CN107429953A - 低油制冷剂和蒸汽压缩系统 - Google Patents

Abstract

一种蒸汽压缩系统(20)具有：离心式压缩机(22)，其具有入口(40)和出口(42)；以及电动机(28)，其具有定子(30)和转子(32)。多个轴承(36)支撑所述转子。制冷剂充注物包含基础制冷剂和一种或多种油。所述一种或多种油以按重量计80‑5000百万分之一(ppm)的总浓度存在。

Description

低油制冷剂和蒸汽压缩系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年3月30日提交且题为“Low-Oil Refrigerants and VaporCompression Systems”的美国专利申请号62/140,086的权益，正如详细阐述的，所述美国专利申请的公开内容以引用的方式全部并入本文中。

背景

本公开涉及压缩机润滑。更具体地，本公开涉及离心式压缩机润滑。

典型的离心式冷冻机在流动制冷剂中的关键位置处用各种水平的润滑剂进行操作。储油器(其通常具有多于一公斤的油)的存在将导致当储油器中的油聚集被添加到分数的分子和分母时，油的总体含量超过1.0重量％。在冷凝器中，浓度将是相对较低的(例如，50ppm至500ppm)。在其他位置处，浓度将是较高的。例如，油槽可以具有60％以上的油。此富含油的部分用于润滑轴承。因此，流向轴承的通常将是远远超过50％的油。在系统中的一个或多个位置处，粗滤器、蒸馏器或其他装置可以用来提取油并使其返回储存器。希望从油可能干扰热传递或其他操作的位置移除油。

长期以来存在对操作冷冻机压缩机以及其他旋转机械和泵而无需专用油系统的希望。David C.Brondum，D.C.、James E.Materne，J.E.、Biancardi，F.R.以及Pandy，D.R于1998年在Purdue大学的1998年国际压缩机大会上提出的“High-Speed，Direct-DriveCentrifugal Compressors for Commercial HVAC Systems”；Pandy，D.R.和Brondum，D.于1996年7月在Purdue大学的1996年国际压缩机工程大会上提出的“Innovative，Small，High-Speed Centrifugal Compressor Technologies”；Sishtla，V.M.在压缩机及其系统的国际大会上提出的“Design and Testing of an Oil-Free Centrifugal Water-CooledChiller”：1999年9月13-15日，英国伦敦城市大学，会议会报，机械工程师学会，1999年，第505-521页。在这些测试中，使用陶瓷球作为滚动元件。

Lapp等人的WO2013085969公开了在氮合金钢座圈上滚动的氮化硅陶瓷球。虽然这已改进轴承的使用寿命，但是由于球和座圈的相互作用而引起的轴承表面的轻度磨损，仍存在对长期可靠性的担心。

概述

本公开的一个方面涉及蒸汽压缩系统，其具有：离心式压缩机，所述离心式压缩机具有入口和出口；以及电动机(28)，所述电动机(28)具有定子和转子。多个轴承支撑转子。制冷剂充注物包含基础制冷剂和一种或多种油。一种或多种油以按重量计80-5000百万分之一(ppm)的总浓度存在。

在其他实施方案的一个或多个实施方案中，压缩机是两级直接驱动压缩机。

在其他实施方案的一个或多个实施方案中，所述系统还包括：冷凝器；蒸发器；抽吸管线，其沿着蒸发器与压缩机的第一级的入口之间的流动路径；流动路径支路，其从第一级的排出口到第二级入口；以及排出管线，其沿着第二级的排出口与冷凝器的入口之间的流动路径。

在其他实施方案的一个或多个实施方案中，所述系统缺少油分离器和储油器。

在其他实施方案的一个或多个实施方案中，所述充注物是至少95重量％的所述基础制冷剂。

在其他实施方案的一个或多个实施方案中，所述多个轴承包括滚动轴承。

在其他实施方案的一个或多个实施方案中，所述基础制冷剂是一种或多种氢氟烯烃、氢氯烯烃和/或氢氯氟烯烃。

在其他实施方案的一个或多个实施方案中，所述基础制冷剂是反1-氯，3，3，3-氟丙烯(R1233zd(E))。

在其他实施方案的一个或多个实施方案中，所述一种或多种油包括一种或多种烃类。

在其他实施方案的一个或多个实施方案中，所述一种或多种油是一种或多种多元醇酯(POE)、聚亚烷基二醇(PAG)、聚乙烯醚(PVE)、烷基苯、聚α烯烃和/或矿物油。

在其他实施方案的一个或多个实施方案中，所述油是由多元醇与中等分子量(C5-C10)一元脂肪酸的缩合反应而形成的受阻多元醇酯。

在其他实施方案的一个或多个实施方案中，所述制冷剂基本上由基础制冷剂和一种或多种油组成。

在其他实施方案的一个或多个实施方案中，除了基础制冷剂、一种或多种油以及水之外，所述制冷剂所具有的所有附加成分中的每一种不超过200ppm。

在其他实施方案的一个或多个实施方案中，所述一种或多种油按重量计以300-700ppm(或200-3000ppm、200-1500ppm、300-1500ppm、以及其他潜在组合)的浓度存在。所述油可以作为所述浓度的单种油或油的子群(例如，单种多元醇酯或多种多元醇酯)存在。

在其他实施方案的一个或多个实施方案中，所述制冷剂包含按重量计的50-200ppm的水污染物。

在其他实施方案的一个或多个实施方案中，所述系统缺少油分离器和储油器。

在其他实施方案的一个或多个实施方案中，用于使用所述系统的方法包括：将制冷剂的润滑流传递到轴承，所述制冷剂具有以按重量计80-5000百万分之一(ppm)的浓度存在的一种或多种油。

在其他实施方案的一个或多个实施方案中，所述流是至少95重量％的所述基础制冷剂。

本公开的另一个方面涉及用于操作蒸汽压缩系统的方法。所述蒸汽压缩系统包括：离心式压缩机，所述离心式压缩机具有入口和出口；以及电动机，所述电动机具有定子和转子。至少一个叶轮联接到电动机。多个轴承支撑转子和叶轮中的至少一个。制冷剂充注物包含基础制冷剂和油。所述方法包括将制冷剂的流传递到轴承，所述制冷剂具有以按重量计80-5000百万分之一(ppm)的浓度存在的油。

在其他实施方案的一个或多个实施方案中，所述油是多元醇酯。

在其他实施方案的一个或多个实施方案中，所述油起反应以在轴承上形成保护涂层。

在其他实施方案的一个或多个实施方案中，所述涂层包括基于金属卤化物的底层和含碳聚合物上层。

一个或多个实施方案的细节在附图和以下描述中进行阐述。其他特征、目标和优点从描述和附图以及权利要求书中将是显而易见的。

附图简述

图1是处于第一操作模式的蒸汽压缩系统的示意图。

图2是处于第二操作模式的系统的示意图。

图3是在轴承座圈基板的顶上的保护层的示意性剖视图。

图4是轴承座圈的显微照片；图4A是图4的显微照片的一部分的放大视图。

图5是轴承座圈的显微照片；图5A是图5的显微照片的一部分的放大视图。

图6是轴承座圈的显微照片；图6A是图6的显微照片的一部分的放大视图。

图7是轴承座圈的显微照片；图7A是图7的显微照片的一部分的放大视图。

图8是轴承座圈的显微照片；图8A是图8的显微照片的一部分的放大视图。

图9是轴承座圈的显微照片；图9A是图9的显微照片的一部分的放大视图。

图10是轴承座圈的显微照片；图10A是图10的显微照片的一部分的放大视图。

图11是轴承座圈的显微照片；图11A是图11的显微照片的一部分的放大视图。

图12是轴承座圈的显微照片；图12A是图12的显微照片的一部分的放大视图。

图13是轴承座圈的显微照片。

各个附图中的相同参考数字和标号指示相同元件。

详细描述

图1示出蒸汽压缩系统20。图1示出与运行状态相关联的流动箭头(以及因此相关联的阀状态)，所述运行状态可以对应于启动状态、或者通常冷凝器与蒸发器之间存在低压差的状态。以下进一步讨论其他运行状态。示例性系统20是具有压缩机22的冷冻机，所述压缩机22驱动致冷剂的再循环流动。示例性压缩机是具有第一级24和第二级26的两级离心式压缩机。两级的叶轮是共同轴串的并且由具有定子30和转子32的电动机28直接驱动。压缩机具有外壳或壳体34，其支撑一个或多个轴承36以进而支撑用于围绕其中心纵向轴线500旋转的转子32，所述中心纵向轴线500形成压缩机的中心纵向轴线。如以下进一步讨论的，轴承是滚动轴承，其中滚动元件的一个或多个圆周阵列径向夹在转子上的内座圈(例如，安装到轴)与壳体上的外座圈(例如，压配合到轴承隔室中)之间。示例性滚动元件包括球、直滚子(例如，包括针状物)和圆锥滚子。示例性轴承是具有钢座圈和陶瓷滚动元件的混合轴承。示例性陶瓷滚动元件是氮化硅陶瓷球。示例性座圈是52100轴承钢环和高氮CrMo马氏体钢环，包括N360(奥地利Kapfenberg的Edelstahl GmbH&Co KG公司的商标)和Cronidur 30(德国Essen的Energietechnik Essen GmbH公司的商标)。

如以下进一步讨论的，示例性蒸汽压缩系统20是基本上无油或无润滑剂的系统。因此，它省略了传统油系统的各种部件，诸如专用油泵、油分离器、储油器等。然而，通常可以用作润滑剂的非常少量的油或其他材料可以包括在整个制冷剂充注物中，以提供远远超出这种材料将预期提供的基本不存在量的润滑的益处。如以下进一步讨论的，少量材料可以与轴承表面起反应以形成保护涂层。因此，即使可以省略传统的油相关部件，也可以存在附加部件以将含有少量材料的制冷剂提供给轴承。在以下讨论中，可以使用诸如“富含油”的术语。-这类术语被理解为用于指定相对于本系统内的其他状态的状态。因此，如应用于图1系统中的位置的“富含油”可以被认为是在传统系统中非常耗油或无油的。

示例性压缩机具有整体入口(入口端口或吸入端口)40和整体出口(出口端口或排出端口)42。在示例性配置中，出口42是第二级26的出口。入口40在入口导片阵列44的上游，所述入口导片阵列44进而在第一级入口46的上游。第一级出口48通过级间管线(级间结构)52联接到第二级入口50。虽然入口导片(IGV)被示出为仅用于第一级，但替代性实现方式可以此外或可替代地具有用于第二级的IGV。在这种情况下，管线240可以转到第二级。另一种变型是具有入口导片的单级压缩机。

如以下进一步讨论的，附加的制冷剂流可以在附加的位置处离开和/或进入压缩机。主制冷剂流动路径54从排出端口42沿着排出管线56以正常操作模式向下游行进到第一热交换器58。在正常操作模式中，第一热交换器是排热式热交换器，即冷凝器。示例性冷凝器是制冷剂-水热交换器，其中制冷剂在管束的运送水流(或其他液体)的管上方经过。冷凝器58具有一个或多个入口和一个或多个出口。示例性主入口被标记为60。示例性主出口被标记为62。示例性出口62是位于冷凝器58的容器底部处的贮槽64的出口。以下示出并讨论了附加的贮槽出口。

示例性系统20是节约型系统，其具有沿着流动路径54在冷凝器下游的节省器70。示例性节省器是具有入口72、液体出口74和蒸汽出口76的闪蒸罐节省器。在示例性实现方式中，蒸汽出口76连接到节省器管线80，所述节省器管线80将节省器流动路径84限定为主流动路径54的返回到可以在级间结构52处的压缩机的节省器端口86的分支。控制阀82(例如，开关螺线管阀)可以沿着节省器管线。主流动路径54从节省器液体出口74向下游行进到第二热交换器88的入口90。在正常操作模式中，示例性热交换器88是吸热式热交换器(例如，蒸发器)。在示例性冷冻机实现方式中，蒸发器88是可以具有容器和管束构造的制冷剂-水热交换器，其中管束运送在正常操作模式中被冷却的水或其他液体。为了简化图示，图1省略了包括用于水或其他热传递流体的流动的入口和出口的细节。蒸发器具有连接到抽吸管线94的主出口92，所述抽吸管线94完成返回入口40的主流动路径54。

若干附加的任选流动路径和相关联导管以及其他硬件被示出从主流动路径54分支并返回主流动路径54。除了节省器流动路径84之外，电动机冷却流动路径100也从流动路径54分支并返回流动路径54。示例性电动机冷却流动路径100包括管线102，所述管线102从在沿着主流动路径的某个部件(示出为贮槽64)上的端口104处的上游端延伸。管线102延伸到压缩机上的冷却端口106。电动机冷却流动路径穿过端口106进入压缩机的电动机壳体中。在电动机壳体中，冷却流使定子和转子冷却并且随后离开排放端口108。电动机冷却回流管线106沿着流动路径100从端口108返回主流动路径。在此实例中，其返回蒸发器88的容器上的端口110。

具有分支流动路径的更复杂的任选系统可以与轴承润滑相关联。由从沿着主流动路径定位的端口124(例如，在贮槽64处)延伸的管线122形成轴承供应流动路径的干线120。分支126最终传递到压缩机上的一个或多个端口130，从而将制冷剂传送到相应的相关联的轴承36。一个或多个端口134从轴承处的一个或多个排放口延伸以使制冷剂返回主流动路径。在此实施方案中，示出两个可能的返回路径。第一返回路径或分支140传递到直接在入口导片阵列44下游的端口142。此端口142基本上处于系统中的最低压力状态下，并且从而提供最大抽吸以用于抽取制冷剂穿过轴承。阀146可以沿着管线144，所述管线144沿着此流动路径分支。示例性阀146是在系统控制器的控制下的电子控制的开关阀(例如，螺线管阀)。以下讨论第二轴承返回流动路径/分支150。

示出与对轴承的制冷剂供应相关的若干附加任选特征。再冷却器160可以被设置来使传递到轴承的制冷剂冷却。示例性再冷却器160是热交换器，所述热交换器接收沿着流动路径126传递的流，并且将来自所述制冷剂流的热量传递到沿着分支162传递的制冷剂流。示例性分支162直接地或间接地从主流动路径分支。在示出的实施方案中，分支162从流动路径120分支从而离开分支126。在替代性实现方式中，分支162可以与流动路径120完全分离。分支162穿过膨胀装置166(例如，膨胀阀)位于其中的再冷却器供应管线164。膨胀的制冷剂进入再冷却器160的再冷却器入口并离开再冷却器出口。在再冷却器160中，膨胀的制冷剂从沿着分支126传递的已进入主入口并随后离开主出口的制冷剂吸收热量。示例性再冷却器160是硬钎焊板式热交换器。流动路径162返回主流动路径。在示例性实施方案中，流动路径162与流动路径106合并并且进入热交换器88上的端口110。可替代地，管线164可以独立于管线122及其相关联的流动路径而直接来自冷凝器。

如上所述，图1还示出第二轴承排放流动路径分支150。示例性流动路径分支150在再冷却器的下游以及与管线106的连接点的上游接合流动路径162。阀170(例如，类似于146)位于沿着流动路径150的管线172中以便控制流动。在示例性图1的状态下，阀170闭合从而阻止沿着分支150的流动。

图1示出示例性流动路径126的另外细节。流动路径126进一步分支成分支180和并行分支182，它们随后再合并。泵184沿着分支180定位，并且单向止回阀186沿着分支182定位。在正常的图1的运行状态下，压力足以向下游驱动流穿过阀186。因此，未使用泵184。如果压力不足(以下讨论)，那么可以打开泵184以驱动制冷剂流动以用于轴承供应。

在进入端口130之前，流动路径126向下游行进穿过过滤器190。图1还示出过滤器190下游的温度传感器192，所述温度传感器192用于测量为了轴承冷却而进入压缩机的制冷剂的温度。

图1进一步示出用于轴承冷却的又一个分支220。在过滤器90的上游重新接合分支126之前，示例性分支220绕过任选的再冷却器和泵。示例性分支220沿着从蒸发器上的端口224延伸的管线222传递，并且穿过可以与止回阀186类似的止回阀226。

图1进一步示出用于使制冷剂返回压缩机的旁路流动路径或分支240。管线242沿着从蒸发器上的端口244处的上游端到端口246处的下游端的流动路径，所述端口246处于与入口导片阵列144下游的端口142类似的位置中。这可以用于将相对富含油的制冷剂流递送回压缩机。具体地，油可以倾向于浓缩在蒸发器的下部中的液体制冷剂中。因为端口244可以定位在这种位置处以将富含油制冷剂直接递送到轴承，所以沿着流动路径240的流动使油进入压缩流中，所述压缩流进而传递到冷凝器58并且可以因此增加沿着流动路径120的流中可用的油量。端口244与246之间的压差可能不足以单独地驱动此流动。因此，喷射器250或类似的泵可以沿着管线242定位。喷射器在上游具有吸入端口或入口252，并且在下游具有排出端口或出口254。运动流入口256接收沿着与分支管线262相关联的分支流动路径260的流。示例性分支管线262和流动路径260在基本上压缩机排放状态下(例如，从冷凝器入口60的上游或从冷凝器的顶部空间)从主流动路径分支。

图2示出与正常操作模式(例如，具有冷凝器与蒸发器之间的高压差)相关联的流动箭头。其他模式也是可能的，并且可以取决于其他系统细节或其修改(例如，其中一个热交换器是制冷剂-空气热交换器的除霜模式，或者其中两个热交换器的功能相反的其他可能模式)。

整体循环制冷剂混合物包括：一种或多种基础制冷剂或制冷剂基本成分(例如，以下讨论)；通常可以认为是润滑剂的少量油料；任选地，其他添加剂；以及污染物(如果有的话)。

示例性基础制冷剂可以包含一种或多种氢氟烯烃、氢氯烯烃及其混合物(例如，包括氢氯氟烯烃)。以下HFO用于同义地指代所有这三种制冷剂类型。示例性氢氯氟烯烃包括氯-三氟丙烯。示例性氯-三氟丙烯是1-氯-3，3，3-三氟丙烯和/或2-氯-3，3，3-三氟丙烯，并且最特别是反-1-氯-3，3，3-三氟丙烯(E-HFO-1233zd，可替代地被标识为R1233zd(E))。-氢氟烯烃可以是包含至少一个氟原子、至少一个氢原子以及至少一个烯键连接的C3氢氟烯烃。示例性氢氟烯烃包括：3，3，3-三氟丙烯(HFO-1234zf)、E-1，3，3，3-四氟丙烯(E-HFO-1234ze)、Z-1，3，3，3-四氟丙烯(Z-HFO-1234ze)、2，3，3，3-四氟丙烯(HFO-1234yf)、E-1，2，3，3，3-五氟丙烯(E-HFO-1255ye)、Z-1，2，3，3，3-五氟丙烯(Z-HFO-125ye)。

示例性油是多元醇酯(POE)油。其他可能的油包括聚亚烷基二醇(PAG)、聚乙烯醚(PVE)、烷基苯、聚α烯烃、矿物油等以及混合物。相关的考虑是可以形成有机保护层的烃类的可用性。

痕量多元醇酯油(100ppm)可以特别地具有热稳定性优异的受阻类型。从多元醇与一元脂肪酸(例如，中等分子量(C5-C10))之间的缩合反应获得多元醇酯油。多元醇的具体实例包括：新戊二醇，三羟甲基乙烷，三羟甲基丙烷，三羟甲基丁烷，季戊四醇，二季戊四醇、以及季戊四醇的较高级的聚醚低聚物(诸如三季戊四醇和四季戊四醇)。多元醇酯可以由一元脂肪酸形成，包括正戊酸、正己酸、正庚酸、正辛酸、2-辛酸、2-甲基丁酸、2-甲基戊酸、2-甲基己酸、2-乙基己酸、异辛酸、3，5，5-三甲基己酸。

添加剂可以包括广泛的功能，包括：极压添加剂;酸捕获剂；消泡剂；表面活化剂；抗氧化剂；抗蚀剂；增塑剂；金属减活化剂。这些可以包括广泛范围的化学成分，包括：环氧化物；不饱和烃或不饱和卤烃；邻苯二甲酸盐；苯酚；磷酸盐；全氟聚醚；硫醇；亚磷酸盐；硅氧烷；甲基苯骈三氮唑；苯并三唑；胺；二硫代磷酸锌；以及胺/磷酸酯盐。示例性单独添加剂浓度不超过1.0重量％，更具体地是10ppm至5000ppm、或不超过1000ppm、或不超过200ppm。示例性聚合非油添加剂浓度不超过5.0重量％，更具体地不超过2.0重量％、或不超过1.0％、或不超过5000ppm、或不超过1000ppm、或不超过500ppm、或不超过200ppm、或不超过100ppm。

图3是在轴承座圈的基底322的顶部的据信的保护涂层320的示意图。涂层320据信包括在基底顶部的大体金属卤化物/氧化物子层324(以下讨论)以及在层324顶部的聚合物层326。在本文，卤化物是指氟化物和氯化物两者。示例性R1233zd制冷剂分子用作氯和氟的来源，以用于在子层324中分别形成金属氯化物和金属氟化物反应产物。R1233zd分子还用作含碳聚合物层326中的碳氟化合物重复单元的来源。油为含碳聚合物层326提供另外成分的来源。

制冷剂、油、添加剂和/或污染物可以在轴承接触中的高压(经常大于1Gpa)和温度(局部升高到350°F(177℃)或更高)摩擦状态下分解和起反应。通过流体化学物质与表面相互作用的机械剪切、粗糙疵点的变形以及在局部发生的边界或混合润滑条件中的反应性天然金属表面的暴露来开始这些反应。这些摩擦过程导致从接触表面喷射低能外逸电子。可以存在诸如水和氧的痕量污染物(例如，高达100ppm)。少量的这些污染物可以有助于在轴承上形成保护层的反应，并且因此是有益的。这些外逸电子可以与O₂和H₂O污染物(甚至以ppm水平)起反应，以分别形成O^-和OH^-阴离子或基团，其是用于引发导致金属氧化/羟基化和HFO制冷剂分解的摩擦化学反应的活性剂。O₂和H₂O污染物以过高水平存在是不希望的，因为它们可能导致有害的金属腐蚀和侵蚀。参见表面改性和机制，第6章：“Tribo-chemistry”C.Kajas、Marcel Dekker有限公司，2004年，99-116，101。

HFO制冷剂单独具有形成保护膜的某种能力。例如，R1233zd分子的双键强烈地吸附在金属和金属氧化物表面上。这些相互作用的R1233zd分解并与这些表面起反应，以在磨损轨迹中形成非常稳定的金属卤化物(主要是氟化物、一些氯化物)和较不稳定的C-F_x分子层。参见M.W.Akram等人的环境友好型HFO-1234yf制冷剂的润滑性，国际摩擦学01/2013；57：92-100.DOI：10.1016/j.triboint.2012.07.013。

此外，R1233zd双键可以相互进行加成反应，以形成低聚物或低分子量聚合物，从而导致形成固态淀积。参见G.E.Morales-Espejel、R.Meeuwenoord、A.F.和R.Hauleitner的Film thickness and traction measurements of refrigerant R1233zdused as lubricant in elastohydrodynamic conditions，Proc IMechE C部分：J机械工程科学，229(2)(2015年)244-253。然而，在缺乏有机添加剂的情况下，由R1233zd单独形成的聚合物膜不会高度反应并且弱键合到表面。

金属氧化物和氟化物形成达到临界层厚度(例如，几纳米)。所述过程是扩散受限的。金属氧化物并且尤其是金属氟化物(Fe-F键是非常强的)据信形成第一保护摩擦层324。参见H.So的表面改性和机制，第3章：“金属摩擦氧化物：形成和磨损行为”Marcel Dekker有限公司，2004年，31-57。

一些润滑油(诸如多元醇酯(POE)油分子)的极性官能团可以强烈吸附在表面上以形成边界膜。POE官能团在防止来自过量H₂O和O₂污染物浓度的表面腐蚀性侵蚀中起保护作用，并且还有助于磨损-保护膜的生长。喷射的摩擦电子引发POE侧基团与HFO制冷剂(诸如R1233zd)的共反应，以在金属氟化物和氧化物的顶部上形成强的高分子量含碳聚合物膜。这些反应涉及非常小浓度的极性油并且不是扩散受限的。并入聚合物中的分支POE分子结构用作增强聚合物膜的有效交联。参见C.Kajas的表面改性和机制，第6章：“Tribo-chemistry”Marcel Dekker有限公司，2004年，116-126；M.Furey和C.Kajas的表面改性和机制，第7章：“Tribo-polymerization as a Mechanism of Boundary Lubrication”，MarcelDekker有限公司，2004年，165-176；Akram等人的Tribological performance ofenvironmentally friendly refrigerant HFO-1234yf under starved lubricatedconditions，Wear期刊，304(2013年)191-201。

因为HFO制冷剂和润滑油是用于许多其他物质的强溶剂，所以上述反应也可能无意地并入制冷剂流体中所夹带的其他添加剂和污染物。

因此，通过HFO制冷剂与痕量润滑油的反应在座图表面上形成具有两层或更多层的膜涂层320(图3)。涂层提供磨损和腐蚀保护。包含混合金属氧化物和卤化物(氟化物和氯化物)的内部薄保护性反应产物层324强烈地键合到轴承表面。这种硬层防止来自机械变形和腐蚀性侵蚀的表面磨损。此层用作用于形成和稳定外层的基础层。外部有机聚合物氧基-氢氟烃层326足够强以支持弹性流体动力膜形成，并且保护下方的金属氧化物/卤化物层。此聚合物膜的形成是自限制的。此层可以在边界层区中经历局部变形，并且自动修复在磨损过程中损耗的膜中的任何破裂。

利用POE，在试运转的约前25小时内发生主要轴承磨损，并且在前200-300小时内稳定。轴承表面在轴承寿命早期具有光泽，并且在轴承寿命期间或者在停止/开始循环的情况下未示出显著改变。

在实验室规模的“清洁设备”中进行许多混合轴承测试运行。在每次测试运行之前，对这些设备进行全面清洁以最小化非挥发性残余物。这通过在丙酮、异丙醇和乙醇中连续地超声清洁所述部分来完成。这随后是利用R1233zd(E)制冷剂的至少四次冲洗，所述R1233zd(E)制冷剂在设备完全组装之后作为蒸汽相而添加到所述设备。通过使100g样品蒸发并且将样品容器称重至在0.1mg分辨率内来进行制冷剂流体的事后测试分析。所述分析指示少于10ppm的非挥发性残余物(例如，硅氧烷、环氧树脂、残余组装润滑剂等)。此残余物据信共同源自轴承保持器、制冷剂罐中的阀上的有机成分的提取，源自用于罐制造的残余金属加工流体并且源自用于由制冷剂罐制造商使用的阀润滑剂。另一种可能来源是从供应的制冷剂作为微小液滴运送的非挥发性物质。

如从供应商递送的液体制冷剂的分析指示18-60ppm范围内的非挥发性物质，以及除此之外，通常低于10ppm的含水量。通过将制冷剂以汽相引入测试设备，将所提供的非挥发性物质(而不是水)从设备中排除。在实际的冷冻机制造和服务中，可以以液相添加制冷剂，并且因此可以将所提供的非挥发性物质添加到可能在冷冻机硬件中产生的任何残余物。

在以下实例中示出清洁设备测试结果。作为示例性基准，图4和图5分别示出在用R1233zd(E)制冷剂而不添加油并且相应含水量小于10ppm(例如，在基本上无水的正常制冷剂内的残余含水量为约5-9ppm(所接收的制冷剂的示例性标准可以是较高的，诸如高达30ppm)和约100ppm(添加到任何残余物的约100ppm)的情况下，在一百小时的运行之后的轴承座圈表面的照片。图4A是图4的一部分的放大视图。图5A是图5的一部分的放大视图。在这些照片中，在球座圈机械接触区中形成的磨损痕迹在主视图中明显为水平条带；然而磨损痕迹特征在放大视图中进行分辨。

多个图5-13示出在不同制冷剂-添加剂条件下的100小时运行之后的轴承座图表面。图5A示出在坑底处具有锈蚀沉积物的大量腐蚀麻点。图4A未示出腐蚀麻点。通过对比，图6和图6A示出类似的运行，但仅具有残余水和总共1117ppm的多元醇酯和残余非挥发性物质。沿着轴承路径的黑色特征是保护下方的轴承表面的摩擦化学涂层积聚的一部分，而不是点蚀。图6A中的摩擦化学涂层比图4A中观察到的摩擦化学涂层明显得多。在水和多元醇酯含量的几种替代性组合中观察到这种涂层。

图7和图7A示出100ppm的水和1240ppm的多元醇酯以及残余非挥发性物质的情况。油消除了在图5和图5A中在类似含水量的情况下所观察到的点蚀。因此，观察到这种量的多元醇酯防止在仅有水的情况下所观察到的点蚀。

图8和图8A示出461ppm的多元醇酯和残余非挥发性物质以及仅残余水的情况。同样，在此中间油浓度下看到保护性摩擦化学层。

图9和图9A示出100ppm的多元醇酯和残余非挥发性物质以及仅残余水的情况。同样在此低油浓度下看到保护性摩擦化学层。

图10和图10A示出1223ppm的多元醇酯和残余非挥发性物质、100ppm空气(为实验目的而有意添加)、以及仅残余水的情况。同样，看到保护性摩擦化学层。

图11和图11A示出包含100ppm的多元醇酯和残余非挥发物、仅残余水和铜的情况。通过在递送到轴承的制冷剂流中放置细铜网来引入铜。测试设备通常具有不锈钢部件；然而在实际冷冻机中，制冷剂在液体管线和热交换器中暴露于铜。冷冻机中的这种铜可以充当催化剂并且促进制冷剂和油中的反应。网的高表面积模拟铜冷冻机部件的大规模使用。铜似乎不以任何方式影响摩擦化学层的形成。同样，看到保护性摩擦化学层。

图12和图12A示出1081ppm的矿物油和残余非挥发物质作为对在仅残余水和空气情况下的多元醇酯的替代物的情况。在这种情况下，也形成摩擦化学层。

图13示出在136个小时后，在用于其他测试的单独测试设备上的无水和无空气测试中使用1532ppm的多元醇酯和残余非挥发物质。在此，可以看出也形成保护性摩擦化学层。

测试已示出超过轴承预期使用寿命的一般稳定性。因此，似乎不需要补充少量的一种或多种油。然而，可以进行可能的补充。因此，初始总油浓度范围的良好估计为80-5000ppm。油含量可能随后在使用寿命内减少。所述范围的更确切下限可以是100ppm、或200ppm、或300ppm、或400ppm、或500ppm。所述范围的更确切上限可以是700ppm、或1000ppm、或1500ppm、或3000ppm。这些下限和上限可以以任何可能的组合来使用。虽然示例性的一种或多种油基本上仅是多元醇酯(例如，具有其他油(如果有的话)的残余量)，但替代物可以包括更实质性的混合物。所述范围因此可以同时应用于总油浓度和可能混合物内的单种油浓度。

然而由于各种流分离，一些实际或假设的油润滑压缩机可以具有此范围内的局部油浓度，那些系统可以以若干种方式来区分。首先，在示例性系统中，基本上全部量的油可以在溶液中。这不同于其中油润滑剂是分离相/体(例如，在储存器或其他位置中)的情况。此外，在关键位置中，引入到本轴承的示例性流可以在以上范围内或者在那些范围的某一倍数内(例如，高达十倍，更确切地，高达四倍)。示例性基础制冷剂的总含量因此为至少95重量％/或者至少98重量％或至少99重量％(其中更高的数字与上述更低的油和/或添加剂含量相关联)。这与传统润滑剂系统形成对比，在传统润滑剂系统中递送到轴承的流可以包含远超过10％的润滑剂，经常超过30％或超过50％，通常为60％至95％的油。此外，在示例性系统中，POE的添加不会显著地改变被递送以冷却/润滑轴承的制冷剂(相对于纯基础制冷剂)的粘度和压力粘度系数。油仅用于与基础制冷剂的共反应物的目的，从而促进在轴承表面处形成保护性摩擦膜而不显著影响弹性流体动力学膜厚度。

与替代性真正无油系统相比，优点可以在于增加轴承寿命和/或减小轴承规格和成本。压缩机可以在示例性油浓度的情况下，在超过100000小时或超过200000小时的时间段内运行而不改变制冷剂或补充油。这可以理解至少10年或至少20年无需重新注入(并且因此不需要轴承更换)的压缩机使用寿命。因此，这些操作周期也将超过1000小时、2000小时和5000小时。相对于具有传统润滑的替代性压缩机，优点可以包括由于消除分离器、油泵、储油器等而减小设备成本以及相关的维护成本。此外，可以通过不使油干扰蒸汽压缩循环来提高效率。

对水分引起的腐蚀的增强防护可以允许与其他无油制冷剂润滑系统相比更大的耐水度。示例性含水量可以按重量计不超过1000ppm、或不超过500ppm、或不超过300ppm、或不超过200ppm、或者是示例性的20-300ppm或50-200ppm。这些高含量(或更大的含量)可能不是希望的并且可能不是初始含量，但可以在使用寿命内出现。R1233zd(E)是低压制冷剂，因此增加了对大气水渗透的敏感性(然而，在使用中压制冷剂的情况下，更重要的问题是制冷剂泄漏)。因此，即使存在过滤器/干燥器单元，含水量也可能随时间蠕升并且可能超过正常标准(例如，超过示例性30ppm限值，并达到50ppm或更多、或75ppm或更多、或100ppm或更多、或150ppm或更多)。因此，可以提供对水引起的腐蚀的增强抵抗性。

例如，用于空调应用的典型冷冻机可以在蒸发器中在约5℃或41°F下操作。在此温度下，与101.3kPa(a)或14.7PSIA的标准大气压相比，R1233zd(E)的压力为58.7kPa(a)或8.5PSIA。常用的中压制冷剂R134a在此温度下的压力为349.9kPa或50.7PSIA。冷冻机通常配备有分子筛干燥器以便捕获水分。对于中压冷冻机，此过滤器主要捕获在维修时或添加制冷剂时引入的水分。然而，对于低压冷冻机，存在使水和空气连续进入系统的重大风险。因为几乎不可能阻止空气和水进入在大气压力以下操作的系统，所以低压冷冻机通常配备有清除单元，所述清除单元通过将来自冷凝器的蒸汽冷凝到捕集器中来移除不可冷凝气体，所述捕集器在捕集到不可冷凝气体时被排空。然而，随着时间的推移，含水量足以使干燥器饱和并且冷冻机将经历水份含量的增加是可能的。因此，即使使用这种干燥器，也可以看到由少量油提供的腐蚀保护的益处。油还可以提供安全裕度，其允许清除单元的不那么密集的使用、较小的清除单元等。

图1进一步示出控制器900。控制器可以从输入装置(例如，开关、键盘等)和传感器(未示出，例如各个系统位置处的压力传感器和温度传感器)接收用户输入。控制器可以通过控制线路(例如，硬连线或无线通信路径)联接到传感器和可控制系统部件(例如，阀、轴承、压缩机电机、轮叶致动器等)。控制器可以包括一个或多个：处理器；存储器(例如，用于存储供处理器执行来进行操作方法的程序信息，并且用于存储由程序使用或生成的数据)；以及用于与输入/输出装置和可控制系统部件对接的硬件接口装置(例如，端口)。

可以将控制例程编程或以其他方式配置到控制器中。所述例程提供用于在图1模式与图2模式之间切换，并且可以叠加在控制器的正常编程/例程上(未示出，例如，提供向其添加前述控制例程的基本系统的基本操作)。

描述中和所述权利要求书中的“第一”、“第二”以及类似词语的使用仅仅是为了在权利要求内进行区别，而不一定指示相对或绝对的重要性或时间顺序。类似地，在权利要求中标识为“第一”(或诸如此类)的一个元件并不排除此类“第一”元件去标识在另一个权利要求或在描述中被称为“第二”(或诸如此类)的元件。

在测量值以英制单位给出(随后在括号里加上国际单位或其他单位)的情况下，括号里的单位是转换形式，并且不应暗示在英制单位中未发现精确程度。

已描述了一个或多个实施方案。然而，应理解，可以做出各种修改。例如，当应用于现有基本系统时，此类配置或其关联用途的细节可能影响特定实现方式的细节。因此，其他实施方案也处于随附权利要求书的范围内。

Claims (26)

1.一种蒸汽压缩系统(20)，其包括：

离心式压缩机(22)，其具有：

入口(40)和出口(42)；以及

电动机(28)，其具有：

定子(30)；以及

转子(32)；

多个轴承(36)，其支撑所述转子；

制冷剂充注物，其包含基础制冷剂和一种或多种油，

其中：

所述一种或多种油以按重量计80-5000百万分之一(ppm)的总浓度存在。

2.如权利要求1所述的系统，其中：

所述压缩机是两级直接驱动压缩机。

3.如权利要求2所述的系统，其还包括：

冷凝器(58)；

蒸发器(88)；

抽吸管线(94)，其沿着所述蒸发器与所述压缩机的第一级(24)的入口之间的流动路径；

流动路径支路，其从所述第一级的排出口(48)到第二级(26)入口(50)；以及

排出管线(56)，其沿着所述第二级的排出口(42)与所述冷凝器的入口(60)之间的流动路径。

4.如权利要求3所述的系统，其缺乏油分离器和储油器。

5.如权利要求1所述的系统，其中：

所述充注物是至少95重量％的所述基础制冷剂。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述多个轴承包括：

滚动轴承。

7.如权利要求1所述的系统，其中：

所述基础制冷剂是一种或多种氢氟烯烃、氢氯烯烃和/或氢氯氟烯烃。

8.如权利要求7所述的系统，其中：

所述基础制冷剂是反1-氯，3，3，3-氟丙烯(R1233zd(E))。

9.如权利要求1所述的系统，其中：

所述一种或多种油包括一种或多种烃类。

10.如权利要求1所述的系统，其中：

所述一种或多种油是一种或多种多元醇酯(POE)、聚亚烷基二醇(PAG)、聚乙烯醚(PVE)、烷基苯、聚α烯烃和/或矿物油。

11.如权利要求9所述的系统，其中：

所述油是由多元醇与中等分子量(C5-C10)一元脂肪酸的缩合反应形成的受阻多元醇酯。

12.如权利要求1所述的系统，其中：

所述制冷剂基本上由所述基础制冷剂和所述一种或多种油组成。

13.如权利要求1所述的系统，其中：

除了所述基础制冷剂、所述一种或多种油以及水之外，所述制冷剂所具有的所有附加成分中的每一种不超过200ppm。

14.如权利要求1所述的系统，其中：

所述油以按重量计200-3000ppm的浓度存在。

15.如权利要求1所述的系统，其中：

所述油以按重量计200-1500ppm的浓度存在。

16.如权利要求1所述的系统，其中：

所述油以按重量计300-1500ppm的浓度存在。

17.如权利要求1所述的系统，其中：

所述油以按重量计300-700ppm的浓度存在。

18.如权利要求17所述的系统，其中：

所述油在所述浓度下以多元醇酯的形式存在。

19.如权利要求1所述的系统，其中：

所述制冷剂包含按重量计50-200ppm的水污染物。

20.如权利要求1所述的系统，其中所述系统缺乏：

油分离器和储油器。

21.一种用于使用如权利要求1所述的系统的方法，所述方法包括：

将制冷剂的流传递到轴承，所述制冷剂具有以按重量计80-5000百万分之一(ppm)的浓度存在的一种或多种油。

22.如权利要求21所述的方法，其中：

所述流是至少95重量％的所述基础制冷剂。

23.一种用于操作蒸汽压缩系统(20)的方法，所述蒸汽压缩系统包括：

离心式压缩机(22)，其具有：

入口(40)和出口(42)；以及

电动机(28)，其具有：

定子(30)；以及

转子(32)；

至少一个叶轮，其联接到所述电动机；以及

多个轴承(36)，其支撑所述转子和所述叶轮中的至少一个；

制冷剂充注物，其包含基础制冷剂和油，

所述方法包括：

将制冷剂的润滑流传递到所述轴承，所述制冷剂具有以按重量计80-5000百万分之一(ppm)的浓度存在的所述油。

24.如权利要求23所述的方法，其中：

所述油是多元醇酯。

25.如权利要求23所述的方法，其中：

所述油起反应以在所述轴承上形成保护涂层。

26.如权利要求23所述的方法，其中：

所述涂层包括基于金属卤化物的底层和含碳聚合物上层。