應必業，孫瑞松，顏景旭

（奧克斯空調股份有限公司，浙江寧波 315100）

0 引言

近年來，隨著國內對空調需求量和空調能效要求的日益增長，提高空調能效的技術研究成為空調行業的研究熱點之一[1-2]。空調行業十三五規劃提出節能是空調發展的主要方向之一[3]，提高空調能效仍是未來的發展趨勢[4]。

空調制冷系統由壓縮機、蒸發器、冷凝器和節流閥4個基本部件組成，其中壓縮機是空調系統的核心部件，在空調制冷循環中起到將制冷劑壓縮并循環的作用，其功耗占空調功耗的80%以上，因而對空調系統的能效有著至關重要的影響，因此已有許多關于提高壓縮機能效方法的研究[5-8]。

按機械結構，壓縮機可分為往復活塞式、渦旋式、旋轉式等，目前家用空調大多采用旋轉式和渦旋式，而往復式壓縮機由于機器大而重不適用于家用空調[9-10]。相比于往復式和渦旋式壓縮機，旋轉式壓縮機具有結構緊湊、零件少、質量輕、體積小、運行平穩、振動噪聲小、流動阻力小等優點，主要用在小型家用空調上。單缸壓縮機一般適用于1 HP～2 HP，雙缸壓縮機一般適用于3 HP～6 HP。但結構上的優點帶來的是對壓縮機氣缸密封性的高要求，密封間隙基本小于30 μm，對壓縮機零件的制造精度和裝配精度有很高的要求。縮小壓縮機零件的配合間隙，可有效減少壓縮機的泄漏損失，配合間隙中的油膜更為穩定，以此來提高壓縮機的能效[5,11]。

在空調新品試制過程中出現壓縮機過流保護故障，故障率2‰。經研究發現[12]，由于壓縮機工作時高溫致使壓縮機內部零件膨脹，轉子和氣缸的材料不同，因而熱脹系數不同，升溫后軸向間隙有所減小，若轉子與氣缸的軸向配合間隙過小，將導致間隙內油膜變薄，內摩擦增大，壓縮機泵體運轉不暢而停機。因此需要適當增加軸向間隙以提高壓縮機的可靠性，但軸向間隙增大后必然出現制冷劑密封性不足的問題，制冷劑泄漏量增加，壓縮機性能降低。基于壓縮機性能和可靠性，為探究旋轉式壓縮機軸向間隙的最優值，本研究建立了不同軸向間隙的實驗方案，進行了壓縮機測試，實驗結果可作為旋轉式壓縮機改進方案的數據參考。

1 旋轉式壓縮機間隙泄漏模型

影響旋轉式壓縮機性能的主要因素為壓縮機的指示效率、機械效率和電機效率。指示效率包括排氣阻力損失、泄漏損失、傳熱損失、余隙容積損失和吸氣阻力損失，其中泄漏損失約占總損失的25%[13]。制冷劑泄漏降低了壓縮機的容積效率，增加了功耗，嚴重影響了壓縮機的性能。

目前關于壓縮機間隙泄漏的研究已有很多，并建立了不同的泄漏模型，如一維有摩擦變截面模型[14]、噴嘴模型、范諾流模型[15]，為間隙泄漏的實驗研究提供了理論分析的基礎。

根據旋轉式壓縮機的工作原理和結構，間隙泄漏的通道分為5個部分，如圖1所示。圖中1為氣缸內表面與轉子外表面的徑向間隙，2為氣缸端面與轉子端面的軸向間隙，3為氣缸端面與滑片端面的間隙，4、5為滑片的兩側面與滑片槽的間隙。其中，軸向間隙導致制冷劑泄漏的泄漏量占總泄漏量的20%左右[16]。

2 壓縮機性能測試

2.1 壓縮機運轉可靠性實驗

壓縮機泵升溫實驗是壓縮機設計過程中必需的環節，主要測試壓縮機泵體在工作溫度下運轉的流暢性，以此檢驗壓縮機設計的合理性。壓縮機工作時泵體溫度升高主要影響內部零件配合間隙，當泵體溫度升高后，各零件膨脹，配合間隙發生變化。如果間隙過小，引起油膜變薄甚至油膜不連續，將導致轉子旋轉摩擦力增大，甚至磨損[17]，熱量難以被帶走，最終發生故障停機。如果間隙過大，在壓縮機運行時會出現潤滑油粘度下降[18-19]、運行電流下降、吸排氣壓力下降、吸排氣溫度升高、制冷能力下降、壓縮比增大等問題，甚至造成壓縮機干壓縮而導致故障[20-21]。

在空調新品試制階段所用的壓縮機出現了故障問題，先驗證所用壓縮機的可靠性。由于所用壓縮機軸向間隙設計值為8 μm～11 μm，且實際裝配間隙值服從正態分布，因此實驗準備了軸向間隙為7.5 μm和8.5 μm的壓縮機各3臺進行壓縮機升溫實驗，實驗環境溫度設置為130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃、170 ℃和180 ℃，在各溫度下保溫30 min后測試各臺壓縮機的運轉情況。

實驗結果顯示軸向間隙為7.5 μm的壓縮機在130 ℃溫度下出現運轉不順暢問題，溫度超過140 ℃時壓縮機出現卡缸。軸向間隙為8.5 μm的壓縮機在各溫度下運轉正常。因此壓縮機軸向間隙較小時會出現可靠性問題，軸向間隙的設計值應適當增大。

2.2 壓縮機性能測試

為尋求軸向間隙的合理性，在確保性能不下降的前提下提高可靠性，通過調節壓縮機的軸向間隙，裝配了軸向間隙分別為8.5 μm、10 μm、12 μm、13.5 μm、15 μm、16.5 μm和18 μm的試驗壓縮機各3臺，進行額定制冷性能測試，測試所用的壓縮機規格見表1，測試工況見表2。

表1 壓縮機規格

表2 壓縮機制冷性能測試工況

3 結果與分析

壓縮機的性能測試結果見圖2、圖3，圖中各實驗點為各軸向間隙下的性能實驗結果的平均值。可以看出壓縮機軸向間隙對壓縮機制冷量、功率和COP等參數并不是線性關系。在13.5 μm～15 μm間隙范圍內制冷量明顯下降，超過15 μm后制冷量急劇下降。軸向間隙超過13.5 μm后，壓縮機功率顯著增大。隨著軸向間隙增加、制冷量的降低與功率的增加，壓縮機的COP在13.5 μm處出現拐點，COP顯著下降。

當軸向間隙小于13.5 μm時，隨著間隙值的增大，壓縮機制冷量較為穩定，功率略有下降，COP增大；這是由于軸向間隙較小時，雖然可以降低制冷劑的泄漏率，但壓縮機的可靠性欠缺，當轉子發生熱脹后，軸向間隙縮小，轉子與氣缸摩擦阻力增加，摩擦功耗增加，導致壓縮機性能下降。另外，較小的軸向間隙也會增加零件加工精度和裝配精度，增加壓縮機成本。當軸向間隙大于13.5 μm時，隨間隙值的增加，壓縮機制冷量降低，功率增加，COP降低；這是由于軸向間隙過大導致制冷劑內泄漏增加，壓縮機指示效率減小，致使COP下降。因此，綜合壓縮機的可靠性和能效，軸向間隙存在一個最優值，即13.5 μm，此時，制冷量為3,461 W，功率為760 W，COP為4.56，在保證壓縮機能效的前提下提升了可靠性。

此型號目前在產的壓縮機的軸向間隙為8 μm～ 11 μm，由圖2、圖3曲線可知，當軸向間隙取最優值13.5 μm時，與8.5 μm和10 μm相比，制冷量提高1 W～2 W，功率降低2 W～4 W，能效比提高0.02～0.03。由此可見，較小的軸向間隙會增大摩擦阻力，導致摩擦功耗增加。此外，軸向間隙值的增加降低了零件的裝配精度要求。

圖2 壓縮機的制冷量和功率

圖3 壓縮機的能效比

4 結論

本文通過裝配不同軸向間隙的壓縮機，進行了壓縮機性能測試，基于壓縮機可靠性與能效，探究了旋轉式壓縮機軸向間隙的最優值。通過實驗得出以下結論：

1）旋轉式壓縮機的可靠性、性能和軸向間隙并非成線性關系，隨軸向間隙的增加，可靠性與性能均成先增后減趨勢；因此旋轉式壓縮機軸向間隙存在最優值；

2）軸向間隙過小或過大都會出現可靠性問題，間隙過小會增加摩擦阻力導致轉子運轉異常，間隙過大會增加制冷劑泄漏量；在保證可靠性的前提下，考慮能效和裝配精度，本實驗選取的旋轉式壓縮機軸向間隙的最優值為13.5 μm。