Последующие аналитические исследования показали, что хладагент действительно может образовывать эластогидродинамическую смазочную плёнку. Это происходит потому, что вязкость хладагентов, так же, как и масла, увеличивается под дейс­твием очень высокого давления в зонах контакта между телами качения и дорожкой качения подшипника. Это увеличение не так значительно, как у смазочных масел, но его достаточно для образования очень тонкой смазочной плёнки. В стандартных стальных подшипниках этой тонкой плёнки недостаточно для смазывания, но комбинация материалов сталь/керамика и другие характеристики современных гибридных подшипников обеспечивают надёжную работу при очень тонкой плёнке хладагента. Ранее считалось невозможным использовать хлад­агенты в качестве смазочных материалов из-за низкой вязкости большинства хладагентов.

Использование хладагента в качестве смазочного материала для специальных подшипников качения называется технологией «смазывания чистым хладагентом» (PRL). Технология PRL является частью более широкой программы SKF, включающей в себя использование для смазывания подшипников качения жидкостей со сверхнизкой вязкостью (ULVF) (например, топливо, вода, ракетное топливо или сжиженные газы). SKF владеет несколькими патентами, связанными с использованием технологий PRL и ULVF.

Подшипники PRL в центробежных компрессорах
Одной из областей применения подшипников, смазываемых хладагентом, являются компрессорные охладители [1], используемые в крупногабаритных системах кондиционирования воздуха и в промышленных технологических процессах. В охладителях хладагент используется в цикле испарения и сжатия для охлаждения воды, которая затем служит охлаждающей средой в промышленных процессах, либо для кондиционирования воздуха в зданиях. Крупногабаритные охладители мощностью более 300 тонн охлаждения (TR) обычно оснащаются центробежными компрессорами. При этом в каждом охладителе используется один компрессор. Центробежные компрессоры оснащаются одной или несколькими вращающимися крыльчатками (рис. 1). Частота вращения крыльчатки определяется требуемой окружной скоростью и зависит от размера и производительности компрессора и типа используемого хладагента. Компрессоры, в которых используется хладагент низкого давления, вращаются с более низкой частотой, чем компрессоры с хладагентами среднего и высокого давления. Даже в случае смазывания маслом условия работы подшипников в компрессорах вызывают проблемы со смазыванием в связи с присутствием хладагента. Подшипники вала крыльчатки критически важны для производительности и эффективности компрессора.

В традиционных конструкциях компрессора используются гидродинамические подшипники с большим объёмом циркулирующего масла для смазывания и с системой для отделения масла, смешанного с хладагентом, чтобы это масло можно было использовать для смазывания подшипников. Поскольку хладагенты обычно являются очень хорошими растворителями, избежать разбавления масла хладагентом сложно. У подшипников качения, смазываемых маслом, расход масла и момент трения ниже, но им также требуется система маслоотделения для снижения объёма хладагента в масле.

Таким образом, использование технологии PRL в данном случае чрезвычайно перспективно [2] (рис. 1 и 2). Работа без использования масла также имеет ряд других преимуществ: отсутствует потребность в обработке масла, не требуется утилизация использованного масла, масло не скапливается в испарителе, не нужен нагреватель, а для охладителей с воздушным охлаждением отсутствует риск загрязнения почвы в случае разрушения трубопровода.

Смазывающие свойства хладагентов
Важнейшим фактором в разработке технологии PRL стало понимание того, до какой степени хладагент способен создавать смазывающую плёнку в тяжелонагруженном контакте качения, как это делает масло. Подшипники качения смазываются с помощью механизма эластогидродинамического смазывания (EHL) [3]. Другими словами, поскольку в подшипниках качения имеются тяжелонагруженные точки контакта, вязкость смазочного материала повышается при возрастании давления, и одновременно происходит упругая деформация металлических деталей под действием смазочного материала. Эти два механизма отвечают за образование в условиях EHL тонкой смазывающей плёнки толщиной от одного до нескольких микрон, которая разделяет контактирующие поверхности, как и при обычном смазывании маслом. Однако до недавнего времени было неизвестно, обладают ли некоторые из используемых хладагентов свойством пьезовязкости (повышение вязкости под давлением), и насколько сильно шероховатость поверхностей и их упругая деформация влияют на разделение тел и дорожек качения.

Изучение хладагентов в «жидком» состоянии под высоким давлением, типичном для точек контактов в условиях EHL (давление в один или несколько ГПа), является достаточно затруднительным. Однако сейчас появляются современные исследования и измерения смазывающих свойств стандартных хладагентов [4, 5, 6]. Для понимания поведения хладагента в зоне контакта в условиях EHL важное значение имеют такие свойства, как вязкость, пьезовязкость, сжимаемость, напряжение сдвига и граничное трение.

Измерение толщины плёнки
Измерения толщины плёнки хладагента R1233zd выполнены SKF [7] трибометром SKF WAM-5 (рис. 3) с использованием технологии интерферометрии. Было доказано, что данный хладагент действительно может формировать смазочную плёнку некоторой толщины (рис. 4).

INSA de Lyon (Франция) [6] совместно с SKF также провела измерения толщины плёнки в трибометре собственного производства с геометрией контакта «шар-диск» (отличается от прибора WAM-5) для хладагента HCFC-123 и обнаружила, что этот хладагент также образует смазывающую плёнку (рис. 5).

Когда смазывающие характеристики хладагентов известны [6, 7], они могут быть введены в простые регрессионные модели или в усложнённые числовые модели для расчёта толщины плёнки как для любой другой точки контакта в условиях EHL (рис. 6).

Контакт поверхностей из гибридных материалов
В неблагоприятных условиях смазывания гибридные подшипники (стальные кольца и тела качения из Si₃N₄) имеют определённые преимущества перед стальными подшипниками [8], в основном ввиду пониженного коэффициента граничного трения и того факта, что данные материалы не свариваются при высоких температурах трения, в отличие от контактных поверхностей сталь/сталь. Поэтому с самого начала SKF работала над этой конфигурацией подшипников для условий смазывания чистым хладагентом [9]. В качестве примера успешного применения гибридных подшипников в условиях смазывания чистым хладагентом в документе [7] опубликованы результаты измерения граничного трения в точке контакта (шарик из Si₃N₄ и стальной диск, изготовленный из закалённой нержавеющей стали с высоким содержанием азота в соответствии с техническими условиями VC444 компании SKF).

Итоговые результаты показаны на рис. 7.

На рис. 7 можно видеть, что коэффициент граничного трения на кривой Страйбека равен всего 0,07. Это значение очень мало по сравнению с типовым контактом сталь/сталь в условиях смазывания маслом (до 0,15).

Промышленное решение для условий смазывания хладагентом
Промышленный подшипник для центробежных охладителей, надёжно работающий в условиях смазывания хладагентом, является результатом моделирования, лабораторных экспериментов и испытаний, проведённых SKF [9].

Решение представляет собой подшипниковый узел, состоящий из спаренных гибридных радиально-упорных шарикоподшипников (рис. 8 и 9). Каждый подшипник имеет следующие характеристики:

(1) Внутреннее и наружное кольца, изготовленные из закалённой высокоазотистой нержавеющей стали в соответствии с техническими условиями SKF VC444. Термообработка и высококачественная ­шлифовка дорожек качения с помощью технологических процессов SKF. Сталь не только имеет высокую коррозионную стойкость, но и микроструктуру с очень высокой степенью однородности, что делает её превосходным материалом для подшипников качения в особо тяжёлых условиях применения.
(2) Тела качения, изготовленные из подшипникового нитрида кремния (Si₃N₄) высшего качест­ва с соблюдением строгих процедур дефектоскопии SKF [10].
(3) Сепаратор, изготовленный из полиэфирэфиркетона (PEEK), армированного волокном.

При разработке используется экспертный прикладной инжиниринг, что позволяет определить компоновку подшипниковых узлов, методы смазывания, уровень фильтрации, величину преднатяга и допусков.

Первые пробные компрессоры с использованием технологии PRL в безмасляных охладителях воздушных кондиционеров были введены в эксплуатацию в начале 2000-х годов. Данные охладители успешно эксплуатируются и в настоящее время. Ведущая компания по производству кондиционеров воздуха выпустила на рынок охладители с компрессорами PRL в 2002 году. Вначале наблюдался значительный энтузиазм по поводу исключения масла и преимуществ технологии PRL, но интерес клиентов вскоре угас. Как оказалось, причиной стало интересное явление, которое иногда отмечается при разработке и маркетинге нового продукта. Спрос снизился, поскольку никто не составлял конкуренцию технологии PRL. Ситуация изменилась, когда компания Danfoss выпустила центробежные компрессоры Turbocor с магнитными подшипниками, в которых не использовалось масло. Вскоре другой производитель компрессоров разработал компрессор с магнитными подшипниками и технологией PRL, после чего компрессоры были выпущены на рынок. В настоящее время во всём мире наблюдается значительный интерес к технологии PRL.

Одновременно с разработкой новых компрессоров другими производителями компания SKF активизировала научные исследования в области трибологии и разработку прикладных технологий в области технологии PRL.