基于TRIZ理論提高滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)容積效率的創(chuàng)新研究

劉海軍 林嬋瓊

LIU Haijun LIN Chanqiong

珠海凌達(dá)壓縮機(jī)有限公司 廣東珠海 519015

Zhuhai Landa Compressor Co., Ltd., Zhuhai 519015

1 引言

節(jié)能環(huán)保是空調(diào)行業(yè)長期的發(fā)展趨勢。隨著空調(diào)能效等級的不斷提高，追求較高的制冷能效比是壓縮機(jī)長期追求的目標(biāo)。常規(guī)壓縮機(jī)吸氣是由泵體滾子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓進(jìn)行壓差被動式吸氣，余隙容積的高壓氣流間隔性使吸氣回流、低溫氣體進(jìn)入高溫的氣缸過程的吸氣加熱、壓縮的容積變化率不均勻、氣缸徑向及滾子端面的泄露、滾子掃過吸氣口等，這五種主要因素形成了壓縮機(jī)的吸氣脈動，吸氣脈動導(dǎo)致壓縮機(jī)的振動大、吸氣效率較低。這些因素對于滾轉(zhuǎn)子式

3 滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)輸氣量及其影響因素

3.1 理論容積輸氣量

滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的理論容積輸氣量為氣缸工作容積與轉(zhuǎn)速的乘積，即：

q1=60nV

式中：q1——理論容積輸氣量；

n——轉(zhuǎn)速。

3.2 實際容積輸氣量

滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的實際容積輸氣量為：

q2=η1q1

式中：q2——實際容積輸氣量；

η1——容積效率，表征氣缸工作容積的利用程度，反映由于余隙容積、吸氣阻力、吸氣加熱、氣體泄露和吸氣回流造成的容積損失；

λ1——容積系數(shù)（余隙容積導(dǎo)致的）；

λ2——壓力系數(shù)（吸氣壓力損失對輸氣量的影響，沒有吸氣閥，影響極小）；

λ3——溫度系數(shù)（吸入氣體被加熱造成輸氣量的減少）；

λ4——泄露系數(shù)（氣缸中氣體泄露對輸氣量造成的影響）；

λ5——回流系數(shù)（回流使輸氣量減少）。

3.3 影響因素分析

容積系數(shù)、壓力系數(shù)、溫度系數(shù)、泄露系數(shù)、回流系數(shù)五大因素的影響，導(dǎo)致滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的容積效率在0.7～0.9的范圍內(nèi)。

3.3.1 余隙容積

氣缸必然存在排氣通道，排氣通道的順暢與否，同樣影響壓縮機(jī)的制冷量及功耗，該因素在滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)行業(yè)中多采用D型孔、減薄法蘭閥座面進(jìn)行優(yōu)化，但效果不明顯，難于完全克服。

3.3.2 壓力系數(shù)

壓力系數(shù)影響極小，接近1，忽略不計。

3.3.3 溫度系數(shù)

高背壓的壓縮機(jī)內(nèi)部為排氣的高溫高壓，在吸氣通道上對吸氣的低溫低壓氣體傳熱，壓縮機(jī)行業(yè)中多采用增加隔熱層進(jìn)行優(yōu)化，但效果不明顯，難于完全克服。

3.3.4 泄露系數(shù)

泵體間隙裝配，為了降低功耗，要求間隙不能太小，必然存在泄露，需要通過提高零件精度進(jìn)行優(yōu)化，但加工成本高，目前行業(yè)中沒有有效方法，難于克服。

3.3.5 回流系數(shù)

滾子旋轉(zhuǎn)掃過沒有閥片的吸氣口，必然引起回流，自身結(jié)構(gòu)所造成的，行業(yè)中也沒有有效方法，難于克服。

滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)提高容積效率，提高壓縮機(jī)性能是行業(yè)中的一項難題。

4 TRIZ理論創(chuàng)新方法—小人法分析問題

我們打破傳統(tǒng)的思維，利用TRIZ理論進(jìn)行容積效率問題的全面分析，找出解決問題更有效的方法。

圖1 滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 泵體吸氣小人法分析

首先，我們要確定設(shè)計的最終目的、問題的理想解。滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)容積效率理想解IFR為100%，也就是實際容積輸氣量等于理論容積輸氣量。接著，分析問題的有用和有害作用因素。對實際容積輸氣量有用的主要因素：電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，吸氣通道截面積增大。對實際容積輸氣量有害的主要因素：余隙容積、吸氣加熱、吸氣回流、氣體泄露。

圖3 增加正能量A+小人圖

圖4 問題模型轉(zhuǎn)化解決方案模型

如何增加有用的因素，減少有害因素，是解決問題的關(guān)鍵，現(xiàn)在借助TRIZ小人法來模擬這個問題中的矛盾，用10個深色小人代表泵體的理論理論容積輸氣量A+，用4個淺色小人代表負(fù)面影響的余隙容積、吸氣加熱、氣體泄露和吸氣回流B-，如圖2所示。

那么：

實際容積輸氣量=(A+)-(B-)

這樣，進(jìn)入氣缸的10個人小人被阻擋小人擋了4個，只剩了6個小人進(jìn)入氣缸。滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)受自身結(jié)構(gòu)限制，克服有害因素的小人B-非常困難，我們可以考慮增加A小人的數(shù)量2個，也同樣可以提高實際進(jìn)入氣缸的小人數(shù)量6+2=8，另一方面，增加了有用因素的量，例如壓強(qiáng)和速度，也同時可以扼制有害因素的生成量，特別是余隙容積、吸氣加熱、吸氣回流，可以這樣認(rèn)為6+2是大于8，如圖3所示。

因此，通過小人法分析，我們知道，增加理論容積輸氣量是提高實際輸氣量的有效途徑。但在一款定型的壓縮機(jī)上，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、氣缸氣流通道是難于改變的，我們需要考慮增加外部的力量來提高進(jìn)入氣缸的氣體量。

5 TRIZ理論物質(zhì)—場分析與標(biāo)準(zhǔn)解

如何增加吸氣量，我們首先建立吸入氣體與泵體機(jī)構(gòu)的模型，為了增加吸入氣體量，必須在泵體通道上增加吸力，增加一種新的動力源，引入新物質(zhì)，使物質(zhì)場轉(zhuǎn)化成復(fù)雜的物質(zhì)，向鏈?zhǔn)轿镔|(zhì)場躍遷的形式，符合第二級標(biāo)準(zhǔn)解14。

物質(zhì)—場的解題模式：待解決的問題，轉(zhuǎn)化為物質(zhì)—場，通過標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)查找出標(biāo)準(zhǔn)解，再通過查詢標(biāo)準(zhǔn)解對應(yīng)的多條創(chuàng)新原理，結(jié)合矛盾矩陣的工程參數(shù)分析，得到所需要解決問題的具體創(chuàng)新原理。

6 TRIZ創(chuàng)新原理及應(yīng)用

接下來，我們從標(biāo)準(zhǔn)解14可以查找可應(yīng)用的多條創(chuàng)新原理，通過矛盾矩陣表中可以看到，我們改善的工程參數(shù)是氣體的質(zhì)量流量（速度），惡化的工程參數(shù)是加快氣體質(zhì)量流量的動力（功率）。對應(yīng)的創(chuàng)新原理、周期性動作原理、物理或化學(xué)參數(shù)變化原理、加速氧化原理、抽取原理，顯然，我們選取周期性動作原理，通過對氣體周期性的作用，使氣流加快，達(dá)到質(zhì)量流量的提高。

針對周期性作用力的導(dǎo)入，我們想到了在吸氣通道上增設(shè)小型電機(jī)帶動扇葉，這樣，便可以對經(jīng)過的氣體提供周期性的作用力。新動力為扇葉渦流吸力，新物質(zhì)為扇葉。

6.1 技術(shù)方案

方案一：在分液器直管上增設(shè)電機(jī)及扇葉，實現(xiàn)渦流增壓，如圖5所示。該方案需要在分液器上增加接線柱，引外部電源。

方案二：在泵體氣缸吸氣口增設(shè)扇葉，實現(xiàn)增壓，如圖6所示。該方案由壓縮機(jī)自身動力提供，將曲軸的轉(zhuǎn)動動能經(jīng)過齒輪傳遞到扇葉的轉(zhuǎn)動，利用齒數(shù)比進(jìn)行扇葉轉(zhuǎn)速的調(diào)整。

6.2 方案對比

考慮到滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)電器安全問題，新增電機(jī)影響大，我們選用第二方案。利用曲軸高速運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量，通過兩個錐齒輪（或直齒輪）傳動到設(shè)于吸氣口的渦流扇葉，實現(xiàn)渦流增壓。錐齒輪在壓縮機(jī)油池，潤滑可靠，材料可以選用鐵件或PP/PA66等塑料件，扇軸緊配軸套與小法蘭（軸承）形成端面配合，保證油池高壓與吸氣口低壓隔離，類似下法蘭與曲軸短軸的配合。

常規(guī)壓縮機(jī)吸氣是由泵體滾子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生吸氣腔負(fù)壓進(jìn)行壓差被動式吸氣，余隙容積的高壓氣流間隔性使吸氣回流、氣缸壓縮的氣體容積受熱膨脹、氣缸月牙壓縮腔變化率不均勻、滾子掃過吸氣口，三種因素形成了壓縮機(jī)的吸氣脈動，吸氣脈動導(dǎo)致壓縮機(jī)的振動大、吸氣效率較低。本方案可以使泵體主動吸氣，形成吸氣更好的連續(xù)性，提高吸氣效率，減少壓縮機(jī)因吸氣脈動所產(chǎn)生的振動，也降低壓縮機(jī)對空調(diào)管路的傳遞音。

該方案動力傳遞的齒輪可以根據(jù)增壓的需要及效果，通過齒數(shù)比調(diào)節(jié)渦流扇葉的轉(zhuǎn)速，齒輪位于壓縮機(jī)下端油池，潤滑良好，可靠性好。

吸氣渦流技術(shù)已經(jīng)在柴油發(fā)動機(jī)行業(yè)上廣泛應(yīng)用，柴油發(fā)動機(jī)渦流吸氣增壓提升了柴油機(jī)性能6%，是一種高效提高滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)泵體實際容積效率的較好方法。

7 結(jié)論

TRIZ發(fā)明問題解決原理，給我們提供了較全面的思維方式，通過創(chuàng)新方法分析問題，用物質(zhì)場的建立、分析，明確了關(guān)聯(lián)物質(zhì)之間存在的各種技術(shù)矛盾，用不多的創(chuàng)新原理來解決問題，用其他領(lǐng)域的科學(xué)知識來解決本領(lǐng)域的技術(shù)問題。

TRIZ是一種以技術(shù)系統(tǒng)為認(rèn)知分析基礎(chǔ)，以解決問題為首要任務(wù)，以不斷提高技術(shù)系統(tǒng)的理想度為進(jìn)化目標(biāo)，讓所有產(chǎn)品變得更完美的理論與方法學(xué)。滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)容積效率的研究課題正是在TRIZ的指引下，找到了全新解決問題的方法。采用吸氣渦流增壓技術(shù)，可以克服了余隙容積、吸氣膨脹、內(nèi)部間隙泄露、吸氣回流四項主要有害因素的負(fù)面影響，大大提高泵體容積實際輸氣量，提高壓縮機(jī)吸氣容積效率，提高了壓縮機(jī)制冷和制熱量，特別在低溫環(huán)境下制熱和高溫環(huán)境下制冷，吸氣渦流就相當(dāng)于在空調(diào)封閉循環(huán)系統(tǒng)中增加了一臺加壓的水泵，使冷媒氣體循環(huán)速度加快，提升空調(diào)兩器的換熱效果。

圖5 壓縮機(jī)分液器增設(shè)電機(jī)和扇葉

圖6 泵體氣缸吸氣口增設(shè)扇葉示意圖

該項技術(shù)也是利用TRIZ核心思想，借用其他領(lǐng)域柴油發(fā)動機(jī)的成熟技術(shù)，解決本領(lǐng)域制冷壓縮機(jī)的技術(shù)難題的應(yīng)用實例之一，已進(jìn)行專利保護(hù)，申請了帶吸氣渦流增壓的旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)。