节能环保冰箱冷冻机油研制

张霞玲，王燕，王凯明，张美琼

(中国石油克拉玛依石化有限责任公司炼油化工研究院，新疆 克拉玛依 834000)

0 引言

进入21世纪，随着节能减排、消费升级、技术创新带来的基础设施升级等因素的推动，作为世界上电冰箱生产和消费大国之一，中国冰箱市场产品结构升级的趋势更加明显。在冰箱节能技术的设计方案中，最直接有效的节能方法是通过采用高效的压缩机来实现节能。目前环保制冷剂R600a高效压缩机多采用往复式压缩机驱动，提高压缩机性能系数对降低冰箱能耗具有重要意义。为了达到压缩机节能增效的目的，采用黏度等级为5 mm2/s的低黏度冷冻机油(简称L-DRG5冷冻机油)来提高压缩机的性能系数COP值。

现阶段，国内制冷行业市场上流通的适用于环保制冷剂R600a高效压缩机的冷冻机油主要是合成型油——烷基苯。专利文献查询结果也显示：到目前为止，市场上还没有L-DRG5矿物型冷冻机油产品，更没有采用传统矿物油制备L-DRG5冷冻机油的文献报道。所以，为了紧跟市场需求，研制出L-DRG5矿物型冷冻机油极为迫切。

1 技术指标制订

在制定技术指标的过程中，考虑到目前我国尚无L-DRG5冷冻机油国家标准，研制时参照了《冷冻机油》GB/T 16630-2012中对L-DRG系列冷冻机油产品的具体要求，结合公司生产实际情况和实验室验证，制定了L-DRG5冷冻机油技术性能指标。主要指标如表1所示。

表1 L-DRG5冷冻机油主要技术指标

表1(续)

从表1可以看出，研制油的研究难点在于选取合适的基础油，通过优化结构组成一是解决基础油黏度小、闪点要求高的矛盾；二是解决基础油组成与热稳定性之间的关系；三是解决油品与制冷剂R-600a的润滑性匹配问题。

2 L-DRG5冷冻机油的研制

2.1 基础油的选择

冷冻机油主要性能：低温流动性、闪点以及溶解性的优劣，都与油品的组成有密切的关系。而油品的烃组成结构则与油品的加工工艺、精制深度有直接关系，所以选择合适的基础油加工工艺是非常重要的。

根据表1产品技术指标的特点，考虑到生产装置的可操作性以及油品性质的稳定性，基础油主要采用不同工艺路线生产的低温性能、黏温性能、润滑性能优良的润滑油适宜馏分调合而成。调合后的基础油与目前市场上使用的合成油(参比油)性质对比分析如表2所示。

表2 基础油性质分析

由表2可以看出，通过平衡基础油的黏度、低温流动性(倾点、絮凝点)及溶解性的关系，调合后L-DRG5冷冻机油基础油的性质均能满足质量指标要求；低温流动性(倾点、絮凝点)、闪点以及溶解性都与参比油相当。

2.2 添加剂配方研究

对于全封闭压缩机来讲，由于体积小，运行条件苛刻，所使用的冷冻机油在压缩机中会经历高、低温的连续循环过程，为了保证油品的使用寿命和压缩机的正常运行，所以要求油品具有好的润滑性和稳定性。本研究采用抗氧化添加剂、抗磨添加剂、抗泡沫添加剂进行合理配伍，进一步提高冷冻机油的润滑性和稳定性。

2.2.1 抗氧添加剂的评选

抗氧剂可以抑制油品氧化，在润滑油中添加少量抗氧剂便可防止油品氧化，延长油品使用寿命。实验室采用热氧化稳定性试验、差示扫描量热法(DSC)考察抗氧剂对油品氧化性能的影响程度。

(1)考察抗氧剂对油品氧化性能的影响程度

本研究采用热氧化稳定性试验来考察添加不同类型抗氧剂对油品热氧化稳定性的影响以及添加不同剂量酚型抗氧剂的油品抵抗氧化的能力，见图1、图2。其中，图2为了在一张图中将氧化后油品性质变化趋势表现出来，将部分过小的数据进行不同程度的放大，图2中“×100”和“×10”分别表示将试验数据放大100倍和10倍。

图1 不同类型抗氧剂对油品热氧化安定性的影响

由图1可以看出：不同类型抗氧剂对氧化油品的酸值均有不同程度的改善，尤其是酚型抗氧剂加入可以很大程度地降低氧化后油品的酸值。

图2 酚型抗氧剂对油品热氧化安定性的影响

由图2可以看出添加酚型抗氧剂 A的油品抵抗氧化的能力，抗氧剂 A的加入不仅可以改善油品的颜色，降低氧化后油品的酸值，而且还可以减少氧化后油品的黏度变化。同时油品氧化后抗氧剂含量发生了变化，即油品氧化后抗氧剂都有不超过 20%的衰耗。

(2)差示扫描量热法，考察抗氧剂的作用效果

差示扫描量热法是一种热分析技术, 主要利用在不同温度和压力下, 样品与参比物热电偶间的热流量差来评价待测物质的氧化热力学安定性。

本研究利用该方法考察抗氧剂 A的添加量对基础油的抗氧化安定性能的影响，见图3。

图3 抗氧化剂加入量评选

由图3可以看出，随着抗氧剂 A添加量的增加,油品的氧化诱导期均随之上升, 说明增加抗氧剂 A的浓度可以改善基础油的氧化安定性。氧化诱导期曲线也充分说明抗氧剂0.3%的添加量可满足经济性的要求。考虑到油品氧化后抗氧剂有近 20% 的衰耗，优选抗氧剂A加入量0.4% 作为评价油品最经济、合理的加入量。

2.2.2 抗磨添加剂的评选

随着新型无氯制冷剂的使用及制冷压缩机小型化及高效化的发展，新型无氯制冷剂R600a不能够象含氟制冷剂R-12一样提供加压特性[1]，它与矿物油的溶解性非常好(根据相似相溶原理)，这种过度的溶解，降低油品的运动黏度和润滑性，因此仅靠基础油的润滑性是不够的。系统中的冷冻机油抗磨性能的保证必需依托添加剂性能给予补强。

实验室采用法莱克斯(Falex)极压负荷试验、铜片腐蚀、化学稳定性试验和四球机试验，综合评选合适的抗磨剂，同时考察抗磨剂的作用效果。见表3、表4。

表3 抗磨剂评选试验结果

从表3分析结果看，不同类型抗磨剂在相同比例下，基础油中加入抗磨剂 B，其抗腐蚀、化学稳定性和润滑性都优于抗磨剂 C和D ；与参比油对比，抗磨剂 B在抗腐蚀、化学稳定性方面的表现与其相当。

表4 抗磨剂加入量评选试验

从表4分析结果看，随着抗磨剂添加量的增加, 油品的磨斑直径逐渐减小, 说明增加抗磨剂的浓度强化了油品的润滑性能。抗磨剂 B不小于0.8%的加入量可以满足设备对油品润滑性的要求。与表3参比油的对比，抗磨剂 B在润滑性方面的表现与其相当。

2.2.3 抗泡添加剂的评选

润滑油基础油经过精制后仍会有少量极性物质残留，这些极性物质和部分添加剂会使油品在循环润滑系统中产生发泡现象，会影响润滑油的泵送以及破坏油膜强度和稳定性，造成机器的磨损事故。抗泡剂的作用是抑制泡沫的产生，以免形成稳定的泡沫[2]。实验室采用泡沫倾向/稳定性试验进行抗泡剂的评选。在基础油中，添加不同类型的抗泡剂，考察其对基础油抗泡性的影响，见图4、表5。

图4 抗泡剂评选试验结果

从图4测试结果看，基础油和含有抗氧剂、抗磨剂的基础油的高温发泡倾向性不大，低温区抗泡倾向性较差；E、G、H抗泡剂对油品的低温抗泡性能改善不大，F抗泡剂对油品的低温抗泡沫倾向影响较大，能够满足油品对抗泡沫倾向的要求。

表5 抗泡剂含量与抗泡性能的关系

从表 5分析结果看，基础油在加入不同剂量抗泡剂 F后，其抗泡沫倾向和稳定性有不同程度的降低，对比进口参比油的抗泡性能，当抗泡剂 F加入6 μg/g 时的抗泡沫倾向和稳定性改善效果最佳，与参比油相当。

3 研制油品性能评价

根据实验室的研究结果，利用公司现有的润滑油基础油组分，采用调合工艺制备产品小样进行综合性能评价，见表6。

表6 L-DRG5冷冻机油产品性能

由表6可以看出，研制产品L-DRG5冷冻机油性能与参比油相当。其理化性质均能满足研制指标的要求。为了进一步比较研制产品与参比油的性能差异，对实验室贮存稳定性及高温成焦性两方面进行了油品模拟性能的对比，见图5和图6。图5为研制油品与参比油的贮存稳定性试验对比，图6为研制油品与参比油的高温成焦性试验对比。

从图5和图6可以看出：(1)常温条件下敞口放置30天后，研制油品的颜色变化与参比油相当，贮存稳定性优良；(2)高温成焦性，采用成焦板斜板间歇模式进行试验(金属铝板温400 ℃，间歇式(开4 min，停4 min)、运行100 min)试验后试验板成漆成胶倾向显示研制油品高温成焦倾向性小且与参比油相当。

参比油 研制油品

参比油 研制油品

4 应用评价结果

冷冻机油的综合性能，需要在压缩机上进一步考察油品在压缩机上的工作可靠性和耐久性。研制产品L-DRG5冷冻机油已由国内知名冰箱压缩机厂完成压缩机寿命台架试验。研制油与压缩机材料(橡胶件、引出线组件、绑线、聚酯薄膜、漆包线)相容性试验后未出现絮状物析出；在机型ESD 80AL上50万次开停机、500 h加速寿命、2000 h加速寿命均测试合格。试验评价结果表明：L-DRG5冷冻机油的各项指标均能满足专用压缩机标准工况的要求。其能效比与在用油的水平相当。同时也证明了在解决了低黏度油品的抗磨性能的前提下，矿物型L-DRG5冷冻机油是可以应用在新型节能冰箱压缩机上面。

5 结论

(1)采用加氢组合工艺生产的适宜润滑油基础油，通过调整基础油组成构成、优化添加剂复配方案等方式，可以研制并生产满足以碳氢工质异丁烷(R600a)为制冷介质的高效压缩机用油。

(2) 实际使用试验验证：L-DRG5冷冻机油各项性能指标完全可以满足以碳氢工质异丁烷(R600a)为制冷介质的高效压缩机系统的实际使用工况，并实现工业化生产和应用，市场前景广阔。