微型二氧化碳压缩机的开发

薛卫东，任芳

（合肥通用机械研究院压缩机技术国家重点实验室，安徽合肥 230031）

微型二氧化碳压缩机的开发

薛卫东*，任芳

（合肥通用机械研究院压缩机技术国家重点实验室，安徽合肥 230031）

介绍了微型二氧化碳压缩机的基本参数、结构特点。对微型二氧化碳压缩机开发关键技术进行了研究，提出合理选取结构参数、采取有效减振降噪措施的方案，解决了二氧化碳压缩机冷却、润滑、变工况运行等问题。经测试表明，样机运转平稳、工作正常，各项指标达到设计要求。

二氧化碳；微型压缩机；设计；关键技术

0 引言

二氧化碳既是一种温室气体，又是制冷空调行业CFCs的天然替代工质。作为温室气体，在某些场合为改善环境质量需要捕集处理。作为制冷剂则具有很多优点，在汽车空调、热泵和复叠式制冷系统中得到广泛应用[1]。意大利 OFFICINE MARIO DORIN公司[2]开发了半封闭单级和双级活塞压缩机。日本DENSO公司[3]设计开发了用于CO2热水器的涡旋压缩机。用于NH3/CO2复叠系统中的CO2螺杆压缩机也已研制成功[4]。经改造用于尿素装置的CO2压缩机运行稳定[5]。然而已有的研究主要还是针对二氧化碳制冷和大型二氧化碳压缩机[6]。对于微型压缩机的研究特别是用于二氧化碳捕集处理的压缩机未见相关报道。

本文的目的是研制微型二氧化碳压缩机，通过精确的热动力计算和特别的结构设计，解决二氧化碳压缩机冷却、润滑和变工况运行等问题。

1 压缩机主要技术参数及结构特点

1.1 主要技术参数

压缩机为V型水冷单作用两级活塞式，皮带传动，具体参数见表1所示。

表1 压缩机参数

1.2 结构特点

二氧化碳压缩机主要包括压缩机主机、冷却分离系统、电机、控制系统以及共用的底架。压缩机为两级压缩，一、二级气缸中心线互成90°构成V型排列。电机通过皮带带动压缩机曲轴旋转，连杆将曲轴的旋转运动转换为活塞部件的往复运动，当活塞由外止点向内止点运动时，气缸内压力逐渐降低，当压力低于吸气阀片外的气体压力时，吸气阀开启，气体进入气缸内，完成吸气过程；当活塞由内止点向外止点运动时，此时吸气阀关闭，气缸内气体压力逐渐增加，当增加到超过排气阀片外气体压力时，排气阀开启，气体排出气缸外，完成排气过程。

在正常运转情况下，二氧化碳气体由进气箱进入一级气缸，在一级气缸内压缩后进入冷却器进行冷却，冷却后的气体经一级液气分离器分离后进入二级气缸进行压缩，压缩后的气体进入冷却器冷却，冷却后经二级液气分离器分离后，通过单向阀排出，如图1所示。运动机构采用油泵进行强制润滑，冷却方式为水冷，整个机组为封闭式结构，为防止泄漏曲轴轴伸端采用机械密封。曲轴箱与进气箱相连，可使通过活塞环泄漏到曲轴箱内的二氧化碳气体返回至压缩机的进气口。此外，对于进气压力低于常压时设置了从排气回气的保护装置，能够确保压缩机不抽真空和并安全可靠地工作。

图1 压缩机结构简图

1.2.1 压缩机主机

1) 曲轴箱

材料为ZG1Cr18Ni9Ti，上部铸有互成90°的气缸支承面，下端与油箱相连，轴向两端分别装有油泵和轴封，在油泵侧留有加油孔。

2) 曲轴

曲轴为单拐式，材料选用45CrNi。曲拐上装有二组连杆，两端轴颈上装有二组深沟球轴承。曲轴两端分别安装有油泵和飞轮，其中飞轮端装有轴封。飞轮通过三角皮带与电机皮带轮相连。

3) 连杆

连杆材料为45CrNi，杆体截面为圆形，连杆大头采用剖分式结构，大头盖与连杆体用螺栓连接，连杆小头采用整体式结构，内装有铜合金制成的小头衬套。

4) 活塞部件

活塞部件包括活塞、活塞环和活塞销。一、二级活塞的材料为ZL108。一级活塞上装有二道气环，一道刮油环，环的切口相互错开120°安装。二级活塞上装有三道气环，环的切口相互错开120°安装。活塞销由20Cr2Ni4A制成，表面经渗碳处理，具有良好的耐磨性。

5) 气阀

一、二级气阀均采用组合阀，内圈吸气，外圈排气。

1.2.2 进气箱

进气箱由压力平衡室和液气分离装置组成。压力平衡室与压缩机曲轴箱相通，曲轴箱采用封闭式结构，当通过活塞环的泄漏使曲轴箱中的气体压力略高于进气箱的进气压力时，压力平衡室上的单向阀打开，从而使曲轴箱中的气体压力与进气压力达到平衡。液气分离装置通过离心式分离的方法将进入进气箱的二氧化碳气体中含有的少量液滴分离掉，分离后的气体进入压缩机一级进气口，液滴则积聚在进气箱下部，通过排污阀定期排放。

1.2.3 液气分离器

一级液气分离器中气体从容器侧面沿切线方向进入分离器，气流作旋转运动，液滴在离心力的作用下被甩到周围壁面上，并沿壁面下落而积聚在容器底部，通过排污阀定期手动或自动排放。

二级液气分离器中主要是通过青铜粉末冶金滤芯进一步滤去二氧化碳气体中的油雾及水份，沉积下来的油水混合物通过排污阀定期手动或自动排放。

1.2.4 轴封

压缩机驱动端的密封采取机械密封，如图2所示。它是转动摩擦环与轴封盖表面相互贴合并作相对转动的密封装置，它依靠弹簧在旋转的转动摩擦环与静止的轴封盖的接触端面上产生适当的压紧力，使两端面紧密贴合，端面间依靠极薄的油膜来达到密封的目的。

图2 轴封示意图

2 关键技术研究

根据压缩机的用途、运转条件和有关要求（诸如排气压力、排气量和外形尺寸等），通过热力计算和分析，选择了两级活塞式结构，并确定了各级缸径、行程和转速等结构参数，而后通过动力计算确定两级采用V型、夹角为90°的布置方式，为确保其润滑的安全性和可靠性，运动机构采用了油泵进行强制润滑。

2.1 热动力计算

热力计算的目的是求得最有利的热力参数（各级的吸排气温度、压力和耗功）和适宜的主要结构参数（活塞行程和气缸直径等）[7]。

由于二氧化碳的临界温度较高（31.1℃），所以计算是以实际气体进行的。已知压缩机的进气温度、排气量和吸排气压力要求，根据其所使用场合特点，确定压缩机采用V型水冷单作用两级活塞式结构，按照参考文献[8]给出的计算方法，通过计算确定了压缩机的主要结构参数（见表1）。

动力计算的目的是求取施加在各零部件上的作用力。根据热力计算结果，在完成有关零部件施工图的设计后，按照参考文献[8]给出的动力计算方法，求取了压缩机中的作用力及与曲柄转角间的变化规律，为有关零部件的强刚度计算提供了依据，同时确定了压缩机所需的飞轮矩（0.491 kg·m2）。

2.2 振动的控制

根据压缩机的结构型式对其工作中的受力进行分析，压缩机中的主要作用力有气体力、曲柄连杆机构运动时产生的惯性力和摩擦力[8]。

压缩机中的气体力属于内力可在机器内部平衡，而压缩机中的惯性力-活塞的直线运动产生的往复惯性力和曲柄销的旋转运动产生的回转惯性力属于自由力能够传到机器外边来，并可导致机器产生振动，而由这三种力形成的连杆力所产生的倾覆力矩属于自由力矩，在机器内部无法获得平衡，亦要造成机器的振动。因此要消除或者说减小机器的振动，只有设法完全平衡掉或者部分平衡掉这些惯性力和力矩。

经分析计算旋转惯性力为225 N，Ⅰ阶往复惯性力为111 N，且Ⅰ阶往复惯性力始终沿曲柄方向，故可采用加平衡重的方式予以平衡。所加平衡重重量为0.362 kg，其重心距曲轴旋转中心为30 mm，平衡重产生的旋转惯性力为237 N，可把旋转惯性力平衡掉，与此同时平衡重亦平衡了Ⅰ阶往复惯性力。但对于Ⅱ阶往复惯性力来说，其值随二倍主轴旋转角速度变化，且方向处于水平，无法予以平衡，但由于其最大值仅为Ⅰ阶惯性力的22%，即25 N，故认为其引起的振动不会太大。

对于倾覆力矩而言，由于压缩机和电机安装在同一基础上，电机作用给基础的力矩可把倾覆力矩平衡掉，而基础所受力矩仅为飞轮加速时的惯性力矩，其值并太大。这样可以将压缩机的振动控制在所要求的范围内。

2.3 噪声的控制

压缩机是一个多声源发声体，工作时许多部件振动发声，又通过机器外壁辐射出来，压缩机的间歇性进排气也产生气流噪声。压缩机的噪声主要是由进排气噪声(气流噪声)、机械噪声和驱动机噪声组成[9]。

根据对压缩机的噪声测试研究，在这几部分噪声中，进气噪声最高，对压缩机整机噪声起决定性作用。一般压缩机采用的办法是加装进气消声器。由于本机的特殊性，在设计中对其进行了充分的研究，加装了进气箱，相当于增加了一个单室扩张式进气消声器来降低其噪声。对机械噪声，主要是由于运动部件产生摩擦、冲击而发出的打击声及气阀阀片启闭撞击声。因此在设计时严格控制各运动部件的相互间隙和加工制造精度，而使其产生的冲击较小，进而控制了其产生的噪声。对于驱动机即电机则选用了新型的低噪电机，取得了较好的效果。

2.4 冷却系统的设计

压缩机的连续运行，需要良好的冷却。压缩机各级气缸，一、二级冷却器及油箱中的油冷却器用冷却水进行冷却。

考虑到二氧化碳本身的气体特性，在设计中冷却水采取了与一般水冷压缩机不同的水路走向，如图3所示。冷却水先进入油箱中的蛇形冷却器与润滑油进行热交换，然后分两路进入一、二级缸套内，利用冷却水的流动带走气缸和部分压缩气体的热量；从气缸出来的冷却水汇合后进入冷却器，与一、二级冷却管中的二氧化碳气体进入热交换。同时考虑到不需要过分冷却和防腐防锈的要求，冷却管和冷却器均采用了不锈钢进行制造。

图3 冷却水回路示意图

2.5 润滑系统的设计

为了保证压缩机的可靠润滑，对于运动机构采用了转子式油泵进行强制润滑。润滑系统包括转子油泵、油箱和油压表等，润滑油采用 4512号合成压缩机油。

如图4所示，油箱中的润滑油经油过滤器进入油泵，通过调节油泵上的调压螺钉，使油压维持在(0.10～0.20) MPa范围内。运动机构的供油路线为：油箱→油过滤器→油泵→曲轴中心孔→连杆大头→连杆小头。气缸与活塞之间以及曲轴两端滚动轴承依靠油雾润滑。

为了不使油泵转子磨损后油量减小，恶化润滑状态，转子油泵的油量取了较大的安全系数，考虑到驱动端轴承及轴封装置的润滑，在曲轴上钻了直径为1.2 mm的小孔供给润滑油，而气缸则依靠飞溅的油雾进行润滑。

图4 润滑系统示意图

2.6 控制调节系统设计

对已有的压缩机来说，如果进气压力和排气压力不变，则其排气量（或者说进气量）波动范围很小（主要是进气温度和冷却状态不同），基本上可认为不变；但如果排气压力发生变化，其排气量将会随排气压力不同而发生较大的变化，即排压降低，排气量上升，反之亦然。

图5 调节系统示意图

对于微型二氧化碳压缩机，设计排气压力为3.2 MPa。由于其使用场合的特殊性，其实际进气量和排气压力不断变化，一般情况是排气压力低于设计压力，故压缩机的排气量会增大，从而导致压缩机进入抽真空运行状态，对压缩机本身产生不良影响，因此设计中采取了如图5所示的控制系统，以保证压缩机正常运行和不抽真空。压力控制器采用波纹管式传感器。

图中所示的系统，由压力控制器、电磁阀和减压器组成。压力控制器调节在大气压力状态，只要进气箱中的压力低于大气压，压力控制器就会接通，进而控制电磁阀打开，从排气端回流一部分气体，保证压缩机的进气压力始终略高于大气压力。

当压缩机实际进气量小于其额定进气量时，一级吸气口压力降低；当吸气口压力降低到设定值时，压力控制器动作，从而接通电磁阀，将排气口部分气体减压后导回压缩机进气口，防止压缩机出现抽真空现象。

3 性能试验结果

样机进行了500小时的耐久性试验，在运转过程中工作状况良好。500小时试验后拆机检查关键件和重要部位的磨损，其磨损量极小，符合设计规定。500小时试验后按GB/T 3853[10]、GB/T 4980[11]、GB/T 7777[12]对样机的排气压力、排气量、噪声和振动等进行了测试，在规定排气压力下排气量3.92 m3/h，满足不小于公称排气量（4 m3/h）95%的要求，其噪声和振动均小于设计要求。

4 结语

综上所述，该型二氧化碳压缩机的研制是成功的。所选取的结构参数合理、采取的减振降噪措施有效，通过用户使用检验，压缩机运转平稳，安全可靠。该机的研制成功，为今后进一步开发该类产品打下了一个良好的基础。

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[12]GB/T 7777-2003, 容积式压缩机机械振动测量与评价[S].

Development of Carbon Dioxide Micro-compressor

XUE Wei-Dong*, REN Fang
(National Key Laboratory of Compressor Technology, Hefei General Machinery Research Institute, Hefei, Anhui 230031, China)

The carbon dioxide micro-compressor was introduced by its basic parameters and structural features. The key technologies of the micro-compressor were explored. The cooling, lubrication, variable running conditions and other issues of carbon dioxide compressor have been solved by selecting proper structural parameters and reducing vibration and noise. A prototype has been tested. The result shows the machine is running smoothly, working properly and all the data meet the design requirement.

Carbon dioxide; Micro-compressor; Design; Key technologies

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.204

*薛卫东（1963-），男，高级工程师，学士。研究方向：往复及特种压缩机研究。联系地址：安徽合肥长江西路888号，邮编：230031。联系电话：13956067039。E-mail：xwdtysys@163.com。