无油液体冷却器的滚动轴承制造技术

一种制冷冷却器采用离心压缩机，该离心压缩机的叶轮被安装于轴上，该轴自身被安装以使用仅由制冷剂来润滑的滚动轴承进行旋转，该制冷剂构成该冷却器系统的工作流体。揭示了一种装置，用于紧随冷却器启动、冷却器运作期间和继该冷却器关闭后减速期间提供液体制冷剂至(1)上述轴承和至(2)该冷却器的压缩机的驱动马达用于马达冷却目的。通过使用变速驱动马达来驱动该压缩机，在不需要或采用基于油的润滑系统的冷却器中实现了优化的部分负荷冷却器性能。

【技术实现步骤摘要】
无油液体冷却器的滚动轴承
技术介绍
本申请可能与同本申请同日提交的专利技术名称为“具有加强的马达冷却和润滑的液体冷却器”的共同转让的美国专利申请、专利技术名称为“用于离心冷却器的油泵和制冷剂泵”的批准的和共同转让的美国专利5,848,538以及可以由其获得的任何分案申请有关。本专利技术涉及液体冷却器。更具体地，本专利技术涉及相对大吨位的离心冷却器，在该离心冷却器中采用所谓的混合轴承并且这类轴承通过制冷剂来进行润滑，该制冷剂包括冷却器的工作流体。更进一步具体地，本专利技术涉及无油直驱离心水冷却器，能够实现优化的部分负荷性能，并且在该离心水冷却器中加强了该冷却器的压缩机驱动马达的冷却。制冷冷却器是使用制冷剂流体来对液体例如水进行温度调节的机器，很多时候为了使用这类液体来作为工业过程中的冷却介质或对建筑物中的空气舒适度进行调节。较大容量的制冷冷却器(从两百左右至几千吨制冷剂)一般由大型离心压缩机来驱动。在较低容量时，螺杆式、涡旋式或往复式压缩机最常用于水冷却器应用中。离心压缩机是通过蜗壳壳体中的一个或多个叶轮的旋转来压缩制冷剂气体以在冷却器的制冷回路中使用。离心压缩机的一个叶轮或多个叶轮、安装有叶轮于其上的轴、以及所谓的直驱压缩机中的压缩机驱动马达的转子重达几百磅甚至数千磅。在每分钟几千转下这类体积大和重的冷却器组件的高速旋转会引起独特的、富有挑战性的轴承润滑问题，特别是在这些组件处于静止状态时启动以及在这些组件自然停止的冷却器关闭期间。离心压缩机是直驱式或齿轮驱动式的。因此，使用这类压缩机的冷却器通常称为直驱冷却器或齿轮驱动冷却器。在直驱冷却器中，压缩机的驱动马达的转子直接安装于轴上，在该轴上安装有该压缩机的一个或多个叶轮。反过来，该轴一般安装在一个或多个轴承中旋转，这些轴承在该冷却器运作时需要润滑。在齿轮驱动离心冷却器中，在其上安装有一个或多个叶轮的轴通过一套齿轮来驱动，而不是将压缩机驱动马达的转子直接安装于有叶轮的轴。齿轮驱动冷却器的齿轮起到这样的作用：增加叶轮的旋转速度超过驱动叶轮的转子的旋转速度并且这样做增加该冷却器的制冷效果或容量。在齿轮驱动冷却器中，叶轮轴在其中旋转的驱动齿轮和轴承需要润滑，迄今为止是通过油来润滑，并且直驱和齿轮驱动冷却器具有最通常采用的感应马达，感应马达的速度一般限制在每分钟3600转。通常可以说，直驱式冷却器比齿轮驱动式冷却器更安静、更有效率。此外，由于齿轮驱动式冷却器使用易于破裂和/或磨损的多个齿轮、更多轴承和其他旋转部件，而这些部件在直驱冷却器中没有使用，直驱式冷却器视为比现今的齿轮驱动式冷却器更可靠。然而，齿轮驱动冷却器在某些应用中提供了某些优点，包括在某些情况下相比于直驱动冷却器有成本上的优点。在直驱式和齿轮驱动式大吨位的离心冷却器时，其旋转部件的润滑历来被证明是富有挑战性和昂贵的，并且完全或至少从根本上通过使用油作为润滑剂来实现。对这类润滑系统的需要已大大地使直驱式和齿轮驱动式离心冷却器的设计、制造、运作、维修和控制复杂化并且给这些离心冷却器增加了巨大的初始成本和运作成本。消除大吨位的离心制冷冷却器系统中作为润滑剂的油并且为此目的使用包括该冷却器的工作流体的制冷剂提供了潜在的巨大优点。其中的那些优点为：消除了与基于油的冷却器润滑系统相关联的许多冷却器故障模式；消除了与这类冷却器系统中油与制冷剂混合相关联的所谓的油迁移问题；通过消除热交换表面的油层，提高了整个系统的效率，热交换表面的油层由在系统制冷剂中夹带油并输送该夹带的油进入冷却器的热交换器造成；从冷却器系统消除了被认为对环境不利的材料(油)，同时也消除了与由此产生的处理和去除相关联的问题和成本；以及消除了与冷却器润滑系统相关联的大量昂贵的和相对复杂的部件和与其相关联的控制和维修成本。此外，消除离心冷却器系统中作为润滑剂的油意味着使还提供直驱机器的优点的离心冷却器成为可能，该直驱机器凭借变速运作而完全等同于或优于齿轮驱动机器。迄今为止，通过使用特殊配置的齿轮组，已在齿轮驱动机器中实现特别良好的部分负荷效率，专门配置的齿轮组能够以相对非常高的和/或最佳速度来驱动冷却器的叶轮。然而，如之前所指出的，齿轮驱动机器不具有直驱机器的许多优点，并且对其的使用带来几个明显的缺点，为了确保齿轮系足够润滑而需要基于油的润滑系统为其中的一个缺点。已有并持续有消除对离心冷却器应用中的基于油的润滑系统的需要的努力。然而，迄今为止的这类努力主要集中于专门的小容量制冷机器上，在这些机器中，安装轴承的轴和叶轮是相对非常小的和重量轻的，以及主要集中于在轴承负荷相对非常轻的应用中的静压、动压和磁性轴承的使用上。在这方面，静压和动压轴承是轴颈式轴承，在相对低成本、简单并且技术好理解的同时不容忍润滑剂流量的瞬时流失或减少。这类轴承对于到达它们的润滑剂的流失或减少的不容忍性在制冷环境中被加剧。此外，相比于与滚动轴承相关联的摩擦损耗，由于摩擦损耗在这类轴承中是固有的，这类轴承减损在其中使用这类轴承的压缩机的效率。虽然由制冷剂润滑的静压和动压轴承可能至少已前瞻性地被采用于专门的、在体积上相对小容量的压缩机中，但是由于包括必须在应用中可旋转地启动和支承冷却器叶轮和轴的质量和重量等原因，在大吨位的离心冷却器中使用这类轴承有显著困难。这类部件的尺寸和重量对设计呈现出显著困难，特别是在冷却器启动和关闭时和润滑剂流量瞬时流失期间，这在业界中还有待被克服。此外，即使关于在大吨位的制冷冷却器中使用制冷剂润滑的静压或动压轴承，这类设计困难能够得到克服，但是因与这类轴承相关联的固有摩擦损耗而在使用这类轴承时产生的效率损失是不利的。由于现实世界问题，例如全球变暖，促使需要能源消耗器材更有效地运作，该缺点变得越来越大。更进一步，采用静压轴承更加不利，这是由于在这类系统中需要通过泵在无油的情况下将相对非常高压的液体制冷剂输送到这类轴承，这类泵的轴承本身在运作中需要润滑。这类高压泵被看作常遭受故障，并且在试图使用静压轴承布局时潜在地造成冷却器可靠性的问题。再更进一步和更通常来说，在冷却器系统中无油的情况下采用液体制冷剂对轴承进行润滑假设了压缩机在运作的任何时候都有可靠的液体状态的制冷剂的供应和将这类制冷剂输送到轴承的能力。然而，在冷却器内本质上没有一个位置有容纳液体制冷剂，而且这些液体制冷剂能够在所有可能的冷却器运作条件下以适合于轴承润滑的形式或状态被输送到这类轴承。在这方面，当冷却器被关闭甚至在非常低的负荷条件下，液体制冷剂将更可能从蒸发器最可靠地获得。当冷却器在负荷下运作，冷凝器是液体制冷剂的最可靠来源。因此，由液体制冷剂对轴承进行预期的润滑需要在冷却器被关闭、启动、在非常低负荷下、在负荷下运作或在被关闭后自然停止时提供液体制冷剂的保证源。激动人心的机会存在于(1)实现由直驱离心冷却器提供的所有优点；(2)同时实现加强的部分负荷冷却器效率；(3)消除基于油的润滑系统的使用；以及(4)在相对于轴颈型轴承的滚动体在制冷冷却器中的预期使用中增加整体的冷却器效率，其中滚动轴承仅由制冷剂来润滑，该制冷剂包括冷却器的工作流体。随着所谓的混合式滚动轴承的最近出现，其中至少滚动体(远比要制造的轴承套圈便宜)由陶瓷材料制成，消除离心冷却器系统中作为润滑剂的油的可能性已成为现实。虽然这类轴承已经市售了几年本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离心液体冷却器，包括：冷凝器，所述冷凝器在所述冷却器运作时将制冷剂气体冷凝成液体状态；计量设备，所述计量设备从所述冷凝器接收制冷剂并减少其压力；蒸发器，所述蒸发器在所述冷却器运作时从所述计量设备接收制冷剂并使液体制冷剂蒸发；压缩机，所述压缩机在所述冷却器运作时从所述蒸发器接收制冷剂并输送气体状态的制冷剂至所述冷凝器，所述压缩机具有轴，至少一个叶轮被安装于所述轴上，所述轴由至少一个轴承可旋转地支承，所述至少一个轴承为滚动轴承，所述滚动轴承包括多个滚动体，所述滚动体由陶瓷材料制成，所述至少一个轴承由制冷剂来润滑，并且在无油的情况下，输送到至少一个轴承以用于润滑目的的制冷剂至少主要处于液体状态，允许用于所述至少一个轴承的润滑的制冷剂的一部分由于轴承润滑过程而在所述至少一个轴承的位置处蒸发；以及贮液器，液体制冷剂从所述贮液器供应至所述至少一个轴承以用于轴承润滑目的，所述贮液器分立于所述蒸发器和所述冷凝器，所述贮液器在冷却器运作期间和继所述冷却器关闭后一段时间容纳处于液体状态的制冷剂，所述贮液器中这些液体制冷剂的数量是足够的以确保在所述冷却器运作时和所述轴在所述冷却器关闭后自然停止时输送充足的用于润滑目的的液体制冷剂至所述至少一个轴承，所述轴上装有所述至少一个叶轮；其中，所述滚动轴承进一步包括：外部套圈，该外部套圈包括高氮马氏体不锈钢，该高氮马氏体不锈钢包括大于0.3％的氮密度、在0.10－0.60％的碳密度以及在10－18％的铬密度；内部套圈；以及所述多个滚动体，所述滚动轴承的多个滚动体被置于所述内部套圈与所述外部套圈之间。...

【技术特征摘要】
2011.12.06 US 61/567,6211.一种离心液体冷却器，包括：冷凝器，所述冷凝器在所述冷却器运作时将制冷剂气体冷凝成液体状态；计量设备，所述计量设备从所述冷凝器接收制冷剂并减少其压力；蒸发器，所述蒸发器在所述冷却器运作时从所述计量设备接收制冷剂并使液体制冷剂蒸发；压缩机，所述压缩机在所述冷却器运作时从所述蒸发器接收制冷剂并输送气体状态的制冷剂至所述冷凝器，所述压缩机具有轴，至少一个叶轮被安装于所述轴上，所述轴由至少一个轴承可旋转地支承，所述至少一个轴承为滚动轴承，所述滚动轴承包括多个滚动体，所述滚动体由陶瓷材料制成，所述至少一个轴承由制冷剂来润滑，并且在无油的情况下，输送到至少一个轴承以用于润滑目的的制冷剂至少主要处于液体状态，允许用于所述至少一个轴承的润滑的制冷剂的一部分由于轴承润滑过程而在所述至少一个轴承的位置处蒸发；以及贮液器，液体制冷剂从所述贮液器供应至所述至少一个轴承以用于轴承润滑目的，所述贮液器分立于所述蒸发器和所述冷凝器，所述贮液器在冷却器运作期间和继所述冷却器关闭后一段时间容纳处于液体状态的制冷剂，所述贮液器中这些液体制冷剂的数量是足够的以确保在所述冷却器运作时和所述轴在所述冷却器关闭后自然停止时输送充足的用于润滑目的的液体制冷剂至所述至少一个轴承，所述轴上装有所述至少一个叶轮；其中，所述滚动轴承进一步包括：外部套圈，该外部套圈包括高氮马氏体不锈钢，该高氮马氏体不锈钢包括大于0.3％的氮密度、在0.10－0.60％的碳密度以及在10－18％的铬密度；内部套圈；以及所述多个滚动体，所述滚动轴承的多个滚动体被置于所述内部套圈与所述外部套圈之间。2.根据权利要求1所述的冷却器，其特征在于，所述贮液器在所述冷却器运作时由从所述冷凝器提供来源的液体制冷剂补充，所述贮液器在所述冷却器关闭时与所述冷凝器和在所述冷凝器中发生的压力下降隔离。3.根据权利要求1所述的冷却器，还包括泵，所述泵能够将饱和液体制冷剂泵送至所述贮液器而不使大量的所述制冷剂在泵送过程中急骤蒸发为气体。4.根据权利要求1所述的冷却器，其特征在于，继所述冷却器关闭后和在其下一次启动前，在所述冷却器关闭时将从所述蒸发器供应的液体制冷剂提供给所述贮液器，从而所述贮液器容纳液体制冷剂以在所述轴下一次开始旋转时提供至少一个轴承的润滑。5.根据权利要求1所述的冷却器，还包括马达，所述马达具有转子，所述马达的转子被安装于所述压缩机的所述轴上，其中所述冷凝器在所述压缩机运作时供应液体制冷剂至所述贮液器用于轴承润滑目的和至所述马达用于对所述马达进行冷却。6.根据权利要求5所述的冷却器，还包括所述马达的变速驱动器，其中在所述压缩机运作时，为了对所述变速驱动器进行冷却，所述冷凝...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·E·拉普，T·W·史密斯，A·L·巴特沃思，P·J·西科尔斯基，
申请(专利权)人：特灵国际有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US