目前国内外研究和开发的绝大多数制冷压缩机均为制冷工质和润滑油混合后再进入压缩腔。随着使用场合的需求条件愈发苛刻，使用无油制冷压缩机成为趋势，是未来发展的一个重要方向。
在无油制冷压缩机中，所谓“无油”指的是，制冷工质在被压缩过程中完全不与润滑油接触，即压缩腔内没有润滑油。但是在压缩机的轴承等零部件中，仍然使用油润滑方式，只是在压缩腔和轴承腔之间进行了有效隔离。而随着对于材料特性研究的深入和新技术的发展，轴承也可无需油润滑。因此，在保证压缩腔无油的基础上，可以采用无油润滑轴承的方式，省去轴承供油系统，制冷压缩机全无油，进一步优化压缩机结构，简化制冷空调机组。
无油制冷压缩机是近二十多年发展较快的一类压缩机。在制冷空调系统中，无油润滑将会在冷凝器和蒸发器的换热方面成为一个重要的优势。无油润滑提高了制冷剂的换热效率，使得使用紧凑型换热器成为可能。同时，无油润滑可扩大制冷剂种类和制冷剂工作温度范围。在２０世纪７０年代，卫星在太空中需要进行设备冷却，太空处于低温无重力状态，润滑油会悬浮固化，严重影响换热效率。润滑油也无法在设备表面形成油膜，减少零件间的摩擦。发明的小型斯特林制冷机中采用了无油制冷压缩机为制冷系统提供冷量。目前，中国科学院高能物理研究所正筹建正负电子对撞机，正负电子对撞机采用液氦对其进行冷却保证一个极低的恒定温度。研究了具有较高稳定性能的氦制冷系统。为了保证氦的纯净度，采用了无油螺杆式制冷压缩机对氦进行液化。而同时，无油润滑轴承已初步发展成型，目前已经有直线轴承、制冷剂润滑轴承、混合陶瓷轴承和磁悬浮轴承等新型轴承的出现。从理论上讲，无油润滑轴承完全可以替代无油制冷压缩机内的油润滑轴承，但是目前无油润滑轴承的研究仍处于初步阶段，无油润滑轴承造价昂贵，无法大范围使用。随着新材料的出现和新技术的产生，无油润滑轴承将会广泛用于各类型的无油制冷压缩机中。
１、无油制冷压缩机技术现状
对于无油制冷压缩机的研究，从２０世纪７０年代开始已经有四十多年的历史。由于航空航天和超低温等特殊场合的需求，润滑油的缺点逐渐暴露，无法适应无重力、连续翻滚和低温等情况，亟需无油润滑的制冷压缩机出现。目前，较多的无油制冷压缩机采用了具有自润滑特性材料制成相关零件，保证压缩腔内无油润滑，避免制冷剂介质受到污染，影响换热。还有部分无油制冷压缩机采用独特结构达到无油润滑的目的。
１．１　活塞式制冷压缩机
活塞式制冷压缩机是目前使用最广泛的压缩机之一，在一些制冷量大的系统中仍采用活塞式制冷压缩机。某化工厂使用的大型对称平衡型活塞式氨制冷压缩机，采用了油泵喷油的方式对汽缸及活塞杆进行润滑。但是，油泵喷油量不易调节，压缩腔内的氨工质会夹杂润滑油进入整个制冷空调系统，覆盖在换热器表面，影响冷凝器和蒸发器的换热效果。同时，润滑油会溶解一定量的氨工质，导致制冷系统的制冷量下降。因此，需要对活塞的活塞环进行重新设计，采用带有自润滑特性的聚四氟乙烯材料制成的活塞环，在聚四氟乙烯中加入石墨粉等材料，提高了活塞环的耐磨性和机械强度。通过化学分析，阐述了聚酰亚胺和其他填充材料对无油润滑的影响，根据各种材料不同的含量对自润滑材料的性能影响，得到了以聚酰亚胺材料为主填充聚四氟乙烯和石墨材料的合理配比。这种配比的自润滑材料，可极大提高材料的耐磨性、机械强度和化学稳定性，为今后各种压缩机中使用自润滑材料提供了参考。为了确保国际空间站冷冻离心机能够在不同温度状态下都正常运行，将以聚酰亚胺和石墨填充物材料制成的套管运用在无油活塞式制冷压缩机中。通过试验与原有机型进行对比分析，分析结果如表１所示。

表１　不同机型压缩机性能对比
分析了ＣＯＰ 及相关参数下降的原因：
１）无油活塞式制冷压缩机活塞间隙变大，气体泄漏量增多，气体压缩量减少，导致了制冷量下降；
２）汽缸和活塞之间无油润滑，导致摩擦增大，致使排气温度高于原有机型，压缩机的机械效率下降；
３）汽缸内余隙容积增大，压缩机容积效率下降。
同时，研究的这种压缩机避免了重力的影响，在寿命测试中，９０％的占空比中可连续运行４　０００　ｈ，而制冷量和ＣＯＰ 值仅下降２０％左右，符合要求，能够适用任何特殊场合。自２０世纪５０年代中期以来，直线式压缩机得到不断发展。直线式压缩机通常采用直线电机驱动活塞作往复运动，减少能量转化的过程。由于直线电机的电磁驱动方向与活塞往复运动方向在同一直线上，因此，理论上活塞在往复运动过程中不存在径向力，极大地避免了活塞与汽缸之间的摩擦，提高了机械效率，可以实现无油润滑，延长压缩机的使用寿命。采用无油润滑时，汽缸和电机等零件采用在机壳外添加翅片的方式进行散热。在活塞密封方面，通常采用迷宫密封或者螺旋密封的方式，通过节流作用，达到密封的目的。还可以在活塞表面覆盖一层自润滑材料如聚四氟乙烯，保证活塞和汽缸之间有一定的间隙，实现动态密封且保证较低的泄漏量。如图１所示，Ｅ公司发布了一款用于家用设备的无油直线式制冷压缩机，其采用了动磁式直线电机，结构紧凑、噪声低、机械效率高。无油润滑简化了压缩机结构，这种压缩机的性能参数如表２所示，可以代替目前市场上部分的冰箱压缩机，具有良好的市场前景。

注：测试工况：蒸发温度为－２３．３℃，冷凝温度为４０．５℃，环境温度为３２．２℃，制冷量为１３０Ｗ。
１．２　涡旋式制冷压缩机
从２０世纪７０年代初开始，涡旋式制冷压缩机由于相比活塞式制冷压缩机具有更高效、良好的可靠性和噪声低等特点，被广泛用于汽车和家用空调系统。典型的涡旋式制冷压缩机是喷油的，喷油可以简化压缩机结构，提高压缩机效率。但是，应用于战斗机等航空领域中，由于飞机的持续翻转导致润滑油无法在零件表面形成油膜，无法在制冷系统中循环。因此，无油润滑的涡旋式制冷压缩机的研究显得格外重要。研究了无油全封闭涡旋式制冷压缩机，通过试验分析得出压缩机具有在特殊的航空领域中应用的可能，在３　０００　ｒ／ｍｉｎ的转速情况下可以满负荷运行２０　ｈ。图２所示为蒸发温度为５℃，冷凝温度为５５℃时制冷剂压力随着涡旋盘转角的变化情况。从图中可以看出，因为是无油润滑，有过压缩过程，动静涡旋盘之间的间隙比较大，真正的压缩过程会偏离绝热过程。

图２　制冷剂压力随涡盘转角的变化
在蒸发温度为５℃，冷凝温度为５５℃的工况下，将压缩机各项性能参数的理论值和试验值进行比较，如图３和图４所示。所有试验值的变化趋势与理论值相同。试验值的制冷量、输入功与理论值的平均偏差在不同冷凝温度情况下分别为７．３％和４．９％，在不同蒸发温度情况下分别为８．０％和５．２％。ＣＯＰ 值随着冷凝温度的升高，从３．４５变化到１．３２，随着蒸发温度的升高，从１．４１变化到４．２８。试验结果和理论值表明内部泄漏是影响无油涡旋式制冷压缩机性能的一个较大的因素。

图３　输入功、制冷量和容积效率随冷凝温度的变化

图４　输入功、制冷量和容积效率随蒸发温度的变化

图５所示为在相同工况不同转速下压缩机性能参数的理论值的变化情况。从图中可以看出，最大容积效率（０．７７）出现在转速为６０００ｒ／ｍｉｎ时，最低排气温度１０３．４℃出现在转速为４０００ｒ／ｍｉｎ时，以及在５０００ｒ／ｍｉｎ的情况下最大指示效率为０．６５。因此，最佳性能出现在转速为４０００～６０００ｒ／ｍｉｎ之间。但是不能忽视高转速会加剧运动零件比如轴承的摩擦，尽管无油涡旋式制冷压缩机在高转速情况下具有更好的性能表现。因此，在设计和使用过程中，压缩机的转速应该控制在３０００ｒ／ｍｉｎ左右，保证更好的可靠性和较长的寿命。

图５　容积效率、指示效率和排气温度与转速的变化关系
研究的用于航空领域的无油全封闭制冷压缩机采用在运动部件表面喷涂磷酸盐材料以提高自润滑性能和耐磨性。磷酸盐涂层是一种耐高温的无机胶粘剂，具有燃点低、耐高温、耐久性好等特点，而且磷酸盐资源丰富，容易获取，不会污染环境。
１．３　滚动转子式和滑片式制冷压缩机
滚动转子式和滑片式制冷压缩机，在２０世纪初期运用于冰箱行业。随着研究的深入和人们节能减排的意识不断增强，小型全封闭制冷压缩机在冰箱、空调和热泵等领域中的使用越来越多。但是，滚动转子式制冷压缩机的滚动转子和滑片式制冷压缩机的滑片在转动过程中必须要与汽缸之间形成一定的间隙，间隙的大小确定需要较高的装配技术和装配精度。滑片和滑片槽之间以及滚动转子和滑片之间存在磨损现象，会影响压缩机的制冷量和机械效率。发明了一种低背压、无润滑油的滚动转子式制冷压缩机，这种压缩机采用了低背压结构设计，如图６所示，压缩机内部大部分处于低压状态，减少了高压侧制冷剂向低压侧的泄漏损失，无须使用润滑油，减少了制冷剂的充注量。

图６　无油滚动转子式制冷压缩机
１．４　螺杆式制冷压缩机
螺杆式制冷压缩机中普遍采用的是喷油润滑的方式，由于喷油螺杆式制冷压缩机中无须设置同步齿轮，因此其结构更为简单。但是，当螺杆式制冷压缩机应用于特殊场合如低温领域时，润滑油会固化影响压缩机的正常运行，这就要求压缩机压缩腔必须处于无油润滑状态。
发明了一种无油润滑的螺杆式制冷膨胀－压缩器。这种压缩机保留了原有主压缩机、冷凝器和蒸发器，将节流装置改为一个同轴的膨胀－压缩机。膨胀－压缩机中的膨胀机充当了压缩机的同步传动装置，从而可以平衡轴向和径向气体力，减小轴承载荷，压缩腔内无需润滑油进行润滑。从２１世纪开始，热泵技术的运用逐渐增加，湿式压缩吸收式热泵系统是近年来发展较快的一种新型系统之一。湿式压缩吸收式热泵系统采用非共沸制冷剂混合物。与传统系统循环相比，最主要的不同点在于混合物在换热器中的非等温相变过程和压缩机内部的两相压缩过程。目前存在的最大问题在于缺乏合适的压缩机类型适应气液两相混合压缩。此外，由于润滑油与制冷剂混合物分离较为困难，这类压缩机需要处于无油状态，简化系统设备。在氨－水压缩吸收式热泵系统中，通过试验分析，考虑了系统循环的特殊要求，认为螺杆式压缩机是最佳选择。螺杆式压缩机可在保证一定高效率的前提下带液工作。工作腔内无润滑油，低黏度氨－水混合物的液相部分可以在阴阳转子之间充当润滑剂，轴承部分仍然采用油润滑的方式，在轴承腔和工作腔之间采用迷宫密封防止润滑油。表明了无油螺杆式压缩机在氨－水压缩吸收式热泵系统中具有良好的性能表现。但是由于氨水对金属具有较强的氧化腐蚀作用，因此，分析得出，在与氨有可能接触的左右部件均采用不锈钢材料，压缩机各部件连接的密封垫采用抗氨的三元乙丙橡胶。
１．５　离心式制冷压缩机
目前冷水机组中采用的压缩机中有部分是离心式制冷压缩机，近年来磁悬浮轴承技术的出现推动了以磁悬浮支撑技术为特点的变频离心式制冷压缩机的研究。此类压缩机具有高效、无油及噪声小等特点，受到广泛好评。公司新近开发的磁悬浮离心式制冷压缩机（采用Ｒ１３４ａ制冷剂）如图７和图８所示。研究了磁悬浮离心式制冷压缩机在不同负荷下的性能参数，如表３所示。

表３　磁悬浮离心式制冷压缩机不同负荷性能参数
磁悬浮轴承是磁悬浮离心式制冷压缩机的核心。在控制器作用下，主轴运行过程中与轴承座之间有约７μｍ 的间隙。磁悬浮轴承避免了润滑油的使用，简化制冷系统，延长使用寿命。但是，目前磁悬浮离心式制冷压缩机的控制技术还不够完善，需要进一步研究和分析。
２、无油制冷压缩机共性关键技术的发展现状
目前无油制冷压缩机发展较快，已研发出不同概念的机型，丰富了无油制冷压缩机产品线，以满足不同场合的要求。而在这些压缩机中，仍有一些共性关键技术有待进一步研究。自润滑技术发展较早，也较为成熟，需要进一步研究新型的自润滑材料和相关技术。直线轴承、制冷剂润滑轴承、混合陶瓷轴承和磁悬浮轴承等新型轴承的出现，免去了轴承供油的问题，简化压缩机结构。无油制冷压缩机中的轴封具有十分重要的作用，在防止外界流体进入压缩机的同时能够防止压缩腔内流体向外流失。无油制冷压缩机的冷却方式不再依靠润滑油，需要在压缩机结构上进行优化，带走产生的热量。
２．１　自润滑技术
无油制冷压缩机内各零件之间相对运动时就会产生摩擦，长时间运行会导致零件表面粗糙和腐蚀。摩擦产生的热量会导致零件变形，发生磨损，影响压缩机的正常工作。在喷油制冷压缩机中，可以通过油润滑减少零件之间的摩擦，同时带走摩擦热，保证零件的正常稳定工作。而无油制冷压缩机由于没有了油润滑，零件之间直接接触，需要采用带自润滑性能材料等方法减少摩擦。自润滑材料目前大体分为２种：采用较多的无机非金属自润滑材料和采用合金镀层技术的材料。
１）无机非金属自润滑材料
在活塞式制冷压缩机中，一般采用聚酰亚胺或聚四氟乙烯材料制成具有自润滑特性的活塞环，同时，在自润滑材料中添加青铜粉、玻璃纤维和石墨粉，提高自润滑材料的耐磨性、机械强度和导热性能。聚酰亚胺是一种工业化生产的杂环类高分子化合物，能够解决在高压汽缸使用聚四氟乙烯材料的活塞环耐磨性差和使用寿命短的问题。相关研究分析表明，在聚酰亚胺中加入聚四氟乙烯和石墨粉能够进一步提升材料的自润滑特性，提高化学稳定性、耐腐蚀性和机械强度，是目前使用较为广泛的一种无机非金属自润滑材料。
在涡旋式制冷压缩机中，动涡盘和静涡盘接触面采用喷涂磷酸盐涂层，提高自润滑性能，减少动静涡盘之间的摩擦，减少制冷剂泄漏。磷酸盐涂层具有良好的耐水性、固化收缩率小和耐高温等特点，是一种新型无机非金属自润滑材料。同样，在滑片式制冷压缩机中，滑片与汽缸之间的磨损较大，一般采用改性聚四氟乙烯涂层、改性聚醚醚酮涂层或石墨涂层，避免了润滑油与流体介质混合，减少了流体介质被润滑油污染的问题，保证了流体介质的原有品质。
２）合金镀层技术
目前，出现了一种采用化学镀技术制备耐磨Ｎｉ－Ｐ合金镀层的方法。在ＣｒＭｏＮｉ高合金铸铁基体表面制备合金镀层，使原有材料硬度从２３８ＨＶ提高至１３１６ＨＶ，磨损率由１．６２×１０－４ｇ／ｓ下降至０．９８×１０－７　ｇ／ｓ。虽然这种镀层技术表现良好，但是化学镀镍的机制尚无定论，研究人员还在做进一步的研究。
２．２　无油润滑轴承
轴承已经成为各种机械设备中不可缺少的一个重要零件，在压缩机中，轴承的作用就是支撑旋转轴，选用不同类型的轴承平衡旋转轴的径向力和轴向力，降低旋转轴的摩擦系数，提高同轴度以及回转精度。轴承主要分为滑动轴承和滚动轴承。当载荷相对较小时，采用滚动轴承，摩擦阻力小、启动快、效率高、旋转精度高。当载荷过大时，若采用滚动轴承，容易产生振动和噪声，与滑动轴承相比径向尺寸较大。滑动轴承的造价成本相对较低，轴承寿命长。在一些不重要的场合、低速重载等情况下，更能显示出其优越性能。目前，随着无油润滑技术的深入研究，已开发出一些新型轴承，以满足市场的需求。
１）直线轴承
直线轴承（如图９所示）是一种用于直线运动的轴承，由于承载球与轴承外套点接触，承载球以最小摩擦力滚动，因此，其工作状态稳定，不随轴的速度变化而改变，可以获得较为平稳的直线运动。但是直线轴承的冲击载荷能力较差，承载能力较小。

图９　直线轴承
２）制冷剂润滑的滑动轴承
无油制冷压缩机，一般是指制冷剂在被压缩过程中完全不与润滑油接触，即压缩腔内无油润滑。一般压缩机的轴承仍然采用油润滑方式，只是在轴承与压缩腔之间采取了有效的轴封进行隔离。研究了在无油全封闭涡旋式制冷压缩机内采用Ｒ１３４ａ制冷剂作为润滑介质的滑动轴承，包括静压滑动轴承、液体动压滑动轴承和动静压滑动轴承，认为在考虑一定的湍流损失的情况下，Ｒ１３４ａ制冷剂可以作为润滑介质。
３）混合陶瓷轴承
混合陶瓷轴承是斯凯孚（ＳＫＦ）推出的一种特殊应用的轴承，如图１０所示，与普通的滚动轴承不同的是，其滚动体采用氮化硅（Ｓｉ３Ｎ４）和轴承钢制的轴承圈。氮化硅材料本身具有较好的自润滑性、耐磨性、耐高温性和化学稳定性。同时，氮化硅属于一种结构陶瓷材料，绝缘性能好，可以有效避免电机的电流通过轴承。这种轴承的转速性能和使用寿命相比普通滚动轴承更高，无须润滑油进行润滑。

图１０　混合陶瓷轴承
４）磁悬浮轴承
磁悬浮轴承是本世纪被开发研究的一种新型轴承，已经被运用在一些特殊场合，例如航空、大型工业机械。这项技术已经被证明具有较高的可靠性，可以替代有油润滑的制冷压缩机。但是磁悬浮轴承技术造价高，并没有运用在很多的设备中。目前，主要运用在离心式制冷压缩机产品中。
磁悬浮轴承技术采用数字控制方法，保证制冷压缩机转轴处于悬浮状态，极大减少了转轴的摩擦损失。基于良好的控制方法，转轴的同轴度提高，振动减少，最大振动幅度仅为０．５μｍ。此外，可以通过软件对制冷压缩机转轴不平衡性进行实时调整，减少不必要的功耗损失，提高制冷压缩机的机械效率。
２．３　轴封
无油制冷压缩机的压缩过程是在一个完全无油的状态下进行，大部分情况下要求在压缩机的润滑区与压缩气体区设置有较为可靠的密封装置。当采用以Ｒ１３４ａ制冷剂作为润滑介质的轴承时可不使用轴封，压缩气体区和润滑区的结构可得到极大简化。对于轴封材料，不仅需要其能够在较高圆周速度下有效工作，而且需要其具有一定的弹性，加强轴封的密封效果。此外，轴封材料还必须耐受制冷剂的化学腐蚀，这就需要进一步研究不同轴封材料和制冷剂的物性。
２．４　冷却
无油制冷压缩机没有了油润滑，无法通过润滑油带走压缩机内部热量。在全封闭式无油制冷压缩机中，制冷剂不仅在压缩腔内吸收热量，还可带走电机热量，但是由于制冷剂带走的热量有限，这种方法只适合小型无油制冷压缩机。大部分的方式是采用双层壁结构，在夹层内通入冷却水或者其他冷却介质，保证压缩机结构不变形。同时，在压缩机外壁设有冷却翅片，增强自然对流冷却效果。
３、结束语
无油制冷压缩机作为近年来快速发展的一种压缩机类型，具有目前市场上普遍使用的喷油制冷压缩机不可比拟的特点：
１）无需润滑油润滑，压缩机结构简单，制冷系统更为紧凑，使更小型化的压缩机成为可能；
２）根据不同冷量不同场合，选取不同机型进行适配，选择范围大；
３）满足各种场合条件的需求，在一些特殊环境下，具有较好的优势。
４）随着轴承技术、自润滑材料和控制技术的深入研究，无油制冷压缩机的性能会不断得到提高。 
 
 
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