2024年1月11日发(作者：)
制冷压缩机系列讲座（十四）：滚动转子式压缩机I —工作过程和结构特点
信息来源：中国制冷空调技术网 更新日期： 2008-9-16
关键词：制冷压缩机，滚动转子式压缩机，工作过程和结构特点
工作过程和结构特点
一、 工作过程
滚动转子式压缩机类属回转式压缩机。20世纪70年代后在国内外有较大的发展，如国内产生的小型全封闭滚动转子式制冷压缩机GZ2型、YZ型、QXW型、QDX型等已被选用于家用空调器、电冰箱和商业制冷装置。GZ2型的制冷工质为R22，在2820r/min的空调工况下制冷量约为3kW。国外产品有美国的K型，德国的GL型，日本的SG、SH型、X型、A型及CRH型，还有瑞士的RI型等等。
图14-1 滚动转子式制冷压缩机主要结构示意图
滚动转子式制冷压缩机主要由气缸、滚动转子、偏心轴和滑片等组成，如图14-1所示。圆筒形气缸2的径向开设有不带吸气阀的吸气孔口和带有排气阀的排气孔口，滚动转子3（亦称滚动活塞）装在偏心轴4上，转子沿气缸内壁滚动，与气缸间形成一个月牙形的工作腔，滑片7（亦称滑动挡板）靠弹簧的作用力使其端部与转子紧密接触，将月牙形工作腔分隔为两部分，滑片随转子的滚动沿滑片槽道作往复运动，端盖被安置在气缸两端，与气缸内壁、转子外壁、切点、滑片构成封闭的气缸容积，即基元容积，其容积大小随转子转角变化，容积内气体的压力则随基元容积的大小而改变，从而完成压缩机的工作过程。
图14-2 滚动转子式压缩机工作过程示意图
二 压缩机的工作过程
1.几个特征角度及其对工作过程的影响 用OO1的连线表示转子转角位置时，气缸与转子的切点T在气缸内壁顶点，此时角。
（1）吸气孔口后边缘角θ的位置，转子处于最上端θ＝0。图14-2表示了滚动转子式压缩机的几个特征α（顺时针方向）可构成吸气封闭容积，θ=α时吸气开始，α的大小影响吸气开始前吸气腔中的气体膨胀，造成过度低压或真空；
（2）吸气孔口前边缘角β 它的存在会造成在压缩过程开始前吸入的气体向吸气口回流，导致输气量下降。为了减少β造成的不利影响，通常β＝30°～35°，θ（3）排气孔口后边缘角γ 它影响余隙容积的大小，θ30°～35°；
（4）排气孔口前边缘角φ 构成排气封闭容积，造成气体的再度压缩，θ缩过程；
（5）排气开始角Ψ
=2π+β时压缩过程开始；
=4π−γ时排气过程结束，通常γ＝=4π−φ时是再度压θ=2π+Ψ时开始排气，此时基元容积内气体压力略高于排气管中的压力，以克服排气阀阻力顶开排气阀片。
图14-3 工作容积与气体压力随转角θ的变化
2.工作过程 参看图14-2工作过程示意图及图14-3示出的压力和容积随转子转角变化曲线。滚动转子式压缩机的工作过程如下：① 转角θ从0°转至α角，基元容积由零扩大且不与任何孔口相通，产生封ps0。当θ＝α时与吸气孔口连通，容积内压力恢复是吸气过程，闭容积，容积内气体膨胀，其压力低于吸气压力为ps0，压力变化线为1-2-3；②转角θ从α转至2πθ＝α时吸气开始，θ＝2π时吸气结束，此时基元容积最大为Vmax，容积随转角的变化线为a−b，若不顾及吸气压力损失，则吸气压力线为水平线3-4；③当转子开始第二转时，原来充满吸入蒸气的吸气腔成为压缩腔，但在β这个
角度内，压缩腔与吸气口相通，因而在转角θ由2π转至2π+β时产生吸气回流，吸气状态的气体倒流回吸气孔口，损失的容积为ΔV，如曲线b−b′所示，吸气压力线4-5为水平线；④转角θ由2π+βpdk转至2π+Ψ是压缩过程，此时基元容积逐渐减小，压力随之逐渐上升，直至达到排气压力，如图4-3中的容积变化曲线b′−c及压力变化曲线5-6所示；⑤转角θ由2π+Ψ转至4π−γ为是排气过程，排气结束时气缸内还残留有高温高压气体，其容积为Vc这是余隙容积，其压力pdk（不计排气压力损失），容积变化线为c−d，压力变化线为6-7；⑥转角θ由4π−γ转至4π−φ是余隙容积中的气体膨胀过程。余隙容积与其后的低压基元容积经排气口连通，余隙容积中高压气体膨胀至吸气压力ps0（压力变化线为7-8），使其后的低压基元容积吸入的气体减少，而高压气体的膨胀功又无法回收；⑦转角θ由4π−φ转至4π是排气封闭容积的再度压缩过程，图4-3中示出压力变化线8-1，工作腔内的压力急剧上升且超过排气压力pdk，为消除排气封闭容积的不利影响，往往将转角内气缸内圆切削出0.5～1mm的凹陷，使封闭容积与排气口相通。
纵上所述看出：气体的吸气、压缩、排气过程是在转子的两转子中完成，但因转子切点与滑片两侧的两个腔同时进行吸气、压缩、排气过程，故可以认为压缩机一个工作循环仍是在一转中完成的。
三、 主要结构形式及特点
目前广泛使用的滚动转子式压缩机主要是小型全封闭式，通常有卧式和立式两种，前者多用于冰箱，后者在空调器中常见。
图14-4 立式全封闭滚动转子式压缩机结构剖面图
一台较典型的立式全封闭滚动转子式压缩机结构如图14-4所示，压缩机位于电动机的下方，制冷工质储液器由机壳8下部的吸气管直接吸入气缸1，以减少吸气的有害过热；储液器12起气液分离、储存制冷剂液体和润滑油及缓冲吸气压力脉动的作用；高压气体经消声器3排入机壳8内，再经电动机转子6和定子7间的气隙从机壳上部排出，并起到了冷却电动机的作用。润滑油在机壳底部，在离心力作用下曲轴5的油道上升至各润滑点。气缸与机壳焊接在一起使之结构紧凑，用平衡块13消除不平衡的惯性力。滑片弹簧没有采用通常的圆柱形而采用圈形，使气缸结构更加紧凑。
图14-5 卧式全封闭滚动转子式压缩机结构剖面图
图14-5所示为卧式全封闭滚动转子式压缩机，该机器最显著的特点是供油系统，其供液压泵是由安装在主轴承上的吸油流体二极管11、安装在4铺轴承上的排油流体二极管9及供油管6组成，润滑油借助滑片8的往复运动经吸油流体二极管11被吸入泵室，通过排油流体二极管9排入供油管6中，再进入曲轴1的轴向油道，通过径向分油孔供应到需要润滑的部位。流体二极管之所以能代替吸油（或排油）阀，是因为其反向流动阻力比正向流动阻力大，故在吸油行程大部分油沿吸油路径吸过来，另外，二极管是向机壳的底部张开，当油面很低时也能吸得进油，从而保证稳定的油量供应。
另外两个特点是：圆环形主轴承与机壳焊接成一体，可以减少气缸的变形；排气消声器由铺轴承和用薄钢板制成的排气罩之间的空间构成，起屏蔽降噪作用。
从滚动转子式压缩机的结构及工作过程来看，它具有一系列的优点：①结构简单，零部件几何形状简单，便于加工及流水线生产；②体积小，质量轻，与同工况的往复式比较，体积可减少40％～50％，质量也减少40％～50%;③因易损件少，故运转可靠；④效率高，因为没有吸气阀故流动阻力小，且吸气过热小，所以在制冷量为3kW以下的场合使用时尤为突出。但是也有缺点，因为只利用了气缸的月牙形空间，所以气缸容积利用率低；因单缸的转矩峰值很大，故需要较大的飞轮矩；滑片作往复运动，依然是易损零件；还存在不平衡的旋转质量，需要平衡质量来平衡。
由于它的优点突出，使之小型全封闭滚动转子式压缩机的应用仍然越来越广泛。
图14-6 变频式全封闭滚动转子式压缩机结构图
四、 目前发展趋势
1.变频压缩机的发展 变频压缩机采用变频调速技术进行能量调节，使其制冷量与系统负荷协调变化，并使机组在各种负荷条件下都具有较高的能效比，这是80年代出现的新技术。这种调节方式具有节能、舒适、启动快速、温控精度高及易于实现自动控制等优点，受到世人瞩目。图4-6为日立公司的交流变频式滚动转子制冷压缩机结构图。它与普通滚动转子式压缩机的区别是，由交流变频式电动机驱动曲轴旋转，依靠电源频率的变化使电动机的转速变化，从而达到连续调节制冷能力的目的。该机的频率变化范围是30～120HZ，转速范围在1600～6200r/min。为了适应转速高低不同的变化，压缩机在结构上给予了合理的改进：①电动机上下端面由平衡孔3和6使得电动机转子上下部分达到最佳平衡状态，在曲轴的最下端配有平衡块14可消减中高转速运转范围的振动；②对曲轴进行了浸硫氮化表面处理，提高了曲轴的耐高压和耐磨性，以保证高速运转的可靠性；③采用共鸣式排气消声孔8与多重膨胀室式排气消声器12相结合，达到全频带的消声效果；④用磁铁16吸取润滑油中的铁类异物，以保证运动部分的可靠运转；⑤机壳用高张力的钢板制成，起到较好的隔声效果；⑥为了减少润滑油的循环量，设有回油管2，制冷剂蒸气经分离器直接经吸气管进入气缸，被压缩后经排气阀通过排气孔进入消声器和消声孔，再穿过电动机定子和转子的缝隙，有部分润滑油被分离出经回油管流回机壳，高压制冷剂蒸气经排气管进入冷凝器。
图14-7 单缸与双缸滚动转子式压缩机扭矩变化曲线
2.双缸滚动转子式压缩机的发展 双缸滚动转子式压缩机的两个气缸相差180°对称布置，可以使负荷扭矩的变化趋于平缓，图14-7所示的单缸机与双缸机扭矩变化曲线的比较中清楚地表明了这一点，因而双缸机广泛用于较大功率场合。图14-8是双缸滚动转子式制冷压缩机结构示意图，曲轴16的两个偏心轴径是180°对称配置，分别安装在两个偏心轴径上的滚动转子9以相对于转角180°的相位差进行运动，即气体的压缩是以180°的相位差进行；两个气缸13和15中间用隔板14隔开，第一气缸13与电动机机定子3热套在机壳2上，并将气缸与机壳用定位填孔焊固定；制冷剂气体从储液器进入气缸上的吸气管再进入气缸，经各气缸压缩后汇流于排气消声器，再经电动机周围空间从排气管排出，机壳内部空间为高压区；第一气缸上装有制冷量调节阀，可使在气缸中被压缩的气体向吸入侧旁通，实现减负荷运行；润滑油是通过曲轴下端的吸油管吸上来，经曲轴上的轴向油道及径向分油孔送至各个润滑油部位，然后流回机壳底部，滚动转子内周的润滑油有一部分流到滚动转子端面和轴承端面之间形成气缸室的密封，而后一部分流入气缸内，形成气缸和滚动转子间的压缩室密封，一部分通过电动机上下空间与气体分离流回机壳底部，还有极少未被分离的油与气体一起排出压缩机。
图14-8 双缸全封闭滚动转子式压缩机结构图
3.提高压缩机的经济性及可靠性 借助电子计算机对压缩机工作过程的性能仿真，主要部件结构如轴承、滑片、滚动转子、排气阀等结构的特性分析，以及噪声和振动的仿真，可对压缩机的经济性和可靠性、噪声和振动进行预测，并通过完善这些预测手段，对满足各种要求的滚动转子式压缩机进行优化设计。
4对降低噪声提出更高的要求 为了减少由于滚动转子式压缩机与机壳焊接成整体结构带来对噪声的不利影响，首先从振动方面入手减少曲轴及轴承的振动，改进压缩机与机壳的连接系统，开发各种新型消声结构和排气阀等。
主要参考文献：
1、缪道平，吴业正 主编，制冷压缩机。机械工业出版社，2004。
2、朱立 主编，制冷压缩机与设备。机械工业出版社，2005。
3、郁永章 主编，容积式压缩机技术手册。机械工业出版社，2005。
4、高等职业技术教育教材，制冷压缩机。中国商业出版社，2004。
