Polyol-Ester als Schmiermittel für CO2-KältemaschinenPolyol esters as lubricants for CO 2 refrigeration machines
Die Erfindung betrifft Betriebsmittelzusammensetzungen enthaltend Schmiermittel auf Basis synthetischer Ester, die sich zur Schmierung von Kältemaschinen, Wär- mepumpen und verwandter Anlagen, wie Klimaanlagen, die mit Kohlendioxid alsThe invention relates to equipment compositions containing lubricants based on synthetic esters, which are suitable for the lubrication of refrigeration machines, heat pumps and related systems, such as air conditioning systems, which are based on carbon dioxide
Betriebsmittel betrieben werden, eignen.Operating resources are suitable.
Kohlendioxid ist bereits zu Beginn der modernen Kältetechnik als Kältemaschinen-Betriebsmittel verwendet worden. So baute die Firma Linde bereits im Jahre 1881 die erste Kompressions-Kältemaschine unter Verwendung von Kohlendioxid als Kältemittel. Noch bis zur Mitte dieses Jahrhunderts wurde Kohlendioxid vorwiegend in Schiffskälteanlagen unterhalb seiner kritischen Temperatur (kritischer Punkt Tk=31,4°C / pk=72,9 bar) eingesetzt. Als Schmiermittel kam Glyzerin zum Einsatz. Später, mit der Einführung der FCKW-Kältemittel, ist Kohlendioxid kaum noch eingesetzt worden.Carbon dioxide has been used as a refrigeration machine resource since the beginning of modern refrigeration technology. The Linde company built the first compression refrigeration machine in 1881 using carbon dioxide as the refrigerant. Until the middle of this century, carbon dioxide was mainly used in ship refrigeration systems below its critical temperature (critical point T k = 31.4 ° C / p k = 72.9 bar). Glycerin was used as the lubricant. Later, with the introduction of CFC refrigerants, carbon dioxide was hardly used anymore.
Der Ausstieg aus umweltschädigenden Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffen (FCKW) als Kältemaschinen-Betriebsmittel hat dazu geführt, Kohlendioxid als mögliches Betriebsmittel für Kältemaschinen erneut in Betracht zu ziehen. Kohlendioxid ist leicht und günstig verfügbar und übt keinen schädigenden Einfluß auf die Ozonschicht aus. Kohlendioxid zeichnet sich als Kältemaschinen-Betriebsmittel weiterhin durch eine gegenüber FCKW-Betriebsmitteln höhere isentropische und volu- metrische Kühl-Effizienz aus.The phase-out of environmentally harmful chlorofluorocarbons (CFCs) as refrigeration equipment resources has led to the re-consideration of carbon dioxide as a possible equipment for refrigeration machines. Carbon dioxide is easily and cheaply available and has no harmful effect on the ozone layer. As refrigeration equipment, carbon dioxide continues to be characterized by a higher isentropic and volumetric cooling efficiency than CFC equipment.
Erst in den 80er Jahren wurde die Entwicklungsarbeit mit dem natürlichen Kältemittel CO2 wieder aufgenommen. Erste Versuche zeigten die technischen Möglichkeiten eines transkritischen, auch superkritisch genannten, Kohlendioxid- Kreisprozesses mit Drücken von über 100 bar auf.Development work with the natural refrigerant CO 2 was resumed only in the 1980s. Initial tests showed the technical possibilities of a transcritical, also called supercritical, carbon dioxide cycle with pressures of over 100 bar.
Inzwischen haben verschiedene Forschungsstellen dieses Konzept aufgegriffen und arbeiten an der Realisierung geeigneter Kälteanlagen. Gleichzeitig wird jedoch auch an der Weiterentwicklung des herkömmlichen Verfahrens im subkritischen Bereich gearbeitet.Various research centers have now taken up this concept and are working on the implementation of suitable refrigeration systems. At the same time, however, work is continuing on the further development of the conventional method in the subcritical area.
Für Kohlendioxid als Kältemaschinenbetriebsmittel sind gegenüber konventionellen Kältemitteln wie Fluor/Chlor- oder Fluor-Kohlenwasserstoffen erhöhte Betriebsdrücke und Betriebstemperaturen (bzw. Δp 's und ΔT 's) erforderlich, die
hohe Anforderungen an Dichtmaterialien, bewegliche Teile und Schmiermittel stellen. Dies gilt insbesondere für Kältemaschinenanlagen, die in einem transkritischen Kreisprozeß betrieben werden.Compared to conventional refrigerants such as fluorine / chlorine or fluorine hydrocarbons, increased operating pressures and operating temperatures (or .DELTA.p 's and .DELTA.T' s) are required for carbon dioxide as refrigerating machine operating resources place high demands on sealing materials, moving parts and lubricants. This applies in particular to refrigeration systems that are operated in a transcritical cycle.
Als Schmiermittel für beide Verfahrensweisen wurden bereit Polyolester eingesetzt (siehe z.B. Lubricants for Carbon Dioxide; U. Hesse, H.O.Spauschus in Re- frigeration Science and Technology, Proceedings, Aarhus Denmark 3-6 Sept. 1996, ISSN 0 151 163).Polyol esters have already been used as lubricants for both procedures (see e.g. Lubricants for Carbon Dioxide; U. Hesse, H.O. Spauschus in Research Science and Technology, Proceedings, Aarhus Denmark 3-6 Sept. 1996, ISSN 0 151 163).
In einem transkritischen Kreisprozeß werden im Laufe des KompressionszyklussesIn a transcritical cycle, the compression cycle takes place
Zustände durchlaufen, in denen sich das Kohlendioxid als Betriebsmittel sowohl im subkritischen (unterkritischen) Bereich als auch im superkritischen (überkritischen) Bereich befindet.Go through states in which the carbon dioxide as a resource is in both the subcritical (subcritical) and supercritical (supercritical) range.
CO2 verhält sich hinsichtlich der Löslichkeit gegenüber Estern sehr unterschiedlich. Subkritisches CO2 ist polar. Für diesen Zustand erweisen sich die erfindungsgemäßen Esteröle im Bereich der üblichen Arbeitstemperaturen von etwa + 5°C bis -50°C als löslich, während viele Ester im transkritischen Bereich, wo CO2 weitgehend unpolar ist, nicht mehr oder nur teilweise löslich sind. Bei Arbeiten im überkritischen Bereich sind die Ester im Verdampfungsbereich nur mangelhaft löslich. Der Verdampfungsbereich des Kohlendioxids bei den gewählten Druckbereichen liegt etwa zwischen -6°C und 10 °C.CO 2 behaves very differently in terms of solubility towards esters. Subcritical CO 2 is polar. For this state, the ester oils according to the invention prove to be soluble in the range of the usual working temperatures of about + 5 ° C. to -50 ° C., while many esters in the transcritical range, where CO 2 is largely non-polar, are no longer or only partially soluble. When working in the supercritical area, the esters are only poorly soluble in the evaporation area. The evaporation range of the carbon dioxide at the selected pressure ranges is approximately between -6 ° C and 10 ° C.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Auswahl möglicher Polyolester zu finden, die den folgenden Anforderungen an Schmiermittel für CO2-The invention is based on the problem of finding a selection of possible polyol esters which meet the following requirements for lubricants for CO 2 -
Kältemaschinen genügen:Chillers are sufficient:
- eine höhere Polarität- a higher polarity
- ausgezeichnete thermische und chemische Stabilität- excellent thermal and chemical stability
- sehr gute hydrolytische Stabilität - sehr gute Schmierungseigenschaften- very good hydrolytic stability - very good lubrication properties
- komplett mischbar mit Kohlendioxid unter 0 °C- completely miscible with carbon dioxide below 0 ° C
- eine geringe Hygroskopizität- low hygroscopicity
- hohe Verträglichkeit mit Dichtmaterialien und- high compatibility with sealing materials and
- gutes Viskositäts - Temperatur- Verhalten.- good viscosity - temperature behavior.
Dies gilt im besonderen Maße auch für die erschwerten Bedingungen des transkritischen Kältekreisprozesses. Wegen der höheren Drücke und der erhöhten Effizi-
enz werden Kältemaschinen für den transkritischen Bereich kleiner ausgelegt und weisen oft geringe Durchmesser in den Leitungssystemen auf. Dies erfordert eine ausreichende Mobilität des Schmiermittels im entsprechenden Temperaturbereich.This applies in particular to the difficult conditions of the transcritical refrigeration cycle. Because of the higher pressures and the increased efficiency enz chillers are designed smaller for the transcritical area and often have small diameters in the pipe systems. This requires sufficient mobility of the lubricant in the corresponding temperature range.
Überraschend haben sich zur Lösung dieser Aufgaben als geeignet erwiesen:Surprisingly, they have proven to be suitable for solving these tasks:
Betriebsmittelzusammensetzungen für Kältemaschinen, Wärmepumpen und verwandte Anlagen, wie Klimaanlagen, enthaltend Kohlendioxid als Betriebsmittel, wobei das Betriebsmittel im wesentlichen ausschließlich aus Kohlendioxid besteht, und einen Ester oder ein Estergemisch als Schmiermittel bestehend aus: (1) einer Säurekomponente, wobei die Säurekomponente,Equipment compositions for refrigeration machines, heat pumps and related systems, such as air conditioning systems, containing carbon dioxide as the operating medium, the operating medium consisting essentially exclusively of carbon dioxide, and an ester or an ester mixture as a lubricant consisting of: (1) an acid component, the acid component,
(a) bezogen auf die Gesamtcarbonsäuregruppenkonzentration, aus mindestens 40 mol% n-Pentansäure besteht und(a) based on the total carboxylic acid group concentration, consists of at least 40 mol% of n-pentanoic acid and
(b) zu dem verbleibenden Rest aus linearen oder verzweigten C6- bis CI O- Mo- nocarbonsäuren und / oder verzweigten C5- Monocarbonsäuren besteht, und (2) einer Alkoholkomponente mit 4 bis 8 Hydroxylgruppen, einem, zwei oder drei quartären Kohlenstoffatomen und 5 bis 21 , vorzugsweise 5 bis 15, Kohlenstoffatomen, wobei die -OH-Gruppen des Polyhydroxyalkohols als Alkoholkomponente vorzugsweise mit solchen Kohlenstoffatomen verbunden sind, die ihrerseits lediglich quartäre Kohlenstoffatome in Nachbarstellung aufweisen. Der Poly- hydroxyalkohol als Alkoholkomponente kann weiterhin 0 bis 4, bevorzugt 0 , 1 oder 2, Etherbrücken enthalten. Besonders bevorzugt ist die Alkoholkomponente: Pentaerythritol und / oder Dipentaerythritol und / oder Tripentaerythritol.(b) the remainder of the residue consists of linear or branched C6 to CIO monocarboxylic acids and / or branched C5 monocarboxylic acids, and (2) an alcohol component with 4 to 8 hydroxyl groups, one, two or three quaternary carbon atoms and 5 to 21, preferably 5 to 15, carbon atoms, the -OH groups of the polyhydroxy alcohol as the alcohol component preferably being connected to those carbon atoms which in turn have only quaternary carbon atoms in the adjacent position. The polyhydroxy alcohol as the alcohol component may further contain 0 to 4, preferably 0, 1 or 2, ether bridges. The alcohol component is particularly preferred: pentaerythritol and / or dipentaerythritol and / or tripentaerythritol.
In einer weiteren Ausgestaltung enthält die Betriebsmittelzusammensetzung einen Ester oder ein Estergemisch, dessen Alkoholkomponente bezogen auf die Gesam- talkoholgruppenkonzentration zu mindestens 50 mol% aus Dipentaerythritol und / oder Tripentaerythritol besteht.In another embodiment, the operating agent composition contains an ester or an ester mixture, the alcohol component of which, based on the total talc alcohol group concentration, consists of at least 50 mol% dipentaerythritol and / or tripentaerythritol.
Hinsichtlich der Säurekomponente gelten auch unabhängig voneinander solche Ester oder Estergemisch als bevorzugt, deren Säurekomponente nach (l)(a) bezogen auf die Gesamtcarbonsäuregruppenkonzentration aus mindestens 60 mol% n- Pentansäure besteht; deren Säurekomponente nach (l)(b) überwiegend aus verzweigter Monocarbonsäuren, besonders bevorzugt aus, bezogen auf die Ge- samtcarbonsäuregruppenkonzentration, aus 5 bis 40 mol% verzweigter Monocar- bonsäuren besteht. Für letzteren Fall bestehen die zur vollständigen Veresterung aller Hydroxygruppen verbleibenden Säurekomponenten aus linearen C5- bis C10-
Monocarbonsäuren. Vorzugsweise sind in dem Ester oder dem Estergemisch alle Hydroxygruppen der Alkoholkomponente vollständig verestert.With regard to the acid component, those esters or ester mixtures are also preferred, independently of one another, whose acid component according to (l) (a), based on the total carboxylic acid group concentration, consists of at least 60 mol% of n-pentanoic acid; whose acid component according to (l) (b) consists predominantly of branched monocarboxylic acids, particularly preferably of 5 to 40 mol% of branched monocarboxylic acids, based on the total carboxylic acid group concentration. In the latter case, the acid components remaining for the complete esterification of all hydroxyl groups consist of linear C5 to C10 Monocarboxylic acids. Preferably, all the hydroxyl groups of the alcohol component are completely esterified in the ester or the ester mixture.
Für die erfindungsgemäßen Ester werden besonders gute Ergebnisse hinsichtlich hoher Dichte und guten Schmiereigenschaften einerseits und den oben aufgeführten Eigenschaften andererseits erzielt, wenn als Hauptkomponente n-Pentansäure zur Veresterung verwendet wurde. Ihr Anteil liegt wie oben ausgeführt bei über 40 mol%, vorzugsweise über 60 mol%. Zur Steuerung der Viskosität werden neben der n-Pentansäure Carbonsäuren im C-Zahlenbereich von 5 bis 10 zur Veresterung herangezogen, wobei für den Fall der Verwendung zusätzlicher C5-Säuren diese verzweigt sind. Die C5- bis C10 - Carbonsäuren können sowohl eine unverzweigte als auch verzweigte Struktur besitzen, wie aus den erfindungsgemäßen Beispielen der Tabelle 1 erkennbar ist.For the esters according to the invention, particularly good results with regard to high density and good lubricating properties on the one hand and the properties listed above are achieved if n-pentanoic acid was used as the main component for the esterification. As stated above, their proportion is over 40 mol%, preferably over 60 mol%. To control the viscosity, in addition to the n-pentanoic acid, carboxylic acids in the C number range from 5 to 10 are used for the esterification, where these are branched if additional C5 acids are used. The C5 to C10 carboxylic acids can have both an unbranched and branched structure, as can be seen from the inventive examples in Table 1.
Vorzugsweise sind mindestens 50 mol% aller Alkohol-Komponenten der EsterAt least 50 mol% of all alcohol components are preferably the esters
Dipentaeryritol oder Tripentaerythritol-Gruppen. Ester mit diesen Alkoholgruppen haben sich insbesondere für Kältemaschienen, die im transkritischen Bereich betrieben werden, bewährt.Dipentaeryritol or tripentaerythritol groups. Esters with these alcohol groups have proven particularly useful for refrigeration machines operating in the transcritical field.
Die erfindungsgemäßen Ester zeichnen sich durch Dichten über 940 kg/m3, in derThe esters according to the invention are characterized by densities in excess of 940 kg / m 3
Regel sogar über 1000 kg/m3, aus und besitzen darüber hinaus überraschend auch die oben aufgeführten Eigenschaften, die für einen Einsatz als Kältemaschinenöl in Kombination mit Kohlendioxid als Betriebsmittel erforderlich sind.Usually even over 1000 kg / m 3 , and also surprisingly also have the properties listed above, which are required for use as a refrigerating machine oil in combination with carbon dioxide as the operating medium.
Überraschend wurde festgestellt, daß der Rücktransport der Ester-Schmiermittel zum Kompressor nur dann gewährleistet ist, wenn ihre Dichte deutlich über der des flüssigen Kohlendioxids in diesem Temperatur-/ Druckbereich liegt. In einem solchen Falle findet sogar unter den besonderen Bedingungen in CO2- Kältemaschinen eine effektive Phasentrennung statt, bei der der erfindungsgemäße Ester entsprechend seiner höheren Dichte die untere, das Kohlendioxid die obereIt was surprisingly found that the return transport of the ester lubricants to the compressor is only guaranteed if their density is significantly higher than that of the liquid carbon dioxide in this temperature / pressure range. In such a case, an effective phase separation takes place even under the special conditions in CO 2 refrigeration machines, in which the ester according to the invention, according to its higher density, the lower, the carbon dioxide the upper
Phase bildet. Ein Rückfluß des Esters zum Kompressor ist somit bei entsprechendem Anlagedesign ebenso gewährleistet wie eine störungsfreie Verdampfung.Phase forms. A backflow of the ester to the compressor is thus guaranteed with a corresponding system design, as is trouble-free evaporation.
Bei den in Entwicklung befindlichen, im überkritischen Bereich arbeitenden Anla- gen liegen die Verdampfungstemperaturen im Bereich von -6°C bis 10°C, einemThe evaporation temperatures of the systems under development in the supercritical range are in the range from -6 ° C to 10 ° C, one
Bereich gleicher Dichte von Mineralöl und Kohlendioxid. Mineralöle sind daher als alleiniges Schmiermittel ungeeignet.
Ester gemäß Erfindung sind mit einer Dichte von über 1000 kg/m3 nicht nur deutlich schwerer als Mineralöl, sondern haben auch noch den entscheidenden Vorteil, je nach Struktur unterhalb des Bereiches von -6 °C bis 10 °C vollständig in Koh- lendioxid löslich zu sein.Area of equal density of mineral oil and carbon dioxide. Mineral oils are therefore unsuitable as the sole lubricant. With a density of over 1000 kg / m 3, esters according to the invention are not only significantly heavier than mineral oil, but also have the decisive advantage that, depending on the structure, they are completely soluble in carbon dioxide below the range from -6 ° C. to 10 ° C. to be.
Ester mit einer Dichte von über 940 kg/m3 sind im Verdampfungsbereich des Kohlendioxids besonders geeignet. Praktische Versuche haben aber ergeben, daß solche mit höheren Dichten, über etwa 1000 kg/m3 noch besser funktionierten. Dies kann mit einem schnelleren Absetzen erfindungsgemäßer Ester erklärt werden, wenn eine vollständige Löslichkeit im Bereich der Verdampfung des Kohlendioxids, etwa bei 0 °C, noch nicht gegeben ist.Esters with a density of over 940 kg / m 3 are particularly suitable in the evaporation range of the carbon dioxide. Practical tests have shown, however, that those with higher densities, above about 1000 kg / m 3, worked even better. This can be explained by a faster settling of esters according to the invention if complete solubility in the area of the evaporation of the carbon dioxide, for example at 0 ° C., has not yet been given.
Das Betriebsmittel besteht im wesentlichen ausschließlich, d.h. zu größer 95 Gew.% , vorzugsweise zu etwa 100 Gew.%, bezogen auf das Betriebsmittel (d.h. das Kältemittel ohne Schmiermittel- und Additiv-Anteil), aus Kohlendioxid.The equipment essentially consists exclusively, i.e. more than 95% by weight, preferably about 100% by weight, based on the operating medium (i.e. the refrigerant without lubricant and additive content), made of carbon dioxide.
Das Schmiermittel besteht entweder vorzugsweise zu größer 90 Gew.%, besonders bevorzugt zu etwa 100 Gew. % aus dem erfindungsgemäßen Estern, jeweils bezo- gen auf das Schmiermittel ohne Kältemittel- und Additiv-Anteil; oder ist nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung eine Mischung enthaltend die erfindungsgemäßen Ester neben weiteren Schmiermitteln und besteht dann vorzugsweise zu 20 bis 60 Gew.%» aus den erfindungsgemäßen Estern, jeweils bezogen auf das Schmiermittel ohne Kältemittel- und Additiv-Anteil, wobei der verbleibende Teil des Schmiermittels vorzugsweise Polyalkylenglykole (z.B. Polypropylen- oxid/Polyethylenoxid-Copolymere) oder Alkylbenzole bzw. Dialkylbenzole sind.The lubricant consists either preferably of more than 90% by weight, particularly preferably about 100% by weight, of the ester according to the invention, in each case based on the lubricant without any refrigerant or additive content; or is, according to another embodiment of the invention, a mixture containing the esters according to the invention in addition to other lubricants and then preferably consists of 20 to 60% by weight of the esters according to the invention, in each case based on the lubricant without any refrigerant and additive content, the remaining one Part of the lubricant are preferably polyalkylene glycols (eg polypropylene oxide / polyethylene oxide copolymers) or alkylbenzenes or dialkylbenzenes.
Zusätzlich können in der Betriebsmittelzusammensetzungen übliche Additive wie Verschleißverbesserer, Anti-Schaummittel, Antioxidantien, wie insbesondere Ir- ganox® L101 , Viskositätsindex-Verbesserer, Korrosionsschutzmittel oder auchIn addition, additives customary in the equipment compositions, such as wear improvers, anti-foaming agents, antioxidants, such as, in particular, Irganox® L101, viscosity index improvers, corrosion inhibitors or also
Hoch-Druck-Additive, wie insbesondere Phosphat-Ester, enthalten sein.
Tabelle 1High-pressure additives, such as in particular phosphate esters, may be included. Table 1
Beispielexample
Alkohole mol%:Alcohols mol%:
Pentaerythrit 100 66Pentaerythritol 100 66
Dipentaerythrit 100 100 100 100 34 80 80Dipentaerythritol 100 100 100 100 34 80 80
Tripentaerythrit 20 20Tripentaerythritol 20 20
Carbonsäuren mol%: n-C5 100 100 70 50 50 70 65 50 n-C8 40 n-C9 25 25 10 n-CIO 10 i-C8 5 50 5 25 50Carboxylic acids mol%: n-C5 100 100 70 50 50 70 65 50 n-C8 40 n-C9 25 25 10 n-CIO 10 i-C8 5 50 5 25 50
Eigenschaften:Characteristics:
Dichte kg/m3 bei 15°C 1019 1037 1012 1003 1010 1005 1013 1004Density kg / m 3 at 15 ° C 1019 1037 1012 1003 1010 1005 1013 1004
Viskosität mmVsec : bei 40 °C 15,93 48,0 56,4 81,1 52,5 33,5 70,61 87,49 bei 100 °C 3,69 8,3 9,0 10,2 8,7 6,2 9,90 10,87Viscosity mmVsec: at 40 ° C 15.93 48.0 56.4 81.1 52.5 33.5 70.61 87.49 at 100 ° C 3.69 8.3 9.0 10.2 8.7 6.2 9.90 10.87
Viskositätsindex 119 148 138 107 143 136 123 110
Viscosity index 119 148 138 107 143 136 123 110