家用熱泵反轉型轉子式壓縮機的研究

肖庭庭，李征濤，陳坤，于文遠

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

家用熱泵反轉型轉子式壓縮機的研究

肖庭庭*，李征濤，陳坤，于文遠

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

為消除家用熱泵空調四通閥壓降、傳熱及泄漏損失，提出了一種反轉型轉子式壓縮機（以下簡稱反轉壓縮機）；該壓縮機無需配套使用四通閥，利用壓縮機反轉改變制冷劑流向，實現空調換向制熱。該壓縮機由固定的氣缸、受電磁鐵和彈簧控制的排氣閥組件及2個氣液分離器等組成。介紹了該壓縮機的結構特點、工作原理和幾何理論，并推導了氣缸工作容積、余隙容積、氣體力及阻力矩計算的有關公式。分析結果表明，反轉壓縮機管路結構簡單、節能效果明顯、制冷劑充注量低，適用于碳氫類環保制冷劑。

反轉壓縮機；氣缸；排氣閥組件；工作容積

0　引言

由于具有噪音低、無需吸氣閥、效率高、體積小及重量輕等優點，轉子式壓縮機已基本取代往復式壓縮機，廣泛應用于小型家用空調系統中，而變頻轉子式壓縮機還具有啟動電流小、節能效果顯著等優點?，F有轉子式壓縮機只允許單向旋轉，單向吸排氣。為實現夏季制冷和冬季制熱的轉換，熱泵型家用空調中必須安裝四通閥，四通閥的存在導致了空調系統性能不可忽略的損失，根據相關文獻，四通閥使得空調系統性能下降3%～10%，足以引起關注［1-2］。

近年來，眾多學者一直在對壓縮機進行研究［3-5］，KIM H J等［5］提出了一種新型旋轉壓縮機結構，認為該壓縮機扭矩波動小，圓形的轉子在制造加工方面優于渦旋壓縮機。胡旭等［6］提出了一種平動回轉式壓縮機，采用滑板插入轉子的方式進行密封，顯著改善摩擦磨損，有效地降低功率損耗。王剛等［7］對滾動活塞壓縮機供油系統進行了數值模擬，建立供油系統的物理模型，提出了處理邊界條件和計算活塞端面泄漏的方法。雖然以上研究取得一定的成果，但仍然不能克服四通閥損失問題。

本文提出一種反轉壓縮機，利用“壓縮機反轉制熱”替代“四通閥換向制熱”，消除四通閥損失，并對其性能進行研究。

1　結構特點

反轉壓縮機的結構如圖1所示，它的主要零部件有位于機殼上部的電機、下部的氣缸、連接電機和氣缸的曲軸、安裝在底蓋上的電磁鐵、滾動轉子、滑片、滑片彈簧、法蘭、排氣閥組件及氣液分離器等。

在正、反轉時，為實現制冷劑氣液分離，反轉壓縮設置2個相同的氣液分離器，它的下部連接管穿過機殼與氣缸頭部外緣孔口連接。如圖2所示，氣缸頭內部分別設置有與左、右活塞密封配合的凹形孔，凹形孔與機殼內連通，2個凹形孔內安裝左、右活塞。左活塞上部焊接左閥片，底部依次設置左連桿和鐵芯頭（俗稱銜鐵），并安裝彈簧，右活塞上部焊接右閥片，底部設置右連桿，左、右連桿通過連桿連接形成連桿機構，連桿、閥片、活塞、閥彈簧及鐵芯頭組成了排氣閥組件。電磁鐵安裝在底蓋上。

圖2　氣缸排氣閥組件示意圖

2　工作原理

2.1圖電機反轉控制求

反轉壓縮機電機可采用現有同型號電機，主副繞組不作變更即可實現正反轉。如圖3所示，交換啟動繞組的首、尾端實現電容運行式單相異步電動機正反轉。合上K1，當K2合于左側時，啟動繞組的首端接相線（L），尾端經啟動電容接中線（N），電動機正轉；當K2合于右側時，啟動繞組的首端接中線（N），尾端經啟動電容接相線（L），電動機反轉［8］。

圖3　電機兩繞組不相同時正反轉控制原理

2.2排氣閥組件工作原理

為實現制冷時左閥片上移開啟同時右閥片關閉，以及制熱換向時左閥片下移關閉同時右閥片上移開啟，在底蓋上安裝電磁鐵控制鐵芯頭：

制冷時，如圖4（a）所示，電磁鐵不通電，左活塞被安裝在其底部的彈簧頂起，左閥片處于開啟狀態，通過連桿同時使右閥片處于關閉狀態。制熱時，如圖4（b）所示，電磁鐵通電，產生的電磁力使鐵芯頭帶動左活塞下移，左閥片處于關閉狀態，通過連桿同時使右閥片處于開啟狀態。

圖4　排氣閥開閉示意圖

在壓縮機啟動正常工作后，閥片關閉的活塞上端面處于排氣高壓環境，下端面處于機殼內的低壓環境，上下端面壓差力可使活塞產生下移趨勢，通過活塞下端面和氣缸凸臺面緊密配合，起到進一步密封的作用。

3　工作容積和熱力學計算

3.1氣缸工作容積

氣缸工作容積Vp是指氣缸內壁與滾動轉子外壁間形成的月牙形空間體積，由圖5的幾何關系可知：

圖5　滾動轉子幾何及受力分析圖

式中：

L——氣缸高度，

R——氣缸內壁半徑，

r——滾動轉子外壁半徑。

3.2余隙容積

反轉壓縮機氣缸采用側邊排氣，余隙容積為氣缸內壁至閥片間的圓孔體積，其簡化后的數學模型如圖6所示，h為吸（排）氣口深度，d為吸（排）氣口直徑，由幾何關系推導出陰影部分余隙容積VC計算公式為：

圖6　氣缸內壁吸（排）氣口數學模型

為減小余隙容積，應盡量減小吸（排）氣口深度h和直徑d，但作為吸氣口時，d的減小會增大吸氣阻力，所以，吸（排）氣口直徑d的確定需要綜合考慮吸氣阻力和余隙容積。

3.2氣體力及阻力矩

滾動轉子所受到的氣體力如圖5所示，氣體力對滾動轉子作用的結果是產生軸承負荷，其合力大?。?］為：

式中：

L——滾動轉子的軸向長度。

根據幾何關系可推出L1與θ的關系，于是合力為：

由圖5中看出，由于氣體力合力的作用線不經過旋轉中心 O，而是通過滾動轉子幾何中心 O1至AT的垂線，它距旋轉中心的距離為l，因此構成力矩Mg，Mg是壓縮機阻力矩的主要組成部分，滾動轉子與氣缸內壁之間還存在旋轉摩擦力，該力對旋轉中心產生旋轉摩擦力矩Mf，故阻力矩M為：

Mf為定值，Mg隨轉角θ在變化，其峰值和氣體力也是出現在排氣開始之時。

4　優勢和不足分析

反轉壓縮機克服了現有轉子式壓縮機只允許單向吸排氣，在熱泵空調中必須配套使用四通閥的不足，理論上消除了四通閥存在導致的阻力、傳熱及泄漏損失，可使空調性能提升3%～10%。四通閥的取消使連接壓縮機管路簡化，降低壓縮機與管路產生共振的可能性。由于現有轉子式壓縮機是直接將氣體排入機殼內，但反轉壓縮機則是將氣體排入氣液分離器內，氣液分離器容積小于機殼有效容積，所以空調所需制冷劑充注量會降低。低制冷劑充注量的反轉壓縮機有利于提高R290制冷系統的安全性［10］，將反轉壓縮機用于R290系統，既能提高安全性，又可節能（R290具有比其他傳統制冷劑更低的粘性系數），更加環保。

反轉壓縮機利用反轉改變制冷劑流向實現制熱，與現有轉子式壓縮機相比，主要改動集中在氣缸、排氣閥、下法蘭及底蓋，且使用了兩個氣液分離器，這些改動仍然有很多問題需要解決。為實現壓縮機性能最大化，必須對氣缸吸（排）氣口產生的余隙容積進行優化，且同時兼顧吸氣壓力損失。此外，電磁鐵對排氣閥組件鐵芯頭的控制可靠性不高，后續研究將考慮采用電磁閥執行器控制模式進行控制［11］。

5　結論

本文提出了反轉熱泵型轉子式壓縮機，利用壓縮機反轉替代四通閥換向進行制熱，可以消除四通閥損失，提高空調性能；詳細介紹了該反轉壓縮機的結構特點和工作原理，并推導了氣缸工作容積、余隙容積、氣體力及阻力矩計算的有關公式。分析結果表明，反轉壓縮機空調管路結構簡單、節能效果明顯、制冷劑充注量低，利于使用碳氫類環保制冷劑?？傮w上看，反轉壓縮機具有良好的應用前景，但其產品化尚需在今后的研究中進一步探索和改進。

［1］ 董建鍇, 姜益強, 姚楊, 等. 四通換向閥泄漏對熱泵性能影響實驗［J］. 哈爾濱工業大學學報, 2011, 43（2）: 80-83.

［2］ 柴婷, 胡海濤, 丁國良. 基于傳熱損失分析的四通換向閥優化設計［J］. 制冷技術, 2012, 32（1）: 33-38.

［3］ 趙旭敏, 陳輝. 旋轉式壓縮機氣缸內圓變形有限元分析及試驗研究［J］. 制冷技術, 2014, 34（2）: 73-76.

［4］ 孫玉, 任晨曦, 張恒, 等. 二氧化碳制冷壓縮機的研究進展［J］. 制冷技術, 2014, 34（5）: 67-71.

［5］ KIM H J, KIM W Y, AHN J M. Orbiting Compressor for Residential Air-conditioners［J］. International Journal of Refrigeration, 2010, 33（1）: 95-106.

［6］ 胡旭, 屈宗長, 于漠南, 等. 平動回轉式壓縮機的幾何理論［J］. 中國機械工程, 2011, 22（16）: 1896-1900.

［7］ 王剛, 吳建華, 孫民. 滾動活塞壓縮機供油系統計算流體動力學分析［J］. 西安交通大學學報, 2012, 46（11）: 23-29.

［8］ 張明金. 電容運行式單相異步電動機正反轉控制方法的探討［J］. 機電工程技術, 2014, 43（2）: 16-18.

［9］ 吳業正, 李紅旗, 張華. 制冷壓縮機［M］. 2版. 北京:機械工業出版社, 2011.

［10］ InternationalElectrotechnicalCommission.IEC 60335-2-40: 2005. Household and similar electrical appliances-Safety-part 2-40: Particular requirements for electricalheatpumps,air-conditionersand dehumidifiers［S］. Geneva: IEC, 2005.

［11］ 王淑紅, 肖旭亮, 熊光煜. 直流恒力電磁鐵特性［J］. 機械工程學報, 2008, 44（2）: 244-247.

Investigation on Reversing Rotary Compressor for Household Heat Pump

XIAO Ting-ting*, LI Zheng-tao, CHEN Kun, YU Wen-yuan
（School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China）

To eliminate the pressure loss, heat transferring loss and leakage loss caused by four-way valve in a household heat pump, a reversing rotary compressor（abbrev. reversing compressor）was proposed. The four-way valve is not needed for the system with this compressor, and the system can achieve the transformation from cooling to heating through the reverse rotation of compressor to change the refrigerant flow direction. The compressor was made up of a fixed cylinder, a discharge valve component controlled by electromagnet and spring, and two gas-liquid separators. The operation principles, structure characteristics and geometric theory of this compressor were formulated and analyzed, and the calculation formulae for cylinder working volume, clearance volume, gas force and resistance moment were deduced. The analysis results show that, the compressor is of simple pipe structure, significantly saving energy and lower refrigerant charge, and it is suitable for hydrocarbon refrigerants.

Reversing rotary compressor； Cylinder； Discharge valve component； Working volume

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.05.205

*肖庭庭（1987-），男，在讀研究生。研究方向：制冷裝置測試技術與自動化，制冷壓縮機新技術。聯系地址：上海市楊浦區軍工路516號上海理工大學制冷技術研究所，郵編：200093。聯系電話：18121070251。E-mail：showtt_xtt@126.com。