1. Tại sao chất làm lạnh + dầu bôi trơn hệ thống làm lạnh làm giảm tuổi thọ vòng đệm O-ring

O-rings trong các hệ thống làm lạnh chịu đồng thời ba tác động.

Thứ nhất, hiện tượng phồng lên hoặc chiết xuất bởi môi chất. Các phân tử chất làm lạnh nhỏ xâm nhập vào mạng cao su, gây ra những thay đổi về khối lượng, thể tích, độ cứng, độ bền kéo và độ giãn dài; dầu bôi trơn hệ thống làm lạnh cũng có thể thấm vào cao su và chiết xuất các chất làm dẻo cùng phụ gia, khiến vật liệu ban đầu trở nên mềm hơn rồi sau đó cứng lại, hoặc co lại sau khi chất làm lạnh ngừng hoạt động. Dữ liệu R134a của Chemours nêu rõ rằng hiện tượng phồng lên, mất chất làm dẻo và thay đổi tính chất cơ học không nên đánh giá chỉ dựa trên một loại chất làm lạnh duy nhất, vì không có họ cao su nào đáp ứng được toàn bộ các chất làm lạnh thay thế.

Thứ hai, khả năng phục hồi ở nhiệt độ thấp kém khi chu kỳ nhiệt thay đổi và hỏng do biến dạng nén vĩnh viễn. Các ứng dụng ở nhiệt độ thấp như tại thiết bị bay hơi, phía hút và đường ống hút yêu cầu độ biến dạng nén thấp; các điều kiện nhiệt độ cao như tại máy nén, đường ống xả và bơm nhiệt cũng đòi hỏi độ biến dạng nén thấp. Mức độ mà Vòng chữ O nén dài hạn không thể phục hồi lực niêm phong một cách căn bản; giá trị càng lớn thì lực niêm phong càng dễ bị mất.

Thứ ba, rủi ro do chu kỳ áp suất và giải nén nhanh. Các hệ thống HFC/HFO chủ yếu tập trung vào độ hòa tan, khả năng thấm qua và độ biến dạng nén dư; trong khi đó, các hệ thống CO₂/R744 còn phải đặc biệt chú ý đến tổn thương do giải nén nhanh — các phân tử CO₂ xâm nhập vào cao su dưới áp suất cao, và việc giảm áp suất đột ngột có thể khiến cao su phồng rộp bên trong, nứt hoặc thậm chí làm vỡ vòng đệm O-ring.

2. Lựa chọn vật liệu theo hệ thống môi chất lạnh trước tiên

A. R134a / HFC + PAG hoặc POE: Tình huống chủ đạo cho điều hòa ô tô và hệ thống làm lạnh truyền thống

R134a thường được kết hợp với dầu PAG trong hệ thống điều hòa ô tô và với dầu POE trong tủ lạnh, máy nén và thiết bị vận hành ở tải một phần. Đối với gioăng O-ring, vật liệu cần được kiểm tra đồng thời về độ tương thích với môi chất lạnh HFC, dầu PAG/POE, lão hóa nhiệt, độ biến dạng nén và tổn thất khi lắp đặt. Dữ liệu từ Chemours cho thấy độ tương thích của R134a với cao su, kim loại và elastomer cần được xác minh riêng cho từng dự án; độ hòa tan của dầu POE trong HFC-134a thường do nhà sản xuất máy nén hoặc thiết bị (OEM) quy định thông qua thử nghiệm.

Hướng dẫn khuyến nghị:

Tại PARKER theo Sổ tay gioăng chữ O của , các hợp chất CR được ghi nhãn là thường dùng cho môi chất lạnh R134a hoặc R22 và các môi chất tương tự, với dải nhiệt độ tĩnh điển hình từ -40 đến 100°C; dải nhiệt độ của HNBR thường từ -35 đến 150°C; các cấp độ tiêu chuẩn của NBR chủ yếu nằm trong khoảng -35 đến 100°C; EPDM thường hoạt động tốt trong khoảng -50 đến 150°C. Việc phân tầng nhiệt độ này giải thích vì sao: NBR có thể rẻ, nhưng trong điều kiện vận hành dài hạn của hệ thống điều hòa ô tô — với nhiệt độ cao, oxy và yêu cầu về độ biến dạng nén — NBR không nên được chọn mặc định.

B. R1234yf / HFO + PAG hoặc POE: Xe điện (EV), hệ thống điều hòa xe chở người, hệ thống bơm nhiệt

R1234yf là một chất làm lạnh HFO và đã trở thành hướng thay thế quan trọng cho hệ thống điều hòa không khí ô tô. Dữ liệu của Chemours ghi nhãn Opteon YF là R-1234yf/HFO-1234yf; nó được phân loại A2L theo tiêu chuẩn an toàn ASHRAE và ISO 817: có hiệu suất và đặc tính vận hành tương tự R134a, nhưng bắt buộc phải sử dụng dầu PAG hoặc POE chuyên biệt được công thức hóa riêng cho R1234yf, và không thể coi đây là giải pháp thay thế đơn giản bằng cách nâng cấp.

Về độ tương thích vật liệu, dữ liệu thử nghiệm độ tương thích đàn hồi cố định của Chemours ở nhiệt độ 100°C trong 2 tuần, so sánh R1234yf và R134a, cho thấy HNBR có sự thay đổi khối lượng lớn hơn khi ngâm trong R134a, trong khi sự thay đổi khối lượng nhỏ hơn khi ngâm trong HFO-1234yf; sự thay đổi khối lượng của EPDM rõ ràng cao hơn so với các vật liệu HNBR, NBR, EPDM và CR. Viton® cho kết quả tốt nhất, tuy nhiên các vật liệu do các nhà sản xuất khác nhau và quy trình sản xuất khác nhau tạo ra có thể cho kết quả khác nhau, vì vậy cần được cung cấp bởi nhà cung cấp vật liệu.

Khuyến nghị lựa chọn:

Lưu ý: hệ thống R134a không thể đơn giản chuyển sang R1234yf, và R1234yf không thể pha trộn vào hệ thống R134a. Chemours khẳng định rõ ràng rằng hệ thống R1234yf sử dụng các đầu nối riêng biệt; việc pha trộn chất làm lạnh là ô nhiễm chéo, và các thành phần hệ thống được thiết kế dành riêng cho một loại chất làm lạnh cụ thể.

C. Chất làm lạnh hỗn hợp HFC/HFO + dầu POE/PVE: Máy bơm nhiệt, thiết bị làm lạnh thương mại, hệ thống làm lạnh có tủ đông

Máy bơm nhiệt và thiết bị làm lạnh thương mại thường sử dụng chất làm lạnh HFC, HFO hoặc hỗn hợp HFC/HFO, với các sản phẩm chủ yếu dùng dầu POE, PVE hoặc dầu pha trộn chuyên dụng. Ở đây, kết luận về vật liệu R134a hoặc R1234yf không thể áp dụng trực tiếp cho các hệ thống R410A, R32, R454B, R513A, R1234ze và tương tự, vì độ phân cực, áp suất hơi, nhiệt độ vận hành, độ hòa tan giữa dầu và chất làm lạnh cũng như thành phần phụ gia đều khác nhau.

Lô-gic lựa chọn ban đầu:

Mục đích của Tiêu chuẩn ASHRAE 97 là đánh giá khả năng tương thích của vật liệu làm kín với các vật liệu trong hệ thống làm lạnh thông qua thử nghiệm ống thủy tinh kín; ống chứa chất làm lạnh, dầu bôi trơn và vật liệu thử nghiệm được hàn kín trong ống thủy tinh, thường được mở ra sau giai đoạn lão hóa để phân tích định tính hoặc định lượng nhằm đánh giá khả năng tương thích hoặc độ ổn định hóa học.

D. CO₂ / R744 + PAG, POE hoặc PAO: Bơm nhiệt áp suất cao, làm lạnh thương mại, bơm nhiệt ô tô

CO₂/R744 là một loại vấn đề khác. Tính ăn mòn hóa học của nó không nhất thiết mạnh, nhưng áp suất vận hành, khả năng thấm qua vật liệu và nguy cơ nổ do giải nén đột ngột lại rất cao. Dữ liệu vật liệu làm kín điều hòa không khí bằng CO₂ của Parker chỉ ra rằng áp suất vận hành của hệ thống R744 so với R134a cao đáng kể; áp suất vận hành của R744 có thể đạt 150–160 bar, nhiệt độ có thể lên tới 180°C; việc lựa chọn vật liệu làm kín mềm cần đặc biệt chú trọng vào khả năng chống nổ do giải nén đột ngột.

Các vật liệu mà Parker liệt kê cho việc lựa chọn gioăng điều hòa không khí bằng CO₂ bao gồm EPDM, FKM, HNBR và EPDM/BIIR, đồng thời nhấn mạnh các vật liệu này cần có dải nhiệt độ từ –55°C đến +200°C, tương thích với dầu PAG/PAO/POE, có độ thấm thấp và khả năng chống nổ do giải nén đột ngột xuất sắc.

Khuyến nghị lựa chọn R744:

CO2/R744 không thể sử dụng các thay thế vòng O AC thông thường cho ô tô. Ngay cả khi tên vật liệu là cùng một HNBR hoặc EPDM, nó cũng cần phải phân biệt liệu nó có phải là công thức chống nén nổ, thâm nhập thấp dành riêng cho R744 hay không.

3. Các vật liệu so sánh như thế nào

HNBR: Lựa chọn chính cho hệ thống điều hòa ô tô

Ưu điểm của HNBR là khả năng chống dầu, chịu nhiệt, độ bền cơ học và độ biến dạng nén kết hợp tốt. Đối với các hệ thống môi chất lạnh R134a, R1234yf và dầu PAG, POE, HNBR thường là vật liệu được ưu tiên cho gioăng O-ring điều hòa ô tô, gioăng tĩnh máy nén và gioăng van điều khiển. Dữ liệu của Parker cho thấy nhiều cấp độ HNBR có thể hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ -35/-40 đến 150°C, và một số cấp độ đặc biệt dành cho điều kiện nhiệt độ thấp.

Phù hợp cho: hệ thống điều hòa ô tô, đường ống R134a/R1234yf, gioăng tĩnh máy nén, một phần của hệ thống bơm nhiệt.

Lưu ý: Hàm lượng ACN, mức độ hydro hóa, hệ thống liên kết chéo và hệ thống chất độn của HNBR sẽ ảnh hưởng đáng kể đến khả năng phục hồi ở nhiệt độ thấp, độ trương nở và sự thay đổi độ biến dạng nén.

EPDM: Khả năng chịu nhiệt độ thấp, ozone và lão hóa nhiệt tốt, nhưng cần xác minh khả năng tương thích với dầu

Hiệu suất hoạt động ở nhiệt độ thấp, khả năng chống ozon và hiệu suất lão hóa nhiệt của EPDM đều tốt; trong thử nghiệm so sánh R134a/R1234yf của Chemours, sự thay đổi trọng lượng của EPDM tương đối nhỏ. Tuy nhiên, EPDM không tự nhiên phù hợp với mọi loại dầu, đặc biệt là loại EPDM chuyên dụng cho R744 — được gọi là "EPDM kháng mọi loại PAG/POE/dung môi làm lạnh bổ sung" — đòi hỏi công thức riêng biệt. EPDM chuyên dụng cho R744 hoặc hỗn hợp EPDM/BIIR có thể là các lựa chọn tiềm năng cho hệ thống áp suất cao CO₂, nhưng cần được đánh giá từng trường hợp cụ thể.

FKM: Vật liệu chịu nhiệt cao, độ thấm khí thấp, nhưng không phải vật liệu phổ quát cho R134a/R1234yf

Ưu điểm của FKM là khả năng chịu nhiệt cao, kháng lão hóa, độ thấm khí thấp và khả năng tương thích hóa chất rộng; các cấp độ dữ liệu của Parker ghi rõ áp dụng được trong môi trường nhiệt độ cao, dầu nóng, dung môi thơm và nhiều môi trường hóa chất khác nhau; trong thử nghiệm đàn hồi cố định ứng với R1234yf/R134a của Chemours, sự thay đổi trọng lượng của Viton® rõ ràng thấp hơn HNBR, NBR, EPDM, CR và các vật liệu khác.

Do đó, FKM trong các hệ thống làm lạnh cần tương ứng với một thương hiệu cụ thể và được xác minh cụ thể đối với môi chất, chứ không nên hiểu rằng "FKM là loại cao cấp nên áp dụng được cho mọi môi chất làm lạnh."

NBR: Chi phí thấp, nhưng không khuyến nghị dùng làm lựa chọn mặc định cho điều hòa ô tô dài hạn

NBR có giá thành rẻ, kháng dầu khoáng tốt và ổn định ở mức độ nhất định, nhưng khả năng ổn định môi trường — như chịu nhiệt, chịu ozone và độ biến dạng nén dài hạn — thường yếu hơn HNBR. Biểu đồ của Parker cho thấy dải nhiệt độ thông dụng của NBR chủ yếu nằm trong khoảng -35 đến 100°C. Vật liệu này có thể sử dụng trong các tình huống nhạy cảm về chi phí và yêu cầu nhiệt độ – áp suất thấp, nhưng không khuyến nghị dùng làm lựa chọn mặc định cho điều hòa ô tô sử dụng R1234yf, bơm nhiệt hoặc vùng nhiệt độ cao trong máy nén.

CR: Dùng được với môi chất làm lạnh truyền thống, nhưng khả năng chịu nhiệt cao bị giới hạn

CR/cao su chloroprene có lịch sử sử dụng dài trong các chất làm lạnh truyền thống; biểu đồ của Parker cũng ghi chú CR thường được dùng với R134a hoặc R22, với giới hạn nhiệt độ trên điển hình khoảng 100°C. Đối với hệ thống điều hòa không khí ô tô hiện đại và bơm nhiệt nhiệt độ cao, CR thường không còn là giải pháp ưu tiên.

VMQ/FVMQ: Khả năng hoạt động tốt ở nhiệt độ thấp, nhưng cần lưu ý áp suất cao và khả năng thấm qua vật liệu

Cao su silicone và cao su fluorosilicone có độ đàn hồi thấp ở nhiệt độ thấp, phù hợp cho một số gioăng tĩnh ở nhiệt độ thấp. Tuy nhiên, độ bền cơ học, khả năng chống rách, khả năng thấm khí và khả năng chống ép lồi ở áp suất cao thường kém hơn. Khi sử dụng trong hệ thống chất làm lạnh, chúng nên được giới hạn ở các ứng dụng gioăng tĩnh chịu ứng suất thấp, và phải hoàn tất đầy đủ việc kiểm tra rò rỉ cũng như kiểm tra chu kỳ nhiệt.

4. Thiết kế không thể chỉ dựa vào việc thay thế vật liệu

Sự cố gioăng O-ring trong hệ thống làm lạnh thường không chỉ do vật liệu gây ra, mà là kết quả tổng hợp từ vật liệu, rãnh lắp đặt và quy trình chế tạo.

Dự phòng độ phình nở. Sách hướng dẫn Parker nêu rõ độ phình thể tích của gioăng tĩnh khi tiếp xúc với môi chất ở mức 25%–30% đôi khi vẫn chấp nhận được, nhưng độ phình của gioăng động khi tiếp xúc với môi chất thường không nên vượt quá 10%; độ phình quá mức làm tăng nguy cơ bị ép lọt (extrusion) khi lực nén giảm.

Chống ép lọt. Các hệ thống áp suất cao, máy nén và hệ thống CO₂/R744 cần thu nhỏ khe hở cho phép bị ép lọt và sử dụng vòng chống ép lọt (back-up rings) khi cần thiết; áp suất cao đẩy gioăng chữ O về phía khe hở phía áp suất thấp, gây hiện tượng ép lọt, và các vòng chống ép lọt giúp giảm thiểu rủi ro này.

Lựa chọn độ cứng. độ cứng 70A thường được dùng cho gioăng tĩnh thông thường và các mối nối ống điều hòa không khí ô tô; độ cứng 80A dùng cho ứng dụng áp suất cao hơn hoặc yêu cầu lắp ráp nghiêm ngặt hơn; độ cứng 90A thường dùng cho hệ thống CO₂/R744, máy nén áp suất cao hoặc nơi cần khả năng chống ép lọt, tuy nhiên khả năng phục hồi ở nhiệt độ thấp và khả năng kín khi lắp ráp có thể suy giảm.

Kiểm tra ở nhiệt độ thấp. Không thể chỉ nhìn vào thông số '-40°C' trên bảng đặc tính vật liệu. Các máy bơm nhiệt ô tô và kiểm tra làm lạnh ở nhiệt độ thấp phải xác minh các yếu tố TR10, độ nảy hồi nén ở nhiệt độ thấp, rò rỉ khi khởi động lạnh sau khi đỗ xe, và rò rỉ do chu kỳ nhiệt; độ cứng hóa cao su ở nhiệt độ thấp, độ nén không đủ — những yếu tố này dễ gây rò rỉ nhất vào thời điểm xe vừa đỗ xong rồi khởi động lạnh.

Bề mặt và lắp ráp. Các gioăng O-ring tại khớp ống thường gặp các vấn đề như bị cắt, xoắn, lắp khô và ma sát trong quá trình lắp đặt. Cần kiểm soát độ vát mép, độ nhám bề mặt, chất bôi trơn lắp ráp cũng như khả năng tương thích kín với môi chất lạnh; các hệ thống R1234yf và CO₂ cũng cần tránh sử dụng các sản phẩm dầu có thể gây nhiễm bẩn hoặc ảnh hưởng đến việc phát hiện rò rỉ.

5. Quy trình xác minh đề xuất

Việc lựa chọn gioăng O-ring cho môi chất lạnh và dầu làm lạnh nên hoàn tất ít nhất bốn loại xác minh sau:

ASTM D471 bao quát các thay đổi về chất lượng, thể tích, độ cứng, độ bền kéo và độ giãn dài của cao su sau khi ngâm trong chất lỏng, và là phương pháp cơ bản để đánh giá sơ bộ mức độ tương thích với dầu làm lạnh. Tuy nhiên, bản thân môi chất lạnh không phải là chất lỏng duy nhất có liên quan, và việc thử nghiệm cần được thực hiện đồng thời với thử nghiệm sự tồn tại đồng thời của môi chất lạnh/dầu dưới áp lực. Trelleborg cũng lưu ý rằng các bảng tương thích dựa trên dữ liệu công khai và thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, và thử nghiệm ngắn hạn ở nhiệt độ phòng không thể đại diện đầy đủ cho điều kiện thực tế; người dùng cần xác nhận thông qua thử nghiệm ứng dụng thực tế.

Các hệ thống áp suất cao sử dụng CO₂/R744 cũng cần bổ sung thử nghiệm giải nén khí nhanh (RGD/AED). ISO 23936-2 và NORSOK M710 liên quan đến việc xác nhận đủ điều kiện của vật liệu phi kim loại, trong đó Phụ lục B của NORSOK M710 chính là thử nghiệm giải nén khí nhanh, còn được gọi là thử nghiệm giải nén nổ.

6. Các khuyến nghị lựa chọn dành cho khách hàng

Khách hàng điều hòa ô tô

Vòng đệm O-ring cho khớp nối ống R134a hoặc R1234yf, ưu tiên bắt đầu từ HNBR 70A/80A; các khớp nối ở phía áp suất cao và máy nén có thể xem xét HNBR 80A/90A. Đối với bơm nhiệt xe điện và máy nén điện, cần xác nhận độc lập loại dầu POE hoặc PAG chuyên dụng, không chỉ dựa vào kinh nghiệm sử dụng dầu PAG với R134a trên xe chạy xăng.

Khách hàng bơm nhiệt

Độ khó của hệ thống bơm nhiệt nằm ở dải nhiệt độ cao-thấp rộng, đòi hỏi phải đồng thời đạt được khả năng phục hồi nhiệt độ thấp ở phía hút (nhiệt độ thấp) và nén ở nhiệt độ cao ở phía xả. Đề xuất ưu tiên đánh giá HNBR chịu nhiệt độ thấp, EPDM và FKM đã qua kiểm chứng, thay vì chỉ đề xuất lựa chọn dựa trên bảng tương thích môi chất thông thường.

Khách hàng máy nén

Tập trung vào gioăng máy nén là dầu làm lạnh chịu nhiệt độ cao, khả năng hòa tan trong môi chất lạnh, xung áp suất và độ biến dạng nén dài hạn. HNBR là lựa chọn phổ biến; ở vùng nhiệt độ cao có thể đánh giá loại FKM đặc chủng, nhưng bắt buộc phải kiểm chứng trong dầu làm lạnh và môi chất lạnh thực tế. Máy nén CO₂ phải được thiết kế theo nguyên lý làm kín áp suất cao của R744.

Khách hàng thiết bị làm lạnh CO₂/R744

Ưu tiên yêu cầu nhà cung cấp cung cấp dữ liệu công thức chuyên dụng cho R744/CO₂, bao gồm khả năng chống nổ do giải nén đột ngột, độ thấm thấp, chu kỳ áp suất, độ phục hồi ở nhiệt độ thấp, tính tương thích với dầu PAG/POE/PAO. Tên vật liệu thông thường như HNBR thông thường, EPDM thông thường, FKM thông thường không đủ để chứng minh.

7. Các lĩnh vực bắt buộc phải xác nhận trong mua hàng hoặc trao đổi kỹ thuật

Khi yêu cầu báo giá từ nhà cung cấp bộ phận làm kín, ít nhất cần cung cấp các thông tin sau:

8. Những sai lầm phổ biến nhất

Sai lầm thứ nhất: Chỉ xem xét môi chất lạnh, không xem xét dầu máy lạnh. Sự trương nở và đặc tính ở nhiệt độ thấp của PAG, POE, PAO và PVE khác nhau; dầu thường ảnh hưởng đến sự trương nở và cứng hóa cao su nhiều hơn môi chất lạnh.

Lỗi thứ hai: Áp dụng trực tiếp kinh nghiệm với R134a cho R1234yf. Hiệu suất của R1234yf gần giống R134a, nhưng hệ thống, dầu bôi trơn, yêu cầu an toàn A2L và giao diện bảo trì đều khác biệt; vật liệu cũng phải được kiểm tra độc lập đối với hỗn hợp R1234yf cộng với loại dầu quy định.

Lỗi thứ ba: Cho rằng FKM luôn tốt hơn HNBR. FKM có ưu điểm về chịu nhiệt độ cao và độ thấm thấp, nhưng trong các thử nghiệm lựa chọn cho R134a/R1234yf, mức thay đổi trọng lượng của Viton® không nhất thiết là nhỏ nhất; cần kiểm tra cụ thể công thức và thử nghiệm thực tế.

Lỗi thứ tư: Chỉ chọn vật liệu cho CO₂/R744 dựa trên tính tương thích hóa học. Rủi ro cốt lõi của R744 là áp suất cao, độ thấm, giải nén nhanh, khả năng chống ép lọt và độ phục hồi ở nhiệt độ thấp; bảng tương thích môi chất lạnh thông thường là chưa đủ.

Lỗi thứ năm: Coi màu sắc là bằng chứng xác nhận vật liệu. Các vòng đệm hình chữ O màu xanh lá cây thường được sử dụng trong hệ thống điều hòa không khí ô tô với vật liệu HNBR, nhưng màu sắc không phải là bằng chứng về loại vật liệu; cần kiểm tra cấp độ vật liệu, lô sản xuất, độ cứng, báo cáo thử nghiệm và xác minh ứng dụng.