基于TRIZ理論提高滾動轉子式壓縮機容積效率的創新研究

劉海軍 林嬋瓊

LIU Haijun LIN Chanqiong

珠海凌達壓縮機有限公司 廣東珠海 519015

Zhuhai Landa Compressor Co., Ltd., Zhuhai 519015

1 引言

節能環保是空調行業長期的發展趨勢。隨著空調能效等級的不斷提高，追求較高的制冷能效比是壓縮機長期追求的目標。常規壓縮機吸氣是由泵體滾子旋轉產生負壓進行壓差被動式吸氣，余隙容積的高壓氣流間隔性使吸氣回流、低溫氣體進入高溫的氣缸過程的吸氣加熱、壓縮的容積變化率不均勻、氣缸徑向及滾子端面的泄露、滾子掃過吸氣口等，這五種主要因素形成了壓縮機的吸氣脈動，吸氣脈動導致壓縮機的振動大、吸氣效率較低。這些因素對于滾轉子式

3 滾動轉子式壓縮機輸氣量及其影響因素

3.1 理論容積輸氣量

滾動轉子式壓縮機的理論容積輸氣量為氣缸工作容積與轉速的乘積，即：

q1=60nV

式中：q1——理論容積輸氣量；

n——轉速。

3.2 實際容積輸氣量

滾動轉子式壓縮機的實際容積輸氣量為：

q2=η1q1

式中：q2——實際容積輸氣量；

η1——容積效率，表征氣缸工作容積的利用程度，反映由于余隙容積、吸氣阻力、吸氣加熱、氣體泄露和吸氣回流造成的容積損失；

λ1——容積系數（余隙容積導致的）；

λ2——壓力系數（吸氣壓力損失對輸氣量的影響，沒有吸氣閥，影響極小）；

λ3——溫度系數（吸入氣體被加熱造成輸氣量的減少）；

λ4——泄露系數（氣缸中氣體泄露對輸氣量造成的影響）；

λ5——回流系數（回流使輸氣量減少）。

3.3 影響因素分析

容積系數、壓力系數、溫度系數、泄露系數、回流系數五大因素的影響，導致滾動轉子式壓縮機的容積效率在0.7～0.9的范圍內。

3.3.1 余隙容積

氣缸必然存在排氣通道，排氣通道的順暢與否，同樣影響壓縮機的制冷量及功耗，該因素在滾動轉子式壓縮機行業中多采用D型孔、減薄法蘭閥座面進行優化，但效果不明顯，難于完全克服。

3.3.2 壓力系數

壓力系數影響極小，接近1，忽略不計。

3.3.3 溫度系數

高背壓的壓縮機內部為排氣的高溫高壓，在吸氣通道上對吸氣的低溫低壓氣體傳熱，壓縮機行業中多采用增加隔熱層進行優化，但效果不明顯，難于完全克服。

3.3.4 泄露系數

泵體間隙裝配，為了降低功耗，要求間隙不能太小，必然存在泄露，需要通過提高零件精度進行優化，但加工成本高，目前行業中沒有有效方法，難于克服。

3.3.5 回流系數

滾子旋轉掃過沒有閥片的吸氣口，必然引起回流，自身結構所造成的，行業中也沒有有效方法，難于克服。

滾動轉子式壓縮機提高容積效率，提高壓縮機性能是行業中的一項難題。

4 TRIZ理論創新方法—小人法分析問題

我們打破傳統的思維，利用TRIZ理論進行容積效率問題的全面分析，找出解決問題更有效的方法。

圖1 滾動轉子式壓縮機結構圖

圖2 泵體吸氣小人法分析

首先，我們要確定設計的最終目的、問題的理想解。滾動轉子式壓縮機容積效率理想解IFR為100%，也就是實際容積輸氣量等于理論容積輸氣量。接著，分析問題的有用和有害作用因素。對實際容積輸氣量有用的主要因素：電機轉速提高，吸氣通道截面積增大。對實際容積輸氣量有害的主要因素：余隙容積、吸氣加熱、吸氣回流、氣體泄露。

圖3 增加正能量A+小人圖

圖4 問題模型轉化解決方案模型

如何增加有用的因素，減少有害因素，是解決問題的關鍵，現在借助TRIZ小人法來模擬這個問題中的矛盾，用10個深色小人代表泵體的理論理論容積輸氣量A+，用4個淺色小人代表負面影響的余隙容積、吸氣加熱、氣體泄露和吸氣回流B-，如圖2所示。

那么：

實際容積輸氣量=(A+)-(B-)

這樣，進入氣缸的10個人小人被阻擋小人擋了4個，只剩了6個小人進入氣缸。滾動轉子式壓縮機受自身結構限制，克服有害因素的小人B-非常困難，我們可以考慮增加A小人的數量2個，也同樣可以提高實際進入氣缸的小人數量6+2=8，另一方面，增加了有用因素的量，例如壓強和速度，也同時可以扼制有害因素的生成量，特別是余隙容積、吸氣加熱、吸氣回流，可以這樣認為6+2是大于8，如圖3所示。

因此，通過小人法分析，我們知道，增加理論容積輸氣量是提高實際輸氣量的有效途徑。但在一款定型的壓縮機上，壓縮機轉速、氣缸氣流通道是難于改變的，我們需要考慮增加外部的力量來提高進入氣缸的氣體量。

5 TRIZ理論物質—場分析與標準解

如何增加吸氣量，我們首先建立吸入氣體與泵體機構的模型，為了增加吸入氣體量，必須在泵體通道上增加吸力，增加一種新的動力源，引入新物質，使物質場轉化成復雜的物質，向鏈式物質場躍遷的形式，符合第二級標準解14。

物質—場的解題模式：待解決的問題，轉化為物質—場，通過標準解系統查找出標準解，再通過查詢標準解對應的多條創新原理，結合矛盾矩陣的工程參數分析，得到所需要解決問題的具體創新原理。

6 TRIZ創新原理及應用

接下來，我們從標準解14可以查找可應用的多條創新原理，通過矛盾矩陣表中可以看到，我們改善的工程參數是氣體的質量流量（速度），惡化的工程參數是加快氣體質量流量的動力（功率）。對應的創新原理、周期性動作原理、物理或化學參數變化原理、加速氧化原理、抽取原理，顯然，我們選取周期性動作原理，通過對氣體周期性的作用，使氣流加快，達到質量流量的提高。

針對周期性作用力的導入，我們想到了在吸氣通道上增設小型電機帶動扇葉，這樣，便可以對經過的氣體提供周期性的作用力。新動力為扇葉渦流吸力，新物質為扇葉。

6.1 技術方案

方案一：在分液器直管上增設電機及扇葉，實現渦流增壓，如圖5所示。該方案需要在分液器上增加接線柱，引外部電源。

方案二：在泵體氣缸吸氣口增設扇葉，實現增壓，如圖6所示。該方案由壓縮機自身動力提供，將曲軸的轉動動能經過齒輪傳遞到扇葉的轉動，利用齒數比進行扇葉轉速的調整。

6.2 方案對比

考慮到滾動轉子式壓縮機電器安全問題，新增電機影響大，我們選用第二方案。利用曲軸高速運轉的轉動慣量，通過兩個錐齒輪（或直齒輪）傳動到設于吸氣口的渦流扇葉，實現渦流增壓。錐齒輪在壓縮機油池，潤滑可靠，材料可以選用鐵件或PP/PA66等塑料件，扇軸緊配軸套與小法蘭（軸承）形成端面配合，保證油池高壓與吸氣口低壓隔離，類似下法蘭與曲軸短軸的配合。

常規壓縮機吸氣是由泵體滾子高速旋轉產生吸氣腔負壓進行壓差被動式吸氣，余隙容積的高壓氣流間隔性使吸氣回流、氣缸壓縮的氣體容積受熱膨脹、氣缸月牙壓縮腔變化率不均勻、滾子掃過吸氣口，三種因素形成了壓縮機的吸氣脈動，吸氣脈動導致壓縮機的振動大、吸氣效率較低。本方案可以使泵體主動吸氣，形成吸氣更好的連續性，提高吸氣效率，減少壓縮機因吸氣脈動所產生的振動，也降低壓縮機對空調管路的傳遞音。

該方案動力傳遞的齒輪可以根據增壓的需要及效果，通過齒數比調節渦流扇葉的轉速，齒輪位于壓縮機下端油池，潤滑良好，可靠性好。

吸氣渦流技術已經在柴油發動機行業上廣泛應用，柴油發動機渦流吸氣增壓提升了柴油機性能6%，是一種高效提高滾動轉子式壓縮機泵體實際容積效率的較好方法。

7 結論

TRIZ發明問題解決原理，給我們提供了較全面的思維方式，通過創新方法分析問題，用物質場的建立、分析，明確了關聯物質之間存在的各種技術矛盾，用不多的創新原理來解決問題，用其他領域的科學知識來解決本領域的技術問題。

TRIZ是一種以技術系統為認知分析基礎，以解決問題為首要任務，以不斷提高技術系統的理想度為進化目標，讓所有產品變得更完美的理論與方法學。滾動轉子式壓縮機容積效率的研究課題正是在TRIZ的指引下，找到了全新解決問題的方法。采用吸氣渦流增壓技術，可以克服了余隙容積、吸氣膨脹、內部間隙泄露、吸氣回流四項主要有害因素的負面影響，大大提高泵體容積實際輸氣量，提高壓縮機吸氣容積效率，提高了壓縮機制冷和制熱量，特別在低溫環境下制熱和高溫環境下制冷，吸氣渦流就相當于在空調封閉循環系統中增加了一臺加壓的水泵，使冷媒氣體循環速度加快，提升空調兩器的換熱效果。

圖5 壓縮機分液器增設電機和扇葉

圖6 泵體氣缸吸氣口增設扇葉示意圖

該項技術也是利用TRIZ核心思想，借用其他領域柴油發動機的成熟技術，解決本領域制冷壓縮機的技術難題的應用實例之一，已進行專利保護，申請了帶吸氣渦流增壓的旋轉式壓縮機。