家用热泵反转型转子式压缩机的研究

肖庭庭，李征涛，陈坤，于文远

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

家用热泵反转型转子式压缩机的研究

肖庭庭*，李征涛，陈坤，于文远

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

为消除家用热泵空调四通阀压降、传热及泄漏损失，提出了一种反转型转子式压缩机（以下简称反转压缩机）；该压缩机无需配套使用四通阀，利用压缩机反转改变制冷剂流向，实现空调换向制热。该压缩机由固定的气缸、受电磁铁和弹簧控制的排气阀组件及2个气液分离器等组成。介绍了该压缩机的结构特点、工作原理和几何理论，并推导了气缸工作容积、余隙容积、气体力及阻力矩计算的有关公式。分析结果表明，反转压缩机管路结构简单、节能效果明显、制冷剂充注量低，适用于碳氢类环保制冷剂。

反转压缩机；气缸；排气阀组件；工作容积

0　引言

由于具有噪音低、无需吸气阀、效率高、体积小及重量轻等优点，转子式压缩机已基本取代往复式压缩机，广泛应用于小型家用空调系统中，而变频转子式压缩机还具有启动电流小、节能效果显著等优点。现有转子式压缩机只允许单向旋转，单向吸排气。为实现夏季制冷和冬季制热的转换，热泵型家用空调中必须安装四通阀，四通阀的存在导致了空调系统性能不可忽略的损失，根据相关文献，四通阀使得空调系统性能下降3%～10%，足以引起关注［1-2］。

近年来，众多学者一直在对压缩机进行研究［3-5］，KIM H J等［5］提出了一种新型旋转压缩机结构，认为该压缩机扭矩波动小，圆形的转子在制造加工方面优于涡旋压缩机。胡旭等［6］提出了一种平动回转式压缩机，采用滑板插入转子的方式进行密封，显著改善摩擦磨损，有效地降低功率损耗。王刚等［7］对滚动活塞压缩机供油系统进行了数值模拟，建立供油系统的物理模型，提出了处理边界条件和计算活塞端面泄漏的方法。虽然以上研究取得一定的成果，但仍然不能克服四通阀损失问题。

本文提出一种反转压缩机，利用“压缩机反转制热”替代“四通阀换向制热”，消除四通阀损失，并对其性能进行研究。

1　结构特点

反转压缩机的结构如图1所示，它的主要零部件有位于机壳上部的电机、下部的气缸、连接电机和气缸的曲轴、安装在底盖上的电磁铁、滚动转子、滑片、滑片弹簧、法兰、排气阀组件及气液分离器等。

在正、反转时，为实现制冷剂气液分离，反转压缩设置2个相同的气液分离器，它的下部连接管穿过机壳与气缸头部外缘孔口连接。如图2所示，气缸头内部分别设置有与左、右活塞密封配合的凹形孔，凹形孔与机壳内连通，2个凹形孔内安装左、右活塞。左活塞上部焊接左阀片，底部依次设置左连杆和铁芯头（俗称衔铁），并安装弹簧，右活塞上部焊接右阀片，底部设置右连杆，左、右连杆通过连杆连接形成连杆机构，连杆、阀片、活塞、阀弹簧及铁芯头组成了排气阀组件。电磁铁安装在底盖上。

图2　气缸排气阀组件示意图

2　工作原理

2.1图电机反转控制求

反转压缩机电机可采用现有同型号电机，主副绕组不作变更即可实现正反转。如图3所示，交换启动绕组的首、尾端实现电容运行式单相异步电动机正反转。合上K1，当K2合于左侧时，启动绕组的首端接相线（L），尾端经启动电容接中线（N），电动机正转；当K2合于右侧时，启动绕组的首端接中线（N），尾端经启动电容接相线（L），电动机反转［8］。

图3　电机两绕组不相同时正反转控制原理

2.2排气阀组件工作原理

为实现制冷时左阀片上移开启同时右阀片关闭，以及制热换向时左阀片下移关闭同时右阀片上移开启，在底盖上安装电磁铁控制铁芯头：

制冷时，如图4（a）所示，电磁铁不通电，左活塞被安装在其底部的弹簧顶起，左阀片处于开启状态，通过连杆同时使右阀片处于关闭状态。制热时，如图4（b）所示，电磁铁通电，产生的电磁力使铁芯头带动左活塞下移，左阀片处于关闭状态，通过连杆同时使右阀片处于开启状态。

图4　排气阀开闭示意图

在压缩机启动正常工作后，阀片关闭的活塞上端面处于排气高压环境，下端面处于机壳内的低压环境，上下端面压差力可使活塞产生下移趋势，通过活塞下端面和气缸凸台面紧密配合，起到进一步密封的作用。

3　工作容积和热力学计算

3.1气缸工作容积

气缸工作容积Vp是指气缸内壁与滚动转子外壁间形成的月牙形空间体积，由图5的几何关系可知：

图5　滚动转子几何及受力分析图

式中：

L——气缸高度，

R——气缸内壁半径，

r——滚动转子外壁半径。

3.2余隙容积

反转压缩机气缸采用侧边排气，余隙容积为气缸内壁至阀片间的圆孔体积，其简化后的数学模型如图6所示，h为吸（排）气口深度，d为吸（排）气口直径，由几何关系推导出阴影部分余隙容积VC计算公式为：

图6　气缸内壁吸（排）气口数学模型

为减小余隙容积，应尽量减小吸（排）气口深度h和直径d，但作为吸气口时，d的减小会增大吸气阻力，所以，吸（排）气口直径d的确定需要综合考虑吸气阻力和余隙容积。

3.2气体力及阻力矩

滚动转子所受到的气体力如图5所示，气体力对滚动转子作用的结果是产生轴承负荷，其合力大小［9］为：

式中：

L——滚动转子的轴向长度。

根据几何关系可推出L1与θ的关系，于是合力为：

由图5中看出，由于气体力合力的作用线不经过旋转中心 O，而是通过滚动转子几何中心 O1至AT的垂线，它距旋转中心的距离为l，因此构成力矩Mg，Mg是压缩机阻力矩的主要组成部分，滚动转子与气缸内壁之间还存在旋转摩擦力，该力对旋转中心产生旋转摩擦力矩Mf，故阻力矩M为：

Mf为定值，Mg随转角θ在变化，其峰值和气体力也是出现在排气开始之时。

4　优势和不足分析

反转压缩机克服了现有转子式压缩机只允许单向吸排气，在热泵空调中必须配套使用四通阀的不足，理论上消除了四通阀存在导致的阻力、传热及泄漏损失，可使空调性能提升3%～10%。四通阀的取消使连接压缩机管路简化，降低压缩机与管路产生共振的可能性。由于现有转子式压缩机是直接将气体排入机壳内，但反转压缩机则是将气体排入气液分离器内，气液分离器容积小于机壳有效容积，所以空调所需制冷剂充注量会降低。低制冷剂充注量的反转压缩机有利于提高R290制冷系统的安全性［10］，将反转压缩机用于R290系统，既能提高安全性，又可节能（R290具有比其他传统制冷剂更低的粘性系数），更加环保。

反转压缩机利用反转改变制冷剂流向实现制热，与现有转子式压缩机相比，主要改动集中在气缸、排气阀、下法兰及底盖，且使用了两个气液分离器，这些改动仍然有很多问题需要解决。为实现压缩机性能最大化，必须对气缸吸（排）气口产生的余隙容积进行优化，且同时兼顾吸气压力损失。此外，电磁铁对排气阀组件铁芯头的控制可靠性不高，后续研究将考虑采用电磁阀执行器控制模式进行控制［11］。

5　结论

本文提出了反转热泵型转子式压缩机，利用压缩机反转替代四通阀换向进行制热，可以消除四通阀损失，提高空调性能；详细介绍了该反转压缩机的结构特点和工作原理，并推导了气缸工作容积、余隙容积、气体力及阻力矩计算的有关公式。分析结果表明，反转压缩机空调管路结构简单、节能效果明显、制冷剂充注量低，利于使用碳氢类环保制冷剂。总体上看，反转压缩机具有良好的应用前景，但其产品化尚需在今后的研究中进一步探索和改进。

［1］ 董建锴, 姜益强, 姚杨, 等. 四通换向阀泄漏对热泵性能影响实验［J］. 哈尔滨工业大学学报, 2011, 43（2）: 80-83.

［2］ 柴婷, 胡海涛, 丁国良. 基于传热损失分析的四通换向阀优化设计［J］. 制冷技术, 2012, 32（1）: 33-38.

［3］ 赵旭敏, 陈辉. 旋转式压缩机气缸内圆变形有限元分析及试验研究［J］. 制冷技术, 2014, 34（2）: 73-76.

［4］ 孙玉, 任晨曦, 张恒, 等. 二氧化碳制冷压缩机的研究进展［J］. 制冷技术, 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, 屈宗长, 于漠南, 等. 平动回转式压缩机的几何理论［J］. 中国机械工程, 2011, 22（16）: 1896-1900.

［7］ 王刚, 吴建华, 孙民. 滚动活塞压缩机供油系统计算流体动力学分析［J］. 西安交通大学学报, 2012, 46（11）: 23-29.

［8］ 张明金. 电容运行式单相异步电动机正反转控制方法的探讨［J］. 机电工程技术, 2014, 43（2）: 16-18.

［9］ 吴业正, 李红旗, 张华. 制冷压缩机［M］. 2版. 北京:机械工业出版社, 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］ 王淑红, 肖旭亮, 熊光煜. 直流恒力电磁铁特性［J］. 机械工程学报, 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，在读研究生。研究方向：制冷装置测试技术与自动化，制冷压缩机新技术。联系地址：上海市杨浦区军工路516号上海理工大学制冷技术研究所，邮编：200093。联系电话：18121070251。E-mail：showtt_xtt@126.com。