunächst eine getrennte ölpumpeneinheit in Betrieb gesetzt, um eine Strömung von Schmieröl zu den Lagerungen, Getrieben und ölbetriebenen Steuermechanismen zu liefern. Erst nachdem eine ausreichende Schmiermittelströmung vorhanden ist, wird der Zentrifugal-Kompressor in Betrieb gesetzt. Es treten hohe anfängliche Stoßbelastungen in den Antriebslagern auf, die gute Schmiermittelfilme zu allen Zeiten erfordern, zu denen sich das Lager in Betrieb befindet.

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Diese lange Verzögerung beim kalten Anlauf tritt deshalb auf, weil das Halocarbonkühlmittel, gewöhnlich Dichlorodifluoromethan, im folgenden als R-12 (Refrigerant 12) bezeichnet, in allen ansonsten zufriedenstellenden Schmiermitteln, die in Form von auf Petroleum basierenden ölen für die Lagerungen und Getriebe des Zentrifugal-Kompressors verwendet werden, eine hohe Löslichkeit aufweist. Das Halocarbonkühlmittel kommt mit dem Schmiermittel beim normalen Betrieb des Zentrifugal-Kompressors in Berührung.

Große Mengen von Halocarbongas lösen sich in kaltem Öl, weil die Löslichkeit von Halocarbongas ansteigt, wenn die Temperatur abfällt. Wenn das Öl zum Kompressor-Rotor und zu den Lagerungen gepumpt wird, beginnt das gelöste Halocarbonkühlmittel infolge selbst kleiner Änderungen im Druck oder der Temperatur in Form von Gas auszukochen. Häufig wird das Öl oder Schmiermittel während des Abschaltens von den Lagerungen abgespült, so daß das Lager trocken ist und ein sehr nachteiliger Kontakt von trockenem Metall auf trockenem Metall während des Anlaufs auftritt. Beim kalten Anlauf wird das öl im ölsumpf mit Halocarbon gesättigt, wodurch das öl drastisch verdünnt wird« Das Halocarbon kocht aus dem ölschmiermittel anschließend aus und erzeugt große Mengen von Schaum sowohl im Sumpf als auch in den Ölleitungen, wie auch in den Lagerungen und an anderen Stellen des ö!kreislaufes, wenn die ölpumpe in Betrieb gesetzt wird, um öl oder Schmiermittel zu den Lagerungen, Getrieben und anderswohin zu transportieren. Wenn sich das Öl von dem vorherigen Gebrauch noch auf einer hohen Temperatur befindet, ergibt sich ein unzureichender ölstrom zu den Lagerungen und schlimmstenfalls ist anfänglich ein Halocarbonölschaum vorhanden, der nicht ausreicht, um eine wirksame Schmierung zu erreichen.

Ein Versagen der Lagerungen wird auftreten, wenn der Kompressor-Motor unter diesen schlechten Schmierbedingungen angelassen wird. Des weiteren wird die Viskosität des Öles durch das gelöste Halocarbon stark verringert, so daß die Schmiereigenschaften des Öls durch diese ungewünschte Verdünnung nachteilig verändert

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werden. Dies tritt zusätzlich zur Gefahr auf, daß eine plötzliche Freigabe von Gas innerhalb des Ölfilms auf der Lagerfläche zu einem teilweisen Ölfilmversagen führt, wodurch sich ein blanker Metall-an-Metall-Kontakt ergibt, wodurch möglicherweise eine Lagerbeschadigung auftritt.

Gegenwärtig wird zur Verringerung dieses Schmierproblems bei Zentrifugal-Kompressoren ein Heizer in oder um den Ölsumpf herum angeordnet, so daß das Öl aufgeheizt und beispielsweise auf einer Temperatur von 65 C gehalten wird, um die Menge von im öl gelösten Halocarbonkühlmittel wie R-12 möglichst klein zu machen.

Um die fortlaufende Anwendung des Heizers für längere Abschaltperioden zu vermeiden, wird beim Anlauf der ölsumpf zunächst mehrere Stunden lang geheizt (wobei beispielsweise Heizer mit einer Leistung von 5 kW verwendet werden), um soviel Halocarbon aus dem fortlaufend weiter erhitzten Öl auszutreiben, wie nur möglich, ist, bevor die ölpumpe des Kompressors tatsächlich in Betrieb gesetzt wird. Die Ölpumpe wird dann erregt, um das heiße öl mit niedrigem Halocarbongehalt durch die Ölleitungen und in die Lagerungen zu pumpen.

Die chemische Stabilität der Schmiermittel für einen Zentrifugal-Kompressor-Kühler ist ein wichtiger Faktor, da die Systeme hermetisch abgedichtet sind und irgendwelche Reaktionen mit dem Halocarbonkühlmittel eine Verschlechterung des Schmiermittels derart erzeugen, daß es sich zersetzt und nicht mehr in der Lage ist, eine ausreichende Schmierung zu liefern, oder auch derart reagiert, daß sich Feststoffe bilden, die die Röhren und Düsen verstopfen. Schließlich kann dies dazu führen, daß das Öl nicht mehr wirksam als ein Schmiermittel arbeitet. Derartige Vorgänge führen zu einem schnellen Versagen des Kompressor-Systems.

Metalle wie Eisen, Aluminium und Kupfer, die bei Kompressoren verwendet werden, sind gewöhnlich mit dem Schmiermittel in Kon-

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takt, und das Halocarbon löst sich natürlich in dem Schmiermittel. Diese Kombination von Materialien kann bei erhöhten Temperaturen in negativer Weise reagieren und das Öl schließlich zum Versagen bringen.

Das gesamte Schmier- und Anlaufverfahren würde sich stark vereinfachen, wenn es ein Schmiermittel gäbe, das eine niedrige Affinität zu Halocarbonkühlmittel aufweist, wie es R-12 eines darstellt, d. h. ein Schmiermittel, in dem sich R-12 relativ wenig löst, oder in dem sich R-12 oder anderes Halocarbon nur sehr langsam löst. Ein derartiges Schmiermittel, wie es oben erwähnt wird, würde einen viel schnelleren und zuverlässigeren kalten Start ermöglichen und würde eine Verbesserung gegenüber bekannten Materialien darstellen, wenn es dabei auch noch seine chemische und thermische Stabilität in Anwesenheit von R-12 erhalten würde.

Die US-Patentschrift 2 807 155 erkennt die Probleme der thermischen Stabilität von Schmiermittelsystemen in Verbindung mit einem Chlorodifluormethankuhlmittel in einem Kühlgerät. Pentaerytritolester, Dipentaerytritolester sowie Tripentaerytritolester werden verwendet, die in dem Kühlmittel stark löslich sind und Viskositäten bis zu 2000 SUS aufweisen, und zwar als einziges chemisch und thermisch stabiles Schmiermittel. In der US-Patentschrift 3 715 302 wird eine hervorragende chemische und thermische Schmiermittelstabilität in R-12-Kühlmittelumgebung dadurch erreicht, daß eine Mischung aus hydroraffinierteiti naphthenischem Öl und raffiniertem und entwachstem Paraffinöl verwendet wird. Diese Mischung besitzt eine Viskosität von bis zu 500 SUS (Saybolt-Sekunden) bei 100° F (38° C) und ist mit fluorinierten Kohlenwasserstoffkühlmitteln wie R-12 mischbar. Die US-Patentschrift 3 878 112 löst die mit der Kühlmittellöslichkeit verbundenen Probleme durch die Verwendung von Glykoldirizinoleaten als synthetische Schmiermittel für Zentrifugal-Kompressor-Kühleinrichtungen, Diese Materialien besitzen eine niedrige Löslichkeit für FluorocarbonKühlmittel_f sie sind jedoch teuer und schwer in hochreinem Zustand herzustellen,

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Entsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Zentrifugal-Kompressor-Kühlsystem zu schaffen, das die oben aufgeführten Nachteile nicht aufweist.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs, also durch ein Zentrifugal-Kompressor-Kühlsystem, das ein mit einer Schmiermittelzusammensetzung in Verbindung stehendes HaIocarbonkühlmittel verwendet, wobei das Schmiermittel folgende Zusammensetzung aufweist: 100 Teile eines chemisch und thermisch stabilen Castor-öls sowie 20 bis 110 Teile einer chemisch und thermisch stabilen und eine niedrige Viskosität aufweisenden Mischflüssigkeit, die in Castor-öl löslich ist und in der Form von zumindest einem der folgenden Stoffe vorliegt: alkylierter Diphenyläther, Neopentylester, Pentaerytritolester einer gesättigten Fettsäure und Dipentaerytritolester einer gesättigten Fettsäure, wobei das Halocarbon in der Schmiermittelzusammensetzung nur leicht löslich ist und die Schmiermittelzusammensetzung e
aufweist.

Setzung eine Viskosität von bis zu 700 SUS bei 100° F (38° C)

Somit wird eine Schmiermittelzusammensetzung verwendet, die eine Mischung aus hochviskosen und niedrigviskosen Flüssigkeiten darstellt, die in Kombination eine geringe Affinität zu R-I2 aufweisen und trotzdem ausgezeichnete chemische und thermische Stabilität in einer Kühlmittelumgebung besitzen. Diese Schmiermittelzusammensetzungsmischung verringert parasitäre Verluste während des Kühllaufes, indem die Menge von R-.12 , die in der Schmiermittelmischung gelöst wird und damit für die Kühlfunktion des Systems verlorengeht, möglichst gering sind.

Castor-öl hat eine sehr hohe Viskosität, die nahe bei 1555 SUS bei 100° F (38° C) liegt, wodurch es als Kompressor-Schmiermittel völlig ungeeignet wird. Jedoch ist Castor-öl verhältnismäßig billig und besitzt eine extrem niedrige Affinität für R-I2, Die oben beschriebenen Mischflüssigkeiten von niedriger Viskosität können, wenn sie zu Castor-öl hinzugefügt werden, die Viskosität der Mischung auf etwa 600 SUS bei 100° F erniedrigen,

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was für die Anwendung bei Zentrifugal-Kompressoren geeignet ist. Zwar sind die Flüssigkeiten von niedriger Viskosität selbst verhältnismäßig gut löslich in R-12, ihre Mischung mit Castor-Öl zeigt jedoch eine sehr niedrige Affinität an R-12, gute Schmiereigenschaften, niedrige Abnutzungsraten sowie chemische und thermische Stabilität bei Anwesenheit von R-12. Außerdem sind, was sehr wichtig ist, die Zusätze billig und im Handel leicht erhältlich.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den Zeichnungen dargestellt ist.

Es zeigt:

Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht durch einen Teil eines typischen Zentrifugal-Kühl-Kompressors;

Fig. 2 eine schematische Diagrammansicht eines Zentrifugal-Kühl-Kompressors, wobei Teile im Schnitt dargestellt sind; und

Fig. 3 eine Darstellung, die ein Testgerät darstellt, das bei dem Beispiel verwendet wurde, um die Löslichkeit von R-12 in der Schmiermittelzusammensetzung in Gew% zu messen.

In Fig, 1 der Zeichnungen ist eine vertikale Schnittansicht durch einen Teil eines typischen Zentrifugal-Kühl-Kompressors dargestellt. Der Kühlkompressor umfaßt einen Motor 12, der beispielsweise eine Leistung von 50 bis 600 PS aufweist, der innerhalb eines Gehäuses 14 angeordnet ist. Das Gehäuse 14 umfaßt Lagerungen, in denen eine Motorantriebswelle 18 gehalten wird, die sich durch ein Lager 16 in eine Getriebekammer 20 erstreckt, wobei das rechte Ende der Welle in einem Lager 21 gehalten wird. Der innerhalb der Getriebekammer 20 sich befindende Teil der Welle 18 ist mit einem großen angetriebenen Schneckenspurrad versehen, das ein kleineres Zahnrad 24 antreibt, welches an

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einer Zentrifugal-Antriebswelle 28 befestigt ist. Das Verhältnis der Durchmesser der Zahnräder 24 und 22 ist in der Größenordnung von 10:1, so daß dann, wenn der Motor 12 mit einer Drehzahl von 1800 UpM (Umdrehungen pro Minute) sich dreht, die Kompressorwelle mit einer Drehgeschwindigkeit von 18000 UpM rotiert, während ein Motor mit 3600 UpM den Kompressor mit Drehzahlen von 32000 bis 36000 UpM antreiben würde. Die Enden der Zentrifugalantriebswelle 28 sind in Lagerungen 3 2 und 34 gehalten.

Das Schmiermittel wird zu den Lagern 16, 32, 34 über Kanäle 36, 38 und 40 von einer Hauptschmiermittelverzweigung 42 geliefert. Das Lager 21 wird mit Hilfe einer Schmiermittelverzweigung 23 geschmiert. Wegen der hohen Geschwindigkeiten und der hohen Leistung, die an das Flügelrad geliefert wird, ist es notwendig, daß ein großes Schmiermittelvolumen zu jeder Zeit während des Betriebs des Kompressors an die Lagerungen geliefert wird. Aus den Lagern 16, 21, 32 und 34 entweicht aufgrund des Wellenspiels Öl- oder Schmiermittel in das Getriebegehäuse 20, wobei insbesondere die hohe Drehzahl der Welle 28 das Öl als einen Nebel ausstößt, der auf die Getriebezähne der Zahnräder 22 und 24 auftrifft und diese schmiert.

Auf dem extremen rechten Ende der Welle 28 ist ein Zentrifugen-Kompressor-Flügelrad 44 montiert, das ein Einlaßende 46 angrenzend zum rechten Ende der Wellennabe und ein Austrittsende 48 aufweist, an dem heiße komprimierte Kühlmittelgase unter Druck in eine Kühlmittelgasverzweigung 50 ausgestoßen werden, von wo die Gase zu einem geeigneten (nicht dargestellten) Kondensator strömen. Das Kühlmittelgas tritt durch eine verhältnismäßig große Gaseinlaßleitung 52 am extremen rechten Ende des Kompressors ein, wie in Fig. 1 dargestellt. Der Zutritt des Halocarbongases in der Leitung 52 zum Einlaßende 46 des Kompressors wird durch eine Reihe von am Umfang angeordneten Einlaßflügeln 54 gesteuert, die in der Leitung 52 vor dem Einlaßende des Zentrifugen-Flügelrades drehbar montiert sind. Die Flügel 54 werden zu einer gewünschten Gasstromungssteuerpositxon mit Hilfe eines Kolbengliedes 56 rotiert, das Teile besitzt, die an exzentrisch ange-

ordneten Stiften auf den Flügeln 54 montiert sind, welches Kolbenglied sich aufgrund des Zutritts von Schmiermittel unter Druck zu dem einen oder anderen Ende aufgrund der benötigten Mengen von Kühlmittel bewegt, wie von einem Flügelsteuerabfühlmechanismus (nicht dargestellt) festgelegt wird, um die Flügel 54 zu irgendeiner Stellung zwischen voll geöffnet und im wesentlichen geschlossen zu bewegen. Infolgedessen wird eine Strömung von HaIocarbonkühlmittelgas zu dem Zentrifugen-Flügelrad durch diesen Flügel- und Kolbenmechanismus gesteuert.

Um einen hohen Ausgang für den elektrischen Motor 12 sicherzustellen, ist es übliche Praxis, kondensiertes flüssiges Halocarbonküh lmitte1 auf die Motorwicklungen zu sprühen, um die von diesen erzeugte Wärme zu absorbieren, so daß der Motor auf eine sichere Betriebstemperatur ausreichend abgekühlt wird, wenn ihm ein hoher elektrischer Leistungseingang zugeführt wird. Wegen dieser erhöhten Kühlung kann ein physikalisch extrem kleiner Motor verwendet werden, um die notwendige PS-Leistung dem eigentlichen Zentrifugen-Kompressor zu liefern.

In Fig. 2 ist schematisch die Schmiermittelverteilung zu dem zentrifugalen Kühlkompressor der Fig. 1 dargestellt. Ein umschlossener ölsumpf und eine Pumpeneinheit 60 umschließen einen Motor 62, der eine Pumpe 64 antreibt, die innerhalb des unteren Teils davon angeordnet ist, wo sie in einen Vorrat von Schmiermittel 66 eingetaucht ist, das gewöhnlich zu allen Zeiten bis zu einer bestimmten Höhe reichen wird. Das aus den Lagerungen, dem Getriebegehäuse und dem FlügeIsteuersystem austretende Schmiermittel tritt über eine Leitung 68 in den Sumpf 60 ein. Das zur Sumpfleitung 68 zurückkehrende Öl war dem Halocarbonkühlmittel ausgesetzt und hat dieses gelöst. Die Menge des gelösten Halocarbonkühlmittels, beispielsweise R-I2, steht in Beziehung zum Gasdruck sowie zur Öltemperatur.

Wenn die Pumpe 64 angetrieben wird, wird öl unter Druck durch eine Röhre 70 hindurchgeführt, durchläuft erst ein Filter 72, um irgendwelche festen Teilchen zu entfernen, und dann einen

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Ölkühler 74, um die Temperatur des Öls zu erniedrigen. Das gekühlte Öl wird dann durch ein Rohr 76 zur Verzweigung 23 transportiert und von dort zum am rechten Ende befindlichen Lager 21, das die Motorwelle 18 trägt sowie auch durch ein Rohr 78 zur Ölverzweigung 42, von wo es einen überfließenden Ölstrom liefert, der zu den Lagerungen 16, 32 und 34 geführt wird. Außerdem wird Öl durch eine Leitung 80 zu einem Flügelsteuermechanismus 81 geführt, welcher von einem geeigneten Meßfühler (nicht dargestellt) betrieben wird, der entsprechende Mengen von Öl durch Leitungen 82 und 84 zu dem Flügelsteuerkolben 56 transportiert.

Es wurde gefunden, daß dann, wenn das öl im Sumpf 60 verhältnismäßig kalt ist und große Mengen von gelöstem Halocarbongas wie R-12 enthält, beim Betrieb der Pumpe 64 und beim Anlauf des Flügelrades 44 der Druck im Sumpf abfallen wird und sofort eine große Menge von Öl-Halocarbon-Schaum im Sumpf erzeugt wird. Des weiteren wird das kalte öl, das noch erhebliche Mengen an Halocarbon in sich gelöst aufweist, durch das Rohr 70 hindurchfließen, wobei Halocarbongas austreten, und das Rohr, das Filter 72 und den Ölkühler 74 mit Schaum füllen wird. Etwas von dem Schaum wird durch den öltrenner hindurchlaufen, wo das Öl zentrifugal abgeschleudert wird, und ölfreies Halocarbongas fließt von der Verbindung 69 über eine Leitung zum Einlaß 52 der Fig. 1.

Wenn ein stark geschäumtes öl, das erhebliche Mengen an gelöstem Halocarbon enthält, zu den Lagerungen geführt wird, werden sowohl die ölmenge als auch die Viskosität durch das Schäumen und die Anwesenheit der großen Menge an Halocarbonflüssigkeitskomponenten in dem öl verringert, so daß die Lagerungen keine ausreichende ölmenge von ausreichender Viskosität erhalten und auch keine ausreichenden lasttragenden ölbildenden Eigenschaften auf der Oberfläche sich ausbilden, um eine effektive Schmierung zu ermöglichen. Wenn der Zentrifugal-Kompressor-Motor 12 unter solchen Betriebsbedingungen arbeiten müßte, ergäbe sich ein Kontakt zwischen blankem Metall zu blankem Metall an den Lagerflächen, was zu übermäßigem und schnellem Abrieb der Lager

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und einem katastrophalen vorzeitigen Versagen führen würde. Öl, das aus den Wellenlagern austritt, dringt in das Getriebegehäuse ein, wo es sich sammelt und weiteres Halocarbongas absorbiert und dann in die ölabzugsleitung 68 eintritt und somit zurück in den Sumpf 60 fließt.

Das öl, das aufgrund der neuen und verbesserten Schmiermittelzusammensetzung verwendet wird, ist ein Castor-öl, d. h. Glyceroltririzinoleat. Castor-öl besitzt gute Schmiereigenschaften, weil es ein Triester darstellt, das drei Hydroxylgruppen pro Molekül enthält und ein großes Molekulargewicht aufweist. Alleine ist Castor-öl jedoch kein geeignetes Schmiermittel für kommerzielle in der Industrie benutzte zentrifugale Luftkonditionierungs-Kompressoren, und zwar wegen seiner sehr hohen Viskosität von nahezu 1555 SUS bei 38 C sowie auch wegen seiner unerwünscht hohen Gießtemperatur, die bei nahezu -23° C (-10° F) liegt. Air-Conditioning-Zentrifugal-Kompressoren werden im allgemeinen so ausgeführt, daß sie auf Kühlöle einwirken, die Viskositäten unterhalb von 700 SUS bei 38° C (100° F) aufweisen, wie beispielsweise das öl Suniso 4GS, bei größeren Maschinen wäre es Suniso 5GS (beide öle werden von der Firma Sun Oil Co. vertrieben). Diese öle sind hochraffinierte Petroleumprodukte mit Viskositäten von 285 SUS bzw. 500 SUS bei 38° C (100° F).

Castor-öl ist jedoch ein ausgezeichnetes Schmiermittel, zeigt gute Belegungswerte bei extremen Drücken und eine außerordentlich niedrige Affinität zu Halocarbonkühlmxtteln wie R-12, besitzt gute chemische und thermische Stabilität gegenüber HaIocarbonkühlmitteln wie R-12 und ist außerdem billig.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt darin, daß das mit dem Castor-öl verwendete flüssige Additiv mit Castor-öl in einer Menge mischbar sein muß, die die Viskosität der Mischung auf Werte von unter ungefähr 700 SUS bei 38° C (100° F) absenkt. Außerdem muß das Additiv mit dem Castor-öl auch bei den niedrigsten Temperaturen lösbar bleiben, die beim Betrieb für zentrifugale Kühler im Luftkonditionierungsbetrieb auftreten können.

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Die Mischflüssigkeit muß alleine gegenüber thermischer Langzeitalterung in Anwesenheit von Halocarbonkühlmitteln wie R-12 widerstandsfähig sein, muß verhältnismäßig niedrige Affinität zu Halocarbonkühlmitteln aufweisen, muß gute Schmiereigenschaften besitzen, einen weiten Flüssigkeitsbereich und niedrige Verdampfbarkeit sowie einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweisen, sollte für Metallkombinationen unter hoher mechanischer Belastung nichtkorrosiv sein, niedrige Abnutzungsraten besitzen und leicht erhältlich und billig sein.

Es gibt nur wenige Materialien, die alle diesen Eigenschaften aufweisen und die insbesondere in Castor-öl löslich sind. Auf Kühlöle beruhende Mineralöle wie Suniso 4GS und 5GS können nicht benutzt werden, da sie im wesentlichen in Castor-öl unlöslich sind. Alkylbenzene erwiesen sich in ähnlicher Weise als in Castoröl zu wenig löslich, um in Betracht zu kommen. Alkylierte Diphenylather, die an einer der Phenylgruppen 4 bis 24 Kohlenstoffatome besitzen, erwiesen sich als nützlich, insbesondere Dodecyldiphenylather, das eine Viskosität von etwa 300 SUS bis 330 SUS bei 38° C (100° F) aufweist. Andere geeignete Mischflüssigkeiten umfassen Neopentylester, das eine Viskosität von etwa 125 bis 175 SUS bei 38° C besitzt. Die vorzugsweisen niedrigviskosen Mischflüssigkeiten sind Pentaerytritolester und Dipentaerytritolester, die Viskositäten zwischen 75 und 320 SUS bei 38 C besitzen. Diese Ester werden aus Pentaerytritol und normalen oder verzweigtkettigen gesättigten Fettsäuren wie octanoische Säure, 2-äthylhexanoische Säure u. dgl. hergestellt. Beispielsweise kann das Additiv verestertes monomolekulares Pentaerytritol und Dipentaerytritol umfassen:

CH₀OCOR

I ²

R0C0CH_—C—CH_0C0R 2 , 2

CH₂OCOR und

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CH₀OCOR CH₀OCOR

,2 j 2

ROCO CHtt— C -CHr—0 - CH _o— C-CH _o0C0R

2 ι 2 2 ι 2

• CH₂OCOR CH₂OCOR

wobei R eine gesättigte aliphatische geradkettige oder verzweigte Kohlenwasserstoffkette mit 8 bis 18 Kohlenstoffatomen darstellt. Diese Materialien mit einem zentralen Kohlenstoffatom, das von vier anderen umgeben wird, besitzen ausgezeichnete Oxidationsstabilität.

Die gesättigten Fettsäuren werden indirekt von natürlichen Fetten und ölen wie Talg oder Olivenöl abgeleitet. Die Pentaerytritolverbindungen können durch Reagieren von Acetaldehyd mit Formaldehyd in einem alkalischen Medium hergestellt werden. Die Ester können durch Reagieren der Pentaerytritolverbindungen mit gesättigten organischen Fettsäuren gebildet werden, die eine Kohlenwasserstoffstruktur aufweisen, wie sie weiter oben von R beschrieben wurde. Die verwendeten Säuren sind solche Säuren, die keine anderen reaktiven Gruppen als Carboxylgruppen besitzen. Die oben erwähnte R-Gruppe kann jeweils ein unterschiedliches Radikal aufweisen, das aus der oben angegebenen Klasse ausgewählt wird. Diese Mischflüssigkeiten können alleine zur Mischung mit Castor-öl verwendet werden, oder sie können als Mischungen zur Vermischung mit Castor-öl benutzt werden. Die maximale Viskosität der Mischflüssigkeit beträgt 335 SUS mit einem vorzugsweisen Bereich von 50 bis 300 SUS bei 38 C. Die Anwendung von Mischflüssigkeiten zur Verdünnung des Castoröls, die Viskositäten von größer als 335 SUS besitzen, erfordert die übermäßige Zufügung zum Castor-öl, was zu hohen R-12-Absorptionswerten führt.

Das Gewichtsverhältnis von Castor-öl zu Mischflüssigkeit muß innerhalb des Bereiches von 100:20 bis 100:100 liegen. Bei Benutzung von weniger als 20 Teilen Mischflüssigkeit pro 100 Teilen Castor-öl ergibt sich eine Mischung mit Viskositäten von über 700 SUS bei 38° C, wodurch das Schmiermittel für die Anwendung

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bei zentrifugalen Kompressoren ungeeignet wird. Bei mehr als 110 Teilen Mischflüssigkeit pro 100 Teilen Castor-Öl besitzt die Mischung eine erhöhte Affinität für Halocarbonkuhlmittel, was zu schlechtem Kaltanlauf und verringerter "Zuverlässigkeit des Systems führt.

Wenn die Mischflüssigkeiten mit dem Castor-Öl innerhalb des oben angegebenen Viskositäts- und Gewichtsbereiches bei einem zentrifugalen Kompressor-Kühlsystem in Kontakt mit Halocarbonkuhlmittel verwendet werden, besitzt die Schmiermittelzusammensetzung eine Viskosität von weniger als 700 SUS bei 38° C. Es ergibt sich eine gute Schmierfähigkeit bei den zu erwartenden Temperaturen und Betriebsbedingungen des Kühlsystems, wobei das Schmiermittel gegenüber chemischer Reaktion mit dem HaIocarbon und/oder anderen Materialien, die in dem Kühlsystem benutzt werden, hochresistent ist.

Um die vorliegende Erfindung insbesondere bezüglich ihrer Vorteile besser verstehen zu können, wurden zahlreiche, weiter unten beschriebene Vergleichsteste durchgeführt, die zur Feststellung der thermischen Stabilität, der Schmierfähigkeit sowie der Halocarbonabsorption der erfindungsgemäßen Schmierstoffzusammensetzung dienen sollten.

Bezüglich der thermischen und chemischen Stabilität wurde der übliche Test mit geschlossenem Rohr angewendet. Dieser Test wird in Einzelheiten von H. Elsey in "Small Sealed Tube Procedure for Quality Control of Refrigeration Oils", 71 ASHRAE Transactions, Pt. 1, Seite 143 (1965) beschrieben. Im allgemeinen umfaßt dieser Test die Einführung von kleinen Mengen Öl und R-12-Kühlmittel sowie Proben der verwendeten Kompressormetalle, mit denen das Schmiermittel und das Kühlmittel in Kontakt kommen, in ein sauberes trockenes Glasrohr, das abgedichtet und im vorliegenden Falle auf 125° C erhitzt und auf dieser Temperatur eine lange Zeitdauer gehalten wird. Diese Röhren werden bezüglich FärbVeränderungen und Aussehen der Metalle und Ablagerungen mit dem Auge untersucht.

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An ausgewählten Schmiermittelproben wurde der übliche "Falex-Seizure-Test" durchgeführt. Dieser Test liefert Daten bezüglich der Fähigkeit eines Schmiermittels, eine maximale Last zu tragen, bis der Versagenspunkt erreicht wird. Außerdem wurde die Schmiermitteleigenschaft durch Teste auf dem Falex-Tester ermittelt. Siehe dazu "Falex Lubricant Testing Machine", ein Anweisungsmanual, das von der Faville-Le Valley Corp., 1129 Bellwood Avenue, Bellwood, Illinois, herausgegeben wird. Im allgemeinen wurde der Falex-Abriebtest in der Weise durchgeführt, daß eine bekannte Last an zwei sich selbst ausrichtende V-Blöcke angelegt wurde, die eine kleine rotierende Welle pressen. Beim Überprüfen

2 wird ein neues Teststück bei etwa 3,5 kg/cm Meßdruck (Überdruck) 10 min lang eingebrochen, gefolgt durch einen 5minütigen Lauf

2
bei 14,1 kg/cm Meßdruck. Für die Dauer des Testes, die etwa

2 4 Stunden beträgt, wird eine Last von 17,6 kg/cm Meßdruck an-

2 gelegt. Einem Meßdruck von 17,6 kg/cm entspricht ein Druck

2
von etwa 1050 bis 1406 kg/cm auf dem projizierten Abriebgebiet und stellt einen sehr schweren Test für die Grenzschmierfähigkeit dar. Jeder Abrieb, der an den Teststücken auftritt, wird durch einen Abfall in der angelegten Last wiedergegeben, wie er von dem Meßgerät angezeigt wird. Somit wird alle 15 min die

2
Meßeinrichtung erneut auf 17,6 kg/cm Meßlast eingestellt und die Aufnahme auf einer geeichten Scheibe als Abriebeinheiten aufgezeichnet. Der Abrieb wird in der folgenden Tabelle als "Abriebeinheiten pro Stunde" ausgedrückt und stellt die gesamte Anzahl von Einheiten dar, die über die VierStundenperiode aufgezeichnet wurde, wobei diese Werte durch 4 dividiert wurden.

Die Halocarbongasäffinitat wurde ermittelt, indem der Druckabfall als Funktion der Zeit ermittelt wurde, wenn das gemischte

2 öl einem Anfangsüberdruck von 3,87 kg/cm ausgesetzt wurde,

d. h. 4,92 kg/cm Überdruck in Kontakt mit R-12 in einem geschlossenen System bei einer Temperatur von 25 C, Das Testgerät ist in Fig. 3 der Zeichnungen dargestellt, 3 cm der Testprobe wurden in ein Glasrohr eingegeben, das mit einer Verzweigung verbunden war. Das System wurde 5 min lang auf 0,5 Torr evakuiert. Das evakuierte System wurde dann von der Vakuumpumpe ab-

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getrennt und R-12-Gas schnell in das System aus einem Tank mit

2
einem Anfangsdruck von 3,87 kg/cm eingeführt. Das System wurde dann abgesiegelt. Das leere Rohr, die Verzweigung und der obere Abschnitt des anderen Rohres, das die Testflüssigkeit enthielt,

3 dienten als R-12-Reservoir, für das ein Volumen von 32,5 cm festgestellt wurde. Das gesamte Systemvolumen betrug 35,5 cm . Während sich das R-12 in dem gemischten Testöl löste, verringerte sich der Druck in dem System. Der Systemdruck wurde periodisch als Funktion der Zeit während 3 Stunden aufgezeichnet. Die Schmierzusammensetzungen gemäß der Erfindung sollten eine niedrige Affinität für Halocarbongas aufweisen. Das Halocarbongas sollte sich nur leicht in dem Schmiermittel lösen, d. h., etwa 1 bis 8 Gew% sollten sich lösen, wenn eine Probe von 3 cm mit Dichloro-

difluoromethangas eines Anfangsdruckes von 3,87 kg/cm (überdruck) bei 25° C 3 Stunden lang in Kontakt waren, wobei das Gas in einem Gasreservoir von 32,5 cm enthalten war.

Die Erfindung sei nun an dem nachfolgenden Beispiel noch näher erläutert:

Beispiel

Eine Anzahl von Castor-Öl-Additivmischungen wurde hergestellt und getestet, zusammen mit Vergleichsproben aus Castor-Öl, Suniso 4GS und dem Pentaerytritolester einer Fettsäure, die jeweils allein in Kontakt mit Dichlorodifluoromethangas (R-12) verwendet wurden. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in den Tabelle 1, 2 und 3 weiter unten wiedergegeben.

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Tabelle 1 - R-I 2-Absorpf ion· bei ·25°· C

Probe Zusammensetzung Viskosität R-12-Druck (kg/cm Überdruck) R-12-Löslichkeit

CGewichtsteile) (38° C) anfängl. nach 3 Std. Änderung (Gew%) 3 Std.

	1	100 Teile Castor-Ol, 100 Teile Dodecyl- diphenyläther	520	SUS	3,87	2,74	1 ,13	7,5
	2	100 Teile Castor-Öl, 60 Teile Dipentaery- tritolester einer Fett säure	660	SUS	3,87	2,95	0,92	5,8
CD 4>» •ν» O	3 4	100 Teile Castor-Öl, 53 Teile Pentaerytri- tolester einer Fett säure 100 Teile Castor-Öl, 40 Teile Pentaerytri-	510 620	SUS SUS	3,87 3,87	2,99 3,13	0,88 0,74	5,8 5

tolester einer Fettsäure

100 Teile Castor-Öl, 620 SUS 3,87 3,09 0,78 5 33 Teile Pentaerytri-

tolester einer Fettsäure

100 Teile Castor-Öl 1555 SUS 3,87 3,45 0,42 3

100 Teile Pentaerytri- 120 SUS 3,87 1 ,9J 1,96 15 tolester einer Fettsäure

100 Teile Suniso 4GS 285 SUS 4,01 2,39 1,48 9,5

Das verwendete Castor-öl war vom Typ Baker "DB". Die Pentaerytritol- und Dipentaerytritolester waren Ester von gesättigten Fettsäuren, die etwa 8 bis 18 Kohlenstoffatome besaßen, wobei die Viskosität der verwendeten Ester zwischen ungefähr 85 und 265 SUS bei 38° C betrug (in Handel erhältlich von Emery Industries unter dem Handelsnamen Emolein 2939A, Ester C und Ester F von William F. Nye Inc.). Aus der Tabelle 1 ist zu erkennen, daß Castor-öl allein eine außerordentlich niedrige R-12-Absorption aufweist, jedoch eine so hohe Viskosität aufweist, daß es allein nicht verwendbar ist. Pentaerytritolester einer Fettsäure besitzt alleine gute Viskositätseigenschaften, hat jedoch eine verhältnismäßig hohe R-12-Absorption. Mischungen mit 33 bis 100 Gewichtsteilen der ausgewählten Mischflüssigkeit mit 100 Gewichtsteilen Castor-öl ergaben eine Kombination mit niedriger Viskosität und niedriger R-12-Absorption.

Tabelle 2 - Thermische Stabilität gegenüber R-12 in dem abgedichteten Röhrentest bei 125° C

Probe Wochen bis zum Versagen

1 20 Wochen - geringfügig besser als Suniso 4GS

2 20 Wochen - äquivalent zu Suniso 4GS

3 20 Wochen - besser als Suniso 4GS

4 20 Wochen - besser als Suniso 4GS

5 20 Wochen - viel besser als Suniso 4GS

6 20 Wochen - besser als Suniso 4GS

7 20 Wochen - viel besser als Suniso 4GS

8 bei 20 Wochen - Kupferplattierung

⁺ Alle Röhren enthielten Aluminium, Kupfer, Gußeisen und Reedstahl

⁺⁺Suniso 4GS

Diese Teste zeigen, daß alle Materialien sehr gute chemische und thermische Stabilität in der Anwesenheit von R-I2 besaßen.

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Tabelle 3 - Falex-Schmiertest Falex-Seizure-Test 17,58 kg/cm² überdruck (Festfressungstest) 1137 SAE-Block,

3135 SAE-Stift

Probe Abnutzung Festfreßbelastung

(Meßbelastung beim Festfressen)

3 4 Einheiten pro Std. 748 kg

4 6 Einheiten pro Std. 748 kg 6 2 Einheiten pro Std. 726 kg 8 9 Einheiten pro Std. 454 kg

Wie aus der Probe 6 zu erkennen ist, besitzt Castor-öl ausgezeichnete niedrige Abriebwerte, besitzt außerordentlich gute Schmierfähigkeit, während die Proben 3 und 4 sehr niedrige Abnutzung und ausgezeichnete Anfressungswerte sowie gute bis sehr gute Schmierfähigkeit zeigen.

Die Probe 3 wurde erfolgreich 6 Monate lang als Schmierflüssigkeit bei großen 550-t-Luftkonditionierungswasserkühlern mit Zentrifugenbetrieb und Wasserkühlung verwendet, welche mit einem R-12-Kühlmittel arbeiteten. Proben, die die alkylierten Diphenylather und die Neopentylester enthielten, wie oben beschrieben, würden gleich gute Mischflüssigkeiten für eine Castorö!basis ergeben.

ES/jn 3

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eersei

Claims

1. Zentrifugal-Kühl-Kompressorsystem, das ein Halocarbonkühlmittel in Kombination mit einer Schmiermittelzusammensetzung verwendet, das mit dem Halocarbonkühlmittel in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmiermittelzusammensetzung folgende Stoffe enthält: 100 Teile eines chemisch und thermisch stabilen Castor-öls und 20 bis 110 Teile einer chemisch und thermisch stabilen Mischflüssigkeit von niedriger Viskosität, die in Castor-öl löslich ist und in der Form von zumindest einem der folgenden Stoffe vorliegt: alkyliertes Diphenyläther, Neopenty!ester, Pentaerytritolester einer gesättigten Fettsäure und Dipentaerytritolester einer gesättigten Fettsäure, wobei das HaIocarbon in der Schmiermittelzusammensetzung nur leicht löslich ist und die Schmiermittelzusammensetzung eine Viskosität von bis zu 700 SUS bei 38° C besitzt,

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halocarbon Dichlorodifluoromethan ist,

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichlorodifluoromethangas in 3 cm der Schmiermittelzusammensetzung eine Löslichkeit von 1 bis 8 Gew% bei einem Anfangs-

überdruck von 3,87 kg/cm bei 25° C und 3stündigem Kontakt aufweist, wobei das Gas in einem Gasreservoir von 32,5 cm enthalten ist.

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4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischflüssigkeit eine Viskosität von bis zu 335 SUS bei 38° C besitzt.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischflüssigkeit eine Viskosität von 50 bis 300 SUS bei 38° C aufweist.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der alkylierte Diphenylather Docecyldiphenyläther ist.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischflüssigkeit aus Pentaerytritolester einer gesättigten Fettsäure mit 8 bis 18 Kohlenstoffatomen und/oder aus einem Dipentaerytritolester einer gesättigten Fettsäure mit 8 bis 18 Kohlenstoffatomen besteht.

Bes ehreibung;

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