高速变频旋转式空调系统压缩机的研究
摘要：为了满足各种操作的空调系统,变频压缩机的操作范围广是必要的。实现操作范围宽的方法之一是高速度推动一个小容量压缩机。此外,尽可能的满足使效率最大化的实际操作条件和操作条件,降低成本,紧凑的设计一个小容量的压缩机。此外,最大容量短缺,由于额定容量小,都是通过高速操作。然而,一般来说,如果压缩机高速运作, 则会发生诸如由于摩擦降低的效率，增加的噪声，排油的量增加的问题，并降低的主要部件的耐久性。为了解决这些问题, 下面进行了研究:压缩腔的尺寸参数进行了优化,提高轴的结构设计和减少石油排放和噪声在高速操作。最后，将高速逆变旋转式压缩机具有高效率和更紧凑的尺寸与传统的旋转式压缩机做对比。
关键词：旋转式压缩机，高速，排油，高效率
一. 简介
近年来，节能住宅和节能工业已成为世界上的一个大问题。特别是，对于节能住宅空调系统，包括加热和制冷的需求正在增加。关键作用的和重要组成组件的变频器旋转式压缩机占空调消耗电力的85％。为了应对在住宅空调系统中的各种操作负载，变频技术控制改变转速的能力是很重要。通过变频技术，我们开发了一个能够控制多达150rps（转速）的高速旋转逆变器压缩机。在这方面的研究，我们通CAE分析和实验方法确认了空调高速回转式压缩机操作条件和最大化效率的操作条件。同时可以通过减少壳直径Φ112mmΦ101mm降低材料成本。
在本文中，通过选择规范组件和CAE（计算机辅助工程）/ CFD（计算流体动力学）的技术分析研究了一个可靠的高速旋转式压缩机。 [1-4]
二．高速旋转式压缩机的概述
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我们已经开发出一种具有13.0立方厘米排量的旋转式压缩机，它被用在住宅空调机。 R410A和PVE油用作制冷剂和润滑油。图1展示了旋转式压缩机的结构。压缩机包括一个圆筒，往复式叶片，滚筒，曲轴具有偏心部，主副轴承和具有转子和定子的无刷直流电动机。在水槽底部的润滑油通过安装在曲轴的中空孔螺旋桨产生离心力送入。该压缩机具有以180度的相位差交替操作的两个压缩室。由压缩室所产生的压缩载荷通过定位在压缩室的上部和下部主副轴承支撑。
在住宅空调机中，在夏季最高室外温度和在冬季最低室外温度的情况下，负载最大。压缩机必须提供满足最高负荷的大容量。对于一个紧凑的设计压缩机而言必须提供可以实现高速操作的高负荷的容量。
在本文中，介绍了优化的压缩部的设计，无刷DC电动机设计，轴加强结构和排油减少结构来完成高速旋转式的压缩机。
图1回转式压缩机的结构
三．高速回转式压缩机的概述 3.1 优化气缸尺寸
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在提高效率高速工作条件的同时我们专注于减少压缩室和润滑部件轴承摩擦损失。图2示出了旋转式压缩机的基础上，气缸内径和高度为主要规格的设计。在A区，优化设计方面受到压缩腔和主要部件的可靠性的几何形状的限制。这些限制是通过执行分析和确认试验得出的。采用较低的气缸高度,从而使开发模型的体积效率提高,减少从气缸之间的径向间隙和辊泄漏损。
Cylinder height [mm]
图2设计回转式压缩机规范的局限性
3.2降低曲轴变形和滑动面压力
作用在曲轴上的负荷是气体构成的力作用在滚子、叶片力推辊和偏心部（曲柄销）的离心力的总和。负荷变形是在最大曲柄角附近的排放阀打开时部件以高速运转过载的情况。如果一个旋转式压缩机以非常高的速度运转时，负载被分布在所有领域，通过增加曲轴的偏心部的离心力和其耐久性的高负载作用使滑动部分减小。
图3表示常规和开发的模型之间曲轴变形的分析结果。 ANSYS用于在曲轴变形CAE分析。从分析结果中，轴变形相比于高速常规曲轴减少约40％。我们证实，最大应力位于所述曲柄销的
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上部。为了验证轴的变形的减小，我们进行了一项可靠性的实验。图4展示的轴的规格减少变形。当我们设计时考虑曲轴的变化，以尽量减少曲轴变形，我们也应该考虑辊和中板的插入。较短的曲柄销的长度有利于减少轴变形的问题。泵部可以通过该弯曲长度被组装时的中间板通过偏心部。换句话说，中间板可以当此计算出的弯曲长度是少的偏心部和中间板之间比周期重叠组装。
图3高速的曲轴变形的比较
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图4 轴变形
3.3 排放阀优化
当压缩室中的压力比所述汽缸外面的压力高时，排出阀打开，然后压缩气体通过排出口排出。阀门的延迟开放影响压缩期间放电的增加。当的旋转式压缩机工作在高速时，过度压缩变得比正常速度大。因此阀门的可靠性问题可能是由于较大的冲击应力和排气阀的速度。出于这个原因，阀门设计为压缩机的可靠性很重要的。排出阀设计由CAE分析和实验的阀门厚度和宽度的专门配置的条件以及确定L_mb考虑操作和几何条件决定。 L_mb设置在主轴承落座的排出阀区并且它是阀门可靠性关键因素。图5显示了排出阀的结构和规格。我们进行了测试与各种阀门规格阀刚度,并将仿真结果进行比较
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图5排出阀结构和规范
图6排出阀的仿真结果
图6表示根据排出阀规格的有效应力和冲击速度。在阀门宽度相门的情况下，如果排出阀厚度变薄，压缩机的噪声增加和压缩机的可靠性恶化，由于增加的压力和速度。在spec.2和spec.3，排出阀的有效应力是有约27％的降低。spec.2比spec.3略小冲击速度。我们选择spec.2为最佳设计的可靠性，噪声和压缩机的效率。
3.4 减少油循环率（OCR）
保持一个稳定的油位在压缩机中是必要的，以优化排出的油的循环路径。排出的气体通过电动机的定子和转子之间的空气间隙，由转子旋转引起的离心力进行分离。从压缩机的上空间移动到压
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缩机上，并通过密度差将其从气体中分离。通过定子外周间隙将分离的油移到压缩机底部的油底壳。如果压缩机高速运转，油循环率（OCR：气体中所含的油量）增加，由于高流速下的分离能力。如果OCR增加，压缩机的可靠性水平降低。因此，即使在最高速度，OCR也必须维持在适当的水平。此外，如果OCR增加，油量撤回连同制冷剂增加。出于这个原因，体积效率降低。在这项研究中，我们证实了压缩机内的流动模式，通过计算流体力学分析，以改善在传统的压缩机的油分离结构。图7显示了OCR的还原的规格。对排气管、曲轴端面之间的距离进行了研究，从5到10mm。通过改变电机的上、下两个空间的压力差，改变了上下长度和下长的情况。
图7减少油循环比的设计改进
图8显示 通过CFD分析的例子来了解压缩机和OCR根据之前和改变减少油规范后的操作条件的实验结果内的流动模式。最后，OCR可以从2.8降低到0.6重量％at150rps。
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图8油循环比实验结果
3.5 高速无刷直流电机
通常，转子的桥在高速旋转会显示问题。因此，通过CAE分析我们强化了桥，以避免转子肋损坏和防止永久磁铁的逃逸。图9显示常规和开发的模型桥的应力。桥应力从314MPa降低到79MPa与改变转子的形状，高速操作时我们获得足够边际安全比（屈服应力/最大应力）。
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图9桥梁最大应力和安全系数
3.6 高速噪声降低
研究一个压缩机根据工作条件的变化而变化变频器旋转式压缩机的噪声和振动特性。特别是在高速运行中，噪声控制是一个重要的因素，因为它在技术竞争力中起着重要的作用。
在高速的噪声水平的增加是由于不相关的共振，因此，对相关部件的噪声特性和优化设计进行研究。首先，在这项研究中，使用麦克风测量噪声水平。然后，对信号进行频谱分析，找出噪声问题的对策。最后，对电机的设计和焊接方法进行了改进，提高了系统的激励力和传递路径。
利用计算机模拟产生电磁力的电机设计，以降低噪声水平。表1显示了常规和特殊电机电机规格的比较。根据仿真结果，所开发的电机的激振力下降，而电机效率是相当于传统的设计。为了验证计算分析，传统的和发达的模型的振动测量。
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（a）与振动加速度计测量位置 （b）130rps1/3倍频程带
图10.振动水平的常规和开发电机间的比较
图10显示了振动测量位置和使用加速度计的实验结果。径向振动电机堆栈在一半高度测量（HM）和1／3倍频程谱的传统发展模式进行了比较。其结果是，所开发的模型的振动水平降低了约50%。3千赫6千赫的频率范围是最有效的，因为高阶谐波分量的电磁力被减少。特别是，由于电磁力的高次谐波成分减少3〜6千赫兹频率范围内是最有效的。此外，还研究了实例和泵的焊接位置，提高了振动传递路径。在一般情况下，主轴承3点焊接到压缩机的案例来支持一个泵部分。但是，主轴承的厚度太薄，组合结构太不稳定，不能够保持泵的部分。因此，设计了计算模拟和3个点的分轴承焊接的修改。
图11 传统与开发模型的噪声水平比较
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图11显示了与传统的设计相比，设计修改后的降噪比较好。麦克风测量噪声是放置在从半压缩机身高距离30cm后15秒的静止条件得到的噪声信号。图11（一）为运行速度的噪声电平的颜色图。由于电机设计和焊接方法的改善，这1.25个1.6千赫和3千赫6千赫的频率范围都降低了。为了检查高速降噪，1／3倍频程谱常规开发的设计是在130rps操作条件下进行的如图11所示的比较（B）在1.25 ~ 1.6千赫的频率范围内的噪声降低10dB左右，3 ~ 6 kHz频率范围约3dba减少。总噪声水平约3dba减少。
四．结论
本文阐述了该技术解决压缩机高速运行中存在的问题。气缸尺寸紧凑优化以减少泄漏损失从径向间隙之间的气缸和活塞可以使其拥有更好的可靠性和更高的效率。通过CAE分析及实验验证新的曲轴设计概念应用范围广泛被证实。还确定了设计指南，以保证曲轴的足够刚度。无刷直流电机的形状被修改为高速运行，它是通过严格的测试验证。结轮是，高速（150rps）变频压缩机与空调系统高效、可靠的开发。
五.参考文献
[1]次男伊丹，正弘久保，杉山诚，轴承在高速运转，PROC的滚动活塞式旋转压缩机负载的估计。的国际机场。比较。工程。触摸屏的配置，普渡大学，论文547
[2]马蒂亚斯HARELAND，安德斯Hoel，斯特凡JONSSON，梁大卫，柴国才，2014年，选用插板阀钢因具有很高效率的压缩机，PROC。
[3]何塞·路易斯GASCHE，达尼罗 - 马丁斯ARANTES，蒂亚戈·安德烈奥蒂，2014年，在吸入阀型号，PROC的流固耦合的实验分析。湿婆拉马克里希纳Bolloju，Vamsi Tiruveedhula，纳文Munnangi，Koteswara，Prathap雷迪男，2014年旋转压缩机通过提高通过模拟，PROC放
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电通路效率的提高
[5]约尔格·迈耶，普雷BJERRE，费边BRUNE，2014年，不同的数值模型对于挡板阀动作，PROC的比较研究。
[6]慧聪金，MG赵，J。金，JH公园和J.沉，相干技术，以降低噪声的旋转式压缩机，2012年，杂志机械科学与技术26（2012）2073〜2076
第九届国际会议压缩机及其系统IOP出版
IOP CONF系列：材料科学与工程90（2015）012038 DOI：10.1088 / 1757-899X / 90/1/012038
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