环烷基DRG10W冰箱压缩机冷冻机油研制

王鹏，李雁秋，蒙猛，张秀娟

(1.中国石油兰州润滑油研究开发中心，新疆 克拉玛依 834003；2.中国石油润滑油重点实验室，新疆 克拉玛依 834003)

0 引言

目前国内外冰箱压缩机制造行业正朝着“环保”和“节能”两个方向快速发展。在环保型替代制冷剂的推广过程中，R600a制冷剂因具有更长远的环保优势，并且压缩机生产设备改造的成本低，在冰箱压缩机制造行业得到广泛的应用[1]。

目前国内冰箱压缩机主要生产企业的产能超过12000万台/年，制冷压缩机使用的制冷剂以R134a、R600a两种为主，其比例约为40%、60%，以R134a为制冷剂的压缩机因用油特殊，用油成本高，且R134a制冷剂本身温室效应较大，其数量近几年将稳定在一个水平线上。R600a制冷剂采用矿油型冷冻机油，占总用油量的60%以上，行业年需求总量约1.2～1.5万t。国内压缩机生产线使用的冷冻机油多为嘉实多公司、太阳公司、能源公司、出光公司、新日石等外资企业所生产，其冷冻机油质量处世界领先水平，这些冷冻机油质量标准基本采用日本工业JIS K2211-2009 冷却机油，并有严格的企业标准[2]。

按照国家标准相关规定， 目前我国的能效标识将能效分为五个等级。2020年1月7日，“新版GB 12021.2家用电冰箱耗电量限定值及能效等级”已经通过了国家标准化管理委员会的初步审批，并发布通知于2021年10月实施。新能效标准是继1989年第一版能效标准发布以来的第7次发布与修订，被称为迄今为止最严苛的能效标准。据制冷专业人士分析，原标准的低能效、高耗电的家用定频制冷产品2、3和变频3级能效产品由于新标准区分性的变化将大幅度降级使用，冰箱行业45%左右的4级以下产品将面临淘汰。

由于冰箱压缩机中“黏度”特征对压缩机关键性能COP.(制冷系数)的提升有着非常直接的影响，即“黏度”特征数值较大的冷冻机油不利于压缩机“节能”效果的提升[3]，冰箱压缩机企业急需使用技术性能更高的10#产品逐步替换15#配套装机冷冻机油。高品质的10#冰箱压缩机油产品的“高温化学稳定性、抗磨损性”需要更加适合1、2级能效压缩机的长周期使用要求。

研究表明，针对R600a制冷压缩机使用工况的要求，选取高压加氢环烷基基础油，复配适宜的添加剂方案，使产品具有更好的抗磨损性能、与制冷剂共存时的化学稳定性特征，符合GB/T 16630-2012标准、DIN 51503-1、 JIS K2211-2009的要求。满足冰箱压缩机制造企业特殊要求，通过国内知名压缩机企业台架性能测试及工业化应用。

1 环烷基DRG10W冰箱压缩机冷冻机油技术要求

压缩机是非常敏感的部件，必须对其进行适当的润滑才能达到较长的使用寿命。润滑剂不仅必须能够润滑压缩机内部的所有零件，而且还必须与其接触的制冷剂具有良好化学稳定性及相适宜的溶解特性[4]。有研究表明，油膜厚度和牵引系数测定结果显示环烷烃基油比石蜡基油约高两倍，环烷基油因为具有低温及与R600a冷媒溶解状态下良好的黏度保持特性，非常适合于HC制冷剂类型的制冷设备的润滑需要[5]。根据GB/T 16630-2012 《冷冻机油》、日本工业JIS K2211-2009 《冷却机油》的标准及用户提出的质量要求，研制的环烷基DRG10W冰箱压缩机冷冻机油必须满足表1所示的性能指标。

表1 环烷基DRG10W冰箱压缩机冷冻机油性能指标

表1(续)

从环烷基DRG10W冰箱压缩机冷冻机油指标要求分析，依托克拉玛依优质的环烷基基础油资源，重点进行油品添加剂配方的筛选，考察冰箱压缩机用油的“积炭倾向、抗磨损性能”等关键特性变化情况，是研制低黏度DRG10W冰箱压缩机冷冻机油的关键。

2 环烷基DRG10W冰箱压缩机冷冻机油的研制

制冷压缩机在工作过程中，依靠制冷剂的减压蒸发获得低温，冷冻机油对制冷装置的工作部件进行润滑，工作原理见图1[6]。

图1 制冷系统的原理

冷冻机油处于排气阀的高温和膨胀阀、蒸发器的低温这两种极端的温度条件下。高质量的R600a制冷介质的矿油型制冷压缩机用油必须具备与制冷剂共存时优良的热化学安定性，优良的低温流动性、润滑性、抗泡性[7]。

2.1 基础油评价

依托克拉玛依优质的环烷基原油资源，采用 “加氢脱金属-加氢处理-临氢降凝-补充精制”高压串联全氢型工艺技术得到了适宜的环烷基矿物润滑油基础油[8]。该基础油具有理想的环烷基组成结构特征，被广泛运用于国内外知名润滑油生产企业的冷冻机油产生产过程[9]。

克拉玛依环烷基N10冷冻机油基础油基本理化性能见表2。

表2 N10高压加氢环烷基冷冻机油基础油典型性能

表2(续)

由表2可知，N10高压加氢环烷基冷冻机油完全满足产品的研制需要。

2.2 添加剂复配方案的研究

冰箱制冷压缩机用冷冻机油中所加添加剂从用途上看主要可分为以下几类：(1)抗氧化添加剂；(2)抗磨添加剂；(3)抗泡添加剂[10]。RHY6601复合剂是中国石油冷冻机油产品的专用添加剂，该复合剂包括抗氧剂、金属减活剂、极压抗磨剂、抗泡剂等重要组分。产品可有效提高矿油型冷冻机油产品的氧化安定性、抗磨损性能及化学稳定性等关键性能。新产品DRG10W 冷冻机油配方研究主要是在RHY6601复合剂技术的基础上进行抗磨添加剂配方的调整及适应性研究。

新型抗磨添加剂的使用对保证压缩机的长周期运行有着至关重要的影响，实验室研究的重点集中在“抗磨损性能”、 “高温抗氧化、油泥及漆膜抑制能力”两个方面。具体见表3、表4。

表3 DRG10W冷冻机油配方研究方案

表4 抗磨剂A不同用量条件下性能变化

由表3、表4可知，J2、J3、J4方案抗磨损性能的提高较为明显。通过调整新型抗磨剂A的加入量，可以获得不同抗磨损能力的样品，但较高的抗磨剂加剂量也会引起油品与冷媒的化学稳定性能变差。

为了更加准确地表征抗磨剂A实际效果，实验室采用了冷冻机油与制冷剂混合状态下抗磨损性能测试方法进行了深入研究，测试装置如图2所示，环块磨损性能测试仪的结构如图3所示。

图2 冷冻机油与制冷剂混合状态下抗磨损性能测试装置结构

1-负荷杠杆；2-排油阀；3-紧固螺栓；4-压力仓盖；5-注油口；6-温度传感器；7-磨损测量表；8-进剂阀；9-紧固螺口；10-试块架；11-试验块；12-试验环；13-密封圈；14-传动主轴；15-试验压力仓

冷冻机油与制冷剂混合状态下抗磨损性能测试的方法原理是，试验机主轴带动试验环在静止的试块上转动，在一定的温度和试验压力下溶有一定制冷剂的冷冻机油对环块进行润滑，试验环和试验块之间加载一定的负荷，通过观察试验块表面磨痕(磨痕宽度和磨痕深度)、磨损失重，得到冷冻机油与制冷剂共存条件下的磨损性能[11]。

采用“冷冻机油在制冷剂共存条件下抗磨损性能的评定 环块试验机法”进行样品性能的对比测试，结果见表5。 密闭装置内冷冻机油与制冷剂在温度(80±1) ℃，选定的制冷剂R600a试验压力500 kPa，主轴转速为(300±3) r/min，试验时间为(3600±2) s，试验环和试验块之间加载2225 N负荷。

表5 冷冻机油在制冷剂共存条件下抗磨损性能的评定

由表5可知，J3、J4实测性能满足“磨痕宽度不大于4 mm，失重小10 mg。”的的试验预期。J2方案与J3方案相比较，虽然在常规“极压性能(法莱克斯A法)失效负荷值/N”的数据对比上仅有200 N的数值提升，但是在“冷冻机油在制冷剂共存条件下抗磨损性能的评定 环块试验机法”测试实验表现上确存在明显差别。

“高温抗氧化、油泥及漆膜抑制能力”的评价采用MPC(ASTM D7843)漆膜倾向指数法进行测试[12]，测试结果见表6。

表6 高温抗氧化、油泥及漆膜抑制能力的MPC测定结果

表6(续)

由表6可知，抗磨剂的加入对油品“高温抗氧化、油泥及漆膜抑制能力”有一定的负面影响，J3相对于J4有更加良好的漆膜抑制效果。

2.3 产品性能评价

依据实验室研制过程确认的最佳方案，选取高压加氢环烷基基础油，复配适宜的添加剂方案，进行样品实际性能的测试，测试结果见表7。

表7 DRG10W冷冻机油性能分析

表7(续)

由表7可知，环烷基DRG10W冰箱压缩机冷冻机油满足研制标准要求。

R600a/DRG10W黏度和溶解制冷剂浓度混合物测定，采用冷冻机油/制冷剂混合物的“震荡弦”动力黏度及密度测定法，参照ASTM D341-2017规格绘制了“丹尼尔曲线”[13]，测试结果理想，结果见图4。

图4 环烷基DRG10W冷冻机油黏度和溶解制冷剂浓度混合物特性(丹尼尔曲线)

国内知名压缩机制造企业，对环烷基DRG10W冷冻机油产品进行冰箱压缩机台架试验评定，结果如图5、表8所示。试验后压缩机的活塞、曲轴、阀片、连杆、活塞销等机械零件磨损正常，台架试验后无积炭和沉淀产生[14]。这说明产品具有优良的热/化学稳定性和润滑性，可以完全满足全封闭冰箱压缩机的实际工况要求。环烷基DRG10W冷冻机油2020年8月投入了工业化装机应用，用户反馈良好。

图5 ESD80A(L)压缩机寿命台架试验后零件照片

表8 寿命台架试验后零件表面磨损等级判定[15]

3 结论

依托克拉玛依优质的环烷基原油资源，采用 “加氢脱金属-加氢处理-临氢降凝-补充精制”高压串联全氢型工艺技术得到了适宜的环烷基矿物润滑油基础油，该基础油具有理想的环烷基组成结构特征。再通过功能添加剂的补强，使产品具有更好的抗磨损性能、与制冷剂共存时的化学稳定性特征，符合GB/T 16630-2012标准、DIN 51503-1、 JIS K2211-2009的要求。满足冰箱压缩机制造企业特殊要求，通过国内知名压缩机企业台架性能测试及工业化应用，产品应用市场前景广阔。