CN101576083A - 转子式压缩机的冷缸压缩循环 - Google Patents

Abstract

一种提高制冷压缩机效率的循环系统，简称冷缸压缩循环。转子式压缩机冷缸压缩循环主要由4个方面实现。a.冷缸压缩：针对压缩强放热汽缸壁面(定义为热缸，其余为冷缸)实施低温冷却，舌片和滚动转子表面涂隔热陶瓷将压缩放热推向被冷却的热缸，增大热缸面积或降低转速，以充分排除压缩放热和抑止排气过热的形成而降低压缩净功和冷凝负荷。b.冷缸吸气：将高压排气与冷、热缸及上、下盖和吸气管进行气相和绝热分隔，吸气室的低温特性由连续吸气和热缸冷却来保证，以获得较大冷量。c.改进油路：增大吸气抽吸力。d.回收排气过热和电机放热：用于加热而浓缩具有吸收性的润滑油，吸收剂在冷却汽缸表面分压较低有强吸收性而进一步增大冷量和降低压缩功。

Description

转子式压缩机的冷缸压缩循环

技术领域

一种蒸汽压缩式制冷压缩机的循环系统，尤其是转子式制冷压缩机的循环系统。

技术背景

现行的全封闭压缩机，其指导理论是逆卡诺循环，等熵绝热压缩被认为是最高压缩效率，因而蒸汽压缩过程接近绝热压缩，排气温度可达150℃，远高于冷凝温度T_K50～55℃，显然大部分电能转化为排气过热而浪费了，并且增大了冷凝负荷；而循环所需的P_O～P_K压差负荷其消耗压缩净功是较小的，这一点可以在M₁(参见下页第三行)中用氮气或空气做对应的压差实验来求证。另一方面压缩放热和电机放热在汽缸壁面的积累，吸气受强热膨胀而损失冷量，并进一步提高了排气温度和增加冷凝负荷，使循环恶化。可见等熵绝热压缩并不适合使用制冷剂的压缩机；制冷剂蒸汽分子密度较大，与理想气体有本质的区别，蒸汽压缩过程的发热量远大于理想气体。

随着经济的发展，压缩机已经被广泛应用于制冷、空调、热泵、气体压缩，已发展为耗电和耗油份额较大的系列产品，特别是空调在夏季是峰值耗电的主要产品，也称之谓峰值耗电的杀手。因此压缩机效率已经相关到电力资源的有效利用和生态环境的保护，是急需解决的重要课题。

发明内容

本发明的任务是从防止吸气受热膨胀而增大单位容积制冷量以及排除压缩放热而降低压缩净功二个主要方面来提高制冷压缩机效率，系统地解决循环过程中影响制冷量和压缩净功所存在的问题，充分利用能量，建立和完善能够提高制冷压缩机效率的循环系统，简称冷缸压缩循环。

一、转子式压缩机的冷缸压缩循环(以下简称M₁)由以下几个方面来完成。

1、冷缸压缩。

对压缩放热较强的汽缸壁面，指等压压缩段及邻近区域，定义为热缸(其余部分则相应为冷缸)实施低温冷却，在旋转活塞滚动转子的表面和舌片表面涂隔热陶瓷，将压缩放热推向被冷却的汽缸壁面——热缸，增大热缸面积或降低转速延长压缩工质的放热时间，以充分排除压缩放热和抑止排气过热的形成，实现冷缸压缩而降低压缩净功和冷凝负荷。

2、冷缸吸气，即吸气室的低温特性。

在全封闭转子式压缩机中，壳体腔内是P_K高压和排气温度，汽缸和上、下盖是传热导体，为避免吸气受热膨胀：上、下盖和冷缸及吸气管、热缸冷却部分与高压排气和润滑油需进行气相和绝热分隔，吸气室的低温特性由连续吸气和热缸冷却来保持，以获得较大冷量而提高容积效率。

3、油路的改进。

a.增加滚动转子和主轴的供油压力，可以提高装配精度和增加压缩室的密封性，减少泄漏而增大冷量，另一方面可以采用更低粘度的润滑油减少运动阻力而降低压缩净功。

b.增设弹簧孔油管通向底部油室，减缓舌片因高速往复运动所引起的油路冲击，保障舌片供油的稳定性，提高舌片的密封性和降低压缩净功。

4、冷害及其防止。

冷害的主要特征是M₁的润滑油被稀释，稀释的润滑油被吸入汽缸引起湿压缩，损失冷量和增加压缩功。如不能及时清除，润滑油会进一步被稀释使循环恶化。冷害的另一方面是吸气受热膨胀而损失冷量。

为了增大冷量和降低压缩净功，吸气温度和热缸冷却温度总是尽可能降低，M₁壳体腔内的P_K高压排气和润滑油在接触到低于T_K的低温物体(如：吸气管路、热缸冷却管路、……)时，会放热凝结而稀释润滑油；过低的吸气和热缸冷却温度使排气进入二相区也会稀释润滑油。为防止冷害的形成，冷缸、吸气管路、热缸冷却部分、……应与排气和润滑油进行气相和绝热分隔。

5、排气过热和电机放热的回收利用。

冷缸压缩循环的构成：采用对制冷剂有强吸收性的润滑油，组成制冷剂一一吸收剂工质对；电机转子和定子的铁芯叠片开设冷却孔，强化电机散热和提高电机效率。

P_K高压排气在电机冷却孔内吸收电机放热后温度进一步升高，从壳体顶盖的排气管引入壳体底部油室内的排气回热管，用以加热而浓缩吸收剂润滑油，并消除冷害，以完善循环系统。吸收剂在冷却的汽缸壁面表面分压较低具有强吸收性，可进一步增大冷量和降低压缩净功，冷量增大后吸气温度和热缸冷却温度随之降低，使循环系统向着冷量增大和压缩净功降低的方向发展直至最佳平衡状态，是一种能量被充分利用的良性循环——冷缸压缩循环。

6、压缩放热排除的必要性。

$N=\stackrel{\·}{m}[(h_2-h_1)+Q]$

是质量流量，h₂是排气焓，h₁是吸气焓，N是输入功率，Q是压缩放热。

在良性循环状态时，h₂和h₁接近饱和态，由于N的降低，Q是一个较小的量，但必须及时清除，否则Q在汽缸壁面的积累会使吸气受热膨胀，进而增加排气过热和N，循环系统向着冷量降低和输入功率增大的方向发展，使系统恶化。尤其是现行活塞式、涡旋式压缩机，由于吸气受热和压缩放热的积累，排气温度较高，可达150℃，循环恶化严重。

二、活塞式、涡旋式压缩机的冷缸压缩循环。

首先要防止吸气受热膨胀和排除压缩放热，满足冷缸压缩和冷缸吸气的技术条件，抑止排气过热的形成。

活塞式：对热缸和汽缸盖即压缩强放热区域实施冷却，活塞行腔面(顶部)进行隔热，高压排气部分要隔热。

涡旋式：对定涡旋片实施冷却，对动涡旋片的气室面进行表面隔热。

三、机组的完善和R410无氟压缩机。

在制冷状态时过冷是必要和有益的，在外机的底盘内设置凹槽和进水管、溢水引出管，安装浸水式过冷热交换器，连通冷凝器出液管，引入部分或全部内机冷凝水，降低过冷温度以增大冷量，降低冷凝负荷减少压缩功，尤其是工作压力较高的R410A和R410B机组和M₁，工作压力应控制在2.5～2.7MPa以内，接近现行的R22常规空调的工作压力。

附图说明

图1是M₁汽缸及气室运行在切点状态时的后视图。

图2是M₁的主剖视图。

图3是M₁的油路改进型主剖视图。

图4是双缸双级压缩的转子式制冷压缩机(以下简称M₂)主剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细的描述。

参见附图1：吸气管1、吸气管隔热层2、吸气导管3、汽缸4、壳体5、弹簧6、舌片油孔7、舌片8、螺丝孔9、导管10、热缸冷却块11、热缸隔热层12、滚动转子13、切点14、导管15、冷缸隔热层16、吸油咀17、主轴18、偏心轮19。

滚动转子13和汽缸4的(最近点)切点14设定在排气阀片开启时的位置，按压缩比分配，b为吸气室，a₁为P_K等压压缩室；切点14至舌片8这一段a₁气室的汽缸壁为P_K等压压缩的强放热段，定义为热缸；压缩室P_K排气a₁由排气阀排出；对应的左侧大部分吸气室b的汽缸壁定义为冷缸，冷缸隔热层16用耐磨的多孔吸油性材料制成；冷缸和热缸之间为过渡段汽缸壁；吸气管1和汽缸4、吸气导管3用隔热层2隔离；上、下盖有隔热层36、38用多孔吸油性材料制成(见附图2)；冷缸隔热层16和吸气管隔热层2和热缸隔热层12完成对M₁壳体5腔内P_K高压排气及高温润滑油的气相和绝热分隔。吸气窒b吸气过程的低温特性由连续吸气和热缸冷却来保持，以获得较大冷量。

热缸冷却块11有导管10和导管15连通，冷却流体c₁从导管10进入，在冷却块11内吸收压缩放热后从导管15以c₂态流出。热缸冷却块11和汽缸4之间有热缸隔热层12隔离。滚动转子13和舌片8表面涂耐磨的隔热陶瓷，将压缩放热推向被冷却的热缸冷却块11表面以充分排除压缩放热Q和抑止排气过热的形成，从而降低压缩净功和冷凝负荷。

参见附图2：轴塞20、环形油槽21、斜油槽22、主轴上油孔23、接线桩24、排气管25、顶盖26、电机转子上平衡块27、线圈28、定子铁芯冷却孔29、定子铁芯30、电机转子铁芯冷却孔31、转子铁芯32、电机转子下平衡块33、排气消音罩34、上盖35、上盖隔热层36、排气连接管37、下盖隔热层38、下盖39、排气回热管40、排气回热管接口41、底座42、螺钉43、排气回热管出口44。

电机冷却：在定子和转子铁芯30、32开冷却孔29、31，以利于排气充分吸收电机放热。

压缩排气a₁吸收电机放热后经顶部排气管25和排气连接管37从排气回热管接口41进入排气回热管40，设置在底部的排气回热管40是浸油的，排气a₁在加热润滑油后温度降低以a₂态从排气回热管出口44输出M₁。

排气回热管40选用热交换效率较高的螺旋波纹管或铝扁管盘绕在底部浸油腔内。

排气过热和电机放热的回收利用，一方面可以消除最大冷量运行时形成的冷害，另一方面尽可能地浓缩具有吸收性的润滑油，以完善循环系统。

在上、下盖35、39主轴承孔上、下端面以内2～4毫米处对称开环形油槽21与斜油槽22连通，主轴中心油孔在环形油槽21的上方用轴塞20封闭，主轴上部的出油孔23开设在环形油槽21的以下位置。这样上、下盖35、39主轴承孔的出油，是通过上、下端面以内与环形油槽21之间的轴孔间隙而流通的，限止了主轴在上、下盖主轴承孔的无效油循环，增加了间隙的供油压力，也增加了滚动转子13上下端面的供油压力，提高了(旋转活塞)滚动转子13的密封性，增大了吸气抽吸力，另一方面可以提高滚动转子13与汽缸及上、下盖装配精度进一步提高密封性，或降低润滑油的粘度以减少运动阻力而降低部分压缩功。

参见附图3，在弹簧6的右侧设U形油管45通向底部的油室，以减缓舌片8高速往复运动引起油路冲击，保持舌片8的供油稳定性和密封性，而增大吸气抽吸力和降低部分压缩功。

M₁是指一级压缩的机型，包括单缸和双缸的一级压缩机型。在定频机中电机2极的称为快转型，电机4极甚至6极的称为慢转型。M₁配置变频电机即为变频M₁。

参见附图4：上滚动转子46、压板47、阀片48、复合隔板49、排气阀槽50、一级排气孔51、下滚动转子52、导管53、套管54。

上下面有隔热层的复合隔板49分隔上、下汽缸的气室；上、下汽缸及复合隔板49的舌片油孔7贯通；上、下弹簧的油孔由右侧的U形油管45连接贯通。

P_O吸气一级压缩的汽缸在下部；一级排气阀设在复合隔板49内，由一级排气孔51、阀片48、压板47、排气阀槽50组成；一级压缩排气由复合隔板49内的排气阀槽50通向上汽缸的吸气管；二级压缩排气阀设在上盖。

上、下汽缸的排量比按总压缩比分配，各完成1/2的压缩比；或根据需要来设定中间压力，确定上、下汽缸的排量比；为避免一级压缩过压和二级吸气的欠压现象，二级吸气留有缓冲腔；由于一级压缩排气可以接近饱和态，因此可以省略中间热交换器而直接通入二级吸气室，完成串联式的双级压缩。M₂可以根据需要来设计压缩比和汽缸与滚动转子的切点位置；如应用于常规空调和热泵则以提高COP为目的，如应用于低温制冷、低温热泵、高温热泵则需要较大的压缩比。

热缸冷却块11内设有冷却流体流道，冷却壁面有波纹以强化热交换。冷却流体c₁从导管10进入下汽缸的热缸冷却块11吸收一级压缩放热后、以c₂态从U形导管15进入上汽缸的热缸冷却块11吸收二级压缩放热而后以c₃态从导管53流出。冷却流体导管10、15、53的外表面有隔热层，与壳体及腔内的汽缸、润滑油、P_K高压排气隔热。

冷却流体c₁用机组的分流制冷剂或其它冷却流体。

Claims (9)

1、一种蒸汽压缩式制冷压缩机的循环系统，其特征在于：为防止吸气受热膨胀和排除压缩放热，

A、冷缸压缩：针对压缩放热较强的固定部件汽缸、汽室壁面定义为热缸(其余部分为冷缸)实施冷却，对相对运行部件，如：活塞、旋转活塞等、汽室壁面进行表面隔热，将压缩放热推向被冷却的汽室壁面——热缸；热缸冷却流体用机组分流制冷剂或其它的冷却流体；

B、冷缸吸气：冷缸和吸气管路对高温物体和P_K高压进行气相和绝热分隔，吸气室的低温特性由连续吸气和热缸冷却来保持。

2、根据权利要求1所述的制冷压缩机的循环系统，其特征在于：在转子式制冷压缩机循环系统(简称M₁)中，

A、冷缸压缩：滚动转子(13)和汽缸(4)的(最近点)切点(14)设定于排气阀片开启位置，切点(14)至舌片(8)这一段P_K等压压缩气室a₁的汽缸壁面定义为热缸，对应的左侧大部分吸气室b的汽缸壁面定义为冷缸，冷缸和热缸之间的汽缸壁面为过渡段；对热缸及邻近的过渡段强压缩放热汽缸壁配置热缸冷却块(11)，热缸冷却块(11)内有冷却流道并连通导管(10)、(15)，冷却流体c₁从导管(10)进入热缸冷却块(11)吸收压缩放热以c₂态从导管(15)流出；导管(10)、(15)外表面有隔热层与汽缸(4)和P_K高温物体隔热，热缸冷却块(11)和汽缸(4)之间有热缸隔热层(12)；气室的运动部件舌片(8)和滚动转子(13)表面有耐磨隔热层将压缩放热推向热缸冷却块(11)的汽缸壁面；

B、冷缸吸气：冷缸隔热层(16)，吸气管(1)与吸气导管(3)和汽缸(4)用隔热层(2)隔离，上、下盖有隔热层(36)、(38)及热缸隔热层(12)完成吸气室b对M₁壳体(5)腔内P_K高压排气和高温润滑油的气相和绝热分隔，吸气室吸气过程的低温特性由连续吸气和热缸冷却来保持；

C、电机放热和排气过热的回收利用：电机定子铁芯(30)和转子铁芯(32)各开冷却孔(29)、(31)，排气回热管(40)盘绕于底部浸油室，压缩排气a₁在吸收电机放热后，从顶部的排气管(25)经排气连接管(37)从排气回热管接口(41)进入排气回热管(40)加热润滑油后以a₂态从排气回热管出口(44)输出M₁；采用对制冷剂有强吸收性的润滑油组成制冷剂——吸收剂工质对，冷缸隔热层(16)、上、下盖隔热层(36)、(38)用多孔吸油性材料制成。

3、根据权利要求2所述的制冷压缩机的循环系统，其特征在于：M₁油路改进是增加滚动转子(13)、主轴(18)的供油压力和减缓舌片(8)高速往复运动所引起的油路冲击两个方面；在上、下盖(35)、(39)的主轴承孔上、下端面以内2～4毫米处对称开环形油槽(21)与斜油槽(22)连通，主轴中心油孔在环形油槽(21)的上方用轴塞(20)封闭，主轴上部的出油孔(23)开设在环形油槽(21)的以下位置，以提高主轴与上、下盖主轴承孔及滚动转子(13)和上、下盖隔热层(36)(38)的间隙供油压力，增强密封性，可以提高滚动转子(13)和上、下盖及汽缸的装配精度，进一步提高密封性，或降低润滑油的粘度以减少运动阻力；在弹簧(6)的右侧设U形油管(45)通向底部油室，以保持舌片(8)供油的稳定性。

4、根据权利要求2所述的制冷压缩机的循环系统，其特征在于：M₁是一级压缩的机型，包括单缸和双缸的一级压缩机型；电机2极的为快转型，电机4极、6极的为慢转型，配置变频电机为变频M₁；使用R410A、R410B的机型为无氟压缩机。

5、根据权利要求1所述的制冷压缩机的循环系统，其特征在于：在应用于活塞式、涡旋式时，

A、活塞式：对汽缸和汽缸盖的强放热区域实施冷却，活塞行腔面(顶部)进行隔热，高压排气部分要隔热；

B、涡旋式：对定涡旋片实施冷却，对动涡旋片的气室面进行表面隔热。

6、根据权利要求1所述的制冷压缩机的循环系统，其特征在于：在双缸双级压缩的转子式制冷压缩机的循环系统(简称M₂)中，复合隔板(49)分隔上、下汽缸的气室，上、下汽缸及复合隔板(49)的舌片油孔(7)贯通，上、下弹簧的油孔由右侧的U形油管(45)连接贯通；Po吸气和一级压缩汽缸在下部，一级压缩排气阀设在复合隔板(49)内，由一级排气孔(51)、阀片(48)、压板(47)、排气阀槽(50)组成，一级压缩排气由排气阀槽(50)通向上汽缸的二级吸气管；二级吸气和排气阀槽间留有缓冲腔，二级压缩排气阀设在上盖；构成串联式的双级压缩；热缸冷却块(11)内有冷却流体流道，冷却壁面有强化热交换的波纹；冷却流体c₁从导管(10)进入下汽缸的热缸冷却块(11)吸收一级压缩放热后，以c₂态从U形导管(15)进入上汽缸的热缸冷却块(11)吸收二级压缩放热后，以c₃态从导管(53)流出；冷却流体导管(10)、(15)、(53)外表面有隔热层，并与上、下汽缸的热缸冷却块(11)连通。

7、根据权利要求2或6所述的制冷压缩机的循环系统，其特征在于：排气回热管(40)用热交换效率较高的螺旋波纹管或铝扁管盘绕于底部浸油室内。

8、根据权利要求1所述的制冷压缩机的循环系统，其特征在于：在制冷状态时，机组的过冷，尤其是R410A、R410B机组，在外机底盘内设凹槽和进水管、溢水引出管，安装浸水式过冷热交换器，并连通冷凝器出液管，引入部分或全部内机凝结水，以降低过冷温度和冷凝负荷。

9、根据权利要求2或6所述的制冷压缩机的循环系统，其特征在于：所述的舌片(8)、滚动转子(13)的表面、冷缸隔热层(16)、汽缸上盖隔热层(36)、汽缸下盖隔热层(38)、复合隔板(49)的上下面隔热层用耐磨的多孔吸油性隔热陶瓷制成。

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