一种应用于冰箱的新型回转式制冷压缩机

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.15MB 81 页 15积分
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摘 要
压缩机是电冰箱制冷循环系统的重要部件，它好比人的心脏。电冰箱借助这
个“心脏”，抽吸来自蒸发器的制冷剂蒸汽，提高压力和温度后将其排向冷凝器，
并维持制冷剂在制冷系统中的不断循环流动。
目前市场上生产和使用的冰箱压缩机分为三类：往复式压缩机、直线压缩机
和回转式压缩机。往复式压缩机结构复杂，零件数多，又由于气阀和活塞环等易
损件，使其运行可靠性及使用寿命低；直线压缩机气体力影响较大，活塞行程控
制较困难，直线电机的气隙不均匀将引起附加的侧向力，导致活塞与气缸之间的
摩擦以及支撑部位的摩擦与磨损；与之相比，对于回转式压缩机，电机不需要将
旋转运动转换为往复运动，而是直接带动旋转活塞作旋转运动以完成对制冷剂蒸
气的压缩。
但回转式制冷压缩机也有其应用的局限性，冰箱用转子式压缩机主要存在部
件易磨损、低转速运行性能差等不足。另外，还没有哪种回转式制冷压缩机可以
覆盖所有的冷量范围。
本课题旨在研究一种应用于冰箱的新型回转式制冷压缩机，结合当前部分回
转式制冷压缩机的优点、克服其使用局限性，使其性能高于国内冰箱压缩机的平
均水平，且力求运行系统可靠，结构简单、零部件较少，容积效率较高。本课题
基于冰箱工况，对新型制冷压缩机进行了热力设计计算；然后根据热力计算和工
作原理，对新型制冷压缩机的零部件进行设计计算，其中包括齿轮、双环气缸、
滚动活塞、主动轴、从动轴、轴承；最后对旋转活塞进行了受力分析及强度校核。
在压缩机的设计过程中，采用软件UG对压缩机的零部件进行三维建模，并运
用UG对压缩机的零部件进行装配及运动模拟仿真。根据模型图制作工程图纸，已
经联系了合适的压缩机厂家（复盛实业（上海）有限公司），正在进行样机的制
造。
关键词：冰箱压缩机 回转式压缩机 压缩机设计 热力计算 受力分析
ABSTRACT
The compressor is the heart of a refrigeration system. It plays an important role in
the performance and efficiency of refrigeration system. The heart suck refrigerant vapor
from the evaporator in the refrigerator, discharge it to the condenser after increasing the
pressure and temperature, and maintain the continuously circulate flowing of the
refrigerant in the refrigeration system.
At present, the refrigerator compressors produced and used are divided into three
categories on the market: reciprocating compressor, linear compressor, rotary
compressor. The reciprocating compressor has the characteristic of complex structure,
more parts, more wearing parts, low operation reliability and service life; For linear
compressor, the impact of the gas to compressor is bigger, and the control of piston
stroke is difficult; Compared to above mentioned, for the rotary compressor, the motor
does not need to convert the rotary motion into the reciprocating motion, but directly
drives the piston to rotate in order to complete the compression to the refrigerant vapor .
But rotary compressor also has some application limitations. For the refrigerator
roller-type compressor, there are some weakness such as easiness to wear due to friction
of the component, poor performance under low rotating speed operation and so on. In
addition, there is no rotary compressor that could cover all the operating range.
This paper aims at researching a new kind rotary refrigeration compressor applied
refrigerator which inherits the merits of some existing rotary refrigeration compressor
and discards some application limitations. It also aims to make the performance higher
than the average level of the domestic refrigerator compressor, strive for the reliable
operation system, simple structure, fewer parts and higher volume efficiency. Firstly,
thermodynamic calculation of the new kind refrigeration compressor are carried out
based on the refrigerator working condition; Then the parts of the new kind compressor
are designed according to the thermodynamic calculation and working principle. The
parts includes: gear, cylinder, piston, drive shaft, driven shaft and bearing; Finally, the
stress analysis and strength check to the piston are implemented.
In the compressor design process, The software UG are used for 3D modeling ,
assembly and motion simulation to the compressor parts. The engineering drawings are
almost accomplished now, and the prototype is being manufacturing by the cooperation
with Fusheng (Shanghai) Limited company.
Key Words: refrigerator compressor, rotary compressor, compressor
design, thermodynamic calculation, stress analysis
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论................................................................................................................... 1
§1.1 课题的来源及意义........................................................................................ 3
§1.2 国内外研究现状............................................................................................ 4
§1.2.1 往复式制冷压缩机............................................................................. 4
§1.2.2 滚动转子式制冷压缩机..................................................................... 4
§1.2.3 涡旋式制冷压缩机............................................................................. 5
§1.2.4 螺杆式制冷压缩机............................................................................. 6
§1.2.5 离心式制冷压缩机............................................................................. 6
§1.3 全封闭制冷压缩机的发展趋势.................................................................... 7
§1.3.1 电磁振动式压缩机............................................................................. 7
§1.3.2 电动式压缩机..................................................................................... 7
§1.3.3 涡旋式制冷压缩机........................................................................... 10
§1.3.4 新型压缩机的开发........................................................................... 10
§1.4 冰箱用制冷压缩机的发展趋势.................................................................. 12
§1.4.1 滑管式压缩机................................................................................... 13
§1.4.2 连杆式压缩机................................................................................... 13
§1.4.3 滚动转子式压缩机........................................................................... 14
§1.5 本课题的研究任务...................................................................................... 15
第二章 新型冰箱用压缩机的热力计算..................................................................... 16
§2.1 新型压缩机的工作原理简介...................................................................... 16
§2.2 热力计算...................................................................................................... 18
第三章 新型冰箱压缩机的设计................................................................................. 22
§3.1 压缩机的传动机构...................................................................................... 22
§3.2 齿轮的设计.................................................................................................. 22
§3.3 滚动转子的设计.......................................................................................... 27
§3.4 双环气缸的设计.......................................................................................... 28
§3.5 轴承的设计.................................................................................................. 30
§3.6 主动轴的设计.............................................................................................. 33
§3.7 从动轴的设计.............................................................................................. 38
§3.8 排气孔的尺寸计算...................................................................................... 42
§3.9 新型冰箱压缩机的润滑.............................................................................. 43
§3.9.1 气缸的润滑....................................................................................... 43
§3.9.2 齿轮的润滑....................................................................................... 44
第四章 新型冰箱压缩机活塞的应力分析................................................................. 45
§4.1 校核键的强度.............................................................................................. 45
§4.2 校核活塞头部凸缘与活塞头部交界面的强度.......................................... 48
§4.3 校核活塞头部与群部交界面的强度.......................................................... 49
第五章 新型冰箱压缩机零部件的工程图纸............................................................. 53
§5.1 轴套 1........................................................................................................... 53
§5.2 轴套 2........................................................................................................... 54
§5.3 轴承端盖 1................................................................................................... 55
§5.4 轴承端盖 2................................................................................................... 56
§5.5 气缸.............................................................................................................. 57
§5.6 下壳体.......................................................................................................... 58
§5.7 主动轴.......................................................................................................... 59
§5.8 主动轴密封端盖.......................................................................................... 60
§5.9 从动轴.......................................................................................................... 61
§5.10 从动轴密封端盖........................................................................................ 62
§5.11 A 型平键.....................................................................................................63
§5.12 C 型平键.................................................................................................... 64
§5.13 活塞 1......................................................................................................... 65
§5.14 活塞 2......................................................................................................... 66
§5.15 塞柱阀........................................................................................................ 67
§5.16 上壳体........................................................................................................ 68
第六章 结论和展望..................................................................................................... 69
§6.1 结论.............................................................................................................. 69
§6.2 展望.............................................................................................................. 69
符号表............................................................................................................................. 71
参考文献......................................................................................................................... 74
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果............................................. 77
致谢................................................................................................................................. 78
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
随着科学技术的不断进步，人们的生活水平逐渐提高，人们对生活质量的要
求也越来越高。制冷及低温技术的应用越来越快地渗透到了科学研究和生产技术
的每个领域，同时也深刻地影响着国防、建设、工业、农业、和技术探索等国民
经济各个部门的发展。在诸多现代制冷技术中，蒸气压缩式制冷是最普遍、最典
型的制冷方式之一。
应用于蒸气压缩式制冷或热泵系统中的压缩机称为制冷压缩机。制冷系统中，
制冷压缩机相当于系统中的“心脏”[1]（如图1-1所示），制冷压缩机的好坏直接
决定制冷系统性能的好坏，对系统的振动、噪声、运行性能、使用寿命和维护等
有着重要的影响，对制冷系统的功能和效率起着非比寻常的作用。压缩机在系统
中的作用在于：吸收来自蒸发器中的制冷剂蒸汽，提高温度和压力后将其排向冷
凝器，并维持制冷剂在制冷系统中的不断循环流动[2]。
图1-1 制冷系统原理图
制冷压缩机按照制冷剂蒸气的压缩热力学原理可分为容积型压缩机和速度型
一种应用于冰箱的新型回转式制冷压缩机
2
压缩机两大类：
1.容积型压缩机
在容积型压缩机中，具有一定容积的气体首先被吸入到气缸中，在气缸中容
积被强制地缩小，因此压力升高，当达到一定压力时气体便被强制地从气缸中排
出。由此可见，容积型压缩机的吸气过程及排气过程是间歇进行的，其流动并非
是连续稳定的。
容积型压缩机按照其压缩部件的运动特点可以分为往复活塞式和回转式两种
形式。
1) 往复式
活塞和气缸的配合，使得活塞在气缸中持续作往复运动，以及进气、排气机
构实现气体压力增高。驱动机构的不同形成了下列形式：曲柄导管式，曲柄连杆
式，电磁振动式，斜盘式等。
2)回转式
通过旋转部件相互或与腔体的配合使工作容积作回转运动，实现气体的连续
增压。根据压缩机结构特点分为：滚动转子式压缩机，滑片式压缩机，单螺杆式
压缩机，双螺杆式压缩机，涡旋式压缩机等。
2.速度型压缩机
在速度型压缩机中，气体的速度转化为气体压力的增长，即先使吸入的气流
获得一定的高速，而后再使之缓慢下来，将其动量转化为气体压力的升高，之后
再将其排出。由此可见，速度型压缩机内的气体流动是连续稳定的。生活中比较
常用的速度型压缩机主要为离心式压缩机。
制冷压缩机分类以及结构如图1-2所示。
图1-2 压缩机的分类
第一章 绪论
3
§1.1 课题的来源及意义
众所周知，压缩机是制冷系统的关键部件，相当于制冷系统的“心脏”，压缩
机质量的好坏对制冷系统起着关键的作用。现有的压缩机大多存在一定的使用局
限性，对于冰箱压缩机而言，缺少高效率的回转式压缩机机型。本课题旨在研发
高效率、结构简单的回转式冰箱压缩机。
对于传统的往复式制冷压缩机而言，由于存在惯性力大、体积大、零部件多、
性能系数低等不足，其应用区域越来越多地被回转式制冷压缩机所取代。回转式
制冷压缩机大多可实现较高的转速而使得体积较小，并具有灵活的容量调节方式
和较高的性能系数，从而应用的范围越来越广[3]。
回转式制冷压缩机也有其应用的局限性。对于小容量范围的转子压缩机而言，
主要存在部件易磨损、低转速运行性能差等不足。对于中等容量范围的涡旋式制
冷压缩机和较大容量范围螺杆式制冷压缩机而言，结构较复杂、部件加工精度和
安装精度要求高。另外，还没有哪种回转式制冷压缩机可以覆盖所有的冷量范围。
还有其它形式的回转式制冷压缩机，如滑片式制冷压缩机，旋叶式制冷压缩机，
螺旋叶片式制冷压缩机等，都是由于效率，可靠性，可行性问题，应用少或者正
在研究开发之中。
如今生产的小型制冷设备均采用全封闭式压缩机，按其结构型式主要可分为
电动式和电磁式[4]两大类。而电动式又可以分为往复活塞式、旋转式和涡旋式 3种
类型。其中，电磁式一般只适用于生产 100W 以下的压缩机。旋转式压缩机的电
机无需将转子的旋转运动转换为活塞的往复运动，而是直接带动旋转活塞作旋转
运动来完成对制冷剂蒸气的压缩，效率较高[5]。目前应用于冰箱的旋转式压缩机基
本只有转子式压缩机，但转子式压缩机存在前述的一些缺点，本文研究一种新型
的应用于冰箱的旋转式压缩机产品，希望能得到研发和推广应用。
本文旨在发明一种应用于冰箱的新型回转式制冷压缩机，结合当前部分回转
式制冷压缩机的优点、克服其使用局限性，使其性能高于国内冰箱压缩机的平均
水平，且力求运行系统可靠，结构简单、零部件较少，容积效率较高。目前几乎
大部分的先进压缩机的核心技术主要掌握在美国、日本，还有一些欧洲国家手里，
中国国内研发的新型高效压缩机较少。此新型压缩机的设计与研发希望对中国这
个制冷空调产品制造和销售大国的行业发展、对全球的制冷空调行业的发展有一
点推动作用。
本文所设计的新型回转式制冷压缩机，其工作原理及外形尺寸适合在冰箱压
缩机领域发展。由于该压缩机制造简单、制作成本低，因此有很好的推广前景，
一种应用于冰箱的新型回转式制冷压缩机
4
同时也具有很强的市场竞争力。该压缩机的工作原理同样也适合于空气压缩或其
它气体压缩，应用范围很广，因此，一旦研发成熟投入市场，将会产生巨大的经
济效益。
目前对该制冷压缩机的开发还处于初级阶段，已经联系了合适的压缩机厂家
正在进行样机的制造。于此同时为了适应节能降耗以及舒适性的要求，本压缩机
将不断改进其性能，向高效节能、保护环境、低噪声和智能控制的方向发展。开
展新型高效压缩机的研究，对制冷空调行业的发展有着重要的意义。
§1.2 国内外研究现状
§1.2.1 往复式制冷压缩机
传统的冰箱用压缩机大部分是用电机驱动的往复活塞式压缩机（RMC）[6]，
在最近得到了比较快的发展，性能指标也有很大的提高。但是由于其结构的限制，
此种压缩机性能的提高将是极其的困难，因为这种压缩机必须有一套将电动机的
旋转运动转换为活塞往复直线运动的转换机构（例如曲柄连杆机构），因此效率比
较低。
直线压缩机（LMC）
[7]早已被发达国家应用于空间技术中的微型制冷机中，直
线压缩机的活塞直接由直线电磁驱动系统驱动同时作往复运动，这就使得压缩机
的体积较小、结构比较紧凑、效率较高并且能耗低。同时直线压缩机的活塞行程
并不受驱动系统结构的限制，可以自由的来回移动，使通过的控制环路可以在线
调节扫气容积并且直接实现能量调节，更能容易实现微型化、不受放置方向的影
响以及更高的可靠性等。另外，又由于活塞的驱动力方向始终与其运动方向保持
在同一条直线上，因此活塞上没有侧向力的存在，可使活塞的摩擦损失和损耗降
低到最小，因此延长了压缩机的使用寿命。
传统的冰箱压缩机正逐渐的被直线压缩机所替代[8][9]。调查结果表明，目前为
止国外对直线压缩机的研究开发已经远远的超于国内，并且还对外实行严格的技
术封锁，而且已经率先地对冰箱用直线压缩机实现了商用化。所以，加大加快对
新型压缩机的研究投入，对我国冰箱行业的发展具有极大的紧迫性和现实意义。
§1.2.2 滚动转子式制冷压缩机
滚动转子式压缩机是一种应用历史相对较短的压缩机，其发展史还不到70年，
自从美国Vilter公司在30年代首次生产到现在，许多厂家力求把它用于小型制冷装
置上并且作了不懈的努力，因此取得卓越的成效。70年代之后，滚动转子式压缩
摘要：

摘要压缩机是电冰箱制冷循环系统的重要部件，它好比人的心脏。电冰箱借助这个“心脏”，抽吸来自蒸发器的制冷剂蒸汽，提高压力和温度后将其排向冷凝器，并维持制冷剂在制冷系统中的不断循环流动。目前市场上生产和使用的冰箱压缩机分为三类：往复式压缩机、直线压缩机和回转式压缩机。往复式压缩机结构复杂，零件数多，又由于气阀和活塞环等易损件，使其运行可靠性及使用寿命低；直线压缩机气体力影响较大，活塞行程控制较困难，直线电机的气隙不均匀将引起附加的侧向力，导致活塞与气缸之间的摩擦以及支撑部位的摩擦与磨损；与之相比，对于回转式压缩机，电机不需要将旋转运动转换为往复运动，而是直接带动旋转活塞作旋转运动以完成对制冷剂蒸气...

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