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研究表明，混合轴承可以在不使用传统油润滑的情况下有效工作。设计人员正在研究将这些轴承集成到用于大型空调和制冷系统的压缩机中的潜在好处。

在该应用中避免使用油作为润滑介质将克服对复杂的油分离器和密封件的需要。在压缩机设计中加入混合轴承将允许制冷剂本身用作润滑剂。

消除油润滑的优势包括消除许多与冷水机中油基压缩机润滑系统相关的压缩机故障模式、减少部件数量、避免与油润滑和制冷剂混合在一起相关的问题，以及可能更高效和可靠的运行。此外，该系统将更加环保，因为石油可能会对环境造成破坏。

将来，空调和制冷系统中使用的压缩机可以设计成避免使用油进行润滑。在压缩机设计中加入混合轴承可以让制冷剂本身用作润滑剂。混合轴承面临的一个挑战是开发具有成本效益的高质量陶瓷滚动元件制造技术。随着技术的进步，陶瓷球的成本在过去10年中大幅下降，预计陶瓷辊也将遵循同样的发展方向。钢滚道的表面纹理和曲率设计、陶瓷部件的质量和轴承保持架的设计是开发用于纯制冷剂润滑的混合轴承的其他重要考虑因素。

某公司工程和研究中心的研究人员在 1990 年代初期进行了研究，以测试在传统全钢轴承中使用制冷剂稀释润滑油的影响。在目前设计的压缩机中，很难避免油被制冷剂稀释，了解稀释如何影响轴承性能很重要。结果发现，传统的全钢轴承在 20% 至 30% 的稀释水平下开始出现润滑不足的迹象。这导致了对替代轴承设计的研究，以改善这些低润滑情况下的轴承运行和寿命。研究表明，很难找到混合轴承的极限稀释比。最后，在 1996 年，混合轴承在纯制冷剂中运行，并且轴承在测试结束时处于如新的状态。这是一个关键的测试结果，它开辟了使用制冷剂作为混合轴承润滑剂的可能性。

在最近的分析研究中，已经发现制冷剂实际上可以形成弹性流体动力润滑膜。这是可能的，因为在滚动元件和轴承滚道之间的接触区域产生的非常高的压力下，油等制冷剂会增加其粘度。这种增加不像润滑油那样显着，但足以产生非常薄的润滑油膜。在传统的全钢轴承中，这种薄膜不足以润滑，但陶瓷/钢材料组合和混合轴承的其他特性允许使用这种非常薄的制冷剂薄膜可靠运行。以前认为不可能使用制冷剂作为润滑剂，因为大多数制冷剂的粘度较低。

一、有前途的应用

制冷剂润滑压缩机的一个应用是冷水机，冷水机生产用于大型空调系统和工业过程的冷水。冷水机使用制冷剂来冷却水，然后将其用作工业过程中的冷却介质或在建筑物中提供空调。

制冷量超过 500 吨的大容量冷水机通常配备离心式压缩机。通常每个冷水机都有一个压缩机。离心式压缩机具有一个或多个旋转叶轮。叶轮的转速由叶轮圆周速度决定。大型直接驱动叶轮轴以 3,000 rpm 或 3,600 rpm 的速度旋转，而齿轮驱动的高速叶轮轴以超过 10,000 rpm 的速度旋转。轴承的运行条件存在困难的润滑问题。

传统的压缩机设计有分离系统来分离出与制冷剂混合的油，这样油就可以用作轴承润滑剂。由于制冷剂通常是非常好的溶剂，因此很难避免油被制冷剂稀释。

二、冷水机压缩机类型 冷水机

主要使用三种压缩机类型——用于小型冷水机的涡旋式压缩机、用于中型冷水机的螺杆式压缩机和用于大型冷水机的离心式压缩机。离心式压缩机采用直接驱动或齿轮驱动设计。在直接驱动设计中，驱动电机的转子直接安装在与叶轮相同的轴上。在齿轮传动设计中，叶轮轴传动是通过一个增速齿轮。

在螺杆式压缩机中，油不仅用于润滑轴承，还被注入压缩腔以冷却制冷剂气体并密封螺杆与机壳之间的泄漏通道。注入压缩腔的油被制冷剂稀释。即使使用油分离器，在将油输送到轴承之前，也无法完全去除制冷剂。

如果在螺杆压缩机中使用制冷剂润滑的混合轴承，则可以通过注入液态制冷剂代替将油注入压缩腔，或者可以将压缩机设计为高速运行，以最大程度地减少内部泄漏。

三、无油

在离心式压缩机中，压缩腔内没有喷油。油仅用于轴承润滑。然而，在齿轮传动设计中，油用于润滑齿轮。在离心式压缩机中，直接驱动设计似乎更适合制冷剂润滑，因为不需要润滑齿轮。

无需油润滑的能力将简化设计并节省成本。消除油润滑的具体优势包括消除许多与油基冷却器润滑系统相关的冷却器故障模式、减少部件数量、与油和制冷剂混合在一起相关的问题以及可能更高效的运行。

油对制冷剂的污染也是冷水机中使用的热交换器中发生热传递的一个因素。油往往会降低传热效率。这意味着无油压缩机可能意味着获得更高的冷却器效率，或者，对于给定的效率，热交换器的尺寸可能更小。

不使用机油还有一个环境效益，因为冷水机中的机油可能会在冷水机维修过程中流失，而机油会以某种方式最终污染环境。

四、陶瓷元件

混合轴承使用由氮化硅制成的陶瓷滚动元件。制造过程包括制作氮化硅粉末坯料，在非常高的压力下压缩该坯料并在烘箱中烘烤以将粉末烧结成均质材料。然后将毛坯研磨成高精度的球或滚子。不允许有孔隙或嵌入污染物。由于毛坯硬度高，必须用工业金刚石进行打磨。研磨时间可达数百小时。制冷剂润滑混合轴承不允许出现磨削过程中的磨削缺陷或表面痕迹。

通常，陶瓷滚动元件的密度低 60%，弹性模量高 50%，膨胀率仅为全钢轴承的 30%，摩擦系数约为全钢轴承的 20%。钢种。

陶瓷滚动体的低密度显着降低了运行中作用在滚动体上的离心力。这减少了内部轴承载荷并有助于更好地分配内部载荷。较高的弹性模量可减少摩擦并使轴承刚度更高。低摩擦和高刚度允许高运行速度。陶瓷滚动元件和硬化钢环的组合是一种可防止金属磨损或磨损（也称为粘着磨损）的材料组合。

五、更小的接触面积

更高的弹性模量也意味着滚动元件和滚道之间的接触面积将更小，因为陶瓷材料在负载下的变形更小。这意味着必须使用特殊的滚道曲率来优化接触应力和轴承摩擦之间的平衡。

压缩机设计的主要挑战之一是确保在压缩机的工作流体充当润滑剂的情况下，在所有操作条件下都有足够的流体用于润滑。在润滑剂供应中断或启动时延迟供应的情况下，流体动力轴承解决方案将无法运行。某公司工程和研究中心的工作表明，当使用以制冷剂作为润滑剂的混合轴承时，陶瓷滚动元件和滚道之间存在一层弹性流体动力薄膜。即使陶瓷滚动元件确实与制冷剂膜上的钢滚道发生瞬时接触，但这些部件由不同材料制成的事实降低了这些轴承类型焊接在一起的敏感性，

将制冷剂输送到轴承进行润滑时，重要的是它完全处于液态。这是为了确保正确的薄膜形成，并避免一定比例的制冷剂可能闪蒸成气态，从而导致润滑不足的潜在情况。必须控制制冷剂流向轴承位置的速率，以确保适当的润滑和冷却。

使用混合轴承的冷水机组压缩机的前景提供了性能、效率、成本和环境优势。用于此类应用的混合陶瓷轴承必须采用正确的材料组合、质量规格、内部几何形状和表面纹理进行设计。

无油运行的概念也可用于其他应用，例如产品润滑泵轴承。例如，在炼油厂运营中，使用由泵送的石化产品润滑的轴承提供了简化泵设计并提高性能可靠性和安全性的可能性。

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