海尔电器利用3D打印技术的优势对压缩机活塞进行设计优化

  蕊瑶        2020-11-04 15:28:01

压缩机是为冰箱提供压缩制冷剂的设备。冰箱利用这种压缩的制冷剂来冷却隔室以及其中存放的食品。近年来,线性压缩机被用于压缩冰箱设备中的制冷剂。


在压缩阶段或冲程结束时,气缸和阀的温度通常接近压缩的气态制冷剂的排放温度。根据气缸内部的气体温度,在压缩过程中传热方向可能会发生变化。某些情况下,气态制冷剂的高排放温度加热汽缸壁并导致汽缸中的气态制冷剂过热,从而导致压缩机效率降低。


据了解,海尔电器*受让的一项专利技术旨在通过优化设计压缩机系统以及冷却活塞来解决上述问题,这一技术包括了一种可增材制造的带有冷却特征的活塞。


更好的传热


/压缩机效率的挑战


线性压缩机包括可滑动地容纳在气缸室内的活塞,活塞在腔室内向后滑动以压缩制冷剂。定位在气缸盖中的阀可以控制制冷剂进出腔室。


压缩过程的压缩阶段或冲程结束时,气缸和阀的温度通常接近压缩的气态制冷剂的排放温度。根据气缸内部的气体温度,在压缩过程中传热方向可能会发生变化。例如,当气体温度低于气缸壁的温度时,热通量为正,并且热量从气缸壁传递到气态制冷剂。当气态制冷剂达到与气缸壁相同的温度时,热通量为零。当气体温度高于气缸壁的温度时,热通量为负,并且热量从气态制冷剂传递到气缸壁。传热方向的变化不仅发生在压缩阶段,而且发生在压缩过程的膨胀阶段或冲程。


在某些情况下,气态制冷剂的高排放温度加热汽缸壁,将导致汽缸中的气态制冷剂过热,从而导致压缩机效率降低。压缩机效率下降的幅度主要由气缸壁温度决定。而且,许多常规压缩机接近等熵压缩运行,此时,可以防止通常与更有效的过程(例如湿压缩)相关的某些问题,但等熵压缩的效率不如其他压缩过程(例如,等温压缩)高。因此,传统的压缩机通常不使用最大化压缩机效率的压缩过程来运行。


/优化冷却回路


为解决以上问题,海尔电器受让的专利技术中提出了一种新的压缩机系统,该系统包括:冷却流体回路和可滑动地容纳在壳体的腔室内的活塞。


在这一压缩系统中,壳体限定入口通道和出口通道。入口通道接收冷却流体,如冷却液回路中的机油或制冷剂。冷却流体沿其外表面流入进气通道,并在下游流入由活塞限定的进气槽。冷却流体向下游流动到由活塞的活塞头限定的冷却通道,然后沿其外表面流入由活塞限定的出口槽。冷却液然后流入壳体的出口通道,并返回到冷却液回路。冷却流体通过通道,凹槽和通道的通道将热量从壳体和活塞带走。

海尔电器利用3D打印技术的优势对压缩机活塞进行设计优化

以上是在这一技术中所提及的活塞示意图。其中压缩组件和系统可以与线性压缩机一起使用。如图所示,活塞沿着轴向方向A在第一端(202)202和第二端(204)之间延伸。活塞具有大体位于第一端的活塞头和从活塞头延伸至活塞第二端的裙部。


多个散热片从第一壁沿着轴向方向A伸入冷却通道(214)中。散热片能够增加冷却流体可以接触的表面积,因此散热片增加了活塞和冷却液之间的热传递。

海尔电器利用3D打印技术的优势对压缩机活塞进行设计优化

▲来源:US10808646


在图中所示的案例中,翅片沿着第一径向方向R1纵向延伸,并且沿着垂直于第一径向方向R1的方向彼此间隔开。与入口和出口径向对准的翅片的第一翅片具有翅片的最长径向长度。从第一翅片沿垂直于第一径向R1的方向向外延伸的每个连续鳍片的径向长度减小。翅片从第一壁突出到冷却通道中的距离小于深度D4。


在替代性设计方案中,翅片可以在第一壁和第二壁之间延伸。活塞可以通过3D打印技术制造,通过增材制造技术赋予设计的灵活性,翅片和限定冷却通道的活塞表面可以被设计为更加复杂的形状和表面光洁度,例如设计成为多孔或粗糙的表面。


以上冰箱压缩机技术中所涉及的3D打印应用,仍属于3D科学谷多次谈到热管理领域的应用。由于设计自由度提升了,3D打印热管理组件提供与传统制造组件相同或更高的效率,但需要的空间更少。这种制造技术可以应用更大的表面、复杂的几何形状和保形冷却通道。


延伸阅读:


半封闭活塞压缩增量到天花板了吗?未来还有出路吗?


比泽尔滕博先生指出,随着冷链物流在中国的不断快速发展,制冷端的需求还是很明显的。作为主力军,半封活塞还是有一定空间的。“我们认为也确实可能没有大爆发的可能性,这也符合市场预期,更有技术特点和适应范围广的产品才会更有立足的空间。”


目前来看,半封活塞的设计已经很难有更大角度的创新空间了,但其结合智能化控制的匹配,还是有很多可以深挖的地方,以此也会提升系统效率。另外,对于更多工质的适用性也是半封活塞发展的必然,这就要求相关企业要根据市场,做出智能化、低碳环保的产品,才能适应市场发展的需求。


的确,疫情后时代,让更多人意识到冷链物流的重要性,因此富士豪中国区总经理伊万强调,“形容到了天花板,没必要,因为只要中国冷冻市场有持续增长的可能,那么活塞机销量就还有上升的空间。随着冷链技术的广泛应用,一些诸如食品储藏等领域也会加大对于活塞机的需求,所以活塞机市场还有很大发展空间。”


都凌方面分析到,“在某些工况中,活塞有强悍的优势,比如,高温50度的时候,活塞比涡旋和螺杆更好。在低温,零下30度蒸发温度下,稳定性更高。此外,特殊工质,比如CO2,活塞适应性独树一帜,都凌在这方面研究和突破也是有目共睹。”


复盛方面也指出,活塞压缩机很结实,不怕磕碰,到处可以移动,离心、螺杆压缩机就会受到限制。此外,在极限工况和对能效要求没那么高的情况下,活塞压缩机也是很多用户的首选。


厂家早已坚定方向,同时做了很多技术储备。


《制冷商情》记者了解到,比泽尔一直以满足客户的需求为研发导向。不仅有适用于CO2或者NH3工质的压缩机产品,同时自行研发的变频器及模块,能更好的发挥出压缩机的高性能优势。比泽尔的ECOLINE+半封活塞CO2压缩机,还获得了中国制冷展创新产品奖项。


浙江大明谢新江董事长也指出,活塞压缩机作为一个发展相当成熟的产品,它的机型、技术上,就目前市面上的品牌来说,并没有多大区别。现在的活塞机市场竞争,是质量与服务的竞争。作为企业来讲,要在竞争中脱颖而出,唯有完善品质、做好服务这两个方面。同时,坚持不懈的创新,企业要跟得上社会的发展和客户的需求,就要不断的研发新产品,不创新企业就会停滞不前。


目前,浙江大明就组建了一个强大的技术团队,聘请了专业的压缩机研发、生产、品控、电气工程管理人员,并投入大量资金,进行研发工作,以扩大应用范围,提升效率,适应多种工质、工况和国际国内不同电源对电压、频率、相数方面的需求。


江苏华瑞总经理周伟佳也指出:“半封闭活塞机目前属于技术比较成熟的产品,各家产品大同小异,要在激烈的竞争中脱颖而出,就要在质量和细节上做文章。除此之外还要不断进行研发创新,完善产品线,不断推出适应不同工况的新机型。”


担心是无用的,与其惧怕犹疑不前,还不如坦然去接受和面对,并提早准备。未来,半封活塞只会向更智能化,更便于操作,且低碳环保应用的方向发展,产品+服务+系统解决方案是给终端客户最好的答案。




来源:3D科学谷

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