沙特向压缩机的高能效泵体开发

文/珠海凌达压缩机有限公司 李健 张洪钰 余风利

1 背景

根据空调市场调查，沙特向窗机用压缩机需求居高不下，市场竞争激烈，开发高效的R410A冷媒沙特向压缩机成为行业的大趋势，是抢占市场的关键因素。

2 基于TRIZ 的项目开发

根据市场需求，我们使用TRIZ工具对本次项目进行研发。首先通过分析压缩机COP值因素，COP=（q0/w0）×ηi×ηm×ηma。其中：q0：单位质量制冷量；w0：单位质量理论压缩功；ηi：压缩效率；ηm：机械效率； ηma：电机效率。

上述公式显示：当q0、w0一定时，压缩机COP值取决于机械效率和电机效率。根据以上理论计算，故针对以上因素对本次项目进行了确认。同时，我们根据市场需求及发展前景，对本次研发的项目进行了目标设定，其主要目标是研发一款高能效的压缩机，并对其进行约束，要求其噪音、振动和可靠性不受影响。

3 问题描述及功能导向

通过原始问题，我们使用IFR法，从子系统和超系统对问题进行分析，并借用5W1H的方法对问题逐步分解，最终拆解出问题的根本，确认功率高是导致压缩机能效低的主要因素。故此，我们设定技术路线：从降低压缩机泵体组件功率的途径进行分析，并结合理论计算公式：理论容积输气量：VH=π/4xD2xnx60（m3/h）；实际质量输气量：Cn=λxVH/V1（Kg/h）；λ= λVx λtp，即输气系数大小影响实际输气量，即COP影响因素： λv、 λT、 λp、 λI。

λv=容积系数；

λT=温度系数；

λp=泄漏系数；

λI=压力系数。

确认后，根据影响的因素，我们对其进行功能导向搜索，主要根据以上的因素点从专利及论文进行检索，在本行业和其他领域的行业查询，以此来找寻可借鉴的技术方案。

4 创新成果介绍

4.1 资源分析

分析方向：物质、场、时间、空间、技术、功能和资产，根据以上可用的资源，对本项目进行了资源分析，主要得出现有的资源。

使用工具：根据DFMEA工具，对本项目资源分析后进行了Block框图和Matrix矩阵绘制，主要如下图1和图2。

图1 Block框图

图2 Matrix矩阵

4.2 功能分析

根据以上的框图和矩阵分析，我们对本项目的零件结构进行了相互作用分析，并根据此相互作用绘制了功能模型，主要如下所示：

根据以上功能分析，得出如下功率结论：

（1）气缸内壁对滚子外圆的导向功能不足导致容积效率低；

（2）上下法兰、曲轴、滚子、滑片和气缸之间摩擦，导致机械效率低；（如下图）

（3）气态冷媒在泵体腔内的循环做功存在流阻，导致机械效率低；

（4）定量的气态冷媒始终在泵体腔内循环，冷媒在泵体腔内产生的损失会导致容积效率低。

4.3 因果链分析

通过功能分析，我们确认导致压缩机能效低的原因主要是由于机械效率低和容积效率低产生的。针对以上两个原因对本项目进行了因果链分析，得出如下10条末端因素，除了明显的解不再使用TRIZ工具求解外，对其他末端因素使用TRIZ中的技术矛盾、物理矛盾、76个标准解、八大进化法则等工具对本项目进行求解。

4.4 方案求解

4.4.1 科学效应库

根据上述的功能分析和因果链分析，针对泵体组件机械效率低和容积效率低的问题，首先进行科学效应库的查询，建立HOWTO 模型主要如下：

?

根据上述模型，直接选择方案如下：

方案一：采用记忆合金或类似材料代替现有材料，降低形变导致的摩擦力；

方案二：采用超导体或纳米材料改善其热膨胀等问题。

4.4.2 技术矛盾

（1）针对末端因素1：偏心量过大：减小曲轴偏心量，曲轴的转动惯量减小，减小曲轴与滚子的摩擦，泵体机械效率提高；偏心量减小，滚子外径增大，压缩容积减小。

要求：改善曲轴偏心量，导致：容积不足。通过分析，确认恶化参数23：物质损失；改善参数12：形状；使用矛盾矩阵表，找出对应的发明原理：35,29，03,05。设计方案三：局部质量原理，偏心量不变减小曲轴偏心圆外径，降低曲轴转动惯量，减小曲轴与滚子的摩擦，提高机械效率，设计方案如下：

（2）针对末端因素2：阀座厚度过厚：减薄法兰阀座的厚度，排气余隙减小，增大排气容积，泵体容积效率提高；阀座厚度减小，法兰强度不足，易泄露。

要求：改善阀座厚度，导致：强度不足。

通过分析，确认恶化参数14：强度；改善参数1：静止物体的尺寸；使用矛盾矩阵表，找出对应的发明原理：15,14,28,16。设计方案四：曲面化原理，阀座面设计为曲面，降低排气阻力，减小排气余隙，增大排气容积，设计方案如下：

（3）针对末端因素3：阀片关闭慢：增大阀片根部宽度，阀片减短，排气阻力小，排气顺畅，阀片打开速度快。

阀片贴合挡板，回复慢，逆流增加，泄露增加。

要求：改善阀片重量，导致：泄露增加。

通过分析，确认恶化参数23：物质损失；改善参数11：运动物体的重量；使用矛盾矩阵表，找出对应的发明原理：05、35,03,31。设计方案五：多孔材料原理，挡板头部加孔，缓冲撞击速度，减缓吸附时间，设计方案如下：

4.4.3 物理矛盾

（1）针对末端因素4：气缸吸气口大小直接影响吸气角度。

通过分析，存在问题气缸吸气口越大，吸气阻力越小，吸气脉动越小，压缩机COP越高；气缸吸气口越小，吸气关闭角度越小，有效压缩越高；

根据以上分析，使用空间分离进行求解。

设计方案六：U型口气缸，实现大吸气口，小吸气关闭角，设计方案如下：

（2）针对末端因素5：气气缸排气角度大小直接影响有效行程。

通过分析，存在问题：气缸滑片槽越小，有效行程越长，压缩容积越大，压缩机COP越高；气缸滑片槽越小，排气开始角度越小，有效压缩越高。

根据以上分析，使用空间分离进行求解，设计方案七：小槽宽气缸，实现小月牙槽，小排气开始角，设计方案如下：

4.4.4 物场分析及76个标准解

（1）曲轴与法兰之间形成滑动副，曲轴在摩擦力作用下，磨损法兰内孔和表面，造成机械能损失，不利于能效的提高。

利用76种标准解的解答步骤，寻找出四种可用标准解：

第一，通过引入外部物质消除有害关系

第二，通过改变现有物质消除有害关系

第三，通过消除场的有害作用消除有害关系

第四，采用场抵消有害关系。

根据标准解，直接设计如下方案：

方案八：:在滑动副之间添加润滑油，将曲轴和法兰分隔开，避免磨损。

方案九:改变曲轴，曲轴进行小轴化改进减小摩擦。

方案十:曲轴嵌套滚柱与法兰配合，将滑动摩擦改为滚动摩擦，消除场的有害作用，减小摩擦。

方案十一:引入磁场，利用磁场分离运动避免磨损。

（2）气缸与滑片之间形成滑动副，滑片在摩擦力作用下，磨损气缸滑片槽，造成机械能损失，不利于能效的提高。

利用76种标准解的解答步骤，寻找出三种可用标准解：

第一，通过引入外部物质消除有害关系

第二，通过改变现有物质消除有害关系

第三，通过消除场的有害作用消除有害关系

根据标准解，直接设计如下方案：

方案十二：在滑动副之间添加滚动结构，将滑片和气缸分隔开，由面滑动变为线滑动摩擦，减小摩擦。

方案十三：改变滑片材质，滑片进行耐磨涂层，减小摩擦。

方案十四：取消滑片与滑片槽配合，采用叶片式结构压缩机。

4.4.5 进化法则

(1针对末端因素7：下消音器容积小：增大下消音器容腔，排气阻力减小，泵体机械效率提高。

下消音器容积增大，下消音器高度增加，不易装配。

要求：加大下消音器容积，导致：高度增加，不易装配。

设计方案十五：选用协调性进化法则中的“形状变化进化路线”：增大下消音器容积的同时，不增加下消音器的高度，设计方案如下：

（2）针对末端因素8：滑片与滚子的接触面积大：减小滚子与滑片的摩擦，降低压缩做功，泵体机械效率提高。

滑片接触面积减小，影响可靠性，可能产生脱离导致噪音大。要求：减小滑片与滚子的接触面积，导致：可靠性不足。

设计方案十六：选用协调性进化法则中的“形状变化进化路线”：减小接触面积的同时，不影响可靠性，设计方案如下：

4.5 方案甄选

将以上设计方案进行汇总，并邀请公司专业人员将对其可行性五维度和侵权判定三维度进行打分，得出结论主要如下：

根据以上打分判定，采用方案1，2，3，4，6，11，12设计压缩机泵体零件，将各个方案的泵体零件组装构成泵体组件及压缩机，实现高效泵体结构的开发选择方案如下：

曲面排气阀座；

阀片挡板头部加孔，减短阀片；

U型、小槽吸气口；

曲轴短轴、偏心圆变小；

三旁瓣大消音器；

斜面滑片。

以上方案经过模拟计算及流体仿真，均确认方案可行，且方案设计完成后，我们将其装配成压缩机整机进行测试，其压缩机能效COP达成目标，并且噪音、振动及可靠性均未恶化，满足目标设定时的约束条件。

4.6 专利产出

本次项目累计产出11项专利：

专利号 专利名称 类型201810765801.5 一种压缩机组件及其空调系统 发明201810973462.X 泵体组件及压缩机 发明CN208456863 U 一种法兰、压缩机及空调系统实用新型CN208595065 U 一种压缩机构及压缩机 实用新型CN208595067 U 一种法兰组件及压缩机 实用新型CN208763903 U 曲轴及压缩机 实用新型CN208651089 U 一种压缩机的消音器及压缩机实用新型201810967085.9 压缩机的安装机构 发明201810924969.6 一种支架及具有该支架的压缩机 发明201811076837.9 一种排气阀片组件及压缩机 发明201811179573.X 发明一种具有吸气止回阀结构的气缸及其控制方法、压缩机

5 成果效益

（1）经济效益：年产量达30万台以上，至2018年10月底，应用该技术后产品降低成本约600万元/年，为公司创造了巨额的经济效益；

（2）成果推广：已应用于我司C49系列压缩机，并推广至C48、C52和C55等其他系列的压缩机，形成一套标准规范。