二氧化碳涡旋压缩机存在的问题与解决

　　目前，日本、欧洲、美国对于跨临界二氧化碳系统的研究处于世界先进水平。日本主要侧重于跨临界二氧化碳热泵热水器的研究，欧洲主要侧重于跨临界二氧化碳汽车空调的研究，美国的泰康公司研制出了二氧化碳两级滚动转子压缩机。国内方面，上海交通大学也开发出了全封闭二氧化碳双级滚动转子压缩机，西安交通大学正在开发全封闭二氧化碳涡旋压缩机，结构设计已经完成。

　　相比采用传统工质的压缩机，二氧化碳压缩机的特点是工作压力高，结构尺寸小，压比小以及吸排气压差大。目前开发的二氧化碳压缩机样机型式包括活塞压缩机、斜盘压缩机、涡旋压缩机、滑片压缩机、滚动转子压缩机和双螺杆压缩机。其中涡旋压缩机具有振动小，噪声低，寿命长，可靠性好和效率高等特点，已经在中小冷量范围内占据了很大的市场分额。

　　二、二氧化碳涡旋压缩机样机汇总目前开发的二氧化碳涡旋压缩机正处于可行性研究、样机开发、试验验证阶段，结构形式主要以全封闭为主，排气量较目前常用的制冷剂减小很多，应用场合是汽车空调和热泵热水器，所开发的压缩机均采用了较小的涡圈高度，不但可以降低切向泄漏，而且可以增加涡圈的强度，高度与动盘端板外径之比较小。日本在二氧化碳涡旋压缩机开发领域处于*前端，对现有的涡旋压缩机结构进行了改进，申请了多项专利。

　　三、理论与试验研究综合国内外相关的研究，二氧化碳涡旋压缩机的开发主要考虑以下几个方面的问题：动静涡旋盘间的周向、径向泄漏；各个运动部件间的润滑问题；整机性能的理论分析及试验验证；动、静涡盘结构尺寸的优化设计；气路、润滑油路的合理组织和安排；零部件材料的选择；零部件强度校核；选择合适的润滑油等。其中，前三个方面是研究的热点和难点。

　　1.周向、径向泄漏量的研究

　　（1）周向、径向泄漏量的理论研究挪威科技大学的Fagerli通过建立轴向和径向的泄漏模型，对压缩机的工作性能进行了模拟。周向泄漏模型简化为通过渐缩喷嘴的稳态绝热可压缩流动，径向泄漏模型简化为通过两平行平板的不可压缩黏性流动。进行了不同工质的对比研究，当容积效率相等或者等熵效率相等时，二氧化碳压缩机的期望的间隙值为5 m，R134a压缩机的间隙分别为15 m和11.5 m，R涡旋压缩机的间隙值为10～0 m，获得如此小间隙的**的方法就是轴向和径向的柔性，背压自动调节机构作为轴向柔性的措施之一，其目的是减小轴向间隙，减小径向泄漏。

　　（2）周向、径向泄漏量的试验研究松下电气工业有限公司的Akira Hiwata等人，通过试验详细研究了压缩腔喷油速率和性能效率间的关系，确定了*佳喷油率。其实质还是考虑不同的油膜厚度与减小周向、径向泄漏量之间的关系。积聚在机壳底部的油被油泵抽上去经过轴到达曲轴顶部，依次润滑偏心轴承、主轴承，然后回到机壳底部。一部分到达曲轴顶部的润滑油经过安装在动涡盘上的节流阀减压，然后分布到动涡盘的周围。这部分润滑油用于润滑十字滑环，并且增加背压防止动涡盘倾覆。背压由安装在静涡盘上的背压调节机构保持在中间压力。然后，油流入吸气室，在压缩过程中作用于密封。

　　同时分析了压缩腔内喷油的影响。如果压缩腔喷油太慢，滑动部分的润滑将不足，有不正常磨损的危险，压缩腔的密封作用也就降低，泄漏损失增加，性能下降。如果喷油过快，发生制冷剂吸热，吸气腔内的制冷剂流量下降，性能下降，因此存在*佳喷油速率。试验结果表明：1）不同运行工况下均存在*佳喷油速率，*佳喷油速率范围是%～15%（质量分数）。2）*佳喷油速率与制冷剂流量速率关联性很强。

　　日本富士通公司申请的一项专利，提出了一种轴向柔性机构，如图所示。该柔性机构被称为推力环，由沿着框架的内周面嵌合的环本体和外径大于内周面外径的凸缘部两部分构成，推力环把背压腔分成高压和低压两部分；推力环凸缘部的滑动面上设有环状槽，沿着凸缘部的半径方向形成将上述槽与吸入压力空间相连通的连通槽或连通孔，在压缩机正常工作时，推力环下端面受到背压作用，通过上端面迫使动盘向静盘压靠，以减小轴向间隙，减小径向泄漏量。

　　目前，西安交通大学所开发的全封闭二氧化碳涡旋压缩机样机该样机具有如下特点：设计了新型的轴向柔性机构，该机构通过将压缩机排气引入到由机架和轴向柔性机构所形成的环形槽中，使得动盘与静盘之间的轴向间隙值保持在较小的范围内。在主轴的偏心部分开设用于安装径向滑块的圆形孔，通过将具有排气压力的润滑油引入到该圆形孔中，使得动盘与静盘之间的径向间隙值保持在较小的范围内。在动盘端板靠近主轴一侧开设有环形槽，通过该环形槽的偏心回转运动，使得润滑油间歇的供入吸气腔，和设置在轴向柔性机构内的十字滑环滑槽内，润滑摩擦副。

　　2.机械摩擦损失的研究（1）机械摩擦损失的理论研究日本三菱公司人类环境发展中心的Hiroshi Hasegawa等人通过同时考虑机械动力模型和泄漏模型，建立了一套理论分析模型。理论模拟结果表明：压缩机的容积效率为70%～85%，而压缩机效率≤50%.

　　在所有的运行速度下，推力轴承损失都接近于总损失的40%.说明减少损失关键在于减少推力轴承的损失。

　　（2）机械摩擦损失的试验研究日本三菱重工对其开发的汽车空调用二氧化碳涡旋压缩机进行了损失分析，泄漏和传热导致的损失占据了很大的比例（绿颜色所表示的面积）。采取顶端接触机构，选用推力滚动轴承等措施，减小了这部分损失。

　　3.压缩机整机性能的研究Hiroshi Hasegawa等人对开发的样机进行了试验验证，并且与理论模拟结果进行了对比。

　　全封闭二氧化碳涡旋式压缩机的容积效率和压缩机效率随转速及吸排气压差的增加而提高。二氧化碳涡旋压缩机的容积效率与R410A的相差不大，但是二氧化碳涡旋压缩机的压缩机效率远远低于R410A的。

　　四、结语综上所述，目前二氧化碳涡旋压缩机的开发主要解决的问题就是径向泄漏，通过采取压缩腔喷油、轴向柔性机构等措施，减小动静盘之间的轴向泄漏间隙，从而减小径向泄漏量。总结前人的研究经验，应该从以下几个方面进行深入研究。

　　1）综合考虑动静盘之间的泄漏损失和机械摩擦损失，确定合理的轴向间隙和径向间隙，使泄漏损失和机械摩擦损失二者之和达到*小。

　　2）考虑热变形等因素的影响，设计更加合理的轴向柔性机构，确定*佳的轴向推力。

　　3）改进现有的密封条结构，减小泄漏通道的面积。

　　4）开发新的径向柔性机构，减小周向泄漏量。