1. Warum verkürzen Kältemittel und Kältemaschinenöl die Lebensdauer von O-Ringen

O-Ringe in Kälteanlagen sind gleichzeitig drei Effekten ausgesetzt.

Erstens: Medienquellung oder Extraktion. Kleine Kältemittelmoleküle dringen in das Gummigefüge ein und bewirken Änderungen der Masse, des Volumens, der Härte, der Zugfestigkeit und der Dehnung; Kältemaschinenöl kann ebenfalls in das Gummi eindringen und Weichmacher sowie Zusatzstoffe extrahieren, wodurch das Material zunächst weicher und anschließend härter wird oder nach dem Ausfall des Kältemittels schrumpft. Die R134a-Daten von Chemours weisen ausdrücklich darauf hin, dass Quellung, Verlust von Weichmachern und Änderungen der mechanischen Eigenschaften nicht anhand eines einzelnen Kältemittels beurteilt werden sollten, da keine einzige Gummi-Familie alle Ersatz-Kältemittel abdeckt.

Zweitens: unzureichende thermische Zyklus-Leistung, schlechte Rückstellfähigkeit bei niedrigen Temperaturen sowie Versagen durch bleibende Verformung (Compression Set). Anwendungen im kalten Bereich – etwa am Verdampfer oder an der Saugseite – erfordern einen geringen Compression-Set; ebenso verlangen Kompressor-, Abgas- und Wärmepumpenanwendungen unter Hochtemperaturbedingungen einen geringen Compression-Set. Das Ausmaß, in dem O-Ring eine langfristige Kompression kann die Dichtkraft grundsätzlich nicht wiederherstellen; je höher der Wert, desto leichter geht die Dichtkraft verloren.

Drittens: Risiko durch Druckwechsel und schnelle Druckentlastung. HFC/HFO-Systeme konzentrieren sich hauptsächlich auf Löslichkeit, Permeation und Kompressionsverformung; CO₂/R744-Systeme müssen zudem Schäden durch schnelle Druckentlastung berücksichtigen – CO₂-Moleküle dringen unter hohem Druck in den Kautschuk ein, und eine schnelle Druckentlastung kann zu inneren Blasenbildung, Rissen oder sogar zum Platzen der O-Ringe führen.

2. Auswahl der Werkstoffe nach Kältemittelsystem als Erstes

A. R134a / HFC + PAG oder POE: Das Hauptanwendungsgebiet für Klimaanlagen im Automobilbereich und für herkömmliche Kältetechnik

R134a wird üblicherweise im Kraftfahrzeug-Klimasystem mit PAG-Öl und in Kühlschränken, Kompressoren sowie Teillastgeräten mit POE-Öl eingesetzt. Bei O-Ringen muss das Material gemeinsam auf Verträglichkeit mit HFC-Kältemittel, PAG-/POE-Öl, thermischem Altern, Kompressionsverformung und Einbaubedingungen geprüft werden. Daten von Chemours zeigen, dass die Verträglichkeit von R134a mit Gummi, Metall und Elastomeren projektspezifisch verifiziert werden muss; die Löslichkeit von POE-Öl in HFC-134a wird normalerweise vom Kompressor- oder Geräte-OEM durch Tests festgelegt.

Empfohlene Einsatzgebiete:

In - Ich weiß. im O-Ring Handbook von der Chemieindustrie USA werden CR-Verbindungen als üblich für R134a oder R22 und ähnliche Kältemittel verwendet, wobei der typische statische Temperaturbereich -40 bis 100 °C beträgt; der HNBR-Temperaturbereich beträgt oft -35 bis 150 °C;

B. R1234yf / HFO + PAG oder POE: Neue Energiefahrzeuge, Klimatisierung von Personenkraftwagen, Wärmepumpensysteme

R1234yf ist ein HFO-Kältemittel und hat sich zu einer wichtigen Ersatzrichtung für Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen entwickelt. Die Datenblätter von Chemours kennzeichnen Opteon YF als R-1234yf/HFO-1234yf; es ist gemäß ASHRAE- und ISO-817-Sicherheitsklassifizierung der Sicherheitsklasse A2L zugeordnet: Es weist Leistungs- und Betriebseigenschaften auf, die denen von R134a ähneln; jedoch müssen speziell für R1234yf formulierte PAG- oder POE-Schmieröle verwendet werden, und es darf nicht als einfacher Nachrüst-Ersatz betrachtet werden.

Hinsichtlich der Materialverträglichkeit zeigten Chemours’ Festdehnungs-Elasterkompatibilitätstestdaten bei 100 °C über zwei Wochen im Vergleich von R1234yf und R134a, dass HNBR bei der Einwirkung von R134a eine größere Gewichtsänderung aufwies, während die Gewichtsänderung bei HFO-1234yf geringer war; die Gewichtsänderung von EPDM war deutlich höher als die von HNBR-, NBR-, EPDM- und CR-Typ-Materialien. Viton® erwies sich als am widerstandsfähigsten, doch können je nach Hersteller und Fertigungsprozess unterschiedliche Ergebnisse auftreten; daher sollte das Material von den Lieferanten bereitgestellt werden.

Auswahlempfehlungen:

Hinweis: Ein R134a-System darf nicht einfach auf R1234yf umgestellt werden, und R1234yf darf nicht in ein R134a-System eingefüllt werden. Chemours weist ausdrücklich darauf hin, dass R1234yf-Systeme spezielle Armaturen verwenden; das Mischen von Kältemitteln stellt eine Kreuzkontamination dar, und Systemkomponenten sind jeweils für ein bestimmtes Kältemittel ausgelegt.

C. HFC/HFO-Gemischkältemittel + POE/PVE: Wärmepumpen, gewerbliche Kälteanlagen, gekühlte Systeme

Wärmepumpen und gewerbliche Kälteanlagen verwenden üblicherweise HFC-, HFO- oder HFC/HFO-Gemischkältemittel; die Produkte nutzen meist POE-, PVE- oder spezielle Mischschmieröle. Hier können Erkenntnisse zu R134a oder R1234yf nicht direkt auf Systeme mit R410A, R32, R454B, R513A, R1234ze und ähnlichen Kältemitteln übertragen werden, da Polarität, Dampfdruck, Betriebstemperatur sowie Löslichkeit von Öl und Kältemittel und Zusatzstoffzusammensetzungen jeweils unterschiedlich sind.

Erste Auswahllogik:

Der Zweck der ASHRAE-Norm 97 ist es, die Verträglichkeit von Dichtungswerkstoffen mit Materialien von Kältesystemen mittels einer Versiegelungsprüfung in Glasrohren zu bewerten; das Rohr enthält Kältemittel, Schmiermittel und Prüfmaterialien, die gemeinsam in einem Glasrohr versiegelt werden; nach einer Alterungsphase wird das Rohr geöffnet und einer qualitativen oder quantitativen Analyse unterzogen, um die Verträglichkeit oder chemische Stabilität zu beurteilen.

D. CO₂ / R744 + PAG, POE oder PAO: Hochdruck-Wärmepumpe, gewerbliche Kältetechnik, Automobil-Wärmepumpe

CO₂/R744 stellt eine weitere Problemkategorie dar. Obwohl seine chemische Korrosivität nicht unbedingt stark ist, sind Druck, Durchdringung und Explosionsentspannungsrisiko sehr hoch. Parkers Daten zu Dichtungswerkstoffen für CO₂-Klimaanlagen weisen darauf hin, dass der Betriebsdruck des R744-Systems im Vergleich zu R134a deutlich höher liegt; der R744-Betriebsdruck kann 150–160 bar erreichen, die Temperatur bis zu 180 °C; bei der Auswahl weicher Dichtungswerkstoffe ist besonderes Augenmerk auf die Beständigkeit gegen Explosionsentspannung zu legen.

Zu den von Parker für die CO₂-Klimaanlagendichtung empfohlenen Werkstoffen zählen EPDM, FKM, HNBR sowie EPDM/BIIR; hervorgehoben wird, dass diese Werkstoffe einen Temperaturbereich von –55 bis +200 °C abdecken müssen, mit PAG/PAO/POE-Schmieröl kompatibel sein müssen, eine geringe Durchlässigkeit aufweisen und eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Explosionsentspannung besitzen.

Empfehlungen zur R744-Auswahl:

CO₂/R744 darf keine gewöhnlichen Automobil-Klima-O-Ringe als Ersatz verwenden. Selbst wenn die Materialbezeichnung identisch ist – z. B. HNBR oder EPDM – muss zusätzlich geklärt werden, ob es sich um eine R744-spezifische, niedrigpermeable und explosionsdekompressionsfeste Formulierung handelt.

3. Wie vergleichen sich die Materialien

HNBR: Hauptwahl für Automobil-KL

Der Vorteil von HNBR besteht in einer guten Ölfestigkeit, Wärmebeständigkeit, mechanischer Festigkeit und kombinierten Leistungen bei Kompressionsanlagen. Für R134a, R1234yf, PAG, POE-Ölsysteme ist HNBR in der Regel das bevorzugte Material für Automobil-AC-O-Ringe, Kompressorstatische Dichtungen und Steuerventildichtungen. Parker-Daten zeigen, dass mehrere HNBR-Grads -35/-40 bis 150 °C abdecken können, und einige Niedertemperatur-Grads sind für Niedertemperatur-Szenarien markiert.

Geeignet für: Automobil-Wärmewechsel, R134a/R1234yf-Rohrleitung, Kompressor-statische Dichtung, Teil von Wärmepumpenanlagen.

Hinweis: Der ACN-Gehalt, der Hydrierungsabstand, das Verknüpfungs- und das Füllsystem von HNBR beeinflussen die Veränderungen des Niedertemperatur-Rebound- und Schwellungs- und Kompressionssets erheblich.

EPDM: Gut bei niedrigen Temperaturen, Ozon, thermische Alterung, aber Öl muss bestätigt werden

Die Niedertemperaturleistung, die Ozonbeständigkeit und die thermische Alterungsleistung von EPDM sind gut; im Vergleich von Chemours R134a/R1234yf ist die Gewichtsänderung für EPDM relativ gering. EPDM ist jedoch nicht für alle Öltypen geeignet, insbesondere für R744-spezialisierte "EPDM resistent gegen alle PAG/POE/zusätzliche Kältemittel", die eine spezielle Formulierung benötigen. EPDM oder EPDM/BIIR mit R744-Spezifikation können für CO2-Hochdrucksysteme geeignet sein, müssen jedoch von Fall zu Fall bewertet werden.

FKM: Hochtemperaturbeständig, geringe Durchlässigkeit, jedoch nicht R134a/R1234yf Universalmaterial

Der Vorteil von FKM ist hohe Temperatur, Alterungsbeständigkeit, geringe Gasdurchlässigkeit und große chemische Kompatibilität; Parker-Datenqualitäten, die für hohe Temperaturen, heißes Öl, aromatische Lösungsmittel und große chemische Umgebungen gelten, in Chemours' R

Daher sollte FKM in Kälteanlagen einer bestimmten Marke und einer spezifischen Medienprüfung entsprechen und nicht als „FKM ist hochwertig, daher für alle Kältemittel geeignet“ verstanden werden.

NBR: Geringe Kosten, aber nicht als Standardlösung für langfristige Kraftfahrzeug-Klimaanlagen empfohlen

NBR ist kostengünstig, weist eine gute Beständigkeit gegenüber Mineralöl sowie eine gewisse Produktstabilität auf; die Umweltbeständigkeit hinsichtlich Wärmebeständigkeit, Ozonbeständigkeit und langfristiger Kompressionsverformung ist jedoch im Allgemeinen schwächer als bei HNBR. Parkers Diagramm zeigt, dass der übliche Temperaturbereich für NBR meist zwischen –35 °C und 100 °C liegt. Es kann in kostenkritischen Anwendungen mit geringen Anforderungen an Temperatur und Druck eingesetzt werden, ist jedoch nicht als Standardwahl für R1234yf-Kraftfahrzeug-Klimaanlagen, Wärmepumpen oder Hochtemperaturbereiche von Kompressoren zu empfehlen.

CR: Für herkömmliche Kältemittel verwendbar, aber Hochtemperatur-Leistungsfähigkeit begrenzt

CR/Chloroprenkautschuk hat eine lange Geschichte der Verwendung mit herkömmlichen Kältemitteln; Parkers Tabelle kennzeichnet CR ebenfalls als häufig mit R134a oder R22 verwendbar, wobei die typische obere Temperaturgrenze bei etwa 100 °C liegt. Für moderne Klimaanlagen im Automobilbereich und Hochtemperatur-Wärmepumpen ist CR oft nicht mehr die bevorzugte Lösung.

VMQ/FVMQ: Niedrige Temperaturen – gut, aber hoher Druck und Permeation erfordern besondere Sorgfalt

Silikonkautschuk und Fluorsilikonkautschuk weisen bei niedrigen Temperaturen eine geringe Elastizität auf und eignen sich daher für einige statische Dichtungen bei tiefen Temperaturen. Ihre mechanische Festigkeit, Reißfestigkeit, Gaspermeation sowie ihre Beständigkeit gegen Extrusion unter hohem Druck sind jedoch in der Regel schlechter. Bei Einsatz in Kältemittelsystemen sollten sie daher auf statische Dichtungen mit geringer Beanspruchung beschränkt bleiben, und es muss eine vollständige Leck- sowie thermische Zyklusprüfung durchgeführt werden.

4. Das Design darf sich nicht allein auf den Austausch von Werkstoffen stützen

Ein Versagen von O-Ringen in Kältesystemen wird häufig nicht allein durch den Werkstoff verursacht, sondern ergibt sich aus einer Kombination aus Werkstoff, Nutgeometrie und Fertigungsprozess.

Quellreserve. Das Parker-Handbuch weist darauf hin, dass eine statische Dichtungsmediumaufquellung von 25 % bis 30 % nach Volumen manchmal tolerierbar ist; bei dynamischen Dichtungen sollte die Aufquellung jedoch üblicherweise 10 % nicht überschreiten; eine übermäßige Aufquellung erhöht das Risiko einer Extrusion, sobald die Kompression verringert wird.

Extrusionschutz. Bei Hochdruckkompressoren und CO₂/R744-Systemen muss der Extrusionsabstand reduziert und gegebenenfalls Stützringe eingesetzt werden; der Hochdruck drückt die O-Ring-Dichtung in Richtung des Freiraums auf der Niederdruckseite, was zu Extrusion führen kann; Stützringe senken dieses Risiko.

Härteauswahl. 70 A wird üblicherweise für allgemeine statische Dichtungen und Kfz-Klimaleitungsanschlüsse verwendet; 80 A kommt bei höherem Druck oder strengeren Montageanforderungen zum Einsatz; 90 A wird häufig bei CO₂/R744-, Hochdruckkompressor- oder Extrusionschutz-Anwendungen verwendet, wobei jedoch die Kalttemperatur-Rückstellfähigkeit und die Montagedichtheit möglicherweise abnehmen.

Kalttemperatur-Verifizierung. Man darf nicht nur den Wert „-40 °C“ auf dem Materialblatt betrachten. Bei Kfz-Wärmepumpen und bei der Prüfung von Kälteanlagen unter Niedertemperaturbedingungen müssen TR10, die Kompressionsrückstellung bei niedrigen Temperaturen, Leckagen beim Kaltstart sowie Leckagen während thermischer Wechselbelastung überprüft werden; zudem kann es bei niedrigen Temperaturen zur Verhärtung von Gummi führen, zu unzureichender Kompression – am häufigsten treten Leckagen in Momenten auf, wenn das Fahrzeug zunächst abgestellt und danach kalt gestartet wird.

Oberfläche und Montage. Bei O-Ringen an Rohrverbindungen treten häufig Probleme wie Einschneiden, Verdrehen, trockene Montage und Reibung während der Installation auf. Die Abschrägung, die Oberflächenrauheit, das Montageschmiermittel sowie die vollständige Verträglichkeit mit dem Kältemittel müssen kontrolliert werden; bei R1234yf- und CO₂-Systemen ist zudem darauf zu achten, keine Öle einzusetzen, die die Lecksuche verunreinigen oder beeinträchtigen könnten.

5. Empfohlener Prüfprozess

Die Auswahl von O-Ringen für Kältemittel und Kältemittelschmieröl sollte mindestens vier Prüfkategorien umfassen:

ASTM D471 umfasst die Prüfung von Gummi hinsichtlich Qualität, Volumen, Härte, Zugfestigkeit und Dehnung nach Immersion in Flüssigkeiten und ist die Grundmethode zur Vorabprüfung der Verträglichkeit mit Kältemittelöl. Doch das Kältemittel selbst ist nicht die einzige relevante Flüssigkeit; die Prüfung sollte daher gemeinsam mit Druck-Kältemittel-Öl-Gemisch-Tests durchgeführt werden. Trelleborg weist zudem darauf hin, dass Verträglichkeits-Tabellen auf öffentlichen Daten und Labortests beruhen und Kurzzeitprüfungen bei Raumtemperatur die Feldbedingungen nicht vollständig widerspiegeln; Anwender sollten dies daher durch praktische Anwendungsprüfungen bestätigen.

CO₂/R744-Hochdrucksysteme erfordern zudem RGD/AED-Prüfungen zur explosiven Entspannung. ISO 23936-2 und NORSOK M710 betreffen die Qualifikationsbestätigung nichtmetallischer Werkstoffe; dabei enthält Anhang B von NORSOK M710 genau die Prüfung zur schnellen Gasentspannung, auch explosive Entspannungsprüfung genannt.

6. Empfehlungen zur Auswahl für Kunden

Automobil-AC-Kunden

O-Ringe für Rohrverbindungen mit R134a oder R1234yf, Priorität beginnt bei HNBR 70A/80A; für Hochdruckseite und Kompressoranschlüsse können HNBR 80A/90A in Betracht gezogen werden. Bei Wärmepumpen für neue Energiefahrzeuge und elektrischen Kompressoren ist unbedingt POE- oder spezielles PAG-Öl separat zu bestätigen – eine bloße Übertragung von Erfahrungen mit Kraftfahrzeugen (R134a/PAG) ist nicht zulässig.

Wärmepumpenkunden

Die Herausforderung bei Wärmepumpensystemen liegt im breiten Hoch-Tief-Temperaturzyklusbereich, der gleichzeitig eine tiefkühle Saugseite mit niedriger Temperaturrückstellung und eine heiße Ausstoßseite mit hoher Temperaturkompression erfordert. Es wird empfohlen, vorrangig niedrigtemperaturbeständiges HNBR, EPDM sowie erprobtes FKM zu bewerten – die Auswahl darf nicht allein auf gewöhnlichen Medienverträglichkeits-Tabellen beruhen.

Kompressorkunden

Der Fokus bei Kompressordichtungen liegt auf hochtemperaturbeständigem Kältemittelöl, Löslichkeit in Kältemitteln, Druckimpulsen und langfristiger Kompressionsverformung. HNBR ist eine gängige Wahl; im Hochtemperaturbereich können spezielle FKM-Werkstoffe bewertet werden, müssen jedoch in dem jeweiligen Kältemittelöl und mit dem jeweiligen Kältemittel praktisch verifiziert werden. CO₂-Kompressoren müssen gemäß der R744-Hochdruck-Dichtlogik ausgelegt werden.

Kunden für CO₂-/R744-Kälteanlagen

Vorrangig ist vom Lieferanten die Bereitstellung von Formulierungsdaten für R744/CO₂ zu fordern, einschließlich Beständigkeit gegen explosive Dekompression, geringe Durchlässigkeit, Druckwechsellast, Rückstellvermögen bei tiefen Temperaturen sowie Verträglichkeit mit PAG-/POE-/PAO-Ölen. Gängige Bezeichnungen wie HNBR, EPDM oder FKM reichen als Nachweis nicht aus.

7. Felder, die bei Beschaffung oder technischer Kommunikation unbedingt bestätigt werden müssen

Bei Anfragen von Angeboten für Dichtungsteile ist mindestens folgende Information bereitzustellen:

8. Häufigste Fehler

Fehler eins: Nur das Kältemittel betrachten, nicht das Kältemittelschmieröl. PAG-, POE-, PAO- und PVE-Schwellverhalten sowie Tieftemperatur­eigenschaften unterscheiden sich; das Öl bestimmt oft das Schwellverhalten und die Verhärtung von Gummi stärker als das Kältemittel.

Fehler zwei: Direkte Übertragung der Erfahrung mit R134a auf R1234yf. Die Leistung von R1234yf ist R134a ähnlich, doch das System, das Kältemittelöl, die A2L-Sicherheitsanforderungen sowie die Service-Schnittstelle unterscheiden sich sämtlich; zudem müssen Materialien unabhängig für die Kombination R1234yf + spezifiziertes Öl verifiziert werden.

Fehler drei: Die Annahme, FKM sei stets besser als HNBR. FKM bietet Vorteile bei hohen Temperaturen und geringer Permeation, doch in Auswahltests für R134a/R1234yf ist die Gewichtsänderung von Viton® nicht zwangsläufig die geringste; es sind jeweils die konkrete Formulierung sowie praktische Tests zu prüfen.

Fehler vier: Die Auswahl von CO₂/R744 allein anhand chemischer Verträglichkeit. Das zentrale Risiko von R744 liegt im hohen Druck, der Permeation, der schnellen Druckentlastung, dem Extrusionswiderstand sowie dem Rückstellverhalten bei niedrigen Temperaturen; herkömmliche Kältemittel-Verträglichkeitstabellen reichen hierfür nicht aus.

Fehler fünf: Die Behandlung der Farbe als Materialnachweis. Grüne O-Ringe kommen im Automobil-Klimaanlagenbereich häufig bei HNBR zum Einsatz, doch die Farbe ist kein Materialnachweis; es sind stets die Materialqualität, die Charge, die Härte, der Prüfbericht sowie die Anwendungsverifikation zu überprüfen.