Novel Centrifugal compressor concept for Residential and electric vehicle heat pump/air Conditionning systems

For applications with very small mass flows, mainly small refrigeration cycles for residential/automotive heat pumps and air conditioners, volumetric compressors are currently used. These compressors are relatively expensive to manufacture and require oil in the refrigerant, which greatly reduces their effective isentropic efficiency to 50%-63%, making them account for about half of the cycle losses. The oil also negatively affects the other components of the cycle to further reduce cycle efficiency. Turbomachinery (continuous flow) compressors are oil free and can provide much higher isentropic efficiency (80%). However, a conventional centrifugal compressor design for this application would result in a 3D metal impeller with a very small diameter (on the order of 20 mm) and blade height (about 1 mm) rotating on the order of 200 krpm. In spite of higher isentropic efficiencies relative to volumetric compressors, the cost associated with precision machining and assembly to obtain a small enough tip clearance (clearance between impeller blade tip and shroud) for adequate performance, combined with the cost of the high-speed electric motor makes this technology uncompetitive. The advent of a low-cost high-efficiency turbomachinery compressor for small refrigeration cycles would expand heat pump usage for domestic and automotive heating (to replace burning fossil fuel for heating), especially in cold climates where future heat pumps may require multiple compressors for operation and optimal cycle efficiency at different outdoor conditions. The integration of such a compressor in residential and automotive air conditioning units would also save energy through improved cycle efficiency, which is especially important when the energy to run these units is produced from power plants or engines burning fossil fuels. Both types of applications are important to cut fossil fuel usage to address global warming concerns. This study invents and analyzes a novel centrifugal compressor concept that can overcome the previously mentioned challenges associated with a conventional centrifugal compressor design. This concept is centered around a new impeller with a special but simple geometry that allows for a significantly increase in the impeller diameter and a decrease in rotation speed to well below 100 krpm. The lower speed and associated lower mechanical stress as well as the geometrical simplicity of the impeller significantly reduce the manufacturing cost of the compressor (by allowing the impeller to be made in plastic by injection molding) as well as the cost of the electric motor, giving the new compressor concept the potential to effectively out-compete current volumetric compressors in small refrigeration cycles in both performance and cost.

Résumé

Pour les applications avec de très petits débits massiques, principalement de petits cycles de réfrigération pour les pompes à chaleur et climatiseurs résidentiels/automobiles, des compresseurs volumétriques sont actuellement utilisés. Ces compresseurs sont relativement coûteux à fabriquer et nécessitent de l'huile dans le réfrigérant, ce qui réduit considérablement leur rendement isentropique à 50%-63%, les rendant responsables d'environ la moitié des pertes du cycle. L’huile affecte aussi les autres composantes du cycle pour aussi réduire l’efficacité de ce dernier. Les compresseurs de type turbomachine (à écoulement continu) fonctionnent sans huile et peuvent fournir un rendement beaucoup plus élevée (80%). Cependant, un design de compresseur centrifuge conventionnel pour cette application se traduirait par un impulseur 3D très petite taille en métal avec un diamètre de l'ordre de 20 mm et une hauteur d’aube environ 1 mm tournant aux alentours de 200 krpm. Le coût associé à l'usinage et à l'assemblage de haute précision pour obtenir jeu d’aube (jeu entre le bout de l’aube et le carter) assez petit pour des performances adéquates, combiné au coût du moteur électrique à très grande vitesse rend cette technologie non compétitive. L'avènement d'un compresseur de type turbomachine à faible coût et à haut rendement pour les petits cycles de réfrigération élargirait l'utilisation de la pompe à chaleur pour le chauffage domestique et automobile (en remplacement des combustibles fossiles). En particulier, un tel compresseur serait pratique dans les climats froids où les futures pompes à chaleur pourraient nécessiter plusieurs compresseurs pour fonctionner et pour avoir une efficacité optimisée du cycle pour différentes conditions extérieures. L'intégration d'un tel compresseur dans les unités de climatisation résidentielles et automobiles permettrait également d'économiser de l'énergie grâce à une efficacité de cycle améliorée, ce qui est particulièrement important lorsque l'énergie pour faire fonctionner ces unités est produite à partir de centrales thermiques ou de moteurs brûlant des combustibles fossiles. Les deux types d'applications sont importants pour réduire l'utilisation des combustibles fossiles afin de répondre aux préoccupations liées au réchauffement climatique. Cette étude invente et analyse un nouveau concept de compresseur centrifuge qui peut surmonter les défis mentionnés précédemment associées à un compresseur centrifuge de design conventionnel. Ce concept est centré autour d’un impulseur avec une géométrie spéciale mais simple qui permet d’augmenter significativement le diamètre de l’impulseur et réduire sa vitesse rotationnelle bien en dessous de 100 krpm,. La vitesse plus faible et la contrainte mécanique plus basse qui en résulte ainsi que la simplicité de l’impulseur réduisent significativement le coût de fabrication du compresseur (en permettant de le fabriquer en plastique via le moulage par injection) et le coût du moteur électrique, donnant au nouveau concept le potentiel de surpasser les compresseurs volumétriques actuels dans les petits cycles de réfrigération tant au niveau de la performance que du coût.