基于TRIZ理论提高滚动转子式压缩机容积效率的创新研究

2018-08-06刘海军林婵琼

家电科技 2018年7期

关键词：扇叶泵体吸气

刘海军林婵琼

LIU Haijun LIN Chanqiong

珠海凌达压缩机有限公司广东珠海 519015

Zhuhai Landa Compressor Co., Ltd., Zhuhai 519015

1 引言

节能环保是空调行业长期的发展趋势。随着空调能效等级的不断提高，追求较高的制冷能效比是压缩机长期追求的目标。常规压缩机吸气是由泵体滚子旋转产生负压进行压差被动式吸气，余隙容积的高压气流间隔性使吸气回流、低温气体进入高温的气缸过程的吸气加热、压缩的容积变化率不均匀、气缸径向及滚子端面的泄露、滚子扫过吸气口等，这五种主要因素形成了压缩机的吸气脉动，吸气脉动导致压缩机的振动大、吸气效率较低。这些因素对于滚转子式

3 滚动转子式压缩机输气量及其影响因素

3.1 理论容积输气量

滚动转子式压缩机的理论容积输气量为气缸工作容积与转速的乘积，即：

q1=60nV

式中：q1——理论容积输气量；

n——转速。

3.2 实际容积输气量

滚动转子式压缩机的实际容积输气量为：

q2=η1q1

式中：q2——实际容积输气量；

η1——容积效率，表征气缸工作容积的利用程度，反映由于余隙容积、吸气阻力、吸气加热、气体泄露和吸气回流造成的容积损失；

λ1——容积系数（余隙容积导致的）；

λ2——压力系数（吸气压力损失对输气量的影响，没有吸气阀，影响极小）；

λ3——温度系数（吸入气体被加热造成输气量的减少）；

λ4——泄露系数（气缸中气体泄露对输气量造成的影响）；

λ5——回流系数（回流使输气量减少）。

3.3 影响因素分析

容积系数、压力系数、温度系数、泄露系数、回流系数五大因素的影响，导致滚动转子式压缩机的容积效率在0.7～0.9的范围内。

3.3.1 余隙容积

气缸必然存在排气通道，排气通道的顺畅与否，同样影响压缩机的制冷量及功耗，该因素在滚动转子式压缩机行业中多采用D型孔、减薄法兰阀座面进行优化，但效果不明显，难于完全克服。

3.3.2 压力系数

压力系数影响极小，接近1，忽略不计。

3.3.3 温度系数

高背压的压缩机内部为排气的高温高压，在吸气通道上对吸气的低温低压气体传热，压缩机行业中多采用增加隔热层进行优化，但效果不明显，难于完全克服。

3.3.4 泄露系数

泵体间隙装配，为了降低功耗，要求间隙不能太小，必然存在泄露，需要通过提高零件精度进行优化，但加工成本高，目前行业中没有有效方法，难于克服。

3.3.5 回流系数

滚子旋转扫过没有阀片的吸气口，必然引起回流，自身结构所造成的，行业中也没有有效方法，难于克服。

滚动转子式压缩机提高容积效率，提高压缩机性能是行业中的一项难题。

4 TRIZ理论创新方法—小人法分析问题

我们打破传统的思维，利用TRIZ理论进行容积效率问题的全面分析，找出解决问题更有效的方法。

图1 滚动转子式压缩机结构图

图2 泵体吸气小人法分析

首先，我们要确定设计的最终目的、问题的理想解。滚动转子式压缩机容积效率理想解IFR为100%，也就是实际容积输气量等于理论容积输气量。接着，分析问题的有用和有害作用因素。对实际容积输气量有用的主要因素：电机转速提高，吸气通道截面积增大。对实际容积输气量有害的主要因素：余隙容积、吸气加热、吸气回流、气体泄露。

图3 增加正能量A+小人图

图4 问题模型转化解决方案模型

如何增加有用的因素，减少有害因素，是解决问题的关键，现在借助TRIZ小人法来模拟这个问题中的矛盾，用10个深色小人代表泵体的理论理论容积输气量A+，用4个浅色小人代表负面影响的余隙容积、吸气加热、气体泄露和吸气回流B-，如图2所示。

那么：

实际容积输气量=(A+)-(B-)

这样，进入气缸的10个人小人被阻挡小人挡了4个，只剩了6个小人进入气缸。滚动转子式压缩机受自身结构限制，克服有害因素的小人B-非常困难，我们可以考虑增加A小人的数量2个，也同样可以提高实际进入气缸的小人数量6+2=8，另一方面，增加了有用因素的量，例如压强和速度，也同时可以扼制有害因素的生成量，特别是余隙容积、吸气加热、吸气回流，可以这样认为6+2是大于8，如图3所示。

因此，通过小人法分析，我们知道，增加理论容积输气量是提高实际输气量的有效途径。但在一款定型的压缩机上，压缩机转速、气缸气流通道是难于改变的，我们需要考虑增加外部的力量来提高进入气缸的气体量。

5 TRIZ理论物质—场分析与标准解

如何增加吸气量，我们首先建立吸入气体与泵体机构的模型，为了增加吸入气体量，必须在泵体通道上增加吸力，增加一种新的动力源，引入新物质，使物质场转化成复杂的物质，向链式物质场跃迁的形式，符合第二级标准解14。

物质—场的解题模式：待解决的问题，转化为物质—场，通过标准解系统查找出标准解，再通过查询标准解对应的多条创新原理，结合矛盾矩阵的工程参数分析，得到所需要解决问题的具体创新原理。

6 TRIZ创新原理及应用

接下来，我们从标准解14可以查找可应用的多条创新原理，通过矛盾矩阵表中可以看到，我们改善的工程参数是气体的质量流量（速度），恶化的工程参数是加快气体质量流量的动力（功率）。对应的创新原理、周期性动作原理、物理或化学参数变化原理、加速氧化原理、抽取原理，显然，我们选取周期性动作原理，通过对气体周期性的作用，使气流加快，达到质量流量的提高。

针对周期性作用力的导入，我们想到了在吸气通道上增设小型电机带动扇叶，这样，便可以对经过的气体提供周期性的作用力。新动力为扇叶涡流吸力，新物质为扇叶。

6.1 技术方案

方案一：在分液器直管上增设电机及扇叶，实现涡流增压，如图5所示。该方案需要在分液器上增加接线柱，引外部电源。

方案二：在泵体气缸吸气口增设扇叶，实现增压，如图6所示。该方案由压缩机自身动力提供，将曲轴的转动动能经过齿轮传递到扇叶的转动，利用齿数比进行扇叶转速的调整。

6.2 方案对比

考虑到滚动转子式压缩机电器安全问题，新增电机影响大，我们选用第二方案。利用曲轴高速运转的转动惯量，通过两个锥齿轮（或直齿轮）传动到设于吸气口的涡流扇叶，实现涡流增压。锥齿轮在压缩机油池，润滑可靠，材料可以选用铁件或PP/PA66等塑料件，扇轴紧配轴套与小法兰（轴承）形成端面配合，保证油池高压与吸气口低压隔离，类似下法兰与曲轴短轴的配合。

常规压缩机吸气是由泵体滚子高速旋转产生吸气腔负压进行压差被动式吸气，余隙容积的高压气流间隔性使吸气回流、气缸压缩的气体容积受热膨胀、气缸月牙压缩腔变化率不均匀、滚子扫过吸气口，三种因素形成了压缩机的吸气脉动，吸气脉动导致压缩机的振动大、吸气效率较低。本方案可以使泵体主动吸气，形成吸气更好的连续性，提高吸气效率，减少压缩机因吸气脉动所产生的振动，也降低压缩机对空调管路的传递音。

该方案动力传递的齿轮可以根据增压的需要及效果，通过齿数比调节涡流扇叶的转速，齿轮位于压缩机下端油池，润滑良好，可靠性好。

吸气涡流技术已经在柴油发动机行业上广泛应用，柴油发动机涡流吸气增压提升了柴油机性能6%，是一种高效提高滚动转子式压缩机泵体实际容积效率的较好方法。

7 结论

TRIZ发明问题解决原理，给我们提供了较全面的思维方式，通过创新方法分析问题，用物质场的建立、分析，明确了关联物质之间存在的各种技术矛盾，用不多的创新原理来解决问题，用其他领域的科学知识来解决本领域的技术问题。

TRIZ是一种以技术系统为认知分析基础，以解决问题为首要任务，以不断提高技术系统的理想度为进化目标，让所有产品变得更完美的理论与方法学。滚动转子式压缩机容积效率的研究课题正是在TRIZ的指引下，找到了全新解决问题的方法。采用吸气涡流增压技术，可以克服了余隙容积、吸气膨胀、内部间隙泄露、吸气回流四项主要有害因素的负面影响，大大提高泵体容积实际输气量，提高压缩机吸气容积效率，提高了压缩机制冷和制热量，特别在低温环境下制热和高温环境下制冷，吸气涡流就相当于在空调封闭循环系统中增加了一台加压的水泵，使冷媒气体循环速度加快，提升空调两器的换热效果。