连杆活塞往复式制冷压缩机中泄漏现象的分析及改善途径
摘要: 结合试验数据及理式，分析了连杆活塞往复式制冷压缩机中泄露产生的途径、泄漏对压缩机性能的影响、以及影响泄漏的因素。提出用反向泄漏和容积试验法进行泄漏检测，并对改善泄漏的方法进行了探索。样机试验表明通过对零部件细节优化设计、加强零部件精度控制及过程控制，压缩机的制冷量及整机性能得到明显提升。 关键词： 泄露系数 输气系数 连杆活塞压缩机 制冷量
1 引言
在目前往复式冰箱压缩机结构无重大变更的情况下,提高C.O.P的方法主要着眼于对机械效率、电机效率、指示效率、以及输气系数的不断优化。其中实现压缩机输气系数的不断提高，是提高压缩机性能不可缺少的环节。而影响输气系数的四大因素中，容积系数、压力系数、温度系数可通过经验的理式获得，可通过对公式中的各个影响因素进行优化而提高性能。但是泄露系数却无法通过理式计算，通常采用试验验证的方法进行总结。 本文将对高效压缩机开发过程中关于改善气体泄露途径的分析方法以及改善措施进行介绍，以求与业内研发人员共同交流和探讨。
2 气体泄露途径
2.1 连杆活塞往复式制冷压缩机的气体通常通过以下途径泄露：
吸气阀密封面的不严密1、排气阀密封面的不严密2、气缸壁与活塞外圆表面形成的间隙3、气缸头部排气容积与吸气容积之间的隔离层处4、气缸盖周围5、气缸端面周围6、吸气消音器头部周围7，螺栓孔位置处8。以及上下壳体焊缝缺陷、壳体外接管焊缝缺陷。
详见附图所示：
3 理论上 泄露系数对压缩机性能的影响
3．1 泄露系数对压缩机输气系数的影响
压缩机输气系数：λ＝λvλpλtλl (1)
λv：容积系数， λp ：压力系数，λt ：温度系数，λl：：泄漏系数 以上各系数小于1
压缩机实际输气量很大 Ga=Ghλ (2) Gh：理论输气量，Ga：实际输气量
从式中看出泄漏的存在使压缩机的实际输气量小于理论输气量。
3．2 泄露系数对压缩机指示效率的影响
ηi= λtλl (3)
4 实际工作中不同泄漏途径对压缩机性能的影响方式 第一种现象：气体向缸体外部泄露：
气缸壁与活塞外圆表面形成的间隙、气缸盖、气缸端面四周处、螺栓孔位置处的泄漏、会造成气体向缸体外的泄漏，直接影响压缩机的制冷量，同时泄露到压缩机壳体内部的过热气体还会导致压缩机吸气温度上升、排气温度上升、电机温度上升、压缩机功耗加大，冷冻油在高温下分解，在阀口形成积碳等问题，导致压缩机可靠性下降的缺陷。其中缸孔之间间隙偏大时对压缩机性能影响最大。
Hubert Bukac得出的气缸与活塞之间间隙影响压缩机能耗的公式证明： ηL=1-Ah3-Bh (4) h 活塞与气缸间径向间隙 A和B常量
ηN=1-C/h (5) 式中：ηn 间隙对粘性摩擦系数的影响 C 常量
间隙对压缩机能效影响的最终结果是以上两个系数相乘 η= ηLηN (6)
由公式(4)看出，活塞与气缸之间的泄漏对能效的影响与间隙大小密切相关，间隙越大，则泄漏的影响越大，效率越低，压缩机的C.O.P越小;相反由公式(5)得出,间隙越大,由润滑油粘性所产生的阻力损失也越小,效率越高,压缩机的C.O.P值高.因此得出气缸孔与活塞之间间隙存在最佳值,偏大将带来泄露,导致制冷量降低.
以下表格试验数据反映气缸壁与活塞外圆之间间隙变化对压缩机性能的影响： 压缩机型号HHU70AA,制冷剂R600a，压缩机排量：6.6 cc,冷冻油粘度为7
汽缸孔与活塞之间汽缸孔直径 间隙(μm) 5～7 Φ22mm 冷量（W） 壳体温度℃ 电机绕组温度℃ 110.4 51.2 78.4 7～9 9～11 11～13 106.1 106.2 104.9 51.6 51.8 55.2 72.9 75.5 81.7 第二种现象：过热气体向缸体内倒流
排气阀片延迟关闭，或者排气阀片密封不良，则会产生已经压缩过的过热蒸气倒流入气缸，这种情况在PV图上显示为压缩过程曲线变抖，功耗增加；膨胀过程曲线平坦,泄漏气体膨胀减小了有效的吸气容积，压缩机输气系数下降。同时倒流的高温高压气体在排气阀口形成局部高温，使得润滑油分解，形成积碳，积碳进而加剧泄漏，随着压缩机制冷循环的不断进行，这种恶性循环导致压缩机内部温度快速上升，使得存在化学反应的制冷剂、润滑油、以及对化学反应起催化作用的水分、灰尘、金属之间的化学反应因温度的上升而被加速。从而不仅导致制冷循环效率下降，还会导致压缩机寿命及可靠性大幅下降。资料证明：一般情况下，化学反应的程度随着温度升高10℃而增长2倍，如果制冷压缩机内部温度上升22.8℃,则寿命减短为最初寿命的20%。
PV图中: 1-2-3-4表示有过热气体倒流的压缩循环. 1-2-3-4表示正常的压缩循环. 过热蒸气倒流引起吸气温度上升对压缩机排气造成的影响在理论上可由以下热力学公式给出解释: T2 =T1(P2/P1) n-1/n
式中: T1 压缩机吸气口处的绝对吸气温度
P2 排气压力绝对值 P1 吸气压力绝对值 N 多变指数
由此公式得出,当吸气温度升高时,排气温度升高.从而导致压缩机功耗增大，
冷冻油性能变差.
以下试验数据反映档排气阀座密封状态不良时，压缩机性能的影响 压缩机型号HHU70AA,制冷剂R600a，压缩机排量：6.6 cc,冷冻油粘度为7
/
/
排气阀座密封平面状况 良好 阀线密封平面有毛刺，存在泄漏 冷量W 114.2 99.5 功耗W C.O.PW/W 65 1.76 65.9 1.51 气缸头部排气容积与吸气容积之间的隔离层不严密时，也会产生蒸气倒流现象，导致排气容积的气体串入吸气口，带来和排气阀片密封不良的同样后果。同样吸气阀片密封不严密或吸气阀片延迟关闭时，也会产生类似现象。 插入试验数据显示此现象，气缸盖隔离层特异不密封
气缸盖排气容积与吸气容积隔离带 密封带平面贴紧 密封带平面凹陷，泄露 冷量W 113.5 99.7 功耗W C.O.PW/W 1.77 70 1.426
5． 检漏方法：
上下壳体焊缝、壳体外接管焊缝处的泄露通常在压缩机的装配线上通过水槽检漏方法进行排除。具体就是通过在压缩机内部充注一定压力的干燥氮气以观察焊缝周围是否有气泡冒出。 气阀不动作状态下的检漏：
气阀不动作时，气缸盖组件（包含气缸盖、阀板、排气阀座、缸盖垫片、阀板垫片、气缸盖螺栓）的泄露在装配线通常是通过反向泄露测试方法进行。即通过装置设备对压缩机的排气室加注特定压力的干燥气体，观察在规定时间 t内排气室内气体压力下降值△P是否在允许范围内，如果压力下降值超过了规定的数值,则证明该气缸盖组件存在泄露,通过更换气缸盖、阀板、调整螺栓拧紧力矩、重新选配活塞或机架进行改善。不同结构设计、不同规格排量压缩机的允许压力下降值通常是不一样的，可通过实践总结获得。下图为反向泄露测试装置简图。
压力下降速度
良好 阀座平面度不良
反向泄露方法可以确定该台压缩机的气缸盖组件的整体密封性能是否良好，在生产装配线过程可用来快速排除缺陷。但对于新产品研发过程，需要分析确定 究竟是其中哪个部件存在泄漏缺陷，以及何处泄露量严重，则需要更详细的分析。
气阀不动作状态下，吸气阀座的检漏可按照以下方法进行：
当对排气阀座完成了反向泄漏检测,在活塞处于下死点时，对曲轴手动施加转矩，如曲轴无明显阻力转动不到半周，则实验结果是满意的,这时气压由于抵抗施加的转矩而剧增，阻止曲轴转动完整一周，这种情况下吸气阀座良好。如曲轴转动过半周，无阻力克服上死点，则实验结果就不令人满意, 曲轴能无阻力转一周是由于吸气阀座的缺陷所导致的压力下降引起的。
如曲轴因阻力而不能转动，“排气阀座试验”也已通过，则此试验结果是令人满意的
气阀动作状态下的检漏：容积测试
让曲轴快速旋转，检测吸气阀及排气阀的工作效率，用在规定时间内达到规定的测试压力来测定其流量。当已确定气阀不动作时，各个密封环节状态良好时，容积测试法可以判定可以判定吸排气阀片升程是否合理，是否存在延迟关闭。
6. 影响泄漏的因素
泄露产生的原因与密封环节结构设计是否合理、零部件材料的性能、制作精度等有很大关系，综合为以下情况： 泄露区域 影响因素 吸排气阀密封面 阀片升程过高或弹簧力偏小，带来延迟关闭 阀座阀线平面相对于阀片基准面的高度不合理，阀舌翘起 阀座阀线平面度不良、粗糙、有毛刺、有划痕 气缸盖四周 气缸盖密封面平面度不良 气缸盖在施加螺栓力矩后，密封面变形 缸盖垫片不合理 气缸螺栓力矩不合理 气缸壁面与活塞外气缸孔径在施加螺栓力矩后变形， 缘间隙 活塞与缸孔配合间隙偏大 活塞端面密封长度偏小 气缸孔圆度、粗糙度不良 润滑油膜未起到密封作用 压缩机转动速度减小 排气容积下降时间内压力6s后压MPa 力MPa 0.85 ≥0.8 0.85 0.35 吸气消音器与气阀吸气消音气弹簧夹的压紧力不合理 吸气口连接处 消音器头部密封筋不合理 气缸端面四周 气缸端面跳动度、平面度不良 气缸端面密封垫不合理 气缸端面螺栓孔 螺纹长度不合理 壳体表面 焊接面设计不合理、助焊剂不良等 7.优化措施
针对以上影响泄漏的因素，其中由于零部件制造缺陷的可通过改善设备、提高加工工艺精度、加强过程控制进行改良。例如通过对阀座口研磨，消除阀座毛刺；而有些则是在零件结构设计初期就必需进行优化的因素，例如：通过CFD软件对不同的缸孔与活塞间隙、不同活塞密封段长度情况下气缸内的泄漏量进行模拟分析，采用气阀设计软件对阀片的升程高度进行模拟分析，采用
ANSYS软件对施加螺栓力后气缸盖、阀板、机架的受力变形情况进行静应力分析。随着仿真技术的进步，这些优化分析将越来越接近真实数据。以下样机试验表明通过对各密封环节优化设计并改进零部件精度后，压缩机输气系数增大，整机性能得到明显提升。
压缩机型号HHU70AA,制冷剂R600a，压缩机排量：6.6 cc,冷冻油粘度为7 排气阀片平面密封状况 原状态1#压缩机 原状态2#压缩机 对密封环节优化后1#压缩机 对密封环节优化后1#压缩机 冷量W 112.7 112.6 114.6 115.1 功耗W C.O.PW/W 噪音dBA 36.7 1.706 66.1 37.3 1.723 65.3 36.9 .8 1.769 37.5 66.0 1.743
8. 结论
R600a连杆活塞式压缩机泄漏途径主要集中在气缸头部的吸排气阀密封面、气缸壁与活塞之间间隙、不严密的气缸盖密封面等位置。泄漏的存在，导致压缩机制冷量下降、压缩功耗功耗浪费，排气温度上升，润滑油性能变差，压缩机可靠性下降，寿命缩短等缺陷。通过试验可以识别这些泄漏，对影响泄漏的因素通过在零部件设计开发阶段进行试验验证或采用仿真模拟手段进行优化，结合在生产制造过程对零部件精度加强控制，这样才能够最大限度地减小压缩机的泄漏量，提高压缩机的输气系数，从而提高压缩机的整机性能及可靠性。