High-efficiency mineral oil for use with natural refrigerants

Abstract

Lubricant compositions for use with natural refrigerants, wherein the lubricant comprises at least 50 wt%of a mineral oil and 0.5 to 6 wt%of at least one aryl phosphate. The lubricants are useful as compressor lubricants, for example refrigeration compressors and may improve compressor efficiency because of the lubricants' relatively low kinematic viscosity at 40 ℃ ranging from about 1.5 to about 4 cSt.

Description

HIGH-EFFICIENCY MINERAL OIL FOR USE WITH NATURAL REFRIGERANTS

[0001] ***FIELD OF THE INVENTION

[0002] The field of the invention pertains to mineral oil-based lubricants for use in refrigeration and A / C compressors.BACKGROUND OF THE INVENTION

[0003] There are market pressures on original equipment manufacturers (OEMs) to produce appliances that use less power. Refrigeration and air-conditioning (A / C) appli-ance power requirements can be reduced by increasing the efficiency of the appliance compressor. One way of increasing compressor efficiency is to reduce the viscosity of the compressor lubricant. Reducing lubricant viscosity, however, can result in in more wear of the compressor components.

[0004] It is known to add phosphates, for example, dithiophosphoric acid ester to lub-ricants to improve the lubricant’s anti-wear properties. Many phosphates, including dithi-ophosphoric acid ester, however, can cause corrosion of compressor parts when used in compressor lubricants, particularly parts made from copper, lead, or alloys, including bab-bit metal.

[0005] Thus, there is a need for a low-viscosity lubricant that effectively reduces wear but does not cause corrosion. The disclosed technology, therefore, solves the problem of improving compressor efficiency and reducing wear by providing a low-viscosity lubri-cant an antiwear additive that won’ t corrode compressor components.SUMMARY OF THE INVENTION

[0006] The disclosed technology provides lubricant compositions for use with natu-ral refrigerants, wherein the lubricant comprises at least 50 wt% (or at least 60, or at least 65, or at least 70 to 97 wt%) of a mineral oil; and 0.5 to 6 wt%of at least one aryl phosphate. The lubricant improves compressor efficiency because it has a relatively low kinematic viscosity at 40 ℃ ranging from about 1.5 to about 4 cSt (or 1.5 to 3.5, or 1.5 to 3, or 2.7 cSt) .

[0007] The lubricant has good stability when used with natural refrigerants, such as carbon dioxide, water, ammonia, or a hydrocarbon. In some embodiments, the natural refrigerant may be a hydrocarbon. Suitable hydrocarbons include, but are not limited to, ethane, propane, propene, isobutane, linear butane, pentane, linear pentane, or mixtures  thereof. In some embodiments, the hydrocarbon may be saturated. In the same or differ-ent embodiments, the natural refrigerant may be substantially free of halogenated carbon compounds. In yet other embodiments, the hydrocarbon may be isobutane.

[0008] In the same or different embodiments, the at least one aryl phosphate is a di-phenyl or triphenyl phosphate. Suitable aryl phosphates are not overly limited and can include trimethylphenyl phosphate, tributylphenyl phosphate, triisobutylphenyl phos-phate, or mixtures thereof. The at least one aryl phosphate may be present at 0.5 to 2.5 wt% (or 1 to 1.5 wt%) , based on a total weight of the lubricant. In some embodiments, the at least one aryl phosphate is tris (2-methylphenyl) phosphate, tris (2-tert-butyl) phe-nyl phosphate, or mixtures thereof.

[0009] In some embodiments, the least one aryl phosphate may have at least one sul-fur atom. The sulfonated aryl phosphate may be present at 0.5 to 3 wt% (or 0.5 to 2.5 wt%) , based on a total weight of the lubricant. In some embodiments, the at least one sulfur atom may be connected to a phosphorus atom by a double bond. In some embodi-ments, the at least one aryl phosphate is O, O, O-triphenyl phosphorothioate.

[0010] In some embodiments, the lubricant may have at least two aryl phosphates, wherein at least one aryl phosphate has at least one sulfur atom and is present at 0.5 to 3 wt%, based on a total weight of the lubricant. In other embodiments, the at least one aryl phosphate having at least one sulfur atom may be O, O, O-triphenyl phosphorothioate. In the same or different embodiments, the second aryl phosphate may be trimethylphenyl phosphate, tributylphenyl phosphate, triisobutylphenyl phosphate, or mixtures thereof. The second aryl phosphate may be present at 0.5 to 2.5 wt% (or 1 to 1.5 wt%) , based on a total weight of the lubricant. In some embodiments, the second aryl phosphate may be tris (2-methylphenyl) phosphate, tris (2-tert-butyl) phenyl phosphate, or mixtures thereof. In some embodiments, the at least one aryl phosphate is tris (2-methylphenyl) phosphate. In other embodiments, the at least one aryl phosphate is tris (2-tert-butyl) phenyl phos-phate.

[0011] The base oil used for the lubricant is a mineral oil, for example, a naphthenic mineral oil, a paraffinic mineral oil, or mixtures thereof. In some embodiments, the min-eral oil may comprise at least 50 wt%cyclic alkanes. In some embodiments, the mineral oil may be a naphthenic mineral oil. In some embodiments, the lubricant may further comprise alkylated naphthalene. If present, the alkylated naphthalene may be present in  the lubricant at up to 50 wt%, based on a total weight of the lubricant. In some embodi-ments, the alkylated naphthalene may be present in the lubricant at 3 to 35 wt%, based on a total weight of the lubricant.

[0012] In some embodiments, the lubricant may further comprise at least one phe-nolic anti-oxidant (butylated hydroxytoluene) . In the same or different embodiments, the lubricant may further comprise at least one friction modifier that is oleyl amide, glycerol monooleate, or mixtures thereof. In the same or different embodiments, the lubricant may further comprise at least one anti-wear and / or extreme pressure agent that is an amine salt of alkyl phosphate ester. In the same or different embodiments, the lubricant may further comprise at least one corrosion inhibitor (for example, a heterocyclic tria-zole, such as benzotriazole) .

[0013] The lubricant disclosed herein may have improved chemical stability as measured using the methods of ANSI / AHSRAE 97 –Sealed Glass Tube Method to Test the Chemical Stability of Materials for Use within Refrigerant Systems. Accordingly, in some embodiments, the lubricant’s change in Total Acid Number after an ASHRAE 97 test mat be less than 0.15 (or 0.15, or 0.1, 0.075, or 0.05) mg KOH / g. In the same or dif-ferent embodiments, the amount of lead in the lubricant after an ASHRAE 97 test may be less than 1.0 ppm (or less than 0.5 ppm) by mass.

[0014] The lubricants disclosed herein are useful as compressor lubricants, for exam-ple refrigeration compressors. Accordingly, a composition comprising a lubricant as de-scribed above and a natural refrigerant as described above is disclosed. In some embodi-ments, the composition may comprise a natural refrigerant that is at least one of carbon dioxide, water, ammonia, or a hydrocarbon. In some embodiments, the natural refriger-ant may be a hydrocarbon, including, but not limited to, ethane, propane, propene, iso-butane, linear butane, pentane, linear pentane, or mixtures thereof. In some embodi-ments, the natural refrigerant may be a saturated hydrocarbon and / or substantially free of halogenated carbon compounds. In some embodiments, the hydrocarbon may be iso-butane.

[0015] Refrigeration systems charged with the lubricant and / or compositions as de-scribed above are disclosed herein. Methods of improving the stability and / or anti-wear properties of a lubricant are also disclosed. The method may comprise adding 0.5 to 6 wt%of at least one aryl phosphate to the lubricant. The lubricant may comprise a base oil that is a mineral oil. In some embodiments, the lubricant may comprise at least 50  wt%(or at least 60, or at least 65, or at least 70 to 97 wt%) of a mineral oil. The lubri-cant may have a kinematic viscosity at 40 ℃ ranging from about 1.5 to about 4 cSt (or 1.5 to 3.5, or 1.5 to 3, or 2.7 cSt) .

[0016] Uses at least one aryl phosphate in a lubricant are also disclosed. The dis-closed aryl phosphates may improve the stability and / or anti-wear properties of a lubri-cant comprising at least 50 wt% (or at least 60, or at least 65, or at least 70 to 97 wt%) of a mineral oil; and wherein the lubricant has a kinematic viscosity at 40 ℃ ranging from about 1.5 to about 4 cSt (or 1.5 to 3.5, or 1.5 to 3, or 2.7 cSt) .

[0017] The methods and uses disclosed herein are particularly suitable for use in re-frigeration systems to improve a lubricant’s stability in the presence of a natural refrig-erant.

[0018] BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

[0019] FIG. 1 shows the Stribeck curves for the 3.3 viscosity grade lubricants (EX 1 Comp, EX 2 Comp, and EX 3 Inv) .

[0020] FIG. 2 shows the Stribeck curves for the 2.7 viscosity grade lubricants (EX 4 Comp, EX 5 Inv, and EX 6 Inv) .DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[0021] Various preferred features and embodiments will be described below by way of non-limiting illustration. The technology disclosed herein provides lubricant compo-sitions for use with natural refrigerants, wherein the lubricant comprises at least 50 wt%(or at least 60, or at least 65, or at least 70 to 97 wt%) of a mineral oil; and 0.5 to 6 wt%of at least one aryl phosphate. The lubricant improves compressor efficiency because it has a relatively low kinematic viscosity at 40 ℃ ranging from about 1.5 to about 4 cSt (or 1.5 to 3.5, or 1.5 to 3, or 2.7 cSt) .

[0022] Mineral Oil

[0023] The mineral oil utilized in the disclosed lubricant is not overly limited and can be any oil composition selected from any of the base oils in Groups I-III as specified in the American Petroleum Institute (API) Base Oil Interchangeability Guidelines. In some embodiments, a mixture of mineral oil and synthetic oils, from Groups IV-V, such as polyalphaolefin oils and polyester oils, may be used. The five base oil groups are as follows:

[0024] Accordingly, in some embodiments, the lubricant base oil may be a mineral oil, for example, a naphthenic mineral oil, a paraffinic mineral oil, or mixtures thereof. In some embodiments the mineral oil utilized in the disclosed lubricant is a saturated mineral oil. In some embodiments, the mineral oil may comprise at least 50 wt%cyclic alkanes. In some embodiments, the mineral oil may be a naphthenic mineral oil. In some embodiments, the lubricant may further comprise alkylated naphthalene. If present, the alkylated naphthalene may be present in the lubricant at up to 50 wt%, based on a total weight of the lubricant. In some embodiments, the alkylated naphthalene may be present in the lubricant at 3 to 35 wt%, based on a total weight of the lubricant.

[0025] Natural Regfrigerant

[0026] The lubricant has good stability when used with natural refrigerants, such as carbon dioxide, water, ammonia, or a hydrocarbon. In some embodiments, the natural refrigerant may be a hydrocarbon. Suitable hydrocarbons include, but are not limited to, ethane, propane, propene, isobutane, linear butane, pentane, linear pentane, or mixtures thereof. In some embodiments, the hydrocarbon may be saturated. In the same or differ-ent embodiments, the natural refrigerant may be substantially free of halogenated carbon compounds. In yet other embodiments, the hydrocarbon may be isobutane.

[0027] Anti-wear Agent

[0028] The lubricants disclosed herein comprise at least one antiwear agent that is an aryl phosphate. In the same or different embodiments, the at least one aryl phosphate is a diphenyl or triphenyl phosphate. Suitable aryl phosphates are not overly limited and can include trimethylphenyl phosphate, tributylphenyl phosphate, triisobutylphenyl phosphate, or mixtures thereof. The at least one aryl phosphate may be present at 0.5 to 2.5 wt% (or 1 to 1.5 wt%) , based on a total weight of the lubricant. In some embodi-ments, the at least one aryl phosphate is tris (2-methylphenyl) phosphate, tris (2-tert-bu-tyl) phenyl phosphate, or mixtures thereof.

[0029] In some embodiments, the least one aryl phosphate may have at least one sul-fur atom. The sulfonated aryl phosphate may be present at 0.5 to 3 wt% (or 0.5 to 2.5 wt%) , based on a total weight of the lubricant. In some embodiments, the at least one sulfur atom may be connected to a phosphorus atom by a double bond. In some embodi-ments, the at least one aryl phosphate is O, O, O-triphenyl phosphorothioate.

[0030] In some embodiments, the lubricant may have at least two aryl phosphates, wherein at least one aryl phosphate has at least one sulfur atom and is present at 0.5 to 3 wt%, based on a total weight of the lubricant. In other embodiments, the at least one aryl phosphate having at least one sulfur atom may be O, O, O-triphenyl phosphorothioate. In the same or different embodiments, the second aryl phosphate may be trimethylphenyl phosphate, tributylphenyl phosphate, triisobutylphenyl phosphate, or mixtures thereof. The second aryl phosphate may be present at 0.5 to 2.5 wt% (or 1 to 1.5 wt%) , based on a total weight of the lubricant. In some embodiments, the second aryl phosphate may be tris (2-methylphenyl) phosphate, tris (2-tert-butyl) phenyl phosphate, or mixtures thereof. In some embodiments, the at least one aryl phosphate is tris (2-methylphenyl) phosphate. In other embodiments, the at least one aryl phosphate is tris (2-tert-butyl) phenyl phos-phate.

[0031] In the same or different embodiments, the lubricant may further comprise at least one anti-wear and / or extreme pressure agent in addition to the anti-wear agents de-scribed above. The additional anti-wear and / or extreme pressure agents include, but are not limited to, amine salts of alkyl phosphate esters.

[0032] Antioxidant

[0033] In some embodiments, the lubricant may further comprise at least one phe-nolic antioxidant. Suitable phenolic antioxidants include substituted phenols that con-tains at least one alkyl substituent group. In some embodiments the phenolic antioxidant includes compounds free of nitrogen which are also ashless. In some embodiments the phenolic antioxidant includes a substituted phenol containing at least two branched alkyl substituent groups. In some embodiments the phenolic antioxidant comprises a substi-tuted phenol containing at least two branched alkyl substituent groups and further con-taining an ester-containing substituent group.

[0034] The phenolic antioxidant can include sterically hindered phenols that contain an alkyl group ortho to the hydroxyl group, two alkyl groups ortho to the hydroxyl group that occupy the 2-position and 6-position of the phenolic ring, or a mixture thereof. The alkyl groups can contain 1 to 24 carbon atoms and in other instances 3 to  18 and 3 to 12 carbon atoms. The alkyl groups can be linear, branched to include tertiary alkyl groups, or a mixture thereof. The sterically hindered phenol can also contain one or more additional alkyl groups and / or one or more hydrocarbyl groups such as a propi-onate ester group. Useful sterically hindered phenols can include ortho-alkylated phe-nolic compounds such as for example 2, 6-ditertbutylphenol, 4-methyl-2, 6-di-tertbu-tylphenol, 2, 4, 6-tritertbutylphenol, 2-tert-butylphenol, 2, 6-diisopropylphenol, 2-methyl-6-tert-butylphenol, 2, 4-dimethyl-6-tert-butylphenol, 4- (N, N-dimethylaminomethyl) -2, 6-di-tertbutyl phenol, 4-ethyl-2, 6-di-tertbutylphenol, and their analogs and homologs. Mixtures of two or more such mononuclear phenol compounds are also suitable.

[0035] In some embodiments, the sterically hindered phenol can be represented by the following formula:

[0036] wherein R4 is an alkyl group containing 1 up to 24 carbon atoms and a is an integer of 1 to 5. In some embodiments R4 contains 4 to 18 carbon atoms or even from 4 to 12 car-bon atoms. R4 may be either straight chained or branched chained, and in some embodi-ments is branched. The value for a can be 1 to 4, 1 to 3, or 2, or 3. In some embodiments the phenol is a butyl substituted phenol containing 2 or 3 t-butyl groups. In some em-bodiments one R4 group is located in the 4th position on the ring and is hydrogen, a hy-drocarbyl such as methyl, ethyl, or dodecyl. In any of these embodiments, when a is 2 and t-butyl groups occupy the 2-and 6-positions of phenol, the phenol is extremely ste-rically hindered and has the following structure:

[0037] In one embodiment, the sterically hindered phenol can be represented by the following formula:

[0038] wherein the t-alkyl groups can have 4 to 8 carbon atoms, and R3 is a straight chain or branched chain alkyl group containing 2 to 22, 2 to 8, 2 to 6 carbon atoms or even just 4 carbon atoms. R3 is desirably a 2-ethylhexyl group or an n-butyl group. In one embodi-ment, the phenolic antioxidant Hindered, ester-substituted phenols such as those of for-mula (III) can be prepared by heating a 2, 6-dialkylphenol with an acrylate ester under base catalysis conditions such as aqueous KOH. In another embodiment, the sterically hindered phenol is an alkylation reaction product of an alkylphenol such as a do-decylphenol and isobutylene to form a product containing a di-t-butylated alkylphenol. In yet other embodiments, the phenolic antioxidant may be a sterically hindered phenol having two or more alkyl substituents that contain 1 to 24 carbon atoms and that occupy the 2-position and 6-position of the phenolic ring.

[0039] The phenolic antioxidant can also include an alkylene or alkylidene coupled sterically hindered phenol oligomer. The coupled sterically hindered phenol oligomer can contain two or more phenolic rings where each ring is occupied at the 2-, 4-and 6-positions by an alkyl group such as a methyl or t-butyl group or an arylalkyl group such as a 3, 5-di-t-butyl-4-hydroxybenzyl group. The alkylene and alkylidene coupling groups can be respectively methylene and ethylidene groups. The alkyl groups can have 1 to 24 carbon atoms and in other instances can have 3 to 18 and 3 to 12 carbon atoms. The al-kyl groups can be linear, branched to include tertiary alkyl groups, or a mixture thereof. The coupled sterically hindered phenol oligomer can include a mixture of two or more oligomers where each oligomer contains a different number of phenolic rings. The cou-pling of the phenolic rings in an oligomer can be at ortho ring positions, at para ring po-sitions, or at a mixture of ortho and para ring positions.

[0040] In one embodiment, the phenolic antioxidant is a coupled alkylphenol which can be represented by the formula:

[0041] wherein each R5 is independently a tertiary alkyl group containing from 4 to about 8 car-bon atoms, each of X, Y and Z is independently hydrogen or a hydrocarbon radical, each R6 is independently an alkylene or alkylidene group, and n is a number ranging from 0 to about 4. Each R5 group must be a tertiary alkyl group. Tertiary alkyl groups have the general structure:

[0042] wherein each of J, K and L is an alkyl group of 1-4 carbon atoms. Representative ter-tiary alkyl groups are tertiary butyl, tertiary amyl, tertiary hexyl and tertiary octyl. The R5 groups may be the same or different. In some embodiments all R5 are the same, and in still further embodiments are all tertiary butyl groups. Each R6 is independently a di-valent group such as an alkylene or an alkylidene group. These groups may be substi-tuted for example by various hydrocarbyl groups such as alkyl and aryl groups. Repre-sentative examples of suitable R6 groups are methylene, ethylene, propylene, phenyl substituted methylene, methyl substituted methylene, methyl substituted ethylene and the like. Typically, each R6 contains from one to about 10 carbon atoms, or from one to about three carbon atoms. In one embodiment, R6 is phenyl substituted methylene. In another embodiment, each is methylene, that is a group of the formula –CH2-. Each X, Y and Z is independently hydrogen or a hydrocarbon-based group. These groups may be the same or different. In one embodiment, each of X, Y and Z is independently an ali-phatic hydrocarbon group. Thus, each of these groups will contain at least one carbon atom but may contain more. In still further embodiments they contain from 1 to about 500 carbon atoms, from 4 to about 100 carbon atoms, or even from about 4 to about 30 carbon atoms.

[0043] In an embodiment of the invention the phenolic antioxidant is a methylene coupled oligomer of a sterically hindered phenol such as for example 4, 4’ -methylene- bis(6-tert-butyl-2-methylphenol) , 4, 4’ -methylene-bis (2-tert-amyl-6-methylphenol) , 2, 2’ -methylene-bis (4-methyl-6-tert-butylphenol) , 4, 4’ methylene-bis (2, 6-di-tert-butylphenol) , and similar compounds. In one embodiment of this invention a methylene coupled oligo-mer of a sterically hindered phenol is 2, 2’ -methylene-bis (6-tert-butyl-4-dodecylphenol) . In one embodiment, the phenolic antioxidant comprises butylated hydroxytoluene. The phenolic antioxidant may be present at 0.01 to 3 wt%, 0.05 to 0.2 wt%, or 0.1 to 1 wt%, based on a total weight of the lubricant.

[0044] Flow Improver  /  Friction Modifier

[0045] In the same or different embodiments, the lubricant may comprise a flow im-prover. Flow improvers include additives that improve low temperature flow of fluids, known as cold flow additives, and friction modifying additives that improve the laminar flow properties of a fluid by reducing thermal increase resulting from frictional drag of fluids subjected to laminar flow across surfaces to be cooled. Suitable cold flow improv-ers include pourpoint depressants. Examples of friction reducing additives include glyc-erol mono-oleate, oleyl amide, molybdenum dithiocarbamates, fatty or waxy alcohols, amides or esters, and combinations thereof. The flow improver, if present, may be pre-sent at 0.01 to 3 wt%, 0.05 to 0.2 wt%, or 0.1 to 1 wt%, based on a total weight of the lubricant. In the same or different embodiments, the lubricant may further comprise at least one friction modifier that is oleyl amide, glycerol monooleate, or mixtures thereof. Corrosion inhibitors

[0046] In the same or different embodiments, the lubricant may comprise at least one corrosion inhibitor. Suitable corrosion inhibitors include, but are not limited to benzotriazole, methyltolyltriazole, or combinations thereof. The corrosion inhibitor, if present, may be present at 0.01 to 3 wt%, 0.01 to 0.2 wt%, or 0.01 to 0.03 wt%, based on a total weight of the lubricant. Accordingly, in some embodiments, the lubricant may further comprise at least one corrosion inhibitor (for example, a heterocyclic tria-zole, such as benzotriazole) .

[0047] The lubricant disclosed herein may have improved chemical stability as measured using the methods of ANSI / AHSRAE 97 –Sealed Glass Tube Method to Test the Chemical Stability of Materials for Use within Refrigerant Systems. Accordingly, in some embodiments, the lubricant’s change in Total Acid Number after an ASHRAE 97 test may be less than 0.15 (or 0.15, or 0.1, 0.075, or 0.05) mg KOH / g. In the same or different embodiments, the amount of lead in the lubricant after an ASHRAE 97 test  may be less than 1.0 ppm (or less than 0.5 ppm) by mass. In the same or different em-bodiments, the amount of other metals, such as copper, aluminum, or both, after an ASHRAE 97 test may be less than 1.0 ppm (or less than 0.5 ppm) by mass.

[0048] The lubricants disclosed herein are useful as compressor lubricants, for exam-ple refrigeration compressors. Accordingly, a composition comprising a lubricant as de-scribed above and a natural refrigerant as described above is disclosed. In some embodi-ments, the composition may comprise a natural refrigerant that is at least one of carbon dioxide, water, ammonia, or a hydrocarbon. In some embodiments, the natural refriger-ant may be a hydrocarbon, including, but not limited to, ethane, propane, propene, iso-butane, linear butane, pentane, linear pentane, or mixtures thereof. In some embodi-ments, the natural refrigerant may be a saturated hydrocarbon and / or substantially free of halogenated carbon compounds. In some embodiments, the hydrocarbon may be iso-butane.

[0049] Refrigeration systems charged with the lubricant and / or compositions as de-scribed above are disclosed herein. Methods of improving the stability and / or anti-wear properties of a lubricant are also disclosed. The method may comprise adding 0.5 to 6 wt%of at least one aryl phosphate to the lubricant. The lubricant may comprise a base oil that is a mineral oil. In some embodiments, the lubricant may comprise at least 50 wt% (or at least 60, or at least 65, or at least 70 to 97 wt%) of a mineral oil, which may optionally be saturated. The lubricant may have a kinematic viscosity at 40 ℃ ranging from about 1.5 to about 4 cSt (or 1.5 to 3.5, or 1.5 to 3, or 2.7 cSt) . In some embodi-ments, the lubricant’s hydrolytic stability may also be improved.

[0050] Uses of at least one aryl phosphate in a lubricant are also disclosed. The dis-closed aryl phosphates may improve the stability and / or anti-wear properties of a lubri-cant comprising at least 50 wt% (or at least 60, or at least 65, or at least 70 to 97 wt%) of a mineral oil, which may optionally be saturated; and wherein the lubricant has a kin-ematic viscosity at 40 ℃ ranging from about 1.5 to about 4 cSt (or 1.5 to 3.5, or 1.5 to 3, or 2.7 cSt) . In some embodiments, the lubricant’s hydrolytic stability may also be im-proved.

[0051] The methods and uses disclosed herein are particularly suitable for use in re-frigeration systems to improve a lubricant’s stability in the presence of a natural refriger-ant.

[0052] The amount of each chemical component described is presented exclusive of any solvent or diluent oil, which may be customarily present in the commercial material,  that is, on an active chemical basis, unless otherwise indicated. However, unless otherwise indicated, each chemical or composition referred to herein should be interpreted as being a commercial grade material which may contain the isomers, by-products, derivatives, and other such materials which are normally understood to be present in the commercial grade.

[0053] As used herein, the term “hydrocarbyl” refers to a group having a carbon atom directly attached to the remainder of the molecule, where the group includes at least car-bon and hydrogen atoms. If the hydrocarbyl group comprises more than one carbon atom, then those carbons need not necessarily be linked to each other. For example, at least two of the carbons may be linked via a suitable element or group. In various embodiments, the term “hydrocarbyl” refers to a group having a carbon atom directly attached to the re-mainder of the molecule, where the group consists of carbon, hydrogen, optionally one or more heteroatoms provided the heteroatoms do not alter the predominantly hydrocarbon nature of the substituent. The heteroatom may link at least two of the carbons in the hy-drocarbyl group, and optionally no more than two non-hydrocarbon substituents. Suitable heteroatoms will be apparent to those skilled in the art and include, for instance, sulphur, nitrogen, oxygen, phosphorus and silicon. Where the hydrocarbyl contains heteroatoms, optionally, no more than two heteroatoms will be present for every ten carbon atoms in the hydrocarbyl group. Suitable non-hydrocarbon substituents will also be apparent to those skilled in the art and include, for instance, halo, hydroxy, alkoxy, mercapto, alkyl-mercapto, nitro, nitroso, and sulphoxy.

[0054] Examples of hydrocarbyls within the context of the present technology there-fore include:

[0055] i. hydrocarbon groups selected from aliphatic (e.g. alkyl or alkenyl) , alicyclic (e.g. cycloalkyl, cycloalkenyl, cycloalkadienyl) , and aromatic groups;

[0056] ii. substituted hydrocarbon groups, selected from hydrocarbon groups defined in (i) substituted with no more than two non-hydrocarbon substituents and / or one or more hydrocarbon substituents, the non-hydrocarbon substituents being selected from the group consisting of halo, hydroxy, alkoxy, mercapto, alkylmercapto, nitro, nitroso, and sulphoxy;

[0057] iii. hetero-containing hydrocarbon groups, selected from hydrocarbon groups defined in (i) containing one or more heteroatom in the ring or chain, provided that the group has no more than two heteroatoms present for every ten carbon atoms in the group, the heteroatoms being selected from sulphur, nitrogen, oxygen, phosphorus  and silicon. The hetero-containing hydrocarbon groups may be substituted with no more than two non-hydrocarbon substituents and / or one or more hydrocarbon sub-stituents.

[0058] In some embodiments, the term “hydrocarbyl” refers to a group having carbon atoms directly attached to the remainder of the molecule, where the group consists of carbon and hydrogen atoms.

[0059] It is known that some of the materials described above may interact in the final formulation, so that the components of the final formulation may be different from those that are initially added. For instance, metal ions (of, e.g., a detergent) can migrate to other acidic or anionic sites of other molecules. The products formed thereby, including the products formed upon employing the composition of the present invention in its intended use, may not be susceptible of easy description. Nevertheless, all such modifications and reaction products are included within the scope of the present invention; the present in-vention encompasses the composition prepared by admixing the components described above.

[0060] The invention herein is useful as a compressor lubricant for use with natural refrigerants, which may be better understood with reference to the following examples.

[0061] EXAMPLES

[0062] Various mineral oil-based lubricants were prepared to evaluate their efficiency and stability performance. The lubricant compositions are shown in Tabe 1 below.

[0063] Table 1

[0064] The stability of the finished lubricants in the presence of a hydrocarbon refrig-erant (R-600a -isobutane) was tested using the ASHRAE 97 test. ASHRAE 97 test con-ditions are as follows: for each lubricant, 1 set of tubes is prepared, with each set having 4 tubes each. All tubes contain the refrigerant and lubricant in a ratio of 2 to 8 (0.4 g. of refrigerant to 1.6 g. of lubricant) . One set of metal catalyst (copper, aluminum and steel) is also placed in each tube.

[0065] An initial visual assessment of both the liquid and the metal catalyst is made and recorded. The tubes are then aged at a constant temperature of 175℃ for 14 days. After 14 days, the tubes are visually examined for changes in lubricant color, cloudiness of the lubricant, total acid number, ppm metal in oil, flocculation or particulate formation, film formulation, corrosion of the metal catalysts, and copper plating on the surface of the steel catalyst. The visual results are obtained and recorded.

[0066] The color of the lubricant is measured according to ASTM D1500. For this color test, the liquid sample is placed in a test container and compared with colored glass disks using a colorimeter and standard light source. The glass discs range in value from 0.5 to 8.0. The initial color is measured immediately after the tubes are prepared. Aged color is measured after the aging process described above.

[0067] The visual results for both the lubricant and the metals, as compared to unaged tubes are described in Table 2 below. The change in TAN (as measured using ASTM D974) , and the amount of metal in the lubricant (as measured using ICP spectroscopy) in the lubricant (in ppm by mass (mg / kg) ) are also shown in Table 2.

[0068] Table 2 – Chemical Stability Results

[0069] Generally, a lubricant has good stability if it has a low TAN value and there is little or no change in the lubricant and metal coupon appearance after the ASHRAE 97 tests. As can be seen in Table 2, the inventive lubricant compositions of EX 3, EX 5 and EX 6 have significantly lower TAN numbers than the comparative lubricant compositions EX 1, EX 2, and EX 4.

[0070] In some embodiments, the lubricant’s hydrolytic stability may also be im-proved. A lubricant’s hydrolytic stability may be measured, and improvements deter-mined, by using an AHSRAE 97 test that has been modified through the inclusion of 1000 ppm water to the glass vials.

[0071] The lubricants are also evaluated for their lubrication efficiency by measuring their friction coefficient using a Mini-Traction Machine ( “MTM” ) . The MTM has a metal ball that rotates on a metal disk. In a first mode of operation, the lubricity of the lubricant is measured under full fluid film conditions (hydrodynamic lubrication) . The speed of the  ball and disk are ramped simultaneously at a slide-roll-ratio of 50%and the coefficient of friction is measured as a function of entrainment speed at constant load and temperature (Stribeck Curve) . This means that the ball is always moving at 50%of the speed of the rotating disk as the speed of the disk is ramped. As the speed of the disk and ball are increased there is a pressure build up at the front of the rolling / sliding contact due to the movement of the lubricant to either side of the metal-metal contact. At some point the speed becomes fast enough and the pressure becomes sufficient to result in lubricant en-trainment between the ball and the disk contact points. At this point the system is under hydrodynamic lubrication; meaning that the lubrication is controlled by the integrity of the film between the ball and disk. A lower coefficient of friction at high entrainment speeds indicates a lubricant with better lubricity performance.

[0072] In a second mode of operation (used to obtain the measurements shown herein) , the lubricity is measured over the total range of lubrication regimes (boundary, mixed film, electrohydrodynamic and hydrodynamic) . In this test, the coefficient of friction is measured at constant load and temperature while chaining the slide to roll ratios (i.e., the ball and smooth disk are rotated at different speeds relative to one another) .

[0073] For both modes of operation, the test is typically conducted at several different fixed temperatures. Coefficient of friction is a direct measurement of the lubricity of the lubricant; the lower the coefficient of friction, the higher the lubricity of the lubricant. It is important to note that for the MTM test, it is only meaningful to compare lubricants of equivalent ISO viscosity.

[0074] The testing conditions for the MTM testing of the examples in Tables 1 and 2 above are as follows. The lubricant temperature is maintained at 60℃. The ball load is 10 N and the slide to roll ratio ( “SRR) is 30%. (i.e., the ball and smooth disk are rotated at different speeds relative to one another) (Traction Curve) . A smooth disc is used. The friction coefficient of the various examples is then measured at various roller speeds.

[0075] As mentioned above, only lubricants of equivalent ISO viscosity should be compared. As such, the Stribeck curves for 3.3 viscosity grade lubricants (EX 1, EX 2, and EX 3) are shown in FIG. 1. The x-axis is the log of the roller speed (mm / s) and the y-axis is the friction coefficient (μ) . The Stribeck curves for 2.7 viscosity grade lubricants (EX 4, EX 5, and EX 6) are shown in FIG. 2. As can be seen in the curves, the inventive examples have coefficients of friction higher than the comparative lubricants having the same viscosity grade. This indicates they are good lubricants offering reduced friction and wear in compressors and other refrigeration systems.

[0076] The results of the VG 3.3 lubricants (EX 1, EX 2, and EX 3) can be summarized as follows. The MTM lubrication efficiency shows that phosphate, especially sulphur-ated phosphate, in the lubricant will improve the friction performance, as indicated by the MTM results of comparative examples EX1 and EX 2 to inventive EX 3. Further, the ASHRAE 97 tests show that the sulphurated phosphate, dithiophosphoric acid ester, is too active for use in compressor applications as indicated by the changes in the metal coupons for EX 1 and EX 2. EX 3, having the claimed aryl phosphate had the best ASHRAE 97 performance of the VG 3.3 lubricants tested.

[0077] The results of the VG 2.7 lubricants (EX 4, EX 5, and EX 6) can be summa-rized as follows. As with the VG 3.3 lubricants, the dithiophosphoric acid ester has the best friction performance, but it is too active for use in compressor applications, as in-dicated by the changes in the metal coupons for EX 4. EX 5 and EX 6, having the claimed aryl phosphate had the best ASHRAE 97 performance of the VG 2.7 lubricants tested.

[0078] Each of the documents referred to above is incorporated herein by reference, including any prior applications, whether or not specifically listed above, from which pri-ority is claimed. The mention of any document is not an admission that such document qualifies as prior art or constitutes the general knowledge of the skilled person in any jurisdiction. Except in the Examples, or where otherwise explicitly indicated, all numeri-cal quantities in this description specifying amounts of materials, reaction conditions, mo-lecular weights, number of carbon atoms, and the like, are to be understood as modified by the word “about” . It is to be understood that the upper and lower amount, range, and ratio limits set forth herein may be independently combined. Similarly, the ranges and amounts for each element of the invention can be used together with ranges or amounts for any of the other elements.

[0079] As used herein, the transitional term “comprising, ” which is synonymous with “including, ” “containing, ” or “characterized by, ” is inclusive or open-ended and does not exclude additional, unrecited elements or method steps. However, in each recitation of “comprising” herein, it is intended that the term also encompass, as alternative embod-iments, the phrases “consisting essentially of” and “consisting of, ” where “consisting of” excludes any element or step not specified and “consisting essentially of” permits the inclusion of additional unrecited elements or steps that do not materially affect the basic and novel characteristics of the composition or method under consideration.

[0080] While certain representative embodiments and details have been shown for the purpose of illustrating the subject invention, it will be apparent to those skilled in this art that various changes and modifications can be made therein without departing from the scope of the subject invention. In this regard, the scope of the invention is to be limited only by the following claims.

Claims

1.A lubricant for use with natural refrigerants, wherein the lubricant comprises:a. at least 50 wt% (or at least 60, or at least 65, or at least 70 to 97 wt%) of a mineral oil; andb. 0.5 to 6 wt%of at least one aryl phosphate,wherein the lubricant has a kinematic viscosity at 40 ℃ of 1.5 to 4 cSt (or 1.5 to 3.5, or 1.5 to 3, or 2.7 cSt) .2.The lubricant of claim 1, wherein the mineral oil is saturated.3.The lubricant of claim 1 or 2, wherein the natural refrigerant is at least one of carbon dioxide, water, ammonia, or a hydrocarbon.4.The lubricant of claim any one of claims 1 to 3, wherein the natural refrigerant is a hydrocarbon.5.The lubricant of claim 3 or 4, wherein the hydrocarbon is ethane, propane, propene, isobutane, linear butane, pentane, linear pentane, or mixtures thereof.6.The lubricant of any one of claims 3 to 5, wherein the hydrocarbon is saturated.7.The lubricant of any one of claims 1 to 6, wherein the natural refrigerant is substan-tially free of halogenated carbon compounds.8.The lubricant of any one of claims 3 to 7, wherein the hydrocarbon is isobutane.9.The lubricant of any one of claims 1 to 8, wherein the at least one aryl phosphate is a diphenyl or triphenyl phosphate.10.The lubricant of claim 9, wherein the at least one aryl phosphate is trimethylphenyl phosphate, tributylphenyl phosphate, triisobutylphenyl phosphate, or mixtures thereof, and is present at 0.5 to 2.5 wt% (or 1 to 1.5 wt%) , based on a total weight of the lubricant.11.The lubricant of claim 10, wherein the at least one aryl phosphate is tris (2-methylphenyl) phosphate, tris (2-tert-butyl) phenyl phosphate, or mixtures thereof.12.The lubricant of any one of claims 1 to 11, wherein the at least one aryl phosphate has at least one sulfur atom and is present at 0.5 to 3 wt% (or 0.5 to 2.5 wt%) , based on a total weight of the lubricant.13.The lubricant of claim 12, wherein the at least one sulfur atom is connected to a phos-phorus atom by a double bond.14.The lubricant of claim 12 or 13, wherein the at least one aryl phosphate is O, O, O-triphenyl phosphorothioate.15.The lubricant of any one of claims 1 to 4, wherein the lubricant has at least two aryl phosphates and wherein at least one aryl phosphate has at least one sulfur atom and is present at 0.5 to 3 wt%, based on a total weight of the lubricant.16.The lubricant of claim 15, wherein the at least one aryl phosphate having at least one sulfur atom is O, O, O-triphenyl phosphorothioate.17.The lubricant of claim 15 or 16, wherein the second aryl phosphate is trimethylphenyl phosphate, tributylphenyl phosphate, triisobutylphenyl phosphate, or mixtures thereof, and is present at 0.5 to 2.5 wt% (or 1 to 1.5 wt%) , based on a total weight of the lubricant.18.The lubricant of claim 17, wherein the second aryl phosphate is tris (2-methylphenyl) phosphate, tris (2-tert-butyl) phenyl phosphate, or mixtures thereof.19.The lubricant of any one of claims 9 to 18, wherein at least one aryl phosphate is tris (2-methylphenyl) phosphate.20.The lubricant of any one of claims 9 to 18, wherein at least one aryl phosphate is tris (2-tert-butyl) phenyl phosphate.21.The lubricant of any one of claims 1 to 20, wherein the mineral oil is a naphthenic mineral oil, a paraffinic mineral oil, or mixtures thereof.22.The lubricant of any one of claims 1 to 21, wherein the mineral oil comprises at least 50 wt%cyclic alkanes.23.The lubricant of claim 21 or 22, wherein the mineral oil is a naphthenic mineral oil.24.The lubricant of any one of claims 1 to 22, wherein the lubricant further comprises alkylated naphthalene.25.The lubricant of any one of claims 1 to 24, wherein the lubricant further comprises at least one phenolic anti-oxidant (butylated hydroxytoluene) .26.The lubricant of any one of claims 1 to 25, wherein the lubricant further comprises at least one friction modifier that is oleyl amide, glycerol monooleate, or mixtures thereof,27.The lubricant of any one of claims 1 to 26, wherein the lubricant further comprises at least one additional antiwear and / or extreme pressure agent that is an amine salt of alkyl phosphate ester.28.The lubricant of any one of claims 1 to 27, wherein the lubricant further comprises at least one corrosion inhibitor (for example, a heterocyclic triazole, such as benzotria-zole) .29.The lubricant of any one of claims 1 to 28, wherein the change in Total Acid Number after an ASHRAE 97 test is less than 0.15 (or 0.15, or 0.1, 0.075, or 0.05) mg KOH / g.30.The lubricant of any one of claims 1 to 29, wherein the amount of lead in the lubricant after an ASHRAE 97 test is less than 1.0 ppm (or less than 0.5 ppm) by mass.31.A composition comprising:a. the lubricant of any one of claims 1 to 29; andb. a natural refrigerant.32.The composition of claim 31, the natural refrigerant is at least one of carbon dioxide, water, ammonia, or a hydrocarbon.33.The composition of claim 31 or 32, wherein the natural refrigerant is a hydrocarbon.34.The composition of claim 32 or 33, wherein the hydrocarbon is ethane, propane, pro-pene, isobutane, linear butane, pentane, linear pentane, or mixtures thereof.35.The composition of any one of claims 32 to 34, wherein the hydrocarbon is saturated.36.The composition of any one of claims 31 to 35, wherein the natural refrigerant is sub-stantially free of halogenated carbon compounds.37.The composition of any one of claims 31 to 36, wherein the hydrocarbon is isobutane.38.A refrigeration system charged with the lubricant of any one of claims 1 to 30.39.A refrigeration system charged with the composition of any one of claims 31 to 38.40.A method of improving the stability and / or anti-wear properties of a lubricant, the method comprising:a. adding 0.5 to 6 wt%of at least one aryl phosphate to the lubricantwherein the lubricant comprises at least 50 wt% (or at least 60, or at least 65, or at least 70 to 97 wt%) of a mineral oil, which may optionally be saturated; andwherein the lubricant has a kinematic viscosity at 40 ℃ of 1.5 to 4 cSt (or 1.5 to 3.5, or 1.5 to 3, or 2.7 cSt) .41.The use of at least one aryl phosphate to improve the stability and / or anti-wear prop-erties of a lubricant comprising at least 50 wt% (or at least 60, or at least 65, or at least 70 to 97 wt%) of a mineral oil, which may optionally be saturated; andwherein the lubricant has a kinematic viscosity at 40 ℃ of 1.5 to 4 cSt (or 1.5 to 3.5, or 1.5 to 3, or 2.7 cSt) .42.The method or use of claim 40 or 41, wherein the lubricant is used in a refrigeration system.43.The method or use of any one of claims 40 to 42, wherein the lubricant’s stability is improved in the presence of a natural refrigerant.44.The method or use of any one of claims 40 to 43, wherein the lubricant’s stability is improved as measured using the ASHRAE 97 test.

Images