一种回转式活塞压缩机及在制冷中的应用前景
程哲铭 欧阳新萍 雷蓉
（上海理工大学制冷及低温工程研究所，上海 200093）
摘 要 介绍了一种回转式活塞制冷压缩机的工作原理及基本结构, 它结合了往复式压缩机和回转式压缩 机的优点, 克服了往复式压缩机和一些回转式压缩机使用局限性。此种回转式活塞压缩机结构简单，较少 零部件、制造成本低，具有较高运转效率、噪声小、运行平稳安全、适用冷量范围广等特点。介绍了排气 结构、能量调节机构、润滑密封方式。并分析了它的应用场合。 关键词 回转式活塞压缩机 压缩机应用 压缩机结构
A NEW ROTARY PISTON COMPRESSOR AND ITS APPLIED PROSPECT IN REFRIGERATION SYSTEM
Cheng Zheming Ouyang Xinping Lei Rong
(Institute of Refrigeration and Cryogenics, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093)
Abstract The structure of a rotary piston compressor is introduced, and its principle of operation is analysed. This new compressor overcomes the limitations of piston compressors and some other rotary compressors by combining their advantages. It has simple structure and some special characteristics such as lower noise, larger running efficiency, stable operation and large cooling capacity range to running. Its exhaust structure, energy regulating mechanism, lubricating and sealing method are also introduced. Its applications is analysed. Keywords rotary piston compressor, applications of compressor, structure of compressor 大的制冷系统，而对于制冷量小的制冷系统则不适 用。另外，大型离心式制冷压缩机在较大变化的工 作压力下，会出现喘振现象。在部分负荷运转时， 工作效率低，运行时噪声比较大[3]。 针对以上压缩机的优缺点，本文提出了一种回 转式活塞压缩机，此种回转式活塞压缩机结构简 单、零部件少、制造成本低，具有较高运转效率、 噪声小、运行平稳安全、适用冷量范围广等特点。
0 前言
随着科技的进步和社会的发展，制冷与低温技 术在科学研究，生产技术以及改善人们的生活等方 面发挥着举足轻重的作用。因此，它深深影响着农 业、工业、国防等国民经济各个部门的发展。具有 “通用机械”之称的压缩机，是制冷与低温技术的重 要组成部分，是压缩式制冷系统的核心部件。因而 压缩机的发展对制冷系统乃至制冷与低温技术的 发展有着至关重要的作用[1]。 目前，市场上广泛应用的压缩机有活塞式制冷 压缩机，回转式制冷压缩机以及离心式制冷压缩机 等等。然而活塞式压缩机，具有惯性力较大、体积 大、零部件多、性能系数低等缺点，影响了它的发 展和应用。回转式制冷压缩机具有零部件数量少， 转速高、体积小，运行可靠性好等优点，但其结构 相对复杂，往往需要较高的部件加工精度和安装精 度等等[2]。离心式制冷压缩机主要适用于制冷量较
1 回转式活塞压缩机的工作原理
本文所提出的回转式活塞压缩机的工作原理 如图 1 所示。 主体结构为双环相交型气缸。两个气缸的横截 面形状均呈圆环形状，左气缸 3 与右气缸 4 相交。 在两个圆环形气缸交汇处的空间连通。左气缸 3 内 设置有圆弧形左活塞 1，右气缸 4 内设置有圆弧形 右活塞 2，左右活塞分别在左右圆环形气缸空间内 作回转运动且运转方向相反。
两环相交的上交汇点处，开有排气口 6；下交 汇点处则开有吸气口 5。图 1 所示状态为右气缸压 缩、左气缸吸气时的情形，此时上交汇处被左活塞 1 占据，而在右气缸 4 中，右活塞 2 与左活塞 1 的 圆弧面外侧形成压缩空间，右活塞 2 的逆时针运动 形成先压缩、后排气过程；下交汇处被右活塞 2 占 据，在左气缸中，左活塞 1 与右活塞 2 的圆弧面外 侧形成吸气空间，左活塞 1 的顺时针运动形成吸气 过程，气体从吸气口 5 进入气缸。同样可形成左气 缸压缩、右气缸吸气的过程。
图 2 回转式活塞压缩机的外形结构
3 压缩机的一些细节设计
3.1 压缩机的排气结构
此回转式活塞压缩机通过合适的排气结构设 计可以不设排气阀，因而不会出现阀片的“颤抖”和 “延迟关闭”的现象，也不会造成排气阀片的频繁的 开启，可以使压缩机获得更高的工作效率、降低噪 声、增加工作的平稳性。本回转式活塞压缩机的活 塞结构如图 3 所示、排气结构如图 4 所示：在活塞 的前端开有环形槽，此环形槽与压缩机的工作腔相 通，其余部分与工作腔不通；并在双环的上交汇处 附近，在封闭的端盖上开有一个排气孔。当活塞如 图 4 所示的方向转动时，随着密封腔的体积的缩小 腔内的气体逐渐被压缩，当达到排气压力时，活塞 结构上的环形槽与封闭端盖上的排气孔连通，此时 气缸开始向外排气。这种排气结构类似螺杆式压缩 机的轴向排气结构。
1. 左活塞 2. 右活塞
3. 左气缸 6. 排气口
4. 右气缸
5. 吸气口
图 1 回转式活塞压缩机的工作原理
2 回转式活塞压缩机的外形结构
如图 2 所示，回转式活塞压缩机的壳体由两个 完全关于空间中心对称的圆环空心体交汇组成。每 一个圆环体的一侧端面是封闭的，另一端是开口 的，开口的一端用活动端盖密封。活塞与圆环体中 心轴连接，电动机通过中心轴带动活塞旋转。通过 两个圆环体中心轴上齿轮的啮合，一个电动机带动 两个圆环体的活塞旋转。
1 活塞 2 环形槽 3 活塞圆环面 图 3 活塞结构
1 左环活塞 2 环形槽 3 封闭端盖 4 排气孔 图 4 轴向排气结构
3.2 压缩机的密封和润滑
3.2.1 密封 由于回转式活塞压缩机的活塞高速旋转，而气 缸静止不动，为了避免在运转过程中发生干涉，减 少磨损和发热，二者配合必然存在一定的间隙，因 此就会有气体从压缩机内部的高压区域向低压区 域泄漏；由于本回转式活塞压缩机为开启式压缩 机，因此伸出的轴端部位也会发生向压缩机外部泄 漏的情况。而压缩机的泄漏不仅会使输气量减少， 也会造成功率消耗的增加。压缩机的密封系统就是 为了减少或防止气体的泄漏、提高输气量和效率、 降低功耗[4]。 如图 5 所示本回转式活塞压缩机活塞与气缸、 活动端盖之间采用迷宫密封和 O 型圈密封。
机—如数码涡旋压缩机等； （4）使用气旁通或液旁 通； （5）压缩机开停； （6）吸气节流调节等。具体 制冷系统的能量调节要根据各个系统的不同情况 来选用不同的能量调节方式， 比如，对于自身没 有能量调节装置的单压缩机制冷系统，使用气旁通 或液旁通来进行空调器制冷系统的能量调节是常 用的的手段[6]。 本回转式活塞使用塞柱阀调节 [7,8] 和变频调节 相结合的方案，尽可能的减少调节时的不利影响， 突出它们的优势所在。如图 6 所示：该方案就是使 用多个塞柱阀的方式调节。有 3 个塞柱阀能量调节 孔。当需要减少输气量时，将塞柱阀 3 打开，工作 容积内一部分制冷剂气体就直接旁通到环境中。当 需要输气量继续减少，则将塞柱阀 2 再打开。利用 塞柱阀的启闭实现输气量的有级调节。塞柱阀的启 闭可用油压通过电磁阀来实现。塞柱阀调节输气量 的调节负荷为 25%，50%，75%等。
图 5 压缩机的密封方式
3.2.2 润滑 润滑的目的是为了降低各摩擦表面的热量，减 轻磨损、延长运动部件的使用寿命；减少摩擦功的 消耗；增加密封性，减少泄漏，提高压缩机的工作 效率。良好的润滑还具有一定程度的洗涤、防锈、 缓冲和防震等作用。活塞式压缩机气缸内部的润滑 方式大致有飞溅润滑、吸油润滑、压力注油润滑三 种[5]。根据本压缩机的特点选用压力润滑。本回转 式活塞压缩机的润滑系统分为内部润滑和外部润 滑两部分，内部润滑主要用于气缸和转子压缩容积 部件；外部润滑又叫循环润滑。利用压缩机运转产 生的压力差，润滑油循环于机体内，用来润滑轴、 轴承、齿轮等运动机构的零部件。
图 6 旋塞柱能量调节孔
3.3 压缩机的能量调节机构
压缩机系统的能量调节一般有以下几种方式： （1）压缩机并联； （2）采用变转速、变容压缩机 —如变频压缩机等； （3）采用带有卸载装置的压缩
4 样机及实验
目前该压缩机已制作出样机，如图 7 所示，该 样机设计为空气压缩机。通过样机实验表明，压缩
比达到了设计要求，在吸气压力为 0.1MPa 时，排 气压力达到了 0.35MPa，只是效率还偏低。该压缩 机还有很大的改进空间，下一步重点提高其效率。
6 结论
本文提出回转式活塞压缩机结构简单，较少零 部件、制造成本低，具有较高运转效率、噪声小、 运行平稳安全、适用冷量范围广等特点，但目前还 处于研究阶段， 为了适应节能降耗和舒适性的要求, 本回转式活塞压缩机将不断改进其性能, 其研发对 制冷空调行业的发展有着积极推动意义。
参考文献
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图 7 压缩机样机
5 回转式活塞压缩机适用场合分析
汽车工业是我国的支柱产业，它的发展必然带 动汽车空调的发展， 压缩机作为汽车空调的“心脏”， 因此，它的发展必将影响汽车行业的发展。汽车空 调对制冷压缩机有以下要求： （1）制冷效率要高， 消耗发动机功率要少（2）运行结构可靠性高（3） 噪声小（4）小型化、轻量化（5）良好的抗振性（6） 耐高温[9]。目前市场上冰箱用压缩机主要有活塞式 压缩机和滚动转子压缩机 。活塞式压缩机存在往 复惯性力等缺点。而滚动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。 本文提出回转式活塞压缩机结合部分回转式 压缩机的特点， 克服其使用局限性。 具有零件数少、 无吸排气阀等易损部件，结构简单紧凑、体积小、 重量轻、可靠性高；余隙容积微小，容积效率高； 旋转惯性小、运动平衡性能好、整机振动小运转平 稳；无轴向和径向运动，轴向和径向密封好；泄漏 系数小等特点[3]。 因此，本回转式活塞压缩机工作原理和结构尺 寸以及特点能适用于冰箱和汽车空调的压缩机领 域。能很好的适用汽车空调用压缩机要求，能推动 汽车空调的快速发展；同时也能应用在冰箱系统 中，它可克服滚动转子式压缩机和活塞压缩机的一 些缺点，有望提高冰箱压缩机的性能水平。 另外，一些先进的压缩机的核心技术主要集中 在一些发达国家的手中，因此，对新型压缩机的设 计和研发，能推动中国压缩机产业的发展， 能够 在世界压缩机行业占有一席之地，为我国的制冷行 业的发展以及全球制冷行业的发展提供一点帮助。
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作者简介：程哲铭，男，1988-02-24；在读硕士研究生，研 究方向：制冷技术与设备 联系电话：188********，Emailczm0224@https://www.doczj.com/doc/6611152886.html, 通讯地址： 上海市杨浦区军工路 516 号上海理工大学第一办 公室 101 室