滾動轉子式壓縮機氣缸優化分析與驗證

張執，張一

(1.沈陽中航機電三洋制冷設備有限公司 研發中心，遼寧 沈陽 110044；2.遼寧城市建設職業技術學院 設備系，遼寧 沈陽 110122)

隨著社會的不斷進步，經濟的發展以及人們生活水平的不斷提高，小排量制冷設備需求迅猛增長，使全滾動轉子式壓縮機行業快速發展。在世界能源危機的大環境下，提高壓縮機效率成為了擺在制冷壓縮機科研人員面前的重要課題。

為提高壓縮機效率，實現更高的能效比，各大制造商開始愈發重視對變頻控制技術的開發。該項技術采用變頻電動機，通過改變壓縮機的運轉速度來提高負載效率，增大運行范圍。由于變頻壓縮機的容量可調比遠大于原機型，從而極大程度上減少了耗能，降低了壓縮機的噪聲與振動，提高了制冷產品的舒適度。然而，采用變頻技術制造壓縮機的成本遠高于定頻產品，因此并不能滿足工薪階層消費者的需求。

采用高導磁、低損耗的硅鋼片材料制造壓縮機電機是提高壓縮機電機效率的途徑之一。硅鋼片的磁化曲線的飽和點較高，可降低壓縮機電機的銅耗，同時由于硅鋼片的鐵耗低，因此壓縮機電機的效率可得到提高。然而此項技術同樣存在著制造成本高的問題。

通過增加鐵芯尺寸（增大電機直徑、提高疊片高度）的方式降低鐵損，增大導磁性能，也是提高電機效率的方法之一。然而這種提高效率的方法耗材很多，并不值得提倡。此外，一些壓縮機制造商將電機硅鋼片做得很薄，也可獲得較高的電機效率，但會大幅增加電機成本。

采用高剛性磨頭，提高葉片槽的加工精度，進而降低滑動摩擦損失，是提升壓縮機機械效率的方法之一。壓縮機葉片安裝在氣缸葉片槽中，其內端面與滾套外徑相接觸，將壓縮機的工作腔分為低壓吸氣腔與高壓壓縮排氣腔。過去氣缸葉片槽采用切削加工，加工出的葉片槽形狀精度并不高，改用磨削加工可使精度得以提高，從而提升壓縮機效率。從切削加工與磨削加工后葉片槽的斷面形狀觀察，磨削件整體平面度較切削有很大的改善。但制造加工費用的增加，同樣有礙于此項技術的普及。

通過壓縮機理論分析及試驗驗證可知，降低氣缸高度是目前提升壓縮機效率較為有效的方式之一，具有良好的經濟性且易于實現。

1 理論分析

滾動轉子式壓縮機制冷性能好、結構簡單、成本低廉、運行可靠，因此被國內外的房間空調器大量采用。但是由于壓縮機泵體的吸氣腔與壓縮排氣腔是同時工作的，因此影響壓縮機效率的因素較多。業內通常將壓縮機效率分解為電機效率、容積效率、機械效率及壓縮效率。由于提升電機效率多采用增加電機材料成本的方式實現，考慮到壓縮機產品的經濟性，通常情況下壓縮機廠商主要通過提升容積效率、機械效率或壓縮效率以達到壓縮機高效化目的。壓縮機的壓縮效率受到壓縮機本身結構的限制，提升的空間有限。壓縮機機械效率與其零部件的加工及裝配精度有關，若要提高零部件的加工及裝配水平需要較大的設備投入。因此提高容積效率就成為了提升壓縮機效率的最有效途徑。

影響容積效率的主要因素有氣體泄漏、余隙容積（即排氣過程結束后仍殘留有高壓氣體的空間）、制冷劑種類等。因壓縮機廠商對于零部件結構的通用性考慮，空調廠商對于產品適用性的限定等，通過改變壓縮機余隙容積或制冷劑種類以提升壓縮機容積效率的可行性很小。由于滾動轉子式壓縮機泵體內部的泄漏通道較多，間隙的相對長度較大，故氣體泄漏是影響容積效率的重要因素，減小氣體泄漏就成為提升壓縮機容積效率的主要手段。

在滾動轉子式壓縮機的泵體內，滾套與氣缸及上、下軸承間、葉片與氣缸及上、下軸承間均采用間隙密封，因此制冷劑氣體通過這些間隙從壓縮排氣腔向吸氣腔泄漏是不可避免的。過多的泄漏會降低制冷劑的壓縮與循環量，進而嚴重影響泵體的容積效率，導致壓縮機效率的降低。

利用流動模型模擬計算制冷劑的泄漏量可知，在泵體內部的各種制冷劑泄露中，通過滾套徑向間隙的泄漏量最大，約占總泄漏量的一半。由于受生產條件所限，各壓縮機制造商所生產的泵體零部件結構形式較為固定。若要達到減小滾套徑向間隙，從而減少制冷劑氣體泄漏的目的，最直接的方式就是降低工作腔腔體高度，也就是降低壓縮機的氣缸高度。

綜上，通過理論分析可知，降低壓縮機的氣缸高度是目前提升壓縮機效率較為經濟且易于實現的方式之一。

2 壓縮機性能對比試驗

2.1 試驗目的

本試驗通過對氣缸高度降低前后兩方案壓縮機的性能測試對比，判斷氣缸結構優化方案的可行性。

2.2 試驗對象

測試對比兩方案壓縮機的性能指標，包括制冷量、輸入功率、電流、溫度等。兩方案樣本差異說明如表1。

表1 樣本方案

2.3 試驗裝置

采用第二制冷劑量熱計卡路里試驗臺進行壓縮機性能測試，試驗臺示意如圖1。

圖1 測試試驗臺示意圖

2.4 試驗條件

針對本次制作的壓縮機樣本的應用環境，選擇泰康工況作為試驗測試條件。該工況各關鍵溫度點具體如表2。

表2 泰康工況測試條件 ℃

備注：（1）冷凝溫度：冷凝器內制冷劑蒸汽在一定壓力下凝結時的飽和溫度。（2）蒸發溫度：制冷劑液體在蒸發器內氣化時，對應于蒸發壓力下的飽和溫度。（3）閥前溫度：膨脹閥前的溫度。

2.5 測試數據分析

對兩方案壓縮機樣本的性能測試結果進行匯總對比，如圖2～4所示。

圖2 制冷量對比

圖3 輸入功率對比

圖4 電流對比

圖5 能效比對比

通過壓縮機性能試驗結果的對比不難看出，降低氣缸高度取得了預期的效果。氣缸高度降低使壓縮機的制冷量得到了提高，同時減少了功率的消耗（壓縮機電流與輸入功率正相關），提升了壓縮機的整機能效比。

3 結語

減小壓縮機泵體的氣體泄漏，特別是滾套徑向間隙的泄漏，對于提升壓縮機效率有著重要的意義。而降低壓縮機的氣缸高度則是減小滾套徑向間隙泄漏的最直接有效方式。