微型往复压缩机活塞凸台结构设计研究

微型往复压缩机活塞凸台结构设计研究

徐敏

（珠海格力电器股份有限公司  广东珠海 519070）

摘要：微型往复式活塞压缩机广泛应用于冰箱、冷柜等产品中，其能效水平决定了冰箱等产品的能效等级。国家倡导双碳政策，压缩机提效成为重要的一部分。本文从影响压缩机性能的活塞凸台结构的设计为重点进行优化设计分析，同时针对不同结构凸台进行了仿真计算，并结合试验验证了仿真的结果。提出改善排气流场的活塞凸台结构，为同行业产品开发人员提供参考。

关键词：往复式压缩机；活塞凸台结构；性能

Research on Optimization Design of Piston Boss Structure of Micro Reciprocating compressor

XuMin

（GREE Electric Appliances Inc. of Zhuhai   Zhuhai Guangdong 519070）

Abstract: Micro reciprocating piston compressors are widely used in products such as refrigerators and freezers, and their energy efficiency level determines the energy efficiency level of refrigerators and other products.The country advocates a dual carbon policy, and improving compressor efficiency has become an important part. This article focuses on the optimization design analysis of the piston boss structure that affects the performance of the compressor. At the same time, simulation calculations were conducted for different structure bosses, and the simulation results were verified through experiments. Propose a piston boss structure to improve the exhaust flow field, providing reference for product developers in the same industry.

Key words: Reciprocating compressor; Piston boss structure; Performance

前言

微型全封闭往复式压缩机作为一种容积型压缩机，具有噪音低、低温制冷工况性能高等特点，广泛应用于小型制冷器具中，市场占有率达到90%以上。其功耗占比在整个终端产品中也达到90%以上，是决定冰箱、冷柜等产品能耗水平的最关键部件，故降低压缩机的功耗、提升压缩机性能至关重要，其高效化的技术研究是行业内的研究热点。

压缩机性能由机械效率、电机效率、指示效率、容积效率等四个方面决定，本文主要从容积效率角度探究，通过提升容积效率来提升压缩机性能。容积效率是指压缩机的容积输出与理论输出之间的比值，而理论流量是指压缩机在单位时间内理论上应该输出的气体体积。容积效率和理论流量之间的关系是，当容积效率越高时，理论流量也会相应增加，因为这意味着压缩机的输出能力得到了更好的利用。

对于压缩机的容积效率，可以从影响容积效率和多变指数的因素主要是余隙容积、压缩比、泄漏（从阀片、活塞与气缸间的泄漏）、吸气腔及气缸对气体加热的影响、节流损失、吸气状态、制冷剂种类等。在余隙容积方面主要包括排气口、顶隙（活塞端面与阀组之间的间隙）、垫片避让活塞公差带容积等。泄漏主要包括吸排气阀片、活塞与气缸孔等。吸气腔换热主要受气缸壁厚、环境温度、壳体内部温度等影响。节流损失主要包括吸气过程、排气消音过程等整个气体通道损失。

微型往复式压缩机体积小、结构紧凑,而且应用于低温制冷时压比大，活塞行程短且活塞的直径较小,因而其工作性能对余隙容积更为敏感。从往复式压缩机压缩腔构成分析，通过减少顶部间隙、排气口直径、增加活塞端面凸台（填充排气口位置）等都是可以一定程度减少余隙容积。本文基于其凸台的存在有利于减小余隙容积，提升容积效率探究较优的凸台结构形式。另一方面，凸台的存在降低排气流量系数，提升峰值气缸压力，增加排气损失。本文从上述两个影响点研究最有利于排气流场的活塞凸台结构，为压缩机提效设计提供一定的参考思路。

1 研究方法

通过初步的结构分析存在两种常见结构形式的凸台可应用于减小余隙容积。下面就通过理论分析对比，建立活塞的方形凸台和圆锥形型凸台的仿真对比模型，基于一致性考虑，比较在理论工况下，排气压力最大时刻的流场及压力损失等。

1.1 模型建立

我司某R系列采用的圆锥形凸台结构如图1所示，其体积为8.247mm3，另外一个某TR系列凸台1mm(高度)*2.2mm*2.5mm。按照余隙容积相同且形状相同，做常用的方形凸台1.4mm*2.5mm*2.36mm，对比二者的差异。

图1. R系列类圆锥形结构示意图

首先对比压缩机运行时排气压力最大时排气流场的差异，根据微型往复式压缩机应用在小型制冷器具的工况特性，以及制冷剂R600a的物性，其对应的pv测试数据如下气缸内在压缩机开始阶段的100°范围内气缸内气体压力度变化很小（见图2）；在曲轴转角达到300°以后，气缸内气体压力发生指数级增大达到最大值然后排气阀打开，此时曲柄转角角度331°，压缩机排气口最大排气压力0.9MPa。那么由下式计算可知，此时活塞距离上止点位置的距离为1.505mm，加上垫片防止撞缸的间隙控制要求0.05mm，即活塞端面距离吸气阀片1.555mm。排气结束后排气阀关闭，剩余余隙容积部分未排出的高压气体逐渐在气缸内膨胀，直到吸气阀打开开始吸气再压缩机开始下一个循环。通过上述实验测试得到相关的数据，作为计算依据的一部分。

图2. 压缩机实际循环P-V图                         图3. 物理模型及边界

为方便对比，忽略排气出口处的排气阀片模型、活塞工艺要求的倒角及垫片部分外围空腔的影响。模型不考虑气阀部分，出口采用阀板排气出口，类圆锥形凸台、方形凸台周围倒角0.2。模型具体尺寸基于排气口直径为5.0mm，然后得出计算结果进行理论分析。

2 具体设置

一般我们假设压缩机的压缩过程是准稳态过程，即压缩机排气压力最大的瞬间内部流场计算采用稳态。通常采用K-eps湍流，压力基求解器，激活重力场加速度为9.8m/s2。因在流场范围内物性流体压力整体变化不大，制冷剂为R600a,其物理特性根据GBT9098的国标工况参数，采用常规设置即可。进口压力设定为133500Pa，边界设定出口压力为0，表压设置为770000Pa。

3 仿真结果

本仿真结果从压力损失、压力场、速度场三个方面评价两种凸台结构形状的区别和优劣。首先，从压力损失，类圆锥形凸台压力损失为68075Pa，而方形凸台的压力损失为77708.126Pa。略大于类圆锥形，达到14.2%：

第二，从速度矢量图5、图6（沿凸台与排气孔中心做横截面）可以看出，类圆锥形凸台在排气阀口贴近周边区域处存在一圈的小回流，此处有一定的局部速度损失。类圆锥形凸台结构边缘过渡平缓，此处流场流线较为平缓，凸台上方未出现涡流。方形凸台结构周边也存在小的回流，但是该处的流线陡峭，并在凸台上方处出现较明显的涡流，此处压力损失较大。

图5. 类圆锥型凸台速度矢量云图                 图6. 方形凸台速度矢量云图

进一步的，从排气口处的总压力分布（包含动压和静压）图：由图7可知，沿着气体的流动方向，压力变化小，排气口贴近周圈区域因为回流，有加大的压力损失，呈现浅蓝色；表压值9.93*103~1.87*104Pa中间区域，排气口中间部分由于只有较小的湍流，颜色呈现黄色，表压值8.05~9.81*104Pa。方形凸台两端与类圆锥型凸台基本类似，中间压力因为回流损失较大，呈现蓝色，压力范围约1.87~2.75*104Pa。

图7. 类圆锥型凸台压力云                        图8. 方型凸台压力云图

综上，类圆锥型凸台一定程度上改善了流场，从压力云图、速度场、压力损失等也初步看出排气阻力也更小，使排气流动更加顺畅。压力损失相比方型结构的活塞凸台小14.2%。

4 总结

对凸台几何各类结构形式的评估更加严格的来说应该考虑旋转周期排气过程损失带来的总的功率损耗，可用压力损失对体积变化积分获得。实际在工程应用过程中要考虑活塞凸台的成型工艺水平和尺寸一致性要求。其高度和阀板排气口厚度要匹配，不能发生撞缸；直径或长宽尺寸要和排气口直径匹配，基于按照工艺的定位、尺寸公差应该在工程实践中考虑极限的问题。只有这样才能使产品能够保障质量和一致性，最优的技术方案得以应用。

    本文仅用于横向对比，仅从减小余隙容积的一种较优的活塞凸台结构角度，分析对比了某司的结构。考虑压力最大时刻的流场差异。结论如下：类圆锥型压力损失小、具有一定优势。同时提醒后续机械相关的设计工作，尽量使用几何流线型构造，减小阻力损失，现实中子弹头、动车组车头、飞机机翼均采用此种设计。这个细分

【参考文献】

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作者简介：

徐敏（1987-   ），男，本科，热能与动力工程专业，工程师，主要从事压缩机高效化研究和产品开发。