1. Perché il refrigerante + l'olio refrigerante riducono la durata delle guarnizioni toroidali

O-rings nei sistemi di refrigerazione sono soggette contemporaneamente a tre effetti.

Primo, rigonfiamento del materiale o estrazione. Piccole molecole di refrigerante penetrano nella rete di gomma, causando variazioni di peso, volume, durezza, resistenza a trazione e allungamento; anche l’olio per refrigerazione può penetrare nella gomma ed estrarre plastificanti e additivi, provocando un iniziale ammorbidimento del materiale seguito da indurimento, oppure una contrazione dopo la cessazione dell’azione del refrigerante. I dati di Chemours relativi all’R134a indicano esplicitamente che gonfiore, perdita di plastificanti e variazioni delle proprietà meccaniche non devono essere valutati sulla base di un singolo refrigerante, poiché nessuna famiglia di gomme copre tutti i refrigeranti sostitutivi.

In secondo luogo, scadenti prestazioni di rimbalzo a basse temperature e di recupero termico ciclico, nonché cedimento per deformazione permanente sotto compressione. Le applicazioni a freddo, sull’evaporatore e sul lato di aspirazione richiedono una bassa deformazione permanente sotto compressione; condizioni ad alta temperatura, come quelle riscontrabili nei compressori, nei tubi di scarico e nelle pompe di calore, richiedono anch’esse una bassa deformazione permanente sotto compressione. Il grado in cui O-ring la compressione prolungata non consente un recupero fondamentale misura direttamente la forza di tenuta; maggiore è il valore, maggiore è la facilità con cui tale forza viene persa.

In terzo luogo, rischio legato ai cicli di pressione e alla depressurizzazione rapida. I sistemi HFC/HFO si concentrano principalmente su solubilità, permeazione e deformazione permanente; nei sistemi CO₂/R744 è necessario prestare attenzione anche ai danni da decompressione rapida: le molecole di CO₂ penetrano nella gomma ad alta pressione e una rapida riduzione della pressione può causare bolle interne, crepe o persino la rottura dell’O-ring.

2. Selezione dei materiali in base al sistema refrigerante, in prima istanza

A. R134a / HFC + PAG o POE: lo scenario principale per il condizionamento automotive e la refrigerazione tradizionale

R134a è comunemente abbinato all’olio PAG nel condizionamento automotive e all’olio POE nei frigoriferi, nei compressori e negli impianti a carico parziale. Per gli O-ring, il materiale deve essere verificato congiuntamente rispetto al refrigerante HFC, all’olio PAG/POE, all’invecchiamento termico, alla deformazione permanente e alle perdite durante l’installazione. I dati di Chemours indicano che la compatibilità di R134a con gomma, metalli ed elastomeri richiede una verifica specifica per progetto; la solubilità dell’olio POE in HFC-134a è solitamente definita dal costruttore del compressore o dell’impianto tramite test.

Indicazioni raccomandate:

In Parker nel manuale O-Ring di 's, i composti CR sono indicati come comunemente impiegati con R134a o R22 e refrigeranti simili, con un intervallo di temperatura statica tipico compreso tra -40 e 100 °C; l’intervallo di temperatura per HNBR è spesso compreso tra -35 e 150 °C; le grade standard di NBR si attestano prevalentemente tra -35 e 100 °C; EPDM è comunemente utilizzato tra -50 e 150 °C. Questo strato termico spiega perché: NBR può essere economico, ma, in applicazioni automotive AC a lungo termine caratterizzate da alte temperature, ossigeno e requisiti di compressione, non dovrebbe essere scelto come opzione predefinita.

B. R1234yf / HFO + PAG o POE: Veicoli a Energia Nuova, climatizzazione per autovetture, sistemi pompa di calore

R1234yf è un refrigerante HFO ed è diventato una direzione fondamentale per la sostituzione nei climatizzatori automobilistici. I dati di Chemours indicano Opteon YF come R-1234yf/HFO-1234yf; è classificato A2L secondo i criteri di sicurezza ASHRAE e ISO 817: presenta prestazioni e caratteristiche operative simili a quelle di R134a, ma richiede oli PAG o POE specificamente formulati per R1234yf e non può essere considerato un semplice sostituto per retrofit.

Per quanto riguarda la compatibilità dei materiali, i dati dei test di compatibilità degli elastomeri a deformazione fissa condotti da Chemours a 100 °C per 2 settimane, con confronto tra R1234yf e R134a, hanno mostrato che l’HNBR subisce una variazione di peso maggiore nell’immersione in R134a, mentre la variazione di peso è minore nell’immersione in HFO-1234yf; la variazione di peso dell’EPDM risulta chiaramente superiore a quella dell’HNBR, del NBR, dell’EPDM e dei materiali tipo CR. Il Viton® si è dimostrato il più resistente, tuttavia risultati diversi possono derivare da produttori e processi produttivi differenti, pertanto tali informazioni devono essere fornite dai fornitori di materiali.

Raccomandazioni per la selezione:

Nota: il sistema R134a non può essere semplicemente convertito in R1234yf, né R1234yf può essere miscelato con R134a. Chemours dichiara esplicitamente che i sistemi R1234yf utilizzano raccordi specifici; la miscelazione di refrigeranti costituisce contaminazione incrociata e i componenti del sistema sono progettati per un refrigerante specifico.

C. Miscela di refrigeranti HFC/HFO + oli POE/PVE: pompe di calore, refrigerazione commerciale, sistemi refrigerati

Le pompe di calore e le attrezzature per la refrigerazione commerciale utilizzano comunemente refrigeranti HFC, HFO o miscele HFC/HFO, con prodotti che impiegano prevalentemente oli POE, PVE o oli specifici premiscelati. In questo contesto, le conclusioni ottenute con R134a o R1234yf non possono essere applicate direttamente a sistemi basati su R410A, R32, R454B, R513A, R1234ze e analoghi, poiché polarità, pressione di vapore, temperatura di esercizio, solubilità tra olio e refrigerante e formulazioni di additivi sono tutte differenti.

Logica iniziale di selezione:

Lo scopo della norma ASHRAE 97 è valutare la compatibilità dei materiali di tenuta con i materiali utilizzati nei sistemi frigoriferi mediante prove in tubo di vetro sigillato; il tubo contiene refrigerante, lubrificante e materiale sottoposto a prova, sigillati in un tubo di vetro, generalmente aperto dopo l’invecchiamento per analisi qualitativa o quantitativa al fine di determinare compatibilità o stabilità chimica.

D. CO₂ / R744 + PAG, POE o PAO: pompa di calore ad alta pressione, refrigerazione commerciale, pompa di calore automobilistica

CO₂/R744 rappresenta un’altra categoria di problematiche. La sua corrosività chimica non è necessariamente elevata, ma il rischio legato alla pressione, alla permeazione e alla decompressione esplosiva è molto alto. I dati Parker sui materiali di tenuta per impianti di climatizzazione a CO₂ indicano che la pressione operativa del sistema R744 è significativamente superiore a quella del R134a: può raggiungere i 150–160 bar, con temperature fino a 180 °C; la scelta dei materiali di tenuta morbidi deve quindi concentrarsi sulla resistenza alla decompressione esplosiva.

I materiali elencati da Parker per le tenute AC a CO₂ includono EPDM, FKM, HNBR ed EPDM/BIIR, con l’accento posto sulla necessità che tali materiali coprano un intervallo termico da –55 a +200 °C, siano compatibili con oli PAG/PAO/POE, presentino bassa permeabilità ed eccellente resistenza alla decompressione esplosiva.

Raccomandazioni per la selezione di R744:

CO2/R744 non può utilizzare sostituti ordinari di anelli O per auto. Anche se il nome del materiale è lo stesso HNBR o EPDM, è necessario distinguere se si tratta di una formulazione a bassa permeabilità e anti-esplosivo-decompressione dedicata al R744.

3. La sua vita. Come si confrontano i materiali

HNBR: La scelta principale per l’aria condizionata automobilistica

Il vantaggio dell’HNBR è la combinazione di buona resistenza agli oli, al calore, alla sollecitazione meccanica e al rilassamento sotto compressione. Per i sistemi con refrigerante R134a, R1234yf e oli PAG o POE, l’HNBR è generalmente il materiale preferito per le guarnizioni a O-ring per aria condizionata automobilistica, le guarnizioni statiche del compressore e le guarnizioni delle valvole di controllo. I dati Parker indicano che diversi gradi di HNBR coprono un intervallo di temperatura da -35/-40 a 150 °C, e alcuni gradi specifici per basse temperature sono indicati per applicazioni in condizioni di freddo estremo.

Adatto a: aria condizionata automobilistica, tubazioni per R134a/R1234yf, guarnizioni statiche del compressore, parti dei sistemi a pompa di calore.

Nota: il contenuto di ACN, il grado di idrogenazione, il sistema di reticolazione e il sistema di cariche nell’HNBR influenzano in modo significativo il rimbalzo a basse temperature nonché le variazioni di rigonfiamento e di rilassamento sotto compressione.

EPDM: Buona resistenza a basse temperature, all’ozono e all’invecchiamento termico, ma la compatibilità con gli oli va verificata caso per caso.

Le prestazioni di bassa temperatura, resistenza all'ozono e invecchiamento termico dell'EPDM sono buone; nel confronto R134a/R1234yf di Chemours, la variazione di peso per l'EPDM è relativamente piccola. Ma l'EPDM non è naturalmente adatto a tutti i tipi di olio, in particolare l'EPDM dedicato R744 "resistente a tutti i PAG / POE / refrigeranti aggiunti" che richiede una formulazione dedicata. L'EPDM o l'EPDM/BIIR dedicati al R744 possono essere candidati per i sistemi ad alta pressione a CO2, ma devono essere valutati caso per caso.

FKM: resistente alle alte temperature, a bassa permeabilità, ma non R134a/R1234yf Materiale universale

Il vantaggio di FKM è l'alta temperatura, la resistenza all'invecchiamento, la bassa permeabilità dei gas e l'ampia compatibilità chimica; i gradi di dati di Parker contrassegnati applicabili ad alta temperatura, olio caldo, solvente aromatico e ampi ambienti chimici, nel test dell'elastomero

Pertanto, la FKM nei sistemi di refrigerazione dovrebbe corrispondere a una marca specifica e a una verifica di media specifici e non dovrebbe essere intesa come "la FKM è di fascia alta, quindi è applicabile a tutti i refrigeranti".

NBR: basso costo, ma non raccomandato come standard per l'aria condizionata per automobili a lungo termine

Il NBR è economico, ha una buona resistenza agli oli minerali e una certa stabilità del prodotto, ma la stabilità ambientale della resistenza al calore, della resistenza all'ozono e del set di compressione a lungo termine è generalmente più debole dell'HNBR. Il grafico di Parker mostra che l'intervallo di temperatura comune per NBR è per lo più da -35 a 100 °C. Può essere utilizzato in scenari di esigenze di basse temperature e pressione sensibili ai costi, ma non è raccomandato come scelta predefinita per R1234yf per aria condizionata automobilistica, pompe di cal

CR: Il refrigerante tradizionale è utilizzabile, ma la capacità di elevata temperatura è limitata

Il gomma CR/cloroprene ha una lunga storia di utilizzo con refrigeranti tradizionali; la tabella di Parker indica inoltre che la CR è spesso usata con R134a o R22, con un limite superiore di temperatura tipico intorno ai 100 °C. Per i moderni impianti di climatizzazione automobilistici e per le pompe di calore ad alta temperatura, la CR non è spesso più la soluzione preferita.

VMQ/FVMQ: buone prestazioni a bassa temperatura, ma richiedono attenzione per alta pressione e permeazione

La gomma siliconica e la gomma fluorosiliconica presentano bassa elasticità a basse temperature, risultando adatte ad alcune guarnizioni statiche per basse temperature. Tuttavia, la loro resistenza meccanica, resistenza allo strappo, permeabilità ai gas e capacità antiestrusione ad alta pressione sono generalmente inferiori. Quando impiegate nei sistemi refrigeranti, devono essere limitate a sigillature statiche a basso carico meccanico, e va completata una verifica completa di tenuta e di cicli termici.

4. Il progetto non può basarsi esclusivamente sulla sostituzione dei materiali

Il guasto delle guarnizioni toroidali (O-ring) nei sistemi di refrigerazione non è spesso causato unicamente dal materiale, bensì da un’interazione complessa tra materiale, scanalatura e processo.

Margine di rigonfiamento. Il Parker Handbook indica che un rigonfiamento del materiale della guarnizione statica del 25–30% in volume è talvolta tollerabile, ma il rigonfiamento del materiale della guarnizione dinamica non dovrebbe generalmente superare il 10%; un rigonfiamento eccessivo aumenta il rischio di estrusione quando la compressione diminuisce.

Antiestrusione. Nei sistemi ad alta pressione, nei compressori e nei sistemi CO₂/R744 è necessario ridurre il gioco di estrusione e utilizzare anelli di supporto quando necessario; l’alta pressione spinge la guarnizione toroidale verso il gioco di estrusione sul lato a bassa pressione, e gli anelli di supporto possono ridurre questo rischio.

Selezione della durezza. la durezza 70A è comunemente utilizzata per guarnizioni statiche generiche e per i raccordi dei tubi dell’aria condizionata automobilistica; la durezza 80A è utilizzata per pressioni più elevate o per assemblaggi più rigorosi; la durezza 90A è comunemente utilizzata per CO₂/R744, per compressori ad alta pressione o dove è richiesta una resistenza all’estrusione, ma la capacità di rimbalzo a basse temperature e la tenuta durante l’assemblaggio potrebbero diminuire.

Verifica a basse temperature. Non è possibile basarsi esclusivamente sul valore «-40 °C» riportato sulla scheda tecnica del materiale. I pompe di calore per autoveicoli e i test di refrigerazione a bassa temperatura devono verificare il parametro TR10, il rimbalzo della compressione a basse temperature, le perdite al freddo dopo l’avviamento a freddo e le perdite dovute ai cicli termici; l’indurimento della gomma a basse temperature e l’insufficiente compressione provocano con maggiore frequenza perdite nei momenti successivi all’arresto del veicolo seguito da avviamento a freddo.

Superficie e assemblaggio. Le guarnizioni toroidali (O-ring) dei raccordi tubolari subiscono spesso tagli, torsioni, montaggio a secco e problemi di attrito durante l’installazione. È necessario controllare lo smusso, la rugosità superficiale, l’uso di lubrificanti per l’assemblaggio e la compatibilità stretta con il refrigerante; nei sistemi R1234yf e CO₂ si deve inoltre evitare l’impiego di prodotti oleosi che potrebbero contaminare o interferire con il rilevamento delle perdite.

5. Processo di verifica raccomandato

La selezione delle guarnizioni toroidali (O-ring) per refrigerante e olio refrigerante dovrebbe prevedere almeno quattro categorie di verifica:

ASTM D471 riguarda la qualità, il volume, la durezza, la resistenza a trazione e la variazione di allungamento della gomma dopo immersione in liquido ed è il metodo fondamentale per la valutazione preliminare della compatibilità con oli refrigeranti. Tuttavia, il refrigerante stesso non è l’unico liquido rilevante, e i test devono essere eseguiti anche in condizioni di coesistenza tra refrigerante e olio sotto pressione. Trelleborg ricorda inoltre che le tabelle di compatibilità si basano su dati pubblici e su test di laboratorio, e che i test a breve termine a temperatura ambiente non possono rappresentare pienamente le condizioni operative reali; gli utenti devono pertanto verificare la compatibilità mediante test applicativi effettivi.

Nei sistemi ad alta pressione CO₂/R744 va inoltre aggiunto il test di decompressione rapida dei gas (RGD/AED). ISO 23936-2 e NORSOK M710 riguardano la qualifica dei materiali non metallici; in particolare, l’Allegato B di NORSOK M710 definisce il test di decompressione rapida dei gas, noto anche come test di decompressione esplosiva.

6. Raccomandazioni per la selezione rivolte ai clienti

Clienti automobilistici per climatizzazione

Anelli O per giunti tubo R134a o R1234yf: iniziare prioritariamente con HNBR 70A/80A; per i giunti del lato ad alta pressione e del compressore si può considerare HNBR 80A/90A. Per le pompe di calore dei veicoli a energia nuova e per i compressori elettrici è necessario verificare indipendentemente l’uso di olio POE o di olio PAG dedicato, senza basarsi esclusivamente sull’esperienza acquisita con R134a/PAG nei veicoli alimentati a carburante.

Clienti per pompe di calore

La complessità dei sistemi a pompa di calore risiede nell’ampio intervallo termico tra temperature elevate e basse, che richiede contemporaneamente un rimbalzo a bassa temperatura sul lato di aspirazione (a bassa temperatura) e una compressione ad alta temperatura sul lato di scarico. Si raccomanda di valutare prioritariamente HNBR a bassa temperatura, EPDM e FKM con esperienza consolidata, anziché limitarsi a selezionare i materiali sulla base di comuni tabelle di compatibilità con i fluidi.

Clienti per compressori

L'attenzione sui sigilli per compressori è rivolta all'olio refrigerante ad alta temperatura, alla solubilità nel refrigerante, alle sollecitazioni da impulso di pressione e alla deformazione permanente a lungo termine sotto compressione. L'HNBR è una scelta comune; nella zona ad alta temperatura si possono valutare FKM speciali, ma è necessario verificarne la compatibilità con l'effettivo olio refrigerante e il refrigerante. I compressori per CO₂ devono essere progettati secondo la logica di tenuta ad alta pressione specifica per R744.

Clienti di apparecchiature frigorifere CO₂/R744

Prioritizzare la richiesta al fornitore di fornire dati tecnici specifici per formulazioni dedicate a R744/CO₂, inclusa la resistenza alla decompressione esplosiva, la bassa permeabilità, i cicli di pressione, il rimbalzo a basse temperature e la compatibilità con oli PAG/POE/PAO. Denominazioni generiche come HNBR standard, EPDM standard o FKM standard non costituiscono una prova sufficiente.

7. Campi che devono essere confermati nella fase di approvvigionamento o nella comunicazione tecnica

Quando si richiedono preventivi ai fornitori di componenti di tenuta, fornire almeno le seguenti informazioni:

- 8 anni. Errori più comuni

Errore numero uno: guardare solo il refrigerante, non l'olio frigorifero. Le caratteristiche di gonfiore e di bassa temperatura del PAG, POE, PAO, PVE sono diverse; l'olio determina spesso il gonfiore e il indurimento della gomma più del refrigerante.

Errore due: applicare direttamente l’esperienza con R134a a R1234yf. Le prestazioni di R1234yf sono simili a quelle di R134a, ma il sistema, l’olio, i requisiti di sicurezza A2L e l’interfaccia di servizio sono tutti diversi; i materiali devono inoltre essere verificati indipendentemente rispetto a R1234yf + olio specificato.

Errore tre: ritenere che FKM sia sempre migliore di HNBR. FKM presenta vantaggi in termini di alte temperature e bassa permeabilità, ma nei test di selezione per R134a/R1234yf la variazione di peso di Viton® non è necessariamente la più ridotta; occorre verificare la formulazione specifica e i risultati dei test effettivi.

Errore quattro: selezionare CO₂/R744 unicamente sulla base della compatibilità chimica. Il rischio principale di R744 è rappresentato dall’elevata pressione, dalla permeabilità, dalla decompressione rapida, dalla resistenza all’estrusione e dal rimbalzo a basse temperature; le comuni tabelle di compatibilità con i refrigeranti non sono sufficienti.

Errore cinque: considerare il colore come prova del materiale. Le guarnizioni O-ring verdi sono comunemente utilizzate nell’aria condizionata automobilistica in HNBR, ma il colore non costituisce una prova del materiale; occorre verificare la classe del materiale, il lotto, la durezza, il rapporto di prova e la verifica dell’applicazione.