空調(diào)器實(shí)用回轉(zhuǎn)制冷壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)實(shí)例探討

關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn) 制冷壓縮機(jī)設(shè)計(jì) 

中圖分類號(hào)：s611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)： 

一、前言 

二十世紀(jì)后半葉,制冷和空調(diào)產(chǎn)業(yè)獲得前所未有的高速發(fā)展。制冷已成為全球保證食品供應(yīng)的基本手段之一,而空調(diào)則是當(dāng)今社會(huì)保證生產(chǎn)工藝及生活環(huán)境舒適要求的必要手段。而壓縮機(jī)相當(dāng)于制冷系統(tǒng)中的心臟,各種類型的制冷壓縮機(jī)是決定系統(tǒng)能力大小的關(guān)鍵部件,對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行性能、能效、噪聲、振動(dòng)、維護(hù)和使用壽命等有著直接的影響。應(yīng)用最廣泛的就是往復(fù)式制冷壓縮機(jī),由于其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為曲柄連桿機(jī)構(gòu),需要將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲柄連桿機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng),造成整個(gè)系統(tǒng)的效率低,并且相同功率下與其它類型制冷壓縮機(jī)相比設(shè)備復(fù)雜、總體體積龐大、傳動(dòng)效率低、噪聲大、磨損厲害、可靠性低、運(yùn)行中故障多、壽命短。適用范圍制冷量200kw以下,其性能系數(shù)約為2~2.5w /w (制冷)和2. 9~ 3.4w /w (空調(diào))。回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的種類較多,各有優(yōu)勢(shì),但也各有弱點(diǎn)。 

目前廣泛應(yīng)用于家用冰箱和空調(diào)中的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式制冷壓縮機(jī)一旦在其軸承、主軸、滾輪或是滑片處發(fā)生磨損、間隙增大,馬上會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生較明顯的不良影響,在裝配中對(duì)系統(tǒng)具有較高的清潔度要求,特別是滑片對(duì)材料的要求比較高。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)安裝的制冷空調(diào)系統(tǒng)而言,如果進(jìn)入系統(tǒng)的雜質(zhì)較多,會(huì)使機(jī)器性能迅速惡化。單缸的轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速不均勻度會(huì)增大,且制冷量小,適用范圍的制冷量為5kw~10kw,比較狹窄。其性能系數(shù)可達(dá)2.9w/w(制冷)和3.4w/w(制熱)。 

渦旋式制冷壓縮機(jī)發(fā)展越來(lái)越好,適用范圍的制冷量為5kw~70kw,能效比高,但應(yīng)用場(chǎng)合有局限性,在較小的制冷量的工況下,效率比較低,制造成本比較高,制造需要高精度的加工設(shè)備及精確的調(diào)心裝配技術(shù)。 

離心式制冷壓縮機(jī)適用于制冷量在350kw以上的場(chǎng)合,而對(duì)于制冷量小的場(chǎng)合則不適用。此外,大型離心式制冷壓縮機(jī)如果應(yīng)用于工作壓力變化范圍很大的場(chǎng)合,會(huì)帶來(lái)喘振問(wèn)題。在部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),工作效率低。整體設(shè)備復(fù)雜,零部件較多,運(yùn)行維護(hù)不便。運(yùn)行時(shí)噪聲比較大。還有其它形式的制冷壓縮機(jī),如滑片式制冷壓縮機(jī),旋葉式制冷壓縮機(jī),螺旋葉片式制冷壓縮機(jī)等,都是由于效率、可靠性、可行性問(wèn)題,應(yīng)用少或者正在研究開(kāi)發(fā)之中。 

因此,開(kāi)發(fā)綜合優(yōu)勢(shì)較強(qiáng)的制冷壓縮機(jī)是很有必要的。本壓縮機(jī)的開(kāi)發(fā)主要著眼于高效、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制冷量范圍廣。 

不少壓縮機(jī)的核心技術(shù)主要掌握在美國(guó)、日本,還有一些歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家手里,而國(guó)產(chǎn)的壓縮機(jī)企業(yè)大部分是合資企業(yè),具有自己獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的壓縮機(jī)企業(yè)寥寥無(wú)幾。制冷壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)與研發(fā)對(duì)民族企業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。本文所描述的自行設(shè)計(jì)的壓縮機(jī),是結(jié)合滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式制冷壓縮機(jī)和渦旋式制冷壓縮機(jī)的特點(diǎn),組合部分制冷壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)的一種制冷壓縮機(jī)。 

二、壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 

回轉(zhuǎn)式制冷壓縮機(jī)的殼體有兩個(gè)完全關(guān)于空間中心對(duì)稱的圓環(huán)空心體交叉組成，一端是密封的,另一端是開(kāi)口的,開(kāi)口的一端用端蓋密封,并且把旋轉(zhuǎn)的活塞和端蓋做成一體,電動(dòng)機(jī)與底端軸連接。輔助零件有活塞環(huán),齒輪等。圖1為壓縮機(jī)的工作原理圖,圖2為基本結(jié)構(gòu)立體圖。 

1、活塞； 2、氣缸； 3、排氣口 ；4、排氣口； 5、活塞； 6、氣缸； 

7、吸氣口；8、吸氣口； 9、交匯處； 10、交匯處 

圖1 壓縮機(jī)的工作原理(左氣缸壓縮、右氣缸吸氣) 

 

圖2壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 

三、工作原理 

工作原理如圖1所示,主體結(jié)構(gòu)為一種雙環(huán)相交型回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)氣缸。兩個(gè)氣缸的橫截面形狀均為圓環(huán)形,左氣缸2與右氣缸6相交,兩個(gè)圓環(huán)型氣缸各有一固定端蓋和活動(dòng)端蓋。圖2中的右氣缸上面端蓋為活動(dòng)端蓋,下部為固定端蓋;左氣缸的上面端蓋為固定端蓋,下部則為活動(dòng)端蓋。兩個(gè)圓環(huán)形氣缸交匯處空間連通,左氣缸2內(nèi)設(shè)置有一個(gè)圓弧形左活塞1,右氣缸6內(nèi)設(shè)置有一個(gè)圓弧形右活塞5,左氣缸或右氣缸圓環(huán)形活動(dòng)蓋板分別與左活塞1和右活塞5連接成一個(gè)整體,并分別在各自的圓環(huán)形氣缸空間內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)且運(yùn)轉(zhuǎn)方向相反。由于圓環(huán)形氣缸的交匯處空間互通,每個(gè)圓環(huán)形氣缸內(nèi)的活塞都能通過(guò)交匯處。位于上交匯處附近的左氣缸2和右氣缸6的兩個(gè)圓環(huán)形氣缸壁上,分別開(kāi)有左排氣口3和右排氣口4,位于下交匯處附近的左氣缸2和右氣缸6的兩個(gè)圓環(huán)形氣缸壁上,分別開(kāi)有左吸氣口8和右吸氣口7。左氣缸壓縮、右氣缸吸氣過(guò)程如圖1所示,當(dāng)上交匯處9被右活塞5占據(jù)時(shí),在左氣缸2中,左活塞1與右活塞5的圓弧面外側(cè)形成壓縮空間,左活塞1的順時(shí)針運(yùn)動(dòng)形成先壓縮、后排氣過(guò)程;當(dāng)下交匯處10被左活塞1占據(jù)時(shí),在右氣缸中,右活塞5與左活塞1的圓弧面外側(cè)形成吸氣空間,右活塞5的逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)形成吸氣過(guò)程,氣體從右吸氣口7進(jìn)入氣缸。同理可形成左氣缸吸氣、右氣缸壓縮的過(guò)程,如圖3所示。 

圖3 壓縮機(jī)的工作原理(左氣缸吸氣、右氣缸壓縮) 

四、壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié) 

1、 壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu) 

兩個(gè)環(huán)形的活塞通過(guò)一個(gè)兩端輸出的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。如圖2所示，電機(jī)裝在左氣缸內(nèi)壁面內(nèi)部, 下部輸出端直接通過(guò)花鍵和左氣缸的下面活動(dòng)端蓋連接,活動(dòng)端蓋和活塞做成一體;上部輸出端與左氣缸上部的主動(dòng)齒輪相聯(lián),從動(dòng)齒輪與右氣缸上部的活動(dòng)端蓋相聯(lián)。兩個(gè)齒輪大小相等,齒數(shù)、模數(shù)相等。這樣,一個(gè)電機(jī)可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)環(huán)形活塞(一個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn),一個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))。該機(jī)構(gòu)使用齒輪連接有如下優(yōu)點(diǎn): 

①效率高。在常用的機(jī)械傳動(dòng)中,以齒輪的傳動(dòng)效率為最高。一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)的效率可達(dá)99%。 

②結(jié)構(gòu)緊湊。在同樣的使用條件下,齒輪傳動(dòng)所需的空間尺寸一般較小。 

③工作可靠、壽命長(zhǎng)。設(shè)計(jì)制造正確合理、使用維護(hù)良好的齒輪傳動(dòng),工作十分可靠,壽命可長(zhǎng)達(dá)一、二十年,這也是其它機(jī)械傳動(dòng)所不能比擬的。這對(duì)制冷壓縮機(jī)尤為重要。 

④適用的圓周速度和功率范圍廣。 

2、潤(rùn)滑和氣密性 

在壓縮機(jī)的活塞上開(kāi)一些油道，在壓縮機(jī)的底部注入一定量的潤(rùn)滑油,通過(guò)齒輪的旋轉(zhuǎn)將一部分油甩入油道,另外靠活塞的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將一部分油甩入油道,對(duì)傳動(dòng)部件進(jìn)行潤(rùn)滑。密封:在端蓋和活塞連接處的上端設(shè)置一個(gè)活塞環(huán),進(jìn)行軸向密封,在垂直方向上也設(shè)置兩道平行的活塞環(huán),起密封和刮油的作用。 

3、能量調(diào)節(jié) 

在壓縮腔設(shè)置一系列不同直徑的旁通孔,使一部分被壓縮氣體返回吸氣腔,使得能量調(diào)節(jié)范圍達(dá)到10%~100%;也可以采用變頻電機(jī),通過(guò)旁通孔和變頻電機(jī)相結(jié)合進(jìn)行能量調(diào)節(jié)。 

4、振動(dòng)和噪聲 

活塞和缸體全是面接觸,且是緊密接觸,布置相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩部件合理間隙,使振動(dòng)減小、摩擦小、運(yùn)行比較平穩(wěn)、噪聲比較小。為降低噪聲可采用排氣消聲孔和亥姆霍茲共鳴器相結(jié)合的消聲方法及多重膨脹室消聲器。 

5、氣閥 

該壓縮機(jī)可不使用吸氣閥,但是排氣閥非常重要。為防止轉(zhuǎn)速增加后輸氣量加大,氣體流經(jīng)氣閥的流速增加、流動(dòng)阻力也增加,不使用普通彈片。普通彈片過(guò)軟,導(dǎo)致排氣閥片產(chǎn)生延遲關(guān)閉、閥片壽命降低。閥片應(yīng)采用特殊不銹鋼材料以提高其耐沖擊力,也可采用帶緩沖片的氣閥結(jié)構(gòu)。 

6、優(yōu)點(diǎn) 

從上述圖中可以看出,本壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,零部件少。由于其是回轉(zhuǎn)式的結(jié)構(gòu),運(yùn)轉(zhuǎn)效率高。氣缸的徑向和軸向的尺寸擴(kuò)張對(duì)工作原理和加工工藝不產(chǎn)生特別的影響,因此體積變化不受限制,因而制冷量范圍可以很廣。 

五、結(jié)論 

本文提及所設(shè)計(jì)的制冷壓縮機(jī)零部件少, 制造簡(jiǎn)單、效率高、噪音小、運(yùn)行平穩(wěn)、適用功率范圍廣, 可以適用多種環(huán)保制冷劑，對(duì)于我國(guó)壓縮機(jī)制造水平的提高、壓縮機(jī)制造企業(yè)的發(fā)展、制冷空調(diào)行業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。 

六、參考文獻(xiàn)： 

【1】楊可楨、程光蘊(yùn)，機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[m ] . 北京: 高等教育出版社, 2005. 

【2】周鶯、張華俊、李積杰、等，世界制冷壓縮機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)向【j】，壓縮機(jī)技術(shù), 2001。 

【3】周子成，我國(guó)空調(diào)壓縮機(jī)制造業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向【j】，制冷與空調(diào)，2004。 

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)用pdf形式查看。