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DE29914502U1 - Polyether as a lubricant for CO2 chillers - Google Patents

Polyether as a lubricant for CO2 chillers

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DE29914502U1
DE29914502U1 DE29914502U DE29914502U DE29914502U1 DE 29914502 U1 DE29914502 U1 DE 29914502U1 DE 29914502 U DE29914502 U DE 29914502U DE 29914502 U DE29914502 U DE 29914502U DE 29914502 U1 DE29914502 U1 DE 29914502U1
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DE
Germany
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polyethers
mixtures
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DE29914502U
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Fuchs SE
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Fuchs Dea Schmierstoffe GmbH and Co KG
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Description

Gegenstand der Erfindung sind Betriebsmittelzusammensetzungen enthaltend Schmierstoffe auf Basis von Polyethern mit -(-CH2-CH2-CH2-CH2-O-)-Monomereinheiten, die sich zur Schmierung von Kältemaschinen, Wärmepumpen und verwandten Anlagen, die mit Kohlendioxid als Betriebsmittel betrieben werden, eignen.The invention relates to operating fluid compositions containing lubricants based on polyethers with -(-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -O-)-monomer units, which are suitable for the lubrication of refrigeration machines, heat pumps and related systems which are operated with carbon dioxide as an operating fluid.

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 meist unterhalb seiner kritischen Temperatur (kritischer Punkt Tk=31,4°C / pk=72,9 bar) eingesetzt. Als Schmierstoff wie auch als Sperrflüssigkeit kam Glyzerin zum Einsatz. Später, mit der Einführung der FCKW-Kältemittel, istCarbon dioxide was already used as a refrigeration machine operating fluid at the beginning of modern refrigeration technology. In 1881, the Linde company built the first compression refrigeration machine using carbon dioxide as a refrigerant. Until the middle of this century, carbon dioxide was mainly used in ship refrigeration systems, usually below its critical temperature (critical point T k = 31.4°C / p k = 72.9 bar). Glycerine was used as a lubricant and as a sealing fluid. Later, with the introduction of CFC refrigerants,

Kohlendioxid kaum noch eingesetzt worden.Carbon dioxide is 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 günstige thermodynamische Eigenschaften, wie z.B. eine relativ hohe volumetrische Kälteleistung und ein niedriges Druckverhältnis (pc/ps-Index) sowie einenThe phasing out of environmentally harmful chlorofluorocarbons (CFCs) as refrigeration equipment has led to carbon dioxide being considered again as a possible refrigeration equipment fuel. Carbon dioxide is readily and cheaply available and has no damaging effect on the ozone layer. Carbon dioxide continues to be characterised as a refrigeration equipment fuel by favourable thermodynamic properties, such as a relatively high volumetric refrigeration capacity and a low pressure ratio (p c /p s index) as well as a

25 daraus resultierenden guten Anlagenwirkungsgrad aus.25 resulting good system efficiency.

Kältemaschinen- Prototypen haben die technischen Möglichkeiten eines transkritischen Kohlendioxid-Kreisprozesses mit Drücken von über 100 bar aufgezeigt. In einem transkritischen Kreisprozeß werden im Laufe des Kompressionszyklusses Zustände durchlaufen, in denen sich das Kohlendioxid als Betriebsmittel sowohl im unter- als auch im überkritischen Zustand befindet. Gleichzeitig wird auch an der Weiterentwicklung des herkömmlichen Verfahrens unter Einsatz von Kohlendioxid im unterkritischen Bereich gearbeitet.Refrigeration machine prototypes have demonstrated the technical possibilities of a transcritical carbon dioxide cycle with pressures of over 100 bar. In a transcritical cycle, conditions are passed through during the compression cycle in which the carbon dioxide as an operating medium is in both the subcritical and supercritical state. At the same time, work is also being done on further developing the conventional process using carbon dioxide in the subcritical range.

Für Kohlendioxid als Kältemaschinenbetriebsmittel sind gegenüber konventionellen Kältemitteln wie Fluor/Chlor- oder Fluor-Kohlenwasserstoffen erhöhte Betriebsdrücke und Betriebstemperaturen erforderlich, die hohe Anforderungen an Dichtungsmaterialien, bewegliche Teile und Schmiermittel stellen. Dies gilt insbesondere für Kältemaschinenanlagen, die in einem transkritischen Kreisprozeß betrieben werCompared to conventional refrigerants such as fluoro/chlorine or fluorocarbons, carbon dioxide as a refrigeration machine operating fluid requires higher operating pressures and temperatures, which place high demands on sealing materials, moving parts and lubricants. This applies in particular to refrigeration machines that are operated in a transcritical cycle.

den.the.

Als Schmierstoffe für Kältemaschinen mit Kohlendioxid als Betriebsmittel sind bereits Polyalkylenglykole vorgeschlagen worden, z.B. in J. Fahl, Ki Luft- und Kältetechnik 8/1998, S.375-379.Polyalkylene glycols have already been proposed as lubricants for refrigeration machines using carbon dioxide as an operating medium, e.g. in J. Fahl, Ki Luft- und Kältetechnik 8/1998, pp. 375-379.

Ebenso hat die JP 10-46169 Betriebsmittelzusammensetzungen enthaltend Kohlendioxid und Polyalkylenglykole zum Gegenstand. Die Polyalkylenglykole weisen C2- bis Co-Alkylen-Einheiten auf, wobei Ethylenoxid- (EO) und/oder Propylenoxid- (PO) Einheiten bevorzugt sind. Offenbart sind auch Polyalkylenglykole, die durch Alkoxylierung mehrfunktioneller Alkohole hergestellt sind.JP 10-46169 also relates to operating fluid compositions containing carbon dioxide and polyalkylene glycols. The polyalkylene glycols have C2 to C10 alkylene units, with ethylene oxide (EO) and/or propylene oxide (PO) units being preferred. Polyalkylene glycols produced by alkoxylation of polyfunctional alcohols are also disclosed.

In dem Deutschen Patent DE 197 19 430-Cl werden Betriebsmittelzusammensetzungen enthaltend Kohlendioxid und Poly(C2- bis C6—alkylen)glykole als Schmiermittel vorgeschlagen, worin die Polyether zu mindestens 40 % Propylenoxid-Monomereinheiten enthalten.In the German patent DE 197 19 430-Cl, operating fluid compositions containing carbon dioxide and poly(C2- to C6-alkylene) glycols are proposed as lubricants, wherein the polyethers contain at least 40% propylene oxide monomer units.

Die DE 197 19 430-Cl offenbart auch, daß es aufgrund der guten Löslichkeit von Polyolestern zu einem dramatischen Viskositätsabfall im Bereich der Lager des Kältemittelverdichters kommen kann. Unter diesen Bedingungen zeigen weniger lösliche Schmierstoffe, wie z. B. Mineralöle, Polyolefine oder auch Polyalkylenglykole, nicht den erwähnten Viskositätsabfall. Durch die schlechtere Löslichkeit können jedoch bei Polyalkylenglykolen als Betriebsmittel Probleme hinsichtlich des Ölrücktransportes, besonders in den Komponenten Expansionsventil und Verdampfer sowie der Saugleitung, speziell bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten auftreten. Zum einen muß die Anforderung im Verdichter, d. h. im Schmierspalt entsprechend hohe Gemischviskosität zu erreichen, erfüllt werden, zum anderen muß eine Löslichkeit bei tiefen Temperaturen im Bereich der Komponenten Verdampfer und Saugleitung gewährleistet sein, um guteDE 197 19 430-Cl also discloses that the good solubility of polyol esters can lead to a dramatic drop in viscosity in the area of the bearings of the refrigerant compressor. Under these conditions, less soluble lubricants, such as mineral oils, polyolefins or polyalkylene glycols, do not show the drop in viscosity mentioned. Due to the poorer solubility, however, problems can arise with polyalkylene glycols as operating fluids with regard to oil return transport, particularly in the expansion valve and evaporator components and the suction line, especially at low flow rates. On the one hand, the requirement in the compressor, i.e. to achieve a correspondingly high mixture viscosity in the lubrication gap, must be met, and on the other hand, solubility at low temperatures in the area of the evaporator and suction line components must be guaranteed in order to achieve good

Wärmeübergänge und die Ölrückführung zu garantieren. Eine sogenannte Teilmischbarkeit, d.h. eine in einem bestimmten Temperaturbereich für gewisse Mischungsverhältnisse vorhandene Mischungslücke, ist hier von Interesse.To guarantee heat transfer and oil return. A so-called partial miscibility, i.e. a miscibility gap that exists in a certain temperature range for certain mixing ratios, is of interest here.

Die erfindungsgemäßen Polyether erfüllen die zuvor genannten Voraussetzungen und sind für vergleichsweise höhere Massenanteile (z.B. größer 70 Gew.%) Schmiermittel in CO2 über den gesamten Temperaturbereich bis unter -550C löslich. Bei geringeren Anteilen Schmiermittel sind die erfindungsgemäßen Polyether nicht mehr über den gesamten Temperaturbereich von einer höheren in Kältemaschinen üblichenThe polyethers according to the invention meet the above-mentioned requirements and are soluble in CO 2 for comparatively higher mass fractions (eg greater than 70 wt.%) of lubricant over the entire temperature range down to -55 0 C. At lower lubricant fractions, the polyethers according to the invention are no longer soluble in CO 2 over the entire temperature range, as is usual in refrigeration machines.

10 Temperatur bis etwa -55°C löslich.10 Soluble at temperatures down to about -55°C.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, Polyether zu finden, die neben den oben genannten AnforderungenThe invention is based on the problem of finding polyethers which, in addition to the above-mentioned requirements,

- sehr gute hydrolytische und thermische Stabilität 15 - gutes Viskositäts-Temperatur-Verhalten- very good hydrolytic and thermal stability 15 - good viscosity-temperature behavior

- ausgezeichnete chemische Stabiütät- excellent chemical stability

- hohe Verträglichkeit mit Dichtmaterialien und- high compatibility with sealing materials and

insbesondere aber besonderes gute Schmierungseigenschaften aufweisen.but in particular have particularly good lubricating properties.

Überraschend haben sich zur Lösung dieser Aufgaben als geeignet erwiesen: Betriebsmittelzusammensetzungen für Kältemaschinen, Wärmepumpen und verwandte Anlagen, wie Klimaanlagen, enthaltend Kohlendioxid als Betriebsmittel und Polyether bzw. deren Gemische, wobei die PolyetherSurprisingly, the following have proven to be suitable for solving these problems: operating fluid compositions for refrigeration machines, heat pumps and related systems, such as air conditioning systems, containing carbon dioxide as operating fluid and polyethers or mixtures thereof, wherein the polyethers

(a) zu 15% bis 100 %, vorzugsweise zu 30 bis 60 %, der Monomereinheiten aus Monomereinheiten des Typs -(-CH2-CH2-CH2-CH2-O-)- bestehen und(a) 15% to 100%, preferably 30 to 60%, of the monomer units consist of monomer units of the type -(-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -O-)- and

(b) zum verbleibenden Rest im wesentlichen aus Monomereinheiten des Typs -(-R-O-)- bestehen, wobei R eine lineare oder verzweigte, gesättigte Alkylgruppe mit 2 bis 26, vorzugsweise 2 bis 6 Kohlenstoffatomen ist, gegebenenfalls 1 bis 5, vorzugsweise 1 bis 2, weitere Oxy-Gruppen (-O-) trägt,(b) the remaining residue consists essentially of monomer units of the type -(-R-O-)-, where R is a linear or branched, saturated alkyl group having 2 to 26, preferably 2 to 6 carbon atoms, optionally carrying 1 to 5, preferably 1 to 2, further oxy groups (-O-),

30 und für jede Monomereinheit verschieden sein kann.30 and can be different for each monomer unit.

Die Monomereinheiten des Typs (b) sind vorzugsweise Ethylenoxid- und/oder Propylenoxid-Einheiten.The monomer units of type (b) are preferably ethylene oxide and/or propylene oxide units.

Die Polyether bzw. deren Gemische können folgende Endgruppen aufweisen: 35 (i) Wasserstoff und/oder Hydroxy-Endgruppen und/oderThe polyethers or their mixtures can have the following end groups: 35 (i) hydrogen and/or hydroxy end groups and/or

(ii) Alkyl-, Aryl- Alkylaryl-, Hydroxy-, Alkoxy-, Aryloxy-, Carbonatester-,(ii) alkyl, aryl, alkylaryl, hydroxy, alkoxy, aryloxy, carbonate esters,

Ester- und/oder Alkylaryloxy-Endgruppen, wobei dieEster and/or alkylaryloxy end groups, wherein the

Kohlenwasserstoffreste 1 bis 32, vorzugsweise 1 bis 12, besonders bevorzugt 1 bis 6, Kohlenstoffatome und 0 bis 8, vorzugsweise 0 bis 4Hydrocarbon radicals 1 to 32, preferably 1 to 12, particularly preferably 1 to 6, carbon atoms and 0 to 8, preferably 0 to 4

5 Oxy-Gruppen (-O-) aufweisen können.5 oxy groups (-O-).

Vorzugsweise weisen die Polyether eine oder keine freie Hydroxygruppe auf.Preferably, the polyethers have one or no free hydroxy group.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Polyether erfolgt durch ringöffnende Polymerisation von Tetrahydrofuran (THF). Acyl- und Alkylhalogenide in Gegenwart von Katalysatoren des Friedel-Crafts-Typs. wie BF3, AICI3, SnCU, SnF4 usw., führen unter Aufspaltung des 5-Ringes zu Polymerisaten mit der charakteristischen Gruppe
-(CH2)4-O- . Weiterhin sind durch Mischpolymerisation von THF in Gegenwart von Ethylenoxid und/oder Propylenoxid und den Katalysatoren SOCI2 / FeCk Copolymerisate zugänglich. Die Chlorendgruppen der so erhältlichen Polymerisate können mit Natriummethylat in Methoxylgruppen überfuhrt werden. Als Regulatoren für die Kettenlänge können Verbindungen, die aktiven Wasserstoff enthalten, wie Alkohole, z.B. n-Butanol Propylenglykol, Ethylenglykol, Phenol, Cresol, Polyamine, Sorbitol oder andere Zucker und Neopentylglykole wie Pentaerythritol, Amine, wie Ethylendiamin, Amino ethanolamine, Triethylentetramine oder Hydroquinone
The polyethers according to the invention are prepared by ring-opening polymerization of tetrahydrofuran (THF). Acyl and alkyl halides in the presence of Friedel-Crafts-type catalysts such as BF 3 , AICI3, SnCU, SnF4 etc., lead to polymers with the characteristic group
-(CH2)4-O- . Furthermore, copolymers can be obtained by copolymerization of THF in the presence of ethylene oxide and/or propylene oxide and the catalysts SOCI2 / FeCk. The chlorine end groups of the polymers thus obtained can be converted into methoxyl groups using sodium methylate. Compounds containing active hydrogen, such as alcohols, e.g. n-butanol, propylene glycol, ethylene glycol, phenol, cresol, polyamines, sorbitol or other sugars and neopentyl glycols such as pentaerythritol, amines such as ethylenediamine, aminoethanolamine, triethylenetetramine or hydroquinone, can be used as regulators for the chain length.

20 eingesetzt werden.20 can be used.

Weiterhin sind die erfindungsgemäßen Polyether auch durch Umsetzung von langkettigen 1,2-Epoxyalkanen, sowie ggf. zusätzlich C2- bis C4- Alkylenoxiden, und THF in Gegenwart eines Alkohols, Polyalkohole und / oder Wasser nach einem Verfahren gemäß der US 4,481,123 zugänglich. Statt der langkettigen 1,2-Epoxyalkane können auch Glycidylether gemäß der EP 0 382 931 bzw. US 5,180,856 eingesetzt werden. Die Seitengruppen der Polyether weisen dann zusätzliche Etherbindungen auf.Furthermore, the polyethers according to the invention are also accessible by reacting long-chain 1,2-epoxyalkanes, and optionally additionally C2 to C4 alkylene oxides, and THF in the presence of an alcohol, polyalcohols and/or water by a process according to US 4,481,123. Instead of the long-chain 1,2-epoxyalkanes, glycidyl ethers according to EP 0 382 931 or US 5,180,856 can also be used. The side groups of the polyethers then have additional ether bonds.

Nach der US 4,228,272 sind die erfindungsgemäßen Polyether durch Umsetzung von THF und C2- bis C3- Alkylenoxiden in Gegenwart von Montmorilloniten zugänglich. Es sind aber auch schon Heteropolysäuren des Wolframs, Vanadiums oder Molybdäns als Katalysatoren vorgeschlagen worden.According to US 4,228,272, the polyethers according to the invention are accessible by reacting THF and C2 to C3 alkylene oxides in the presence of montmorillonites. However, heteropolyacids of tungsten, vanadium or molybdenum have also been proposed as catalysts.

Erfindungsgemäße Polyether mit den folgenden Struktureinheiten -CH2-CH(CH3)-CH2-O- und -CH2-CH2-CH2-CH2-O- sind z.B. nach dem in der DE 33 26 178 offenbarten Verfahren durch Umsetzung von 3-Methyloxethan und THF in Gegenwart eines Säurekatalysators zugänglich.Polyethers according to the invention having the following structural units -CH 2 -CH(CH 3 )-CH 2 -O- and -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -O- are obtainable, for example, by the process disclosed in DE 33 26 178 by reacting 3-methyloxethane and THF in the presence of an acid catalyst.

Besonders bevorzugt hinsichtlich der Stabilität, Hygroskopizität und Löslichkeit in Kohlendioxid sind erfindungsgemäße Polyether, die keine freien Hydroxygruppen mehr aufweisen.Particularly preferred with regard to stability, hygroscopicity and solubility in carbon dioxide are polyethers according to the invention which no longer have any free hydroxyl groups.

Die erfindungsgemäßen Polyether haben vorzugsweise ein mittleres Molekulargewicht (Zahlenmittel) von 400 bis 3000 g/mol, besonders bevorzugt von 600 bis 1800 g/mol. Die kinematische Viskosität der Polyether liegt vorzugsweise bei 10 bis 400 mm2/s (cSt) bei 4O0C gemessen nach DIN 51562.The polyethers according to the invention preferably have an average molecular weight (number average) of 400 to 3000 g/mol, particularly preferably 600 to 1800 g/mol. The kinematic viscosity of the polyethers is preferably 10 to 400 mm 2 /s (cSt) at 40 0 C measured according to DIN 51562.

Die Betriebsmittelzusammensetzung enthält im allgemeinen zwischen 1 und 15 Gew.% Schmiermittel - diese Größe kann jedoch abhängig vom Typ der Kältemaschine auch außerhalb des angegebenen Bereichs liegen, wobei vorzugsweise mindestens 20 Gew.%, besonders bevorzugt mindestens 50 Gew.%, der Zusätze zum Betriebsmittel erfindungsgemäße Polyether, bezogen auf alle Inhaltsstoffe desThe operating fluid composition generally contains between 1 and 15% by weight of lubricant - however, depending on the type of refrigeration machine, this value may also be outside the specified range, with preferably at least 20% by weight, particularly preferably at least 50% by weight, of the additives to the operating fluid being polyethers according to the invention, based on all ingredients of the

20 Betriebsmittels, sind.20 operating resources.

Zusätzlich können in der Betriebsmittelzusammensetzung übliche Additive wie Verschleißverbesserer, Anti-Schaummittel, Antioxidantien, wie alkylierte phenolische oder aminische Antioxidantien, Viskositätsindex-Verbesserer, Korrosionsschutzmittel oder auch Hochdruck-Additive, wie insbesondere Phosphorsäureester (insbesondereIn addition, the operating fluid composition may contain common additives such as wear improvers, anti-foaming agents, antioxidants such as alkylated phenolic or amine antioxidants, viscosity index improvers, corrosion inhibitors or high-pressure additives such as phosphoric acid esters (in particular

Tricresylphosphat) enthalten sein.Tricresyl phosphate).

Weiterhin können die erfindungsgemäßen Polyether zusammen mit Neopentylpolyolestern, vorzugsweise solchen aus der DE 197 19 132, Polyethern, vorzugsweise solchen aus der DE 197 19 430, P olyviny lethern und/oder Verbindungen mit olefmischer Hauptkette und Ester-Seitengruppen gemäß DE 198 35 226 als Schmiermittel eingesetzt werden.Furthermore, the polyethers according to the invention can be used as lubricants together with neopentyl polyol esters, preferably those from DE 197 19 132, polyethers, preferably those from DE 197 19 430, polyvinyl ethers and/or compounds with an olefinic main chain and ester side groups according to DE 198 35 226.

Die Neopentylpolyolester sind vorzugsweise hergestellt aus:The neopentyl polyol esters are preferably made from:

einer Säurekomponente, wobei die Säurekomponente aus linearen oderan acid component, wherein the acid component consists of linear or

verzweigten C5- bis C12- Monocarbonsäuren besteht, undbranched C5 to C12 monocarboxylic acids, and

einer Alkoholkomponente mit 4 bis 8 Hydroxygruppen, einem, zwei oder drei quartären Kohlenstoffatomen (in 2-Stellung zur Hydroxy gruppe), 5 bis 21 Kohlenstoffatomen und 0 bis 4 Ether-Bindungen,an alcohol component with 4 to 8 hydroxy groups, one, two or three quaternary carbon atoms (in the 2-position to the hydroxy group), 5 to 21 carbon atoms and 0 to 4 ether bonds,

wobei die Säurekomponente vorzugsweise eine C5- bis ClO- Säurekomponente ist und bezogen auf die Gesamtcarbonsäuregruppenkonzentration, aus mindestens 90 mol% verzweigten Carbonsäuren besteht.wherein the acid component is preferably a C5 to ClO acid component and consists of at least 90 mol% branched carboxylic acids based on the total carboxylic acid group concentration.

Die Betriebsmittel werden in Kältemaschinen, Wärmepumpen und verwandten Anlagen, wie Klimaanlagen, vorzugsweise in Kältemaschinen für Fahrzeuge verwendet, besonders bevorzugt in solchen Kältemaschinen mit innerem Wärmetauscher. Das erfindungsgemäße Betriebsmittel kann in einem transkritischen Kreisprozeß geführt werden oder ausschließlich im unterkritischen Bereich genutzt werden, z.B. inThe operating agents are used in refrigeration machines, heat pumps and related systems, such as air conditioning systems, preferably in refrigeration machines for vehicles, particularly preferably in refrigeration machines with an internal heat exchanger. The operating agent according to the invention can be used in a transcritical cycle or exclusively in the subcritical range, e.g. in

15 Kaskadensystemen.15 cascade systems.

Schmierungseigenschaften unter Kohlendioxid-Atmosphäre:Lubrication properties under carbon dioxide atmosphere:

Zur Bestimmung tribologischer Eigenschaften von Kältemaschinenölen wird vielfach die Freßlast bzw. Bruchlast nach der Prüfmethode Falex (ASTM D 3233) bestimmt. Diese Methode hat sich bei der Entwicklung von Schmierstoffen für Kältemaschinenanwendungen bewährt. Hierbei wird der reine Schmierstoff geprüft, d.h. auf die Gegenwart des Betriebsmittels bzw. Kältemittels wird verzichtet.To determine the tribological properties of refrigeration machine oils, the seizure load or breaking load is often determined using the Falex test method (ASTM D 3233). This method has proven itself in the development of lubricants for refrigeration machine applications. The pure lubricant is tested, i.e. the presence of the operating fluid or refrigerant is omitted.

Weitere Prüfmethoden wie der Almen-Wieland- Test unter Kältemittelatmosphäre bis 1 bar (Schmierungstechnik 22 (1991) S. 153-155), Vier - Kugel- Apparat -Test (DIN 51350-3) und eine Modifikation der Falex-Methode, d.h. eine Prüfung in Gegenwart des Betriebsmittels bei Umgebungsdruck, wurden durchgeführt, um den Einfluß des Kältemittels auf die tribologischen Eigenschaften zu bestimmen. Die bisher vorhegenden Ergebnisse von Prüfläufen erster Prototypverdichter für mobile CO2-Fahrzeugklimasysteme in transkritischer Betriebsweise oder als Versuche mit unterkritisch betriebenen Kaskadensystemen zeigten überraschend gute Resultate.Other test methods such as the Almen-Wieland test under a refrigerant atmosphere up to 1 bar (Lubrication Technology 22 (1991) pp. 153-155), four-ball apparatus test (DIN 51350-3) and a modification of the Falex method, ie a test in the presence of the operating fluid at ambient pressure, were carried out to determine the influence of the refrigerant on the tribological properties. The results available so far from test runs of the first prototype compressors for mobile CO 2 vehicle air conditioning systems in transcritical operation or as tests with subcritically operated cascade systems showed surprisingly good results.

Praxisnahe Messungen haben aufgezeigt, daß einige Schmiermittel mit vergleichsweise hohen Falex-Bruchlast- Werten, wie beispielsweise Polyolester (ca. 1000 lbs), wider Erwarten unter CO2- Atmosphäre nur recht mäßige Schmierungseigenschaften aufweisen. Polyalkylenglykole gemäß der DE 197 19 430-Cl mit guten Bruchlasten von ca. 800 lbs ergaben ausreichende Ergebnisse.Practical measurements have shown that some lubricants with comparatively high Falex breaking load values, such as polyol esters (approx. 1000 lbs), contrary to expectations, only have fairly mediocre lubricating properties under a CO2 atmosphere. Polyalkylene glycols according to DE 197 19 430-Cl with good breaking loads of approx. 800 lbs gave adequate results.

Erfindungsgemäße THF-Polyether mit Bruchlasten von ca. 1000 lbs wiesen dagegen ausgezeichnete Verschleißbilder auf.In contrast, THF polyethers according to the invention with breaking loads of approximately 1000 lbs showed excellent wear characteristics.

Weiterhin wurde ein spezieller Wälzlagerprüfstand konstruiert, mit dem es möglich ist, tribologische Untersuchungen hinsichtlich Lasttragevermögen und Verschleißverhalten unter CO2-Atmosphäre bei Drücken bis zu 100 bar durchzuführen. Im Gegensatz zu den bisher verwendeten tribologischen Prüfmethoden ist es hier möglich, unter CO2-Atmosphäre unter praxisnahen Druck- und Temperaturverhältnissen die Schmiereigenschaften zu prüfen. Hierbei hat es sich als günstig erwiesen, die maximal übertragbaren axialen Lagerlasten von 300 N bisFurthermore, a special rolling bearing test bench was constructed, which makes it possible to carry out tribological tests on load-bearing capacity and wear behavior under a CO 2 atmosphere at pressures of up to 100 bar. In contrast to the tribological test methods used to date, it is possible to test the lubricating properties under a CO2 atmosphere under realistic pressure and temperature conditions. It has proven to be advantageous to set the maximum transferable axial bearing loads from 300 N to

5500 N bei 900C und 50 bar CO2 zu ermitteln.5500 N at 90 0 C and 50 bar CO 2 .

Polyolester ließen nur bis ca. 300 N Lagerlast zu, Polyalkylenglykole gemäß der DE 197 19 430-Cl dagegen etwa 1700 N. Die erfmdungsgemäßen THF-Polyether erreichten Werte von über 4600 N. Die Ergebnisse der unterschiedlichen MessungenPolyol esters only allowed a bearing load of up to approx. 300 N, whereas polyalkylene glycols according to DE 197 19 430-Cl allowed a bearing load of around 1700 N. The THF polyethers according to the invention achieved values of over 4600 N. The results of the various measurements

sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.are summarized in Table 1.

Löslichkeitsverhalten:Solubility behavior:

Der Einfluß des Betriebsmittels CO2 auf die Schmierung des Verdichters bzw. auf den Schmierstoff ist unter den entsprechenden Druckverhältnissen im Vergleich zu anderen Kältemitteln wie z. B. R 134a extrem hoch. Der Vorteil der erfindungsgemäß eingesetzten THF-Polymere bzw. THF-Copolymere liegt auch in der im Vergleich zu Polyalkylenglykolen auf Basis von Ethylenoxid / Propylenoxid (EO/PO) und Polyolestern (POE) schlechteren Löslichkeit in CO2. Hierdurch resultieren günstigeThe influence of the operating medium CO2 on the lubrication of the compressor or on the lubricant is extremely high under the corresponding pressure conditions compared to other refrigerants such as R 134a. The advantage of the THF polymers or THF copolymers used according to the invention also lies in the poorer solubility in CO2 compared to polyalkylene glycols based on ethylene oxide / propylene oxide (EO/PO) and polyol esters (POE). This results in favorable

Gemischviskositäten und damit verbunden gute tribologische Eigenschaften.Mixture viscosities and associated good tribological properties.

Das Löslichkeitsverhalten mit CO2 wurde im Druckbereich von 1 bis 200 bar untersucht. Die erindungsgemäß eingesetzten THF-Polyether zeigen ein vorteilhaftes Löslichkeitsverhalten mit CO2, gerade im überkritischen Bereich. Hieraus resultiertThe solubility behavior with CO2 was investigated in the pressure range from 1 to 200 bar. The THF polyethers used according to the invention show advantageous solubility behavior with CO2, especially in the supercritical range. This results in

ein für die Schmierung günstiges Viskositäts-Temperatur-Verhalten in Verbindung mit dem Betriebsmittel.a viscosity-temperature behavior favorable for lubrication in conjunction with the operating fluid.

Stabilität:Stability:

Die Stabilität der erfindungsgemäßen THF-Polyether wurde mit Hilfe der Thermogravimetrie (TGA) und der Differential-Scanning-Calorimetrie (DSC) unter CCb-Atmosphäre bestimmt. Durch Alkylierung der Hydroxygruppen, z.B. Methylierung, (Endveretherung), kann die Stabilität der erfindungsgemäßen THF-Polyether unter CO2-Atmosphäre verbessert werden. Die CO2-Löslichkeit erhöht sichThe stability of the THF polyethers according to the invention was determined using thermogravimetry (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC) under a CO2 atmosphere. The stability of the THF polyethers according to the invention under a CO2 atmosphere can be improved by alkylating the hydroxy groups, e.g. methylation (final etherification). The CO2 solubility increases

hierdurch geringfügig.thereby slightly.

Tabelle 1: MeßwerteTable 1: Measured values

Produktproduct Chem. StrukturChemical structure MolareMolars Dichtedensity Kinemat.Cinemat. Viskositätviscosity Vis.-Vis.- Pour-Pour- DielektrizitätDielectricity ThermischeThermal TGATGA max.- Freßlastmax.- feeding load übertragbare Axialkrafttransferable axial force t
<
t
<
MasseDimensions indexindex PointPoint skonstanteconstant Stabilitätstability °C,5%°C,5% Nr.No. MM VlVl PPPP DSCDSC CO2 CO2 FalexFalex Lagerprüfst.Bearing test. EO/PO/THF -EO/PO/THF - g/molg/mol kg/m3 kg/ m3 mm2/s mm2 /s -- 0C 0C -- 0C 0C 280280 lbslbs NN <
I
<
I
VerhältnisRelationship 150C15 0 C 400C40 0 C 100 °C100°C 2O0C2O 0 C CO2 CO2 255255 Bruchfracture 900C / 50 bar CO2 90 0 C / 50 bar CO 2 POE1POE1 DPE i-C9DPE-i-C9 11501150 974974 170,0170.0 17,217.2 108108 -30-30 4,334.33 389389 248248 750750 150150 PAG 1PAGE 1 B 0/100/0B0/100/0 26002600 10021002 223,0223.0 38,038.0 223223 -31-31 5,185.18 368368 850850 17001700 PAG 2PAGE 2 B 0/100/0 MB 0/100/0 M 12001200 996996 73,573.5 13,713.7 193193 -48-48 5,345.34 349349 PAG 3PAGE 3 B 0/100/0B0/100/0 11001100 993993 58,958.9 11,411.4 191191 -45-45 5,365.36 800800 PAG 4PAGE 4 B 0/100/0 MB 0/100/0 M 11151115 995995 57,557.5 12,212.2 215215 -39-39 4,984.98 341341 198198 PAG 5PAGE 5 M 0/100/0 MM 0/100/0 M 992992 42,342.3 9,29.2 212212 -36-36 5,165.16 191191 800800 THF 1THF1 B 37 / 20 / 43B37 / 20 / 43 14571457 10081008 194,1194.1 33,533.5 220220 -51-51 6,016.01 285285 225225 10001000 38753875 THF 1 MTHF 1 M B 37 / 20 / 43 MB 37 / 20 / 43 M 14641464 10071007 136,5136.5 26,926.9 236236 -54-54 6,246.24 379379 THF 2THF2 13071307 10061006 170,8170.8 30,830.8 224224 -54-54 5,935.93 379379 10001000 46504650 THF 2 ETHF 2 E i-C9 verestert (E)i-C9 esterified (E) 14451445 95,695.6 18,518.5 215215 -54-54 THF 3THF3 10041004 91,591.5 17,1917,19 206206 5,985.98 THF 3 MTHF 3 M 121,teilw. M121, partly M 988988 66,366.3 15,0415.04 240240 5,585.58 ► · ·
* · «
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* * ·
THF 4THF4 747747 999999 54,254.2 10,710.7 194194 -57-57 **
»·· ·»·· ·
THF 4 XTHF4X andere Endgruppeother end group 720720 997997 57,857.8 11,411.4 195195 -57-57 &bull;&bull;
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THF: THF-Polyether (HomO'/Copolymer), POE: Polyolester, PAG: Polyalkylenglykol hergestellt aus Ethylenoxid (EO) und/oder Propylenoxid (PO), M = methyliert (oder Methanol gestartet), B = Butanol gestartet, DPE Dipentaerythritester, i-C9: Isononansäure-GruppeTHF: THF polyether (HomO'/copolymer), POE: polyol ester, PAG: polyalkylene glycol made from ethylene oxide (EO) and/or propylene oxide (PO), M = methylated (or methanol started), B = butanol started, DPE dipentaerythritol ester, i-C9: isononanoic acid group

Claims (10)

1. Betriebsmittelzusammensetzungen für Kältemaschinen enthaltend Kohlendioxid als Kältemittel und Polyether, wobei die Polyether a) zu 15% bis 100%, vorzugsweise zu 30 bis 60%, der Monomereinheiten aus Monomereinheiten des Typs -(-CH2-CH2-CH2-CH2-O-)- bestehen und b) zum verbleibenden Rest im wesentlichen aus Monomereinheiten des Typs -(-R-O-)- bestehen, wobei R eine lineare oder verzweigte, gesättigte Alkylgruppe mit 2 bis 26, vorzugsweise 2 bis 6 Kohlenstoffatomen ist, gegebenenfalls 1 bis 5 weitere Oxy-Gruppen (-O-) trägt, und für jede Monomereinheit verschieden sein kann. 1. Operating fluid compositions for refrigeration machines containing carbon dioxide as refrigerant and polyether, wherein the polyether a) 15% to 100%, preferably 30 to 60%, of the monomer units consist of monomer units of the type -(-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -O-)- and b) the remaining residue consists essentially of monomer units of the type -(-RO-)-, where R is a linear or branched, saturated alkyl group having 2 to 26, preferably 2 to 6 carbon atoms, optionally carrying 1 to 5 further oxy groups (-O-), and can be different for each monomer unit. 2. Betriebsmittelzusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsmittelzusammensetzung Polyether bzw. deren Gemische enthalten, die Endgruppen aufweisen, die a) Wasserstoff und/oder Hydroxy-Endgruppen und/oder b) Alkyl-, Aryl-, Alkylaryl-, Hydroxy-, Alkoxy-, Aryloxy-, Carbonatester-, Ester- und/oder Alkylaryloxy-Endgruppen sind, wobei die Kohlenwasserstoffreste 1 bis 32 Kohlenstoffatome und 0 bis 8 Oxy- Gruppen (-O-) aufweisen können. 2. Operating agent composition according to claim 1, characterized in that the operating agent composition contains polyethers or mixtures thereof which have end groups which a) hydrogen and/or hydroxy end groups and/or b) alkyl, aryl, alkylaryl, hydroxy, alkoxy, aryloxy, carbonate ester, ester and/or alkylaryloxy end groups, where the hydrocarbon radicals can have 1 to 32 carbon atoms and 0 to 8 oxy groups (-O-). 3. Betriebsmittelzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsmittelzusammensetzung Polyether bzw. deren Gemische enthalten, deren Monomereinheiten des Typs (b) Ethylenoxid- und/oder Propylenoxid-Einheiten sind bzw. daraus hergestellt wurden. 3. Operating fluid composition according to one of the preceding claims, characterized in that the operating fluid composition contains polyethers or mixtures thereof whose monomer units of type (b) are ethylene oxide and/or propylene oxide units or were prepared therefrom. 4. Betriebsmittelzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsmittelzusammensetzung Polyether bzw. deren Gemische enthält, die pro Molekül eine oder keine freie Hydroxygruppe aufweisen. 4. Operating fluid composition according to one of the preceding claims, characterized in that the operating fluid composition contains polyethers or mixtures thereof which have one or no free hydroxyl group per molecule. 5. Betriebsmittelzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsmittelzusammensetzung Polyether bzw. deren Gemische enthält, die ein mittleres Molekulargewicht von 400 bis 3000 g/mol, besonders bevorzugt von 600 bis 1800 g/mol aufweisen. 5. Operating fluid composition according to one of the preceding claims, characterized in that the operating fluid composition contains polyethers or mixtures thereof which have an average molecular weight of 400 to 3000 g/mol, particularly preferably of 600 to 1800 g/mol. 6. Betriebsmittelzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsmittelzusammensetzung weiterhin Ester oder ein Estergemisch enthält, wobei die Ester Neopentylpolyolester sind. 6. Operating fluid composition according to one of the preceding claims, characterized in that the operating fluid composition further contains esters or an ester mixture, wherein the esters are neopentyl polyol esters. 7. Betriebsmittelzusammensetzung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Neopentylpolyolester bestehen aus 1. einer Säurekomponente, wobei die Säurekomponente aus linearen oder verzweigten C5- bis C12-Monocarbonsäuren besteht, und 2. einer Alkoholkomponente mit 4 bis 8 Hydroxygruppen, einem, zwei oder drei quartären Kohlenstoffatomen, 5 bis 21 Kohlenstoffatomen und 0 bis 4 Ether- Bindungen. 7. Operating fluid composition according to claim 6, characterized in that the neopentyl polyol esters consist of 1. an acid component, wherein the acid component consists of linear or branched C5 to C12 monocarboxylic acids, and 2. an alcohol component with 4 to 8 hydroxy groups, one, two or three quaternary carbon atoms, 5 to 21 carbon atoms and 0 to 4 ether bonds. 8. Betriebsmittelzusammensetzung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Neopentylpolyolester bestehen aus 1. einer C5- bis C10-Säurekomponente, wobei die Säurekomponente, bezogen auf die Gesamtcarbonsäuregruppenkonzentration, aus mindestens 90 mol% verzweigten Carbonsäuren besteht, und 2. einer Alkoholkomponente mit 4 bis 8 Hydroxygruppen, einem, zwei oder drei quartären Kohlenstoffatomen, 5 bis 21 Kohlenstoffatomen und 0 bis 4 Ether- Bindungen. 8. Operating fluid composition according to claim 6, characterized in that the neopentyl polyol esters consist of 1. a C5 to C10 acid component, wherein the acid component consists of at least 90 mol% branched carboxylic acids based on the total carboxylic acid group concentration, and 2. an alcohol component with 4 to 8 hydroxy groups, one, two or three quaternary carbon atoms, 5 to 21 carbon atoms and 0 to 4 ether bonds. 9. Betriebsmittelzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsmittelzusammensetzung weiterhin Polyvinylether-Verbindungen enthält. 9. Operating fluid composition according to one of the preceding claims, characterized in that the operating fluid composition further contains polyvinyl ether compounds. 10. Betriebsmittelzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsmittelzusammensetzung neben Kohlendioxid und üblichen Additiven ausschließlich Polyether nach einem der Ansprüche 1 bis 5, Polyether/Ester-Gemische nach einem der Ansprüche 6 bis 8, Polyether/Polyvinylether-Gemische nach Anspruch 9 oder Polyether/Ester/Polyvinylether-Gemische nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Schmiermittel enthält. 10. Operating fluid composition according to one of the preceding claims, characterized in that the operating fluid composition contains, in addition to carbon dioxide and conventional additives, exclusively polyethers according to one of claims 1 to 5, polyether/ester mixtures according to one of claims 6 to 8, polyether/polyvinyl ether mixtures according to claim 9 or polyether/ester/polyvinyl ether mixtures according to one of the preceding claims as lubricants.
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