面向无油空气压缩机的复合式冷却风扇及其布局设计

陈军， 陈君立， 杨海霞， 耿爱农， 孙文博， 阮勤江

（1.五邑大学 智能制造学部，广东 江门529020；2.浙江鸿友压缩机制造有限公司，浙江 温岭317523）

0 引言

小型摇摆活塞式无油空气压缩机广泛应用于家庭装修装饰、汽车维修维护、医疗按摩康复等行业，该类压缩机普遍采用直联式电动机来进行驱动，工作期间因空气被压缩产生的热量、密封皮碗与气缸摩擦产生的热量、电动机运转产生的热量会导致压缩机核心零部件（如活塞密封皮碗、连杆大头轴承、曲轴支撑主轴承等）热负荷过大，也是造成压缩机工作可靠性下降的主要原因之一[1]。因此，有效解决上述关键零部件的散热问题是压缩机科研工作者十分重视的研究课题[2-3]。

传统小型摇摆活塞式无油空气压缩机的散热解决方案基本采用在曲柄端部（亦即在连杆大头端侧或电动机尾端处）布设离心式径流风扇并辅以导流壳罩来予以实现[4]。这种做法的不足之处在于径流风扇受限于其风量产出特性，仅能满足冷却压缩机泵头部件的散热需求而不能顾及其它零部件的散热。事实上，用以支撑曲轴及电动机的主轴承、连接曲柄销与连杆的连杆大头轴承，它们的热负荷问题同样制约着压缩机的工作可靠性。鉴于此，本文提出包含有轴流单元与径流单元的复合式冷却风扇[5-7]，试图同时完成面向压缩机泵头和面向曲轴主轴承及连杆大头轴承的两个不同散热任务。

1 复合式冷却风扇结构形式与特点

图1和图2为本文设计的一体结构复合式冷却风扇示意图，图3和图4为基于该设计理念而制作的若干风扇实物照片。区别于传统小型摇摆活塞无油空气压缩机的径流式冷却风扇，本文设计的复合式冷却风扇布设有能同时产生径向流量和轴向流量的驱动单元与分流构造，借助这些功能部件，复合式冷却风扇可在其运转时能同时派生出两股指向显著不同的冷却风流量。

图1 径-径叶片复合式冷却风扇结构示意图

图2 径-轴叶片复合式冷却风扇结构示意图

图3 面向1.5 hp无油压缩机复合式冷却风扇实物

图4 面向2 hp无油压缩机复合式冷却风扇实物

容易看出，复合式冷却风扇用以产生径向流量和轴向流量的驱动单元（即叶片）有两种基本组配：一个是径-径叶片复合结构（如图1），其内圈的轴流单元和外圈的径流单元均采用径向叶片来产生风速和流量；另一个则是径-轴叶片复合结构（如图2），布局在外圈的径流单元采用径向叶片构造，布置在内圈的轴流单元则采用轴流叶片构造。在轴流单元与径流单元之间设置有一个分流筒壳，由分流筒壳形成并分流出两股指向完全不同的冷却风量。这两种复合叶片结构的特点不同，可以依照实际情形进行选用。一般而言，对于匹配转速较高的两极电动机的压缩机建议采用径-径叶片形式，对于匹配转速相对低一些的四极电动机的压缩机可考虑径-轴叶片形式，当然选用时还需考虑压缩机曲轴箱的结构型式。

2 复合式冷却风扇布局设计实例

无油空气压缩机的热负荷状况很有特点，一个集中在泵头处，另一个集中在曲轴箱本体中心区域的轴承处。对于泵头的热负荷一直受到高度重视，就常规输出压力0.7～0.8 MPa的无油空气压缩机而言，其最高温度出现在缸盖处，可达135 ℃以上，因此需强力散热以确保安全；气缸处的热负荷对活塞密封皮碗工作寿命负面影响极大，其温度不宜超过110 ℃；无油压缩机各轴承均为含油轴承，因此它们的温升须控制在较低水平（一般不得超过80℃），否则难以支持其长期运转。如前所述，本文设计的复合式冷却风扇能分流出两股指向不同的冷却风流量，可解决当下无油压缩机多目标区域热负荷消减的需求。下面结合实例叙述一下该类冷却风扇的应用。

小型摇摆活塞式无油空气压缩机普遍采用直联式电动机来进行驱动，其布局特点决定了宜采用沿电动机轴向方向补入外界冷却风，冷却风扇一般布局在轴端处。本文的设计也不例外，亦将复合式风扇安排在曲轴端头并贴近连杆大头处。根据不同曲轴箱型式的压缩机，以下给出两个复合式风扇布局案例：1）对于采用封闭式曲轴箱的无油空气压缩机（如图5），本文的一个设计实施例是采用径-径叶片型复合式冷却风扇，其产生的径流风通过蜗壳式导流壳罩从压缩机的机体侧面引导至泵头处，借助壳罩迫使该股冷却风横向掠过气缸盖的散热片后再从泵头的另一侧吹出，以此带走端盖的热量而达成强力冷却；而复合式风扇产生的轴流风则让其直接对准压缩机的主轴承和连杆大头轴承，在贯穿并冷却这些部件之后再从电动机筒壳的散热孔流出，同时这股轴流风量还肩负着部分冷却压缩机气缸的任务。2）对于采用开放式曲轴箱型式的无油空气压缩机（如图6），考虑到它采用四极电动机驱动转速较慢，因此本文选用径-轴叶片型复合式冷却风扇，其布局策略是将风扇产生的径流风通过布局在压缩机轴端部的壳罩（图中未示出）从压缩机轴端向上引导至泵头的气缸及缸盖处，同时对这两个零部件进行散热，其中风扇的轴流单元产生的轴流风则直接对准压缩机的主轴承和连杆大头轴承进行散热冷却。

图5 封闭式曲轴箱无油压缩机复合式冷却风扇布局

图6 开放式曲轴箱无油压缩机复合式冷却风扇布局

上述两种复合式风扇布局设计均经实际产品运行验证，都能够达到压缩机不同区域的冷却目标，可保证端盖处的温度不超过130 ℃、气缸处的温度不超过100 ℃、主轴承座及连杆大头轴承处的温度不高于75 ℃，有效确保了压缩机的工作可靠性。值得一提的是，图5、图6所示的压缩机为采用一台电动机驱动两个泵头，俗称两头挑布局无油压缩机，是目前摇摆活塞式无油空气压缩机广为采用的机型。对于这种两头挑布局的压缩机，如果采用径-径叶片复合结构，那么风扇无论是装左端还是装右端均可适配，其生产只需一副模具即可，且不存在工人误装的情形；对于采用径-轴叶片复合结构的冷却风扇来说，其左右两副风扇是不同的（如图4），因此需采用两副不同模具来生产，且装配时不能搞混，其优点是对压缩机主轴承和连杆大头轴承的冷却效果较好。

3 结语

小型摇摆活塞式无油空气压缩机存在两个明显区域不同的热负荷集中部位：一个位于压缩机泵头区域（气缸及缸盖处），其热负荷主要源自于压缩空气产生的热及皮碗与气缸摩擦产生的热；另一个则位于支撑电动机与曲轴的主轴承座及连接连杆与曲柄销的连杆大头轴承处，其热负荷主要受电动机运行热的影响，同时也有来自泵头的热量，上述部位散热效果的好坏直接关系到压缩机的工作可靠性。长久以来，小型摇摆活塞式无油空气压缩机基本采用单一构造形式的叶片结构，只能产生单股冷却风量，难以同时兼顾泵头及轴承的冷却，本文设计的复合式冷却风扇弥补了这一短板，它集成了径向流量和轴向流量两种截然不同的驱动单元构造，能可靠地产生出两股指向不同的冷却风，可同时应对压缩机棘手的多目标冷却任务。经过实际产品的运行验证，复合式风扇可使上述气缸、气缸盖、主轴承及连杆大头轴承等压缩机的核心零部件温升不超标，有力地保障了压缩机运行的工作可靠性。本文的设计构想是可行的，它丰富了现有小型摇摆活塞无油压缩机的风扇种类。