空调器实用回转制冷压缩机的设计开发实例探讨

关键词：回转 制冷压缩机设计 

中图分类号：s611文献标识码：a 文章编号： 

一、前言 

二十世纪后半叶,制冷和空调产业获得前所未有的高速发展。制冷已成为全球保证食品供应的基本手段之一,而空调则是当今社会保证生产工艺及生活环境舒适要求的必要手段。而压缩机相当于制冷系统中的心脏,各种类型的制冷压缩机是决定系统能力大小的关键部件,对系统的运行性能、能效、噪声、振动、维护和使用寿命等有着直接的影响。应用最广泛的就是往复式制冷压缩机,由于其驱动机构为曲柄连杆机构,需要将电机的旋转运动转换为曲柄连杆机构的往复运动,造成整个系统的效率低,并且相同功率下与其它类型制冷压缩机相比设备复杂、总体体积庞大、传动效率低、噪声大、磨损厉害、可靠性低、运行中故障多、寿命短。适用范围制冷量200kw以下,其性能系数约为2~2.5w /w (制冷)和2. 9~ 3.4w /w (空调)。回转式压缩机的种类较多,各有优势,但也各有弱点。 

目前广泛应用于家用冰箱和空调中的滚动转子式制冷压缩机一旦在其轴承、主轴、滚轮或是滑片处发生磨损、间隙增大,马上会对其性能产生较明显的不良影响,在装配中对系统具有较高的清洁度要求,特别是滑片对材料的要求比较高。对于现场安装的制冷空调系统而言,如果进入系统的杂质较多,会使机器性能迅速恶化。单缸的转子式压缩机在低转速时的转速不均匀度会增大,且制冷量小,适用范围的制冷量为5kw~10kw,比较狭窄。其性能系数可达2.9w/w(制冷)和3.4w/w(制热)。 

涡旋式制冷压缩机发展越来越好,适用范围的制冷量为5kw~70kw,能效比高,但应用场合有局限性,在较小的制冷量的工况下,效率比较低,制造成本比较高,制造需要高精度的加工设备及精确的调心装配技术。 

离心式制冷压缩机适用于制冷量在350kw以上的场合,而对于制冷量小的场合则不适用。此外,大型离心式制冷压缩机如果应用于工作压力变化范围很大的场合,会带来喘振问题。在部分负荷运转时,工作效率低。整体设备复杂,零部件较多,运行维护不便。运行时噪声比较大。还有其它形式的制冷压缩机,如滑片式制冷压缩机,旋叶式制冷压缩机,螺旋叶片式制冷压缩机等,都是由于效率、可靠性、可行性问题,应用少或者正在研究开发之中。 

因此,开发综合优势较强的制冷压缩机是很有必要的。本压缩机的开发主要着眼于高效、结构简单、制冷量范围广。 

不少压缩机的核心技术主要掌握在美国、日本,还有一些欧洲发达国家手里,而国产的压缩机企业大部分是合资企业,具有自己独立知识产权的压缩机企业寥寥无几。制冷压缩机的设计与研发对民族企业的发展具有重要的意义。本文所描述的自行设计的压缩机,是结合滚动转子式制冷压缩机和涡旋式制冷压缩机的特点,组合部分制冷压缩机的优点而设计的一种制冷压缩机。 

二、压缩机的基本结构 

回转式制冷压缩机的壳体有两个完全关于空间中心对称的圆环空心体交叉组成，一端是密封的,另一端是开口的,开口的一端用端盖密封,并且把旋转的活塞和端盖做成一体,电动机与底端轴连接。辅助零件有活塞环,齿轮等。图1为压缩机的工作原理图,图2为基本结构立体图。 

1、活塞； 2、气缸； 3、排气口 ；4、排气口； 5、活塞； 6、气缸； 

7、吸气口；8、吸气口； 9、交汇处； 10、交汇处 

图1 压缩机的工作原理(左气缸压缩、右气缸吸气) 

 

图2压缩机的基本结构 

三、工作原理 

工作原理如图1所示,主体结构为一种双环相交型回转式压缩机气缸。两个气缸的横截面形状均为圆环形,左气缸2与右气缸6相交,两个圆环型气缸各有一固定端盖和活动端盖。图2中的右气缸上面端盖为活动端盖,下部为固定端盖;左气缸的上面端盖为固定端盖,下部则为活动端盖。两个圆环形气缸交汇处空间连通,左气缸2内设置有一个圆弧形左活塞1,右气缸6内设置有一个圆弧形右活塞5,左气缸或右气缸圆环形活动盖板分别与左活塞1和右活塞5连接成一个整体,并分别在各自的圆环形气缸空间内作回转运动且运转方向相反。由于圆环形气缸的交汇处空间互通,每个圆环形气缸内的活塞都能通过交汇处。位于上交汇处附近的左气缸2和右气缸6的两个圆环形气缸壁上,分别开有左排气口3和右排气口4,位于下交汇处附近的左气缸2和右气缸6的两个圆环形气缸壁上,分别开有左吸气口8和右吸气口7。左气缸压缩、右气缸吸气过程如图1所示,当上交汇处9被右活塞5占据时,在左气缸2中,左活塞1与右活塞5的圆弧面外侧形成压缩空间,左活塞1的顺时针运动形成先压缩、后排气过程;当下交汇处10被左活塞1占据时,在右气缸中,右活塞5与左活塞1的圆弧面外侧形成吸气空间,右活塞5的逆时针运动形成吸气过程,气体从右吸气口7进入气缸。同理可形成左气缸吸气、右气缸压缩的过程,如图3所示。 

图3 压缩机的工作原理(左气缸吸气、右气缸压缩) 

四、压缩机的设计细节 

1、 压缩机的驱动结构 

两个环形的活塞通过一个两端输出的电机驱动。如图2所示，电机装在左气缸内壁面内部, 下部输出端直接通过花键和左气缸的下面活动端盖连接,活动端盖和活塞做成一体;上部输出端与左气缸上部的主动齿轮相联,从动齿轮与右气缸上部的活动端盖相联。两个齿轮大小相等,齿数、模数相等。这样,一个电机可同时驱动两个环形活塞(一个顺时针旋转,一个逆时针旋转)。该机构使用齿轮连接有如下优点: 

①效率高。在常用的机械传动中,以齿轮的传动效率为最高。一级圆柱齿轮传动的效率可达99%。 

②结构紧凑。在同样的使用条件下,齿轮传动所需的空间尺寸一般较小。 

③工作可靠、寿命长。设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动,工作十分可靠,寿命可长达一、二十年,这也是其它机械传动所不能比拟的。这对制冷压缩机尤为重要。 

④适用的圆周速度和功率范围广。 

2、润滑和气密性 

在压缩机的活塞上开一些油道，在压缩机的底部注入一定量的润滑油,通过齿轮的旋转将一部分油甩入油道,另外靠活塞的旋转产生的离心力将一部分油甩入油道,对传动部件进行润滑。密封:在端盖和活塞连接处的上端设置一个活塞环,进行轴向密封,在垂直方向上也设置两道平行的活塞环,起密封和刮油的作用。 

3、能量调节 

在压缩腔设置一系列不同直径的旁通孔,使一部分被压缩气体返回吸气腔,使得能量调节范围达到10%~100%;也可以采用变频电机,通过旁通孔和变频电机相结合进行能量调节。 

4、振动和噪声 

活塞和缸体全是面接触,且是紧密接触,布置相对运动的两部件合理间隙,使振动减小、摩擦小、运行比较平稳、噪声比较小。为降低噪声可采用排气消声孔和亥姆霍兹共鸣器相结合的消声方法及多重膨胀室消声器。 

5、气阀 

该压缩机可不使用吸气阀,但是排气阀非常重要。为防止转速增加后输气量加大,气体流经气阀的流速增加、流动阻力也增加,不使用普通弹片。普通弹片过软,导致排气阀片产生延迟关闭、阀片寿命降低。阀片应采用特殊不锈钢材料以提高其耐冲击力,也可采用带缓冲片的气阀结构。 

6、优点 

从上述图中可以看出,本压缩机的结构简单,零部件少。由于其是回转式的结构,运转效率高。气缸的径向和轴向的尺寸扩张对工作原理和加工工艺不产生特别的影响,因此体积变化不受限制,因而制冷量范围可以很广。 

五、结论 

本文提及所设计的制冷压缩机零部件少, 制造简单、效率高、噪音小、运行平稳、适用功率范围广, 可以适用多种环保制冷剂，对于我国压缩机制造水平的提高、压缩机制造企业的发展、制冷空调行业的发展有着重要的意义。 

六、参考文献： 

【1】杨可桢、程光蕴，机械设计基础[m ] . 北京: 高等教育出版社, 2005. 

【2】周莺、张华俊、李积杰、等，世界制冷压缩机现状及发展动向【j】，压缩机技术, 2001。 

【3】周子成，我国空调压缩机制造业的现状和发展方向【j】，制冷与空调，2004。 

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