冷冻机油的动向和今后的展望
摘  要
由于保护环境的需要，在制冷系统中使用氢氟碳在逐渐增加。聚酯油、醚等已经被选为这种系统的冷冻机油。该类油的易混性、热稳定性和体积抵抗率等性能主要取决于基油。但是，冷动机油润滑性能的改善主要取决于EP添加剂。尽管EP添加剂有助于降低磨损量，但是增加了叶片与汽缸之间的摩擦。在本文中，我们调查了一种能够改善制冷系统效率的新添加剂。新添加剂由于在现有添加剂的基础上添加了摩擦调整剂，台架试验中使摩擦力远小于未添加摩擦调整剂时。
关键词：聚酯油，醚，新添加剂配方，效率，摩擦调整剂
1.序  言
讨论采用新的冷媒替代破坏大气层的氟利昂已经15年多了。冰箱已经由使用R12发展到使用R134a，最近HFC成为冷媒的主流。空调业为了推动HFC的使用，一方面从2004年开始每年削减R22 35％的用量，另一方面各公司都以使用HFC的机种作为主力产品。
冷媒的变化是随着1995年有关节能的法律，即节能法的出台开始的，通过抑制对地球变暖有很大影响的二氧化碳等温室气体的排放来进行节能。尤其因为家电行业采用了“top runner”，使能效得到了改善。现在各个厂家的大部分新机种以及“top runner”机种的能效都超过了目前规定的标准值（2004年时制定的目标值），并以2007年的标准值为参照，来不断提高能效。但是，有一种说法认为要想达到2007年的目标值，只通过硬件部分来提高COP是很难的，因此对压缩机所使用的冷冻机油寄予了很大希望。本文简述现在市场上所使用的冷冻机油的性能，并对通过提高冷冻机油的摩擦特性来实现节能的可能性加以阐述。
2.关于现行的冷冻机油
目前市场上使用的空调用冷冻机油是按各种压缩机和机组的相容性以及油的特性等来划分的，主要有3种基油，分别是有机酸和多元乙醇合成的多元醇酯（POE），乙烯醚聚合后的聚乙烯醚（PVE）以及针对R22的烷基苯（AB）。主要的性状如表1所示。
根据不同的机种，匹配的POE和PVE有不同的粘度ISO VG32～68。AB只有粘度VG22，限于若干机械性能还需要改良，所以限定了适用范围。这些基油的添加剂组成，根据压缩机
的设计和要求不同而变化。表2是市场上有代表性的配方。
汽车机油添加剂根据表2，目前市场上大多数冷动机油是以提高稳定性为目的的，添加了抗氧化剂（Antioxidants ）和酸捕捉剂（Acid Scavengers）。另一方面极压剂（EP Additives）在必要时也被添加到POE中。
表2  现行空调器的冷冻润滑油
表1  基油的物理性质
各种添加剂的效果是不同的，抗氧化剂主要是石碳酸系列的添加剂。目的是防止空气造成油的氧化、劣化。由于近年制造技术和工艺技术的提高，除了在特殊条件下，大多条件下冷冻机油都不发生氧化和劣化。酸补充剂主要是具有环氧基的添加剂。添加的目的是使油与水分解产生的有机酸不能活化，除去油中吸收的水分，排除对冷冻机油产生不良影响的因素。如图1为POE的水解稳定性试验结果，油在一定水分含量条件下，添加热剂能抑止酸值的增加。但是，因为热剂和有机酸、水分有一定的当量关系，当水分量、超过热剂的当量时，就会得出不同的试验结果。因而，现在各个厂家按照使用条件，来确定水分含量和热剂的添加量[1]。
对于这些能提高稳定性的添加剂，极压剂就像前文所说，只是在有必要时使用。特别是在摩擦副材料方面，虽然磨耗方面得到改进的压缩机不需要极压剂，但是人们很在意材料成本的提高。相反，为了降低成本，材料的质量就会变差。通过提高冷冻机油的抗摩擦性能，解决有关磨耗的问题也会添加极压剂。图2所示的是Falex B/R试机，用于评价冷冻机油的耐磨耗性。
在图2所示的试验条件下，首先，使用不添加极压剂的POE，材料的磨耗量最大。添加了EP剂后可以提高耐磨性。在PVE里添加极压剂后，材料的抗磨性能和在POE里添加极压剂后是一样的。另外，这3种油目前在市场上使用都没有发生大的问题，冷冻机油和硬件的相容性是很重要的。
虽然现在使用的各种冷冻机油和添加剂是有差异的，但都能满足冷冻机油使用所需的基本性能，由于和压缩机本身的组件特性相容，所以各种冷冻机油都可用于压缩机。
      图1 POE的水解稳定性                图2 现行使用润滑油的磨损特性
3.研究在不同行业中油的节能效果
3.1 其他行业中不同油的节能效果
无论什么行业对节能都很关注，除了实施节能法，大型企业认为如何节能是一个重要的问题，例如汽车行业节省燃料消耗率。图3是汽车引擎和液压机械的有效能量和摩擦损失。在汽车引擎中，摩擦损失约为8%左右，液压机械的摩擦损失比引擎多30%左右。
关于节能，汽车行业是通过降低引擎油的粘度和改变添加剂的配方来降低摩擦损失的。降低油的粘度是为了减少搅拌阻力所造成的损失，摩擦调整剂是在油膜变薄的条件下，降低金属接触造成的摩擦损失，并做为各种节省燃料消耗的油在销售[2]。另外，作为工业用润
滑油的一个代表例子，就是对液压机中使用的液压油的研究。与引擎油一样，提高粘度温度特性来降低搅拌阻力和配管阻力，另外添加摩擦调整剂来降低泵的滑动部分的摩擦损失，然后作为节能型工作油被推广和销售[3]。
图4是对各种液压泵用的通用油和使用节能型工作油时所测定的节能效果的比较。可以看出，由于压缩机结构差异，叶片泵节能约7％，齿轮泵节能约18％。
图4 典型泵(液压)节能比的评估              图5 目前所用的润滑油摩擦系数的比较3.2 冷冻机油的节能化
润滑油影响制冷机器能效的提高，和引擎油、液压油一样，表现在粘度、润滑性（摩擦特性）等方面，作为冷冻机油的特性主要和冷媒的溶解量有关。和以前使用的冷冻机油的性能差异：①和冷媒的相溶性②热、化学稳定性③以耐磨为性为主，其中①是基油的特性，②和③是添加剂的作用，冷冻机油的性能有可能提高[4]。因此要提高原来的冷冻机油的润滑性，提高耐磨耗性就成了主要的研究课题，而并没有太多地研究冷冻机油的摩擦特性。近年来节能的研究表明通过提高润滑油的摩擦特性具有明显的节能效果，冷冻空调机系统方面也是这样，认为改善冷冻机油的摩擦特性有可能降低电力的消耗。但是，对于往复式等压缩机，被认为轴承上的粘性阻力是摩擦损失的主要因素，通过降低冷冻机油的粘度使粘性阻力降低比添加添加剂的节能效果要更好。上文提及的可节省燃料消耗的引擎油，因为润滑油的抗剪(阻)力减少，只能选定油中芳香成分更低的基油。事实上使用R134a和HFC冷媒冰箱的往复式压缩机用的冷冻机油，最初是使用ISO VG32，现在开始使用的是ISO VG22，甚至还有使用VG15、VG10的厂家。这是为了把油的搅拌阻力降到机器设计的界限，有些种类的压缩机有可能也会降低粘度[5]。
另一方面空调使用压缩机的形式，是以旋转式和涡旋式为代表的。其滑动条件不一样，各
公司都在制造各种各样的压缩机。但是，使用适合于各种压缩机的冷冻机油，就要给工场带来增加油的种类的困难。因此，需要对现有的油的摩擦特性进行评价，其结果如图5所示。首先对POE系列进行比较，由于添加了EP剂，比未添加EP剂的POE的摩擦系数要高。在同等条件下,添加了EP剂的PVE和POE具有类似的摩擦系数。POE的摩擦系数随时间发生变化如图6所示，对添加和未添加EP剂的油的摩擦特性比较可以看出，特别是试验开始时的摩擦系数大，并且具有试验初期摩擦系数变动很大的特点。为了降低摩擦系数，对各种添加剂的效果进行评价，其结果如图7所示。
在冷冻机油里使用的添加剂有磷酸酯类（P1）和不同碳数的单酯类系列（ME1，ME2，ME3）及多元乙醇的全酯（FE）和半酯（HF）系列的油性剂，考虑到对冷冻机油稳定性的影响，使用了无活性的添加剂。如图，冷冻机油里使用的P1会使摩擦系数增大。对于这些油性剂材料，认为是单酯使碳数增加，有降低摩擦系数的效果。多元乙醇的全酯，降低摩擦系数的效果小，但是有一部分酯类降低摩擦系数效果也很明显。因此单酯系列有最优化的碳链，多元乙醇系列的半酯比全酯降低摩擦的效果更大。
    图6 POE的摩擦特性                          图7 摩擦系数的对比
4.结  论
      对冷冻机油的节能效果进行评价的结论如下。
（1） 抗磨耗剂虽然有降低磨耗的效果，同时也会增加摩擦力。
（2） 通过比较添加酯类系列油性剂的冷冻机油，才明确了在本试验条件下降低摩擦系数的效果。
（3） 降低摩擦系数效果，根据使用条件优化添加剂的结构，确定了碳链长的单酯效果，多元乙醇中全酯和半酯相比，半酯降低摩擦系数的效果要大。
（4） 有关降低摩擦系数的效果，认为金属表面以物理吸附为主，吸附的难易程度，吸附膜的强度和碳链对降低油的摩擦系数的效果都有很大的影响。