微型二氧化碳壓縮機的開發(fā)

薛衛(wèi)東，任芳

（合肥通用機械研究院壓縮機技術(shù)國家重點實驗室，安徽合肥 230031）

微型二氧化碳壓縮機的開發(fā)

薛衛(wèi)東*，任芳

（合肥通用機械研究院壓縮機技術(shù)國家重點實驗室，安徽合肥 230031）

介紹了微型二氧化碳壓縮機的基本參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點。對微型二氧化碳壓縮機開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，提出合理選取結(jié)構(gòu)參數(shù)、采取有效減振降噪措施的方案，解決了二氧化碳壓縮機冷卻、潤滑、變工況運行等問題。經(jīng)測試表明，樣機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、工作正常，各項指標達到設(shè)計要求。

二氧化碳；微型壓縮機；設(shè)計；關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

二氧化碳既是一種溫室氣體，又是制冷空調(diào)行業(yè)CFCs的天然替代工質(zhì)。作為溫室氣體，在某些場合為改善環(huán)境質(zhì)量需要捕集處理。作為制冷劑則具有很多優(yōu)點，在汽車空調(diào)、熱泵和復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1]。意大利 OFFICINE MARIO DORIN公司[2]開發(fā)了半封閉單級和雙級活塞壓縮機。日本DENSO公司[3]設(shè)計開發(fā)了用于CO2熱水器的渦旋壓縮機。用于NH3/CO2復(fù)疊系統(tǒng)中的CO2螺桿壓縮機也已研制成功[4]。經(jīng)改造用于尿素裝置的CO2壓縮機運行穩(wěn)定[5]。然而已有的研究主要還是針對二氧化碳制冷和大型二氧化碳壓縮機[6]。對于微型壓縮機的研究特別是用于二氧化碳捕集處理的壓縮機未見相關(guān)報道。

本文的目的是研制微型二氧化碳壓縮機，通過精確的熱動力計算和特別的結(jié)構(gòu)設(shè)計，解決二氧化碳壓縮機冷卻、潤滑和變工況運行等問題。

1 壓縮機主要技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

壓縮機為V型水冷單作用兩級活塞式，皮帶傳動，具體參數(shù)見表1所示。

表1 壓縮機參數(shù)

1.2 結(jié)構(gòu)特點

二氧化碳壓縮機主要包括壓縮機主機、冷卻分離系統(tǒng)、電機、控制系統(tǒng)以及共用的底架。壓縮機為兩級壓縮，一、二級氣缸中心線互成90°構(gòu)成V型排列。電機通過皮帶帶動壓縮機曲軸旋轉(zhuǎn)，連桿將曲軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為活塞部件的往復(fù)運動，當(dāng)活塞由外止點向內(nèi)止點運動時，氣缸內(nèi)壓力逐漸降低，當(dāng)壓力低于吸氣閥片外的氣體壓力時，吸氣閥開啟，氣體進入氣缸內(nèi)，完成吸氣過程；當(dāng)活塞由內(nèi)止點向外止點運動時，此時吸氣閥關(guān)閉，氣缸內(nèi)氣體壓力逐漸增加，當(dāng)增加到超過排氣閥片外氣體壓力時，排氣閥開啟，氣體排出氣缸外，完成排氣過程。

在正常運轉(zhuǎn)情況下，二氧化碳氣體由進氣箱進入一級氣缸，在一級氣缸內(nèi)壓縮后進入冷卻器進行冷卻，冷卻后的氣體經(jīng)一級液氣分離器分離后進入二級氣缸進行壓縮，壓縮后的氣體進入冷卻器冷卻，冷卻后經(jīng)二級液氣分離器分離后，通過單向閥排出，如圖1所示。運動機構(gòu)采用油泵進行強制潤滑，冷卻方式為水冷，整個機組為封閉式結(jié)構(gòu)，為防止泄漏曲軸軸伸端采用機械密封。曲軸箱與進氣箱相連，可使通過活塞環(huán)泄漏到曲軸箱內(nèi)的二氧化碳氣體返回至壓縮機的進氣口。此外，對于進氣壓力低于常壓時設(shè)置了從排氣回氣的保護裝置，能夠確保壓縮機不抽真空和并安全可靠地工作。

圖1 壓縮機結(jié)構(gòu)簡圖

1.2.1 壓縮機主機

1) 曲軸箱

材料為ZG1Cr18Ni9Ti，上部鑄有互成90°的氣缸支承面，下端與油箱相連，軸向兩端分別裝有油泵和軸封，在油泵側(cè)留有加油孔。

2) 曲軸

曲軸為單拐式，材料選用45CrNi。曲拐上裝有二組連桿，兩端軸頸上裝有二組深溝球軸承。曲軸兩端分別安裝有油泵和飛輪，其中飛輪端裝有軸封。飛輪通過三角皮帶與電機皮帶輪相連。

3) 連桿

連桿材料為45CrNi，桿體截面為圓形，連桿大頭采用剖分式結(jié)構(gòu)，大頭蓋與連桿體用螺栓連接，連桿小頭采用整體式結(jié)構(gòu)，內(nèi)裝有銅合金制成的小頭襯套。

4) 活塞部件

活塞部件包括活塞、活塞環(huán)和活塞銷。一、二級活塞的材料為ZL108。一級活塞上裝有二道氣環(huán)，一道刮油環(huán)，環(huán)的切口相互錯開120°安裝。二級活塞上裝有三道氣環(huán)，環(huán)的切口相互錯開120°安裝。活塞銷由20Cr2Ni4A制成，表面經(jīng)滲碳處理，具有良好的耐磨性。

5) 氣閥

一、二級氣閥均采用組合閥，內(nèi)圈吸氣，外圈排氣。

1.2.2 進氣箱

進氣箱由壓力平衡室和液氣分離裝置組成。壓力平衡室與壓縮機曲軸箱相通，曲軸箱采用封閉式結(jié)構(gòu)，當(dāng)通過活塞環(huán)的泄漏使曲軸箱中的氣體壓力略高于進氣箱的進氣壓力時，壓力平衡室上的單向閥打開，從而使曲軸箱中的氣體壓力與進氣壓力達到平衡。液氣分離裝置通過離心式分離的方法將進入進氣箱的二氧化碳氣體中含有的少量液滴分離掉，分離后的氣體進入壓縮機一級進氣口，液滴則積聚在進氣箱下部，通過排污閥定期排放。

1.2.3 液氣分離器

一級液氣分離器中氣體從容器側(cè)面沿切線方向進入分離器，氣流作旋轉(zhuǎn)運動，液滴在離心力的作用下被甩到周圍壁面上，并沿壁面下落而積聚在容器底部，通過排污閥定期手動或自動排放。

二級液氣分離器中主要是通過青銅粉末冶金濾芯進一步濾去二氧化碳氣體中的油霧及水份，沉積下來的油水混合物通過排污閥定期手動或自動排放。

1.2.4 軸封

壓縮機驅(qū)動端的密封采取機械密封，如圖2所示。它是轉(zhuǎn)動摩擦環(huán)與軸封蓋表面相互貼合并作相對轉(zhuǎn)動的密封裝置，它依靠彈簧在旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動摩擦環(huán)與靜止的軸封蓋的接觸端面上產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膲壕o力，使兩端面緊密貼合，端面間依靠極薄的油膜來達到密封的目的。

圖2 軸封示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

根據(jù)壓縮機的用途、運轉(zhuǎn)條件和有關(guān)要求（諸如排氣壓力、排氣量和外形尺寸等），通過熱力計算和分析，選擇了兩級活塞式結(jié)構(gòu)，并確定了各級缸徑、行程和轉(zhuǎn)速等結(jié)構(gòu)參數(shù)，而后通過動力計算確定兩級采用V型、夾角為90°的布置方式，為確保其潤滑的安全性和可靠性，運動機構(gòu)采用了油泵進行強制潤滑。

2.1 熱動力計算

熱力計算的目的是求得最有利的熱力參數(shù)（各級的吸排氣溫度、壓力和耗功）和適宜的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)（活塞行程和氣缸直徑等）[7]。

由于二氧化碳的臨界溫度較高（31.1℃），所以計算是以實際氣體進行的。已知壓縮機的進氣溫度、排氣量和吸排氣壓力要求，根據(jù)其所使用場合特點，確定壓縮機采用V型水冷單作用兩級活塞式結(jié)構(gòu)，按照參考文獻[8]給出的計算方法，通過計算確定了壓縮機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)（見表1）。

動力計算的目的是求取施加在各零部件上的作用力。根據(jù)熱力計算結(jié)果，在完成有關(guān)零部件施工圖的設(shè)計后，按照參考文獻[8]給出的動力計算方法，求取了壓縮機中的作用力及與曲柄轉(zhuǎn)角間的變化規(guī)律，為有關(guān)零部件的強剛度計算提供了依據(jù)，同時確定了壓縮機所需的飛輪矩（0.491 kg·m2）。

2.2 振動的控制

根據(jù)壓縮機的結(jié)構(gòu)型式對其工作中的受力進行分析，壓縮機中的主要作用力有氣體力、曲柄連桿機構(gòu)運動時產(chǎn)生的慣性力和摩擦力[8]。

壓縮機中的氣體力屬于內(nèi)力可在機器內(nèi)部平衡，而壓縮機中的慣性力-活塞的直線運動產(chǎn)生的往復(fù)慣性力和曲柄銷的旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)慣性力屬于自由力能夠傳到機器外邊來，并可導(dǎo)致機器產(chǎn)生振動，而由這三種力形成的連桿力所產(chǎn)生的傾覆力矩屬于自由力矩，在機器內(nèi)部無法獲得平衡，亦要造成機器的振動。因此要消除或者說減小機器的振動，只有設(shè)法完全平衡掉或者部分平衡掉這些慣性力和力矩。

經(jīng)分析計算旋轉(zhuǎn)慣性力為225 N，Ⅰ階往復(fù)慣性力為111 N，且Ⅰ階往復(fù)慣性力始終沿曲柄方向，故可采用加平衡重的方式予以平衡。所加平衡重重量為0.362 kg，其重心距曲軸旋轉(zhuǎn)中心為30 mm，平衡重產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力為237 N，可把旋轉(zhuǎn)慣性力平衡掉，與此同時平衡重亦平衡了Ⅰ階往復(fù)慣性力。但對于Ⅱ階往復(fù)慣性力來說，其值隨二倍主軸旋轉(zhuǎn)角速度變化，且方向處于水平，無法予以平衡，但由于其最大值僅為Ⅰ階慣性力的22%，即25 N，故認為其引起的振動不會太大。

對于傾覆力矩而言，由于壓縮機和電機安裝在同一基礎(chǔ)上，電機作用給基礎(chǔ)的力矩可把傾覆力矩平衡掉，而基礎(chǔ)所受力矩僅為飛輪加速時的慣性力矩，其值并太大。這樣可以將壓縮機的振動控制在所要求的范圍內(nèi)。

2.3 噪聲的控制

壓縮機是一個多聲源發(fā)聲體，工作時許多部件振動發(fā)聲，又通過機器外壁輻射出來，壓縮機的間歇性進排氣也產(chǎn)生氣流噪聲。壓縮機的噪聲主要是由進排氣噪聲(氣流噪聲)、機械噪聲和驅(qū)動機噪聲組成[9]。

根據(jù)對壓縮機的噪聲測試研究，在這幾部分噪聲中，進氣噪聲最高，對壓縮機整機噪聲起決定性作用。一般壓縮機采用的辦法是加裝進氣消聲器。由于本機的特殊性，在設(shè)計中對其進行了充分的研究，加裝了進氣箱，相當(dāng)于增加了一個單室擴張式進氣消聲器來降低其噪聲。對機械噪聲，主要是由于運動部件產(chǎn)生摩擦、沖擊而發(fā)出的打擊聲及氣閥閥片啟閉撞擊聲。因此在設(shè)計時嚴格控制各運動部件的相互間隙和加工制造精度，而使其產(chǎn)生的沖擊較小，進而控制了其產(chǎn)生的噪聲。對于驅(qū)動機即電機則選用了新型的低噪電機，取得了較好的效果。

2.4 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

壓縮機的連續(xù)運行，需要良好的冷卻。壓縮機各級氣缸，一、二級冷卻器及油箱中的油冷卻器用冷卻水進行冷卻。

考慮到二氧化碳本身的氣體特性，在設(shè)計中冷卻水采取了與一般水冷壓縮機不同的水路走向，如圖3所示。冷卻水先進入油箱中的蛇形冷卻器與潤滑油進行熱交換，然后分兩路進入一、二級缸套內(nèi)，利用冷卻水的流動帶走氣缸和部分壓縮氣體的熱量；從氣缸出來的冷卻水匯合后進入冷卻器，與一、二級冷卻管中的二氧化碳氣體進入熱交換。同時考慮到不需要過分冷卻和防腐防銹的要求，冷卻管和冷卻器均采用了不銹鋼進行制造。

圖3 冷卻水回路示意圖

2.5 潤滑系統(tǒng)的設(shè)計

為了保證壓縮機的可靠潤滑，對于運動機構(gòu)采用了轉(zhuǎn)子式油泵進行強制潤滑。潤滑系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子油泵、油箱和油壓表等，潤滑油采用 4512號合成壓縮機油。

如圖4所示，油箱中的潤滑油經(jīng)油過濾器進入油泵，通過調(diào)節(jié)油泵上的調(diào)壓螺釘，使油壓維持在(0.10～0.20) MPa范圍內(nèi)。運動機構(gòu)的供油路線為：油箱→油過濾器→油泵→曲軸中心孔→連桿大頭→連桿小頭。氣缸與活塞之間以及曲軸兩端滾動軸承依靠油霧潤滑。

為了不使油泵轉(zhuǎn)子磨損后油量減小，惡化潤滑狀態(tài)，轉(zhuǎn)子油泵的油量取了較大的安全系數(shù)，考慮到驅(qū)動端軸承及軸封裝置的潤滑，在曲軸上鉆了直徑為1.2 mm的小孔供給潤滑油，而氣缸則依靠飛濺的油霧進行潤滑。

圖4 潤滑系統(tǒng)示意圖

2.6 控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計

對已有的壓縮機來說，如果進氣壓力和排氣壓力不變，則其排氣量（或者說進氣量）波動范圍很小（主要是進氣溫度和冷卻狀態(tài)不同），基本上可認為不變；但如果排氣壓力發(fā)生變化，其排氣量將會隨排氣壓力不同而發(fā)生較大的變化，即排壓降低，排氣量上升，反之亦然。

圖5 調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖

對于微型二氧化碳壓縮機，設(shè)計排氣壓力為3.2 MPa。由于其使用場合的特殊性，其實際進氣量和排氣壓力不斷變化，一般情況是排氣壓力低于設(shè)計壓力，故壓縮機的排氣量會增大，從而導(dǎo)致壓縮機進入抽真空運行狀態(tài)，對壓縮機本身產(chǎn)生不良影響，因此設(shè)計中采取了如圖5所示的控制系統(tǒng)，以保證壓縮機正常運行和不抽真空。壓力控制器采用波紋管式傳感器。

圖中所示的系統(tǒng)，由壓力控制器、電磁閥和減壓器組成。壓力控制器調(diào)節(jié)在大氣壓力狀態(tài)，只要進氣箱中的壓力低于大氣壓，壓力控制器就會接通，進而控制電磁閥打開，從排氣端回流一部分氣體，保證壓縮機的進氣壓力始終略高于大氣壓力。

當(dāng)壓縮機實際進氣量小于其額定進氣量時，一級吸氣口壓力降低；當(dāng)吸氣口壓力降低到設(shè)定值時，壓力控制器動作，從而接通電磁閥，將排氣口部分氣體減壓后導(dǎo)回壓縮機進氣口，防止壓縮機出現(xiàn)抽真空現(xiàn)象。

3 性能試驗結(jié)果

樣機進行了500小時的耐久性試驗，在運轉(zhuǎn)過程中工作狀況良好。500小時試驗后拆機檢查關(guān)鍵件和重要部位的磨損，其磨損量極小，符合設(shè)計規(guī)定。500小時試驗后按GB/T 3853[10]、GB/T 4980[11]、GB/T 7777[12]對樣機的排氣壓力、排氣量、噪聲和振動等進行了測試，在規(guī)定排氣壓力下排氣量3.92 m3/h，滿足不小于公稱排氣量（4 m3/h）95%的要求，其噪聲和振動均小于設(shè)計要求。

4 結(jié)語

綜上所述，該型二氧化碳壓縮機的研制是成功的。所選取的結(jié)構(gòu)參數(shù)合理、采取的減振降噪措施有效，通過用戶使用檢驗，壓縮機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，安全可靠。該機的研制成功，為今后進一步開發(fā)該類產(chǎn)品打下了一個良好的基礎(chǔ)。

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Development of Carbon Dioxide Micro-compressor

XUE Wei-Dong*, REN Fang
(National Key Laboratory of Compressor Technology, Hefei General Machinery Research Institute, Hefei, Anhui 230031, China)

The carbon dioxide micro-compressor was introduced by its basic parameters and structural features. The key technologies of the micro-compressor were explored. The cooling, lubrication, variable running conditions and other issues of carbon dioxide compressor have been solved by selecting proper structural parameters and reducing vibration and noise. A prototype has been tested. The result shows the machine is running smoothly, working properly and all the data meet the design requirement.

Carbon dioxide; Micro-compressor; Design; Key technologies

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.204

*薛衛(wèi)東（1963-），男，高級工程師，學(xué)士。研究方向：往復(fù)及特種壓縮機研究。聯(lián)系地址：安徽合肥長江西路888號，郵編：230031。聯(lián)系電話：13956067039。E-mail：xwdtysys@163.com。