DE112014000557T5

DE112014000557T5 - Hybridlager aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl für einen kältemittelgeschmierten Kompressor

Info

Publication number: DE112014000557T5
Application number: DE112014000557.6T
Authority: DE
Inventors: William E. Lapp; Todd W. Smith; Arthur L. Butterworth; Paul J. Sikorsky
Original assignee: Trane International Inc
Current assignee: Trane International Inc
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2015-11-26
Also published as: WO2014117011A1; US20160010691A1; GB201514748D0; CN104956104A; CN104956104B; BR112015017532B1; BR112015017532A2; GB2525130A; US10408268B2

Abstract

Hybridkugellager aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl mit einem Innenring, einem Außenring und dazwischen eingesetzten Wälzkörpern. Das Hybridlager aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl hat eine oder mehrere Komponente/n, die aus einem druckaufgestickten rostfreien Stahlmaterial hergestellt ist bzw. sind. Das Hybridlager aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl, das bei einer Kältemittelschmierung für Kühleranwendungen verwendet wird, führt zu einer sehr langen Nutzungsdauer.

Description

Gebiet
Die hier offenbarten Ausführungsformen beziehen sich auf ein Kugellager, das bei einer Kältemittelschmierung für Kühleranwendungen verwendet wird. Die hier offenbarten Ausführungsformen beziehen sich auf einen Kompressor mit einem Kugellager, das mit einem Kältemittel geschmiert wird. Die hier offenbarten Ausführungsformen beziehen sich auf einen ölfreien Kompressor, bei dem ein Kugellager des ölfreien Kompressors mittels eines Kältemittels und nicht mit Öl geschmiert wird.
Hintergrund
Ein Kugellager hat einen Innenring, einen Außenring und dazwischen angeordnete Wälzkörper. Ein Hybridlager ist ein Lager mit zwei oder mehr verschiedenen Werkstoffen. Zum Beispiel kann ein Hybridlager Wälzkörper haben, die aus einem Werkstoff hergestellt sind, und der Innen- und/oder der Außenring kann bzw. können aus einem anderen Werkstoff hergestellt sein.
Zusammenfassung
Im Allgemeinen bedeutet ein Kugellager, das bei einer Kältemittelschmierung für Kühleranwendungen, z.B. einem Zentrifugalkühler verwendet wird, dass das Kugellager nicht mit Öl geschmiert wird, sondern das Kugellager stattdessen mit einem Kältemittel geschmiert wird. Eine Ausführungsform eines Hybridlagers aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl hat Komponenten, die aus einem druckaufgestickten rostfreien Stahlmaterial hergestellt sind. Das Hybridlager aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl, das bei einer Kältemittelschmierung für Kühleranwendungen verwendet wird, führt zu einer Nutzungsdauer, die länger ist als eine Nutzungsdauer eines standardmäßigen Stahlkugellagers. Dementsprechend hat bzw. haben ein Kompressor und/oder andere Teile der Kühleranwendung mit dem Hybridlager aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl eine längere Nutzungsdauer und/oder macht bzw. machen seltener Kundendienste erforderlich, die auf ein verschlissenes und/oder kaputtes Lager zurückzuführen sind.
Beispiele eines Kompressors umfassen einen Zentrifugalkompressor, werden dadurch aber nicht eingeschränkt. Ein Zentrifugalkompressor dreht ein Laufrad oder mehrere Laufräder in einem Spiralgehäuse, um ein Kältemittelgas zur Verwendung im Kältekreislauf der Kälteanlage zu verdichten. Das Laufrad oder die Laufräder eines Zentrifugalkompressors kann bzw. können hunderte, wenn nicht gar tausende von Pfund wiegen. Die Hochgeschwindigkeitsdrehung physisch großer und schwerer Kälteanlagenkomponenten führt bei mehreren tausend Umdrehungen pro Minute (RPM) zu eindeutigen und herausfordernden Lagerschmierungsbelangen, und zwar insbesondere beim Anlauf, wenn sich diese Komponenten im Ruhezustand befinden, aber auch während einer Kälteanlagenabschaltung, wenn diese Komponenten frei auslaufen.
Bei einem Zentrifugalkompressor kann es sich um einen Direktantriebstyp oder einen Getriebeantriebstyp handeln. Eine Kälteanlage wird je nach dem Typ des Kompressors, der in der Kälteanlage verwendet wird, als Direktantriebskälteanlage oder Getriebeantriebskälteanlage bezeichnet. Das heißt, die Direktantriebskälteanlage ist eine Kälteanlage, die einen Kompressor der Direktantriebsart umfasst, und die Getriebeantriebskälteanlage ist eine Kälteanlage, die einen Kompressor der Getriebeantriebsart umfasst. Bei Direktantriebskälteanlagen ist der Rotor des Kompressorantriebsmotors direkt an der Welle montiert, an der das eine Laufrad oder die mehreren Laufräder des Kompressors montiert ist bzw. sind. Diese Welle ist wiederum typischerweise zur Drehung in einem oder mehreren Lager/n montiert, die Schmierung benötigen, wenn die Kälteanlage in Betrieb ist. In Getriebeantriebszentrifugalkälteanlagen wird die Welle, an der das eine Laufrad oder die mehreren Laufräder montiert ist bzw. sind, über eine Reihe von Zahnrädern angetrieben, anders als bei der Direktmontage des Rotors des Kompressorantriebsmotor an der Welle, an der die Laufräder montiert sind. Die Zahnräder der Getriebeantriebskälteanlage wirken so, dass sie die Drehzahl des Laufrads über diejenige des Motors erhöhen, der das Laufrad antreibt, und erhöhen dabei die Kühlwirkung oder -kapazität der Kälteanlage. Im Falle einer Getriebeantriebskälteanlage machen sowohl die Antriebszahnräder als auch die Lager, in denen sich die Laufradwelle dreht, eine Schmierung, bislang durch Öl, erforderlich, und sowohl Direktantriebs- als auch Getriebeantriebskälteanlagen benutzten am typischsten Induktionsmotoren, deren Drehzahlen 3600 RPM betragen können.
In den Fällen von Direktantriebs- sowie Getriebeantriebszentrifugalkälteanlagen großer Förderleistung hat sich eine Schmierung von deren drehenden Komponenten seit Jahren als sowohl herausfordernd als auch teuer erwiesen und wurde ausschließlich oder zumindest grundsätzlich durch die Verwendung von Öl als Schmiermittel bewerkstelligt. Der Bedarf an solchen Schmiersystemen hat Auslegung, Herstellung, Betrieb, Wartung und Steuerung von Zentrifugalkälteanlagen sowohl des Direktantriebs- als auch Getriebeantriebstyps enorm verkompliziert und ihnen große Einstiegsund Betriebskosten auferlegt. Öl als Schmiermittel in einem Kälteanlagensystem mit Zentrifugalkühlung großer Förderleistung abzuschaffen und das Kältemittel, aus dem das Kälteanlagenarbeitsmedium besteht, für diesen Zweck zu verwenden, bietet potentiell gewaltige Vorteile. Unter diesen Vorteilen sind zu nennen: Abschaffung vieler Kälteanlagenfehlermöglichkeiten, die mit ölbasierten Kälteanlagenschmiersystemen zusammenhängen; Abschaffung sogenannter Ölmigrationsprobleme, die mit dem Mischen von Öl und Kältemittel in solchen Kälteanlagensystemen zusammenhängen; Steigerung einer Gesamtsystemeffizienz, indem der Ölüberzug von Wärmeaustauschflächen beseitigt wird, der sich dadurch ergibt, dass Öl im Systemkältemittel mitgerissen und dieses mitgerissene Öl in Wärmetauscher der Kälteanlagen transportiert wird; Abschaffung dessen, was als umweltschädliches Material (Öl) aus dem Kälteanlagensystem angesehen wird, sowie der Probleme und Kosten, die mit dessen Handling und Entsorgung zusammenhängen; und Abschaffung einer großen Anzahl an teuren und relativ komplexen Komponenten, die mit Kälteanlagenschmiersystemen zusammenhängen, sowie der damit verbundenen Kontroll- und Wartungskosten.
Darüber hinaus legt die Abschaffung von Öl als Schmiermittel in einem Zentrifugalkälteanlagensystem die Möglichkeit einer Zentrifugalkälteanlage nahe, welche die Vorteile von Direktantriebsmaschinen bietet und doch, dank eines variablen Drehzahlbetriebs, Getriebeantriebsmaschinen vollkommen ebenbürtig oder überlegen ist. Bisher wurden besonders gute Teillastwirkungsgrade in Getriebeantriebsmaschinen durch die Verwendung speziell aufgebauter Getriebesätze erzielt, die ein Kälteanlagenlaufrad mit relativ sehr hohen und/oder optimalen Drehzahlen antreiben können. Wie früher bereits angemerkt wurde, bieten Getriebeantriebsmaschinen jedoch nicht viele der Vorteile von Direktantriebsmaschinen, und ihre Verwendung bringt mehrere klare Nachteile mit sich, wobei der Bedarf an einem ölbasierten Schmiersystem zu Zwecken dessen, dass die adäquate Schmierung des Getriebestrangs sichergestellt wird, eines davon ist.
ASTM E112 und ASTM A295 sind Normen und Testverfahren, die von ASTM International, früher als American Society for Testing and Materials (ASTM) bekannt, bereitgestellt wurden. Eine Methodenlehre zum Bestimmen der Korngrößenzahlklassifizierung wird durch einen Sichtvergleich mit einer von ASTM International bereitgestellten Normenaufstellung bestimmt. ASTM E112, die hier verwendet wird, umfasst ASTM E112 Plate III-08 (Neuregelung 2008). ASTM A295, die hier verwendet wird, umfasst ASTN A195/A295M-09 (Neuregelung 2009) und ASTM E112-12 (Neuregelung 2012). Die ASTM-Normen sind in physikalische Eigenschaften, wie etwa Abmessungen, von Materialien (z.B. Korngröße) umsetzbar.
Eine Ausführungsform eines Hybridlagers aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl umfasst einen Laufring, der aus einem druckaufgestickten rostfreien Stahl mit einem Korngrößenzahlbereich ASTM E112 (z.B. ASTM E112-12) hergestellt ist, der einen Wert von gleich oder größer als 10 hat.
Eine Ausführungsform eines Hybridlagers aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl umfasst einen Laufring, der aus einem druckaufgestickten rostfreien Stahl mit einer Einschlussbewertung ASTM A295 (z.B. ASTM A295/A295M-09 oder ASTM E112-12) für Sulfid von gleich oder weniger als 1/2 hergestellt ist.
Eine Ausführungsform eines Hybridlagers aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl umfasst einen Laufring, der aus einem druckaufgestickten rostfreien Stahl mit einer Einschlussbewertung ASTM A295 (z.B. ASTM A295/A295M-09 oder ASTM E112-12) für Aluminiumoxid von gleich oder weniger als ½ hergestellt ist.
Eine Ausführungsform eines Hybridlagers aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl umfasst einen Laufring, der aus einem druckaufgestickten rostfreien Stahl mit einer Einschlussbewertung ASTM A295 (z.B. ASTM A295/A295M-09 oder ASTM E112-12) für Silikat von gleich oder weniger als ½ hergestellt ist.
Eine Ausführungsform eines Hybridlagers aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl umfasst einen Laufring, der aus einem druckaufgestickten rostfreien Stahl mit einer Einschlussbewertung ASTM A295 (z.B. ASTM A295/A295M-09 oder ASTM E112-12) für globulares Oxid von gleich oder weniger als ½ hergestellt ist.
Eine Ausführungsform eines Hybridlagers aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl kann auch den druckaufgestickten rostfreien Stahl mit einem Stickstoffkonzentrationsbereich von gleich oder über 0,3%, einem Kohlenstoffkonzentrationsbereich von 0,10–0,60% und einem Chromkonzentrationsbereich von 10–18% umfassen.
Eine Ausführungsform eines Hybridlagers aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl kann auch den druckaufgestickten rostfreien Stahl mit einem Stickstoffkonzentrationsbereich von über 0,1%, einem Kohlenstoffkonzentrationsbereich von 0,10–0,60% und einem Chromkonzentrationsbereich von 12–18% umfassen.
Eine Ausführungsform eines Kompressors für eine Kühleranwendung umfasst beliebige der hier beschriebenen Ausführungsformen der Hybridlager aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A zeigt ein schematisches Schaubild einer Ausführungsform eines Kompressors für eine Kälteanlage, wobei der Kompressor ein Hybridlager aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl hat.
1B zeigt eine Nahansicht eines Teils einer Ausführungsform eines Lagerpakets des in 1A gezeigten Kompressors.
2 zeigt eine Ausschnittsseitenansicht einer Ausführungsform eines Hybridlagers aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl.
Ausführliche Beschreibung
Eine Kälteanlage umfasst einen Kompressor, einen Kondensator und einen Verdampfer. Kältemittelgas wird im Kompressor verdichtet. Verdichtetes Kältemittel wird aus einer Ableitung, z.B. einer Spirale, in eine Rohrleitung ausgeleitet, die den Kompressor mit dem Kondensator verbindet. Der Kondensator wird durch eine Flüssigkeit gekühlt, die durch einen Einlass in den Kondensator eintritt und durch einen Auslass austritt. Bei der Flüssigkeit zum Kühlen des Kondensators kann es sich um Wasser handeln. Die Flüssigkeit läuft zu, durch und zurück von einem Kühlturm, tritt aus dem Kondensator aus, nachdem sie in einem Wärmeaustauschverhältnis mit einem heißen, verdichteten Systemkältemittel erwärmt wurde, das in einem gasförmigen Zustand aus dem Kompressor aus- und in den Kondensator eingeleitet wird.
Der im Kondensator stattfindende Wärmeaustauschprozess bewirkt, dass das in diesen eingeleitete relativ heiße, verdichtete Kältemittelgas kondensiert und sich als eine im Verhältnis viel kühlere Flüssigkeit im Unterteil des Kondensators sammelt. Das kondensierte Kältemittel wird dann aus dem Kondensator zu einer Expansionsvorrichtung, z.B. einer Messeinrichtung geleitet. Das Kältemittel durchläuft die Messeinrichtung und wird durch den Ausdehnungsprozess druckreduziert und gekühlt. Das gekühlte Kältemittel wird dann, primär in flüssiger Form, in den Verdampfer abgegeben.
Kältemittel, das in und durch den Verdampfer läuft, erfährt ein Wärmeaustauschverhältnis mit einem Medium wie etwa Wasser, das in den Verdampfer durch seinen eigenen Auslass eintritt und aus dem Verdampfer durch seinen eigenen Auslass austritt. In dem Prozess zum Kühlen des Mediums, das durch den Verdampfer fließt und dadurch erwärmt wird, verdampft das Kältemittel und wird als ein unter relativ niedrigem Druck stehendes, aber immer noch warmes Gas durch eine Rohrleitung zurück zum Kompressor geleitet. Das Kältemittel wird dann vom Kompressor wieder verdichtet und in einem laufenden und sich wiederholenden Prozess erwärmt.
1A zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Kompressors 10 einer Kälteanlage. Der Kompressor 10 umfasst ein Gehäuse 12, in dem ein Kälteanlagenantriebsmotor 14 angeordnet ist. Laufräder 16 und 17 sind in einem Spiralgehäuse 18 angeordnet und sind zusammen mit einem Rotor 20 des Antriebsmotors 14 zur Drehung an einer Welle 22 angebracht. Die Welle 22 wiederum ist zur Drehung in einem Lagerpaket 24, das ein oder mehrere Hybridlager aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl umfasst, und einem anderen Hybridlager 34 aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl angebracht. Es wäre anzumerken, dass, obwohl es sich bei der dargestellten Ausführungsform um eine bevorzugte Ausführungsform einer Zentrifugalkälteanlage handelt, auch Kälteanlagen, die durch andere als Zentrifugalkompressoren angetrieben werden, in ihren Umfang fallen. In solchen Fällen könnte das an der Welle 22 montierte Druckelement der Rotor eines Rotationsschraubenverdichters sein (wobei die Kälteanlage dann eine Schraubenkälteanlage wäre).
Bei einer Direktantriebskälteanlage ist der Rotor 20 ihres Antriebsmotors 14 direkt an der Welle 22 montiert, an der die Laufräder des Kompressors montiert sind. Der Antriebsmotor 14 des Kompressors 10 ist strukturell verstärkt und kann ein Induktionsmotor sein, der durch einen drehzahlvariablen Antrieb 38 angetrieben wird. Andere Arten von drehzahlvariablen Motoren sind denkbar.
Indem der Antrieb 38 verwendet wird, können eine Kälteanlage und der Kompressor 10 der Kälteanlage bei niedrigeren Drehzahlen arbeiten, wenn die Last an einem Kälteanlagensystem es nicht erforderlich macht, dass der Betrieb des Kompressors mit maximaler Kapazität und höheren Drehzahlen erfolgt, wenn eine gesteigerte Nachfrage nach Kälteanlagenkapazität besteht. Indem der Kompressor 10 und seine Laufräder mit niedrigeren Drehzahlen betrieben werden, kann, wenn die Last an der Kälteanlage nicht hoch bzw. nicht auf ihrem Maximum ist, eine ausreichende Kühlwirkung zum Kühlen der wärmereduzierten Last auf eine Weise bereitgestellt werden, die Energie einspart, was die Kälteanlage von einem Betriebskostenstandpunkt her ökonomischer und den Kälteanlagenbetrieb im Vergleich zu Kälteanlagen, die zu einer solchen Lastanpassung nicht in der Lage sind, extrem effizient macht. Zusätzlich kann der Kompressor 10 Einlassleitschaufeln einsetzen, die im Zusammenwirken mit der geregelten Drehzahl des Motors 14 eine sehr präzise Regelung der Kälteanlagenkapazität zulassen, so dass sich die Kälteanlagenleistung eng und reaktionsschnell an die Systemlast anpasst, während so wenig Energie wie möglich verbraucht wird, und der Bedarf an speziell konzipierten Antriebsgetrieben, die für eine spezifische Kühleranwendung optimiert sind, der Bedarf an im Verhältnis exotischeren und teuren drehzahlvariablen Antrieben und/oder Motoren oder der Bedarf an einem Ölsystem, um die Schmierung für Lager und/oder einen Getriebestrang bereitzustellen, aus der Welt geschafft wird.
Bei dem Kompressor 10 kann es sich um einen Zweistufenkompressor handeln. Die Zweistufenbenennung gibt an, dass es zwei unterschiedliche Gaskompressionsstufen im Kompressor 10 der Kälteanlage gibt. Eine derartige Zweistufenkompression wird bewerkstelligt, indem der Druck des Systemkältemittels ein erstes Mal erhöht wird, indem es zu einem, durch ein und an einem Erststufenlaufrad 16 vorbei geleitet wird, und indem dann ein solches erstmalig komprimiertes Gas zu einem, durch ein und an einem Zweitstufenlaufrad 17 vorbei weitergeleitet wird, das den Druck des Kältemittels ein zweites Mal erhöht. Obwohl der Kompressor 10 in der bevorzugten Ausführungsform ein Zweistufenkompressor ist, sollte klar sein, dass sich die vorliegende Erfindung nicht nur auf zweistufige Kompressoren/Kälteanlagen, sondern auch auf einstufige oder mehrstufige Kälteanlagen anwenden lässt.
Die Welle 22 ist zur Drehung im Lagerpaket 24 gelagert, das aus einem ersten und zweiten Hybridlager 26 und 28 aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl besteht und sowohl die Schubbelastung als auch den Großteil der Radialbelastung trägt, die durch den Betrieb des Kompressors 10 durch die Welle 22 auferlegt werden. Das Hybridlager 34 aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl, bei dem es sich um ein axial schwimmendes, einreihiges Schräglager mit einem Wälzkörper 36 handelt, nimmt einen relativ kleinen Teil der Radialbelastung und einen Teil der Schubbelastung auf. Das Hybridlager 34 aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl ist in einer Richtung vorgespannt, die der Schubrichtung der primären Schubbelastung entgegengesetzt ist, um die auf das zweite Hybridlager 28 aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl wirkende Nettobelastung zu minimieren, das den Großteil der Schubbelastung trägt.
Das Lagerpaket 24 ist ungefähr auf halbem Wege der Länge der Welle 22 hinab angeordnet, und die Hybridlager 26 und 28 aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl sind Rücken an Rücken angeordnete, vorgespannte Schrägwälzkörperlager. 1B zeigt eine Nahansicht eines Teils, der in 1A mit einem Kreis gekennzeichnet ist. Die Wälzkörper 30 und 32 der Hybridlager 26, 28 aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl und der Wälzkörper des Hybridlagers 34 aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl sind vorzugsweise vielmehr Kugeln als Walzen, um die Kosten der Lager zu senken. Die Hybridlager 26 und 28 aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl könnten alternativ auf eine einander zugewandte Weise ausgerichtet sein. Die Laufringe der Hybridlager 26 und 28 aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl sind entgegengesetzt ausgerichtet, wie in 1B gezeigt ist, um die durch die Welle 22 auferlegten Schubbelastungen ungeachtet der Richtung dieser Schubbelastung aufzunehmen. Die Hybridlager 26 und 28 aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl tragen den Großteil der durch die Welle 22 auferlegten Radialbelastung.
Die Laufräder 16 und 17 sind an der Welle 22 auf einer Seite des Lagerpakets 24 montiert, und der Rotor 20 des Antriebsmotors ist auf der anderen Seite des Lagerpakets 24 montiert. Das Lagerpaket 24 ist entlang der Welle 22 so angeordnet, dass ein Gewicht der Welle 22 und der Laufräder 16, 17 auf einer Seite des Lagerpakets 24 das Gewicht der Welle 22 und des Motorrotors 20 ausgleicht, die sich auf der anderen Seite des Lagerpakets 24 befinden. Die Laufräder 16, 17 und ein Teilabschnitt der Antriebswelle 22, an dem sie angebracht sind, können an einem distalen Ende 42 der Welle 22 freitragend und somit ungelagert sein. Der andere Teilabschnitt der Antriebswelle 22 und das andere distale Ende 44 ist radial im Hybridlager 34 aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl gelagert und gehaltert. Es ist anzumerken, dass das Anbringen der Welle 22 in einem einzelnen Hybridlager aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl oder einem einzelnen Lagerpaket möglich ist.
Die Hybridlager 26, 28 aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl des Lagerpakets 24 sind Lager mit relativ großem Durchmesser. Ihre Anordnung zwischen dem Rotor 20 des Antriebsmotors und den Laufrädern 16 und 17 lässt den Durchmesser der Welle 22 groß sein, was zusammen mit der sich daraus ergebenden Lagerradialsteifigkeit den Kompressorbetrieb verbessert, indem die kritischen Drehzahlen so erhöht werden, dass sie höher sind als sie die Welle im Betrieb erlebt. Als solches werden kritische Drehzahlen vermieden.
Wenn die Lager durch ein Kältemittel (d.h. ölfrei) geschmiert werden, kann die Qualität der Schmierung im Vergleich dazu, dass die Lager mit Öl geschmiert werden, als „schlecht“ beschrieben werden. Dieser schlechte Schmierungszustand führt zu erhöhten Reibungsverlusten, die zum Nachteil sowohl des Kompressor- als auch Gesamtkälteanlagenwirkungsgrads gehen können.
Standardmäßige Hybridlager aus Stahl können in Abwesenheit von Öl mit Kältemittel geschmiert werden. Fachleuten auf dem Gebiet wird allerdings klar sein, dass Öl immer noch das bevorzugte Schmiermittel für die standardmäßigen Hybridlager aus Stahl ist, weil die standardmäßigen Hybridlager aus Stahl unter öllosen (d.h. kältemittelgeschmierten) Bedingungen aufgrund der „schlechten“ Schmierung der Lager schnell verschleißen. Beispielsweise geht man davon aus, dass eine Nutzungsdauer von 4000 Stunden für ein Lager in einer Kühleranwendung in einem Bereich einer „schnellen Ausfallrate“ liegt.
Die Gründe für die schnelle Ausfallrate der standardmäßigen Hybridlager aus Stahl in einem schmiermittelgeschmierten (d.h. ölfreien) Zustand wurden eruiert. Das standardmäßige Stahlmaterial der standardmäßigen Hybridlager aus Stahl hat einen hohen Fremdstoffgehalt, zu große Korngrößen, die die Lager unter der ölfreien Bedingung physisch verschleißen, und einen hohen Einschlussanteil im Stahlmaterial. Die Einschlüsse können Sulfid-, Aluminiumoxid-, Silikat -und/oder globulare Oxideinschlüsse umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Diese Eigenschaften tragen in dem Material, das in traditionellen Hybridlagern aus Stahl verwendet wird, zu einer chemischen Reaktionsbereitschaft mit dem Kältemittel und zu einem physikalischen Verfall des Stahlmaterials bei. Dementsprechend wurde entdeckt, dass die Korngröße, der Fremdstoffgehalt und der Einschlussanteil im Stahlmaterial als Belastungserhöhungsursachen wirken, wenn das Material in einem Hybridlager für einen Kompressor für eine Kühleranwendung verwendet wird, der sich einer (d.h. ölfreien) Kältemittelschmierung bedient.
Jedoch hat das druckaufgestickte rostfreie Stahlmaterial, das in den hier beschriebenen Lagern verwendet wird, eine Stickstoffkonzentration von mehr als 0,3%, eine Kohlenstoffkonzentration zwischen 0,10 und 0,60% und eine Chromkonzentration zwischen 10 und 18%.
Ferner hat beispielsweise eine Ausführungsform des druckaufgestickten rostfreien Stahlmaterials eine ASTM E112-Korngrößenzahl 10. Eine Ausführungsform des druckaufgestickten rostfreien Stahlmaterials hat einen ASTM E112-Korngrößenzahlbereich von über oder gleich 10. Eine Ausführungsform des druckaufgestickten rostfreien Stahlmaterials hat einen ASTM E112-Korngrößenzahlbereich von über 10. Es ist anzumerken, dass die ASTM E112-Korngröße nach dem ASTM E112-Normtest zum Bestimmen einer mittleren Korngröße bestimmt wird, wie auf dem Gebiet bekannt ist.
Es ist anzumerken, dass ein zunehmender Wert der ASTM E112-Korngrößenzahl eine kleinere tatsächliche Korngröße im Material bedeutet. Vergleichsweise haben traditionelle Lagerstahlwerkstoffe typischerweise ASTM E112-Korngrößenzahlen im Bereich von 6 und 8. Entsprechend haben die Korngrößen von traditionellem, in Hybridlagern verwendetem Stahl viel größere Korngrößen. Die verfeinerte Kornstruktur, die mit dem druckaufgestickten rostfreien Stahl erzielt wird, führt zu signifikanten Verbesserungen beim Ermüdungsverhalten des Hybridlagers aus durchaufgesticktem rostfreien Stahl, wenn es unter ölfreien Bedingungen verwendet wird.

Ferner wird eine Ausführungsform des druckaufgestickten rostfreien Stahlmaterials, das zum Herstellen des Hybridlagers aus durchaufgesticktem rostfreien Stahl verwendet wird, bearbeitet, um praktisch Einschlüsse zu entfernen. Dies ergibt ein druckaufgesticktes rostfreies Stahlmaterial, das eine ultrasaubere Stahlmikrostruktur hat. Ein Vergleich von ASTM A295-Bewertungen für Einschlüsse (z.B. Sulfid, Aluminiumoxid, Silikat und „Globular“ (globulares Oxid)) von Beispielen herkömmlicher Lagerstähle und druckaufgesticktem rostfreiem Stahlmaterial ist nachstehend in TABELLE 1 zu finden. Eine Einschlussbewertung ist ein einheitenloser Wert, der in Inkrementen 1/2 Größe gemessen wird. Die Einschlussbewertung ist eine Messung von Mängeln in einem Material. Ein niedrigerer Wert der Einschlussbewertung wird als besser erachtet. Einschluss bedeutet ein Fremdmaterial, das mechanisch im Stahl festgehalten wird, und bezieht sich auf nichtmetallische Partikel wie etwa Oxide, Sulfide, Silikate, etc. Einschlussarten umfassen sulfid-, aluminiumoxid- und silikatartige Einschlüsse, globulares Oxid, etc. Einschlussarten können isolierte, relativ unverformte Einschlüsse mit einem Seitenverhältnis von nicht über 2:1 enthalten. TABELLE 1: ASTM A295 Einschlussbewertungen

Typ	Herkömmlicher Stahl dünne Baureihe	Herkömmlicher Stahl schwere Baureihe	Druckaufgestickter rostfreier Stahl dünne Baureihe	Druckaufgestickter rostfreier Stahl schwere Baureihe
A – Sulfid	2 1/2	1/2	1/2	1/2
B – Aluminiumoxid	2	1	1/2	1/2
C – Silikat	1/2	1/2	1/2	1/2
D – Globular	1	1	1/2	1/2

Ferner wurde beispielsweise die chemische Beständigkeit gegen Korrosion und/oder die chemische Reaktionsbereitschaft mit einer Kältemitteleigenschaft untersucht. Ausführungsformen des druckaufgestickten rostfreien Stahlmaterials für das Hybridlager aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl überlebten 4 Stunden eines ASTM B117/DIN 24021 Salzsprühtestlaufs ohne Erscheinung von Rotrost. Im Vergleich korrodiert herkömmlicher Lagerstahl unter denselben Testbedingungen fast sofort.
Ausführungsformen des Hybridlagers aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl verfügen über das druckaufgestickte rostfreie Stahlmaterial, das Belastungserhöhungsursachen (z.B. Fremdstoffe, Korngröße und Einschluss) reduziert. Die Eigenschaften des druckaufgestickten rostfreien Stahlmaterials, das beim Ausbilden des Hybridlagers aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl verwendet wird, stellen eine wesentliche Zunahme in der Nutzungsdauer der unter ölfreien Bedingungen verwendeten Lager bereit. Wie vorstehend festgestellt, können herkömmliche Stahlhybridlager ca. 4000 Stunden Nutzung überdauern. Im Gegensatz dazu können Ausführungsformen von Hybridlagern aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl 25.000 Stunden oder länger überdauern. Eine Ausführungsform eines Hybridlagers aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl kann 25.000 Stunden bis 35.000 Stunden überdauern. Eine Ausführungsform eines Hybridlagers aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl kann 35.000 Stunden oder länger überdauern.
2 zeigt eine Ausschnittsseitenansicht einer Ausführungsform eines Hybridlagers 46 aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl, das den Hybridlagern 26, 28 und/oder 34 aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl entspricht. Das Hybridlager 46 aus druckaufgesticktem rostfreiem Stahl enthält eine Vielzahl an keramischen Wälzkörpern 48 (die beispielsweise rund, zylindrisch, konisch, kugelförmig, trommelförmig, nadelförmig, etc. sein können), die zwischen einem äußeren Laufring 50 und einem inneren Laufring 52 eingesetzt sind. Die keramischen Wälzkörper 48 entsprechen den Wälzkörpern 30, 32 und 36. Die Lagerlaufringe 50, 52 sind aus einem druckaufgestickten rostfreien Stahlmaterial hergestellt. Die keramischen Wälzkörper 48 können aus Siliciumnitrid bestehen. Die keramischen Wälzkörper 48 können in der Größenordnung von 60% weniger Dichte haben, können einen bis zu 50% höheren Elastizitätsmodul haben, können sich durch Wärme nur 30% so viel dehnen wie Stahllager, und können einen Reibungskoeffizienten in der Größenordnung von 20% desjenigen von aus Stahl gefertigten Wälzkörpern haben.
Ein Verfahrensbeispiel zum Herstellen des druckaufgestickten rostfreien Stahls umfasst Vakuuminduktionsschmelzen, Vakuumlichtbogenumschmelzen, Elektroschlackeumschmelzen und druckbeaufschlagtes Elektroschlackeumschmelzen. Dieser Prozess beseitigt schädliche eutektische Carbide, verfeinert die Kornstruktur, und beseitigt praktisch Einschlüsse. Bei dem sich ergebenden Stahlmaterial sind Korrosionsbeständigkeits-, Druckfestigkeits- und Zähigkeitseigenschaften signifikant verbessert.
Es wurden bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Die Fachleute auf dem Gebiet werden es zu würdigen wissen, dass verschiedene Abwandlungen und Ersetzungen, ohne vom Umfang der so wie beanspruchten und offenbarten Erfindung abzuweichen, einschließlich dem vollen Umfang von Entsprechungen von dieser möglich sind.
Aspekte:
Es ist anzumerken, dass jedes der Merkmale in irgendeinem der nachstehenden Aspekte mit irgendeinem der anderen Aspekte kombiniert werden kann.

1. Hybridlager, Folgendes aufweisend: einen Laufring, der aus einem druckaufgestickten rostfreien Stahl hergestellt ist, wobei der druckaufgestickte rostfreie Stahl einen Stickstoffkonzentrationsbereich von gleich oder über 0,3%, einen Kohlenstoffkonzentrationsbereich von 0,10–0,60% und einen Chromkonzentrationsbereich von 10–18% hat.
2. Hybridlager, Folgendes aufweisend: einen Laufring, der aus einem druckaufgestickten rostfreien Stahl hergestellt ist, wobei der druckaufgestickte rostfreie Stahl einen Stickstoffkonzentrationsbereich von gleich oder über 0,1%, einen Kohlenstoffkonzentrationsbereich von 0,10–0,60% und einen Chromkonzentrationsbereich von 12–18% hat.
3. Hybridlager nach einem der Aspekte 1 bis 2, wobei der druckaufgestickte rostfreie Stahl einen ASTM E112-Korngrößenzahlbereich mit einem Wert von gleich oder über 10 hat.
4. Hybridlager nach einem der Aspekte 1 bis 3, wobei der druckaufgestickte rostfreie Stahl eine ASTM A295-Einschlussbewertung für Sulfid von gleich oder weniger als 1/2 hat.
5. Hybridlager nach einem der Aspekte 1 bis 4, wobei der druckaufgestickte rostfreie Stahl eine ASTM A295-Einschlussbewertung für Aluminiumoxid von gleich oder weniger als 1/2 hat.
6. Hybridlager nach einem der Aspekte 1 bis 5, wobei der druckaufgestickte rostfreie Stahl eine ASTM A295-Einschlussbewertung für Silikat von gleich oder weniger als 1/2 hat.
7. Hybridlager nach einem der Aspekte 1 bis 6, wobei der druckaufgestickte rostfreie Stahl eine ASTM A295-Einschlussbewertung für globulares Oxid von gleich oder weniger als 1/2 hat.
8. Kompressor, Folgendes umfassend: das Hybridlager nach einem der Aspekte 1–7.

Claims

Hybridlager, Folgendes aufweisend: einen Laufring, der aus einem druckaufgestickten rostfreien Stahl hergestellt ist, wobei der druckaufgestickte rostfreie Stahl einen Stickstoffkonzentrationsbereich von gleich oder über 0,3%, einen Kohlenstoffkonzentrationsbereich von 0,10–0,60% und einen Chromkonzentrationsbereich von 10–18% hat.
Hybridlager nach Anspruch 1, wobei der druckaufgestickte rostfreie Stahl einen ASTM E112-Korngrößenzahlbereich mit einem Wert von gleich oder über 10 hat.
Hybridlager nach Anspruch 1, wobei der druckaufgestickte rostfreie Stahl eine ASTM A295-Einschlussbewertung für Sulfid von gleich oder weniger als 1/2 hat.
Hybridlager nach Anspruch 1, wobei der druckaufgestickte rostfreie Stahl eine ASTM A295-Einschlussbewertung für Aluminiumoxid von gleich oder weniger als 1/2 hat.
Hybridlager nach Anspruch 1, wobei der druckaufgestickte rostfreie Stahl eine ASTM A295-Einschlussbewertung für Silikat von gleich oder weniger als 1/2 hat.
Hybridlager nach Anspruch 1, wobei der druckaufgestickte rostfreie Stahl eine ASTM A295-Einschlussbewertung für globulares Oxid von gleich oder weniger als 1/2 hat.
Kompressor, Folgendes umfassend: das Hybridlager nach Anspruch 1.
Hybridlager, Folgendes aufweisend: einen Laufring, der aus einem druckaufgestickten rostfreien Stahl hergestellt ist, wobei der druckaufgestickte rostfreie Stahl einen Stickstoffkonzentrationsbereich von gleich oder über 0,1%, einen Kohlenstoffkonzentrationsbereich von 0,10–0,60% und einen Chromkonzentrationsbereich von 12–18% hat.
Hybridlager nach Anspruch 8, wobei der druckaufgestickte rostfreie Stahl einen ASTM E112-Korngrößenzahlbereich mit einem Wert von gleich oder über 10 hat.
Hybridlager nach Anspruch 8, wobei der druckaufgestickte rostfreie Stahl eine ASTM A295-Einschlussbewertung für Sulfid von gleich oder weniger als 1/2 hat.
Hybridlager nach Anspruch 8, wobei der druckaufgestickte rostfreie Stahl eine ASTM A295-Einschlussbewertung für Aluminiumoxid von gleich oder weniger als 1/2 hat.
Hybridlager nach Anspruch 8, wobei der druckaufgestickte rostfreie Stahl eine ASTM A295-Einschlussbewertung für Silikat von gleich oder weniger als 1/2 hat.
Hybridlager nach Anspruch 8, wobei der druckaufgestickte rostfreie Stahl eine ASTM A295-Einschlussbewertung für globulares Oxid von gleich oder weniger als 1/2 hat.
Kompressor, Folgendes umfassend: das Hybridlager nach Anspruch 8.