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1、书书书第 卷 第期 年 月 安徽省科技攻关计划项目（ ）收稿日期： 作者简介： 胡继孙， 教授级高级工程师， 主要研究方向为制冷压缩机。涡旋式制冷压缩机应用和技术现状及发展趋势胡继孙何亚峰张秀平李炅王汝金吴俊峰（ 合肥通用机械研究院）摘要涡旋式制冷压缩机在制冷空调行业有着广泛的应用， 本文针对现有涡旋式制冷压缩机产品进行调研， 介绍涡旋式制冷压缩机产品应用及技术现状， 分析涡旋结构特殊产品及其技术， 指出涡旋式制冷压缩机产品及技术发展趋势。关键词压缩机； 涡旋式； 技术现状； 发展趋势 （ ） ， ， ， ； ； ； 涡旋式制冷压缩机产品应用现状涡旋式制冷压缩机是由一个固定的渐开线涡旋盘和一个
2、呈偏心回旋平动的渐开线或其他型线运动涡旋盘组成的可压缩容积的压缩机， 其结构精密， 具有体积小、 噪声低、 质量轻、 振动小、 能耗小、 寿命长、 输气连续平稳、 运行可靠等优点。涡旋式制冷压缩机按结构分为开启式、 半封闭式和全封闭式（ 又可分为立式和卧式） ， 目前主要以全封闭结构为主。涡旋式制冷压缩机应用于空调（ 热泵） 、 热泵热水、 冷冻冷藏等领域， 配套的下游产品主要有单元式空调机、 多联机、 模块机、 小型水地源热泵等。涡旋式制冷压缩机单台排量范围为 ， 单台功率范围为 ， 多台并联最大能够达到 左右， 冷量范围大约为 。图所示为 年涡旋式制冷压缩机销量情况。 年我国涡旋式制冷压缩
3、机行业总产量为 万台， 同比增长， 总销售量为 万台， 同比增长 。从制冷空调行业来看， 年在国内 增速持续下滑、 大环境不佳的情况下， 家用空调器销售量实现了 的逆势增长。商用空调方面， 年市场增速小幅提升， 销售量同比增长 ， 其中， 多联机行业在经历几年的高速增长之后， 受到房地产市场的影响 以 及 行 业 基 数 的 不 断 增 加， 增 速 放 缓 至 。随着家用空调的普及率不断提高， 家用多联机有望迎来大幅增长， 这也对涡旋式制冷压缩机的增长起到促进作用。就目前来看， 涡旋式制冷压缩机产品及其市场以空调（ 热泵） 为主， 逐渐向冷冻冷藏、 热泵热水及采暖市场拓展。空调用涡旋式制冷压
4、缩机主要应用于 的单元机以及 的轻商用第 卷图 年涡旋式制冷压缩机销量情况空调， 作为轻商用空调系统领域的主流上游部件。就整个涡旋式制冷压缩机产品系列而言： 在小排量范围内， 小功率涡旋式制冷压缩机主要与大功率转子式制冷压缩机展开竞争。变频转子式制冷压缩机在大功率机型方面拥有成本优势， 未来将向涡旋式制冷压缩机提出挑战； 在大排量范围， 大功率涡旋式制冷压缩机与螺杆式制冷压缩机展开竞争。涡旋式制冷压缩机多台并联机与单机头的螺杆式制冷压缩机相比能够降低成本， 在市场上完全可以与螺杆式制冷压缩机进行竞争。相对于空调用涡旋式制冷压缩机， 冷冻用涡旋式制冷压缩机的市场占比较少。 年， 冷冻用涡旋式制冷
5、压 缩 机 国 内 总 销 售 量 达 万 台， 同 比 增 长 ， 在中高温小型冷库市场的增长尤为明显，与小冷量活塞式制冷压缩机展开竞争。涡旋式制冷压缩机技术现状涡旋式制冷压缩机技术的发展主要围绕结构及零部件研究、 变容量调节、 运行范围拓展、 制冷剂替代等几个方面。）结构及零部件研究涡旋式制冷压缩机的开发主要集中在以下几个方面：涡盘和型线优化。充分利用涡旋式制冷压缩机结构力学、 空气动力学等多学科相结合的方法优化其涡旋型线。加强对涡盘材料的研发， 提高涡盘的热力性能 。零部件摩擦润滑。需要对涡盘及止推轴承的润滑性能进行更加深入系统的理论及试验研究， 确立完善的涡旋式制冷压缩机涡盘摩擦润滑及
6、止推轴承优化设计方法 。采用柔性机构。减少泄漏， 提高涡旋式制冷压缩机的性能及可靠性。高效电机。主要包括异步感应电机、 永磁同步电机和开关磁阻电机种， 如图所示。永磁同步电机由于其体积小、 质量轻、 高效节能等一系列优点， 越来越受到重视， 其控制技术日趋成熟， 控制器已产品化。中小功率的异步电机变频调速正逐步为永磁同步电机调速系统所取代 。图变频电机结构示意图）变容量调节对于涡旋式制冷压缩机， 迄今为止用于调节容量的压缩机技术真正主导市场的只有变频和数码涡旋技术种 。数码涡旋技术是谷轮公司于 年月推向市场的一种压缩机变容量技术。这种调节方式的优点为： 控制简单， 可以准确满足需求的输出容量，
7、 较好的低容量湿度控制， 较大的容量范围， 即使管线较长也易回油； 系统部件较少， 无电磁干扰问题， 装置结构简单。变频技术在涡旋式制冷压缩机上的应用已经比较成熟。目前， 全封闭涡旋式制冷压缩机的变频调节有交流变频和直流变速种方式。变频调节由于避免了频繁的开、 停机， 也就减少了这部分损失。变频调节控制精度高、 温度波动小、 舒适性好， 其缺点是成本高， 变频器本身存在一定的能耗， 而且存在电磁兼容和电磁干扰问题。从能量调节角度看， 数码涡旋技术和变频技术各有优势。但就目前市场份额而言， 变频技术已经远远超越了数码涡旋技第期胡继孙 等： 涡旋式制冷压缩机应用和技术现状及发展趋势术， 连续多年高
8、速发展。）运行范围拓展涡旋式制冷压缩机运行范围拓展技术主要包括中间级喷液、 补气技术以及吸气喷液 。涡旋式制冷压缩机的压比在一定程度上受涡旋盘工作温度的制约， 喷液冷却是保证涡旋盘和轴承可靠工作的重要手段。目前， 涡旋式制冷压缩机有采用喷射制冷剂到中间级压缩腔实现降低排气温度的技术。当向中间级压缩腔喷射制冷剂时， 会增加压缩功， 压缩机的排气温度随着制冷剂的喷入比的增大而降低， 制冷剂的喷入会降低润滑油的温度， 从而抑制压缩功的增加。为使热泵在低温环境中高效、 安全运行， 可以采用经济器提高热泵在低温环境运行时的低温性能， 如图所示。对适应寒冷地区使用的热泵技术研究发现， 采用涡旋式制冷压缩机
9、经济器系统可以明显提高热泵的制热量， 同时有效地解决压缩机排气温度过高的问题， 大大提高其低温适应性。在吸气管直接喷入液体也可有效降低吸气过热度。以上种内部冷却方式在产品中均得到了应用。喷液系统结构简单、 成本低。经济器补气系统制冷量大， 但成本增加。这种技术各有优缺点， 在不同的场合可以采用不同的冷却技术。）替代制冷剂目前涡旋式制冷压缩机的制冷剂替代工作主要包括 和 压缩机的开发。相比采用传统工质的压缩机， 压缩机的特图涡旋式制冷压缩机补气技术示意图点是工作压力高、 结构尺寸小、 压比小以及吸排气压差大。 涡旋式制冷压缩机结构形式主要以全封闭为主， 排气量较常用的制冷剂减小很多， 应用场合主
10、要是热泵热水器和汽车空调以及超市冷冻系统。 涡旋式制冷压缩机在世界范围内早已产业化。表所示为目前 涡旋式制冷压缩机的产品情况 ， 可以看到 涡旋式制冷压缩表 涡旋式制冷压缩机产品现状及结构特点制造商结构特点用途基本参数排量 （ ）娜威科技大学开式汽车空调动盘端板外径： 日本三菱重工半封闭汽车空调外径： 日本电装（ ）电动全封闭汽车空调热水器外径： 高度： 日本松下大阪电信大学无集液器热泵热水器日本电力工业国家研究所东京电力公司日本电装半封闭家用热泵热水器制热能力 日本松下全封闭制冷系统基圈外径： 涡圈厚度： 涡圈高度： 大阪电信大学松下电气紧凑式基圈半径： 涡圈厚度： 涡圈高度： 日本松下大阪
11、电信大学喷油日本日立全封闭、 卧式外径： 长度： 第 卷机的应用在日本比较广泛。图所示为日本松下和日本电装开发的 涡旋式制冷压缩机结构示意图。在国内， 涡旋式制冷压缩机的开发正处于可行性研究、 样机开发、 试验验证阶段。 涡旋式制冷压缩机的开发主要考虑以下几个方面的问题： 动静涡旋盘间的周向、 径向泄漏； 各个运动部件间的润滑问题； 整机性能的理论分析及试验验证； 动静涡旋盘结构尺寸的优化设计； 气路、 润滑油路的合理组织和安排； 零部件材料的选择； 零部件强度校核； 选择合适的润滑油等 。图日本松下和日本电装开发的 涡旋式制冷压缩机由于 的特殊物性， 与 相比， 压缩机存在排气温度高的问题，
12、 这就使得 涡旋式制冷压缩机的开发关键在于：降低排气温度；材料强化；润滑油选择。考虑以上 涡旋式制冷压缩机的重点与难点， 须提出相应解决方案。针对排气温度过高的问题， 目前主要采用喷液补气等方式。艾默生环境优化控制技术有限公司对带补气回路和不带补气回路的 系统进行了对比。结果显示经济器补气在制冷工况和制热工况下对 涡旋式制冷压缩机的能力分别提升了 和 。图表明， 在制冷工况下， 带补气回路（ 开） 的 系统的 比不带补气回路（ 关） 的低 。这是因为经济器补气时冷凝温度要高 ， 需要消耗更多的功率。但是在制热工况下， 带补气回路的 系统的 比不带补气回路的高 。所以， 带补气回路的压缩机可以给
13、系统的制冷、 制热能力和能效比带来更多的提升 。 压缩机技 术的 开 发相 对 比 较成熟。从 年初开始， 国内品牌空调企业对 制冷剂的替换进程明显加快， 转子式制冷压缩机、 涡旋式制冷压缩机的替换工作已列入日程，一方面积极同上游压缩机厂家进行产品匹配， 另一方面开始进行生产线的改造。图 带补气回路和不带补气回路的 系统（ ） 性能对比涡旋结构特殊产品） 电动汽车空调压缩机在能源和环境的双重压力下， 新能源电动汽车由于具有低排放、 经济性好等优点， 已被列为国家战略性发展新兴产业和鼓励扶持及研究的重点领域。新能源电动汽车已进入快速发展通道， 逐步成为汽车行业未来发展热点。空调系统是汽车的重要组
14、成部分， 与传统汽车空调系统相比， 电动汽车空调需要进行重新设计开发， 尤其是压缩机。表所示为某公司开发的电动汽车涡旋式制冷压缩机系列产品。目前， 电动汽车空调压缩机产品主要 型 式 为 涡 旋 式， 使 用 的 制 冷 剂 为 ， 和 等。电动汽车空调用制冷压缩机产品的设计、 研发与生产技术已趋于成熟， 成功实现市场化。就电动汽车空调压缩机单体而言， 当前技术研发的重点涉及热泵压缩机应用技术（ 尤其是低环境温度制热技术） 、 泵体优化设计、 电机优化以及系统集成应用等关键技术， 在压缩机（ 总成） 产品与整车安全兼容、 产品（ 含驱动控制器） 电气安全、 电磁兼容等方面的研究也是持续的热点，
15、目的在于进一步提高压缩机的性能及可靠性。第期胡继孙 等： 涡旋式制冷压缩机应用和技术现状及发展趋势表某公司电动汽车涡旋式制冷压缩机产品系列）涡旋式膨胀机工业余热、 地热、 太阳能和生物质能等这些中低温热源普遍具有分布广、 功率小的特点， 比较适合采用中小型有机朗肯循环。对于中小型有机朗肯循环， 涡旋式膨胀机具有低转速、 高效率， 可工作于两相区运行稳定， 价格适中等特点， 特别适用于 小型有机朗肯循环系统。因此， 研究适用于中小型有机朗肯循环的涡旋式膨胀机对于中小型有机朗肯循环系统的推广与应用具有十分重要的意义。国内外已有一些研究人员对于有机朗肯循环涡旋式膨胀机进行了研究 ， 其中主要以试验方
16、法 为 主，采 用 的 有 机 工 质 主 要 包 括 ， ， 和 等， 发 电 功 率 一 般 在 以下。目前， 国内外研究人员对于涡旋式膨胀机有机朗肯循环的应用研究， 主要包括发动机余热、 小型锅炉余热等。对于涡旋式制冷压缩机效率的提升， 有研究人员提出了采用圆渐开线加过渡直线的方法增大吸气容积、 扩大进口面积。结果表明， 改造后的涡旋式膨胀机的输出功率和全效率大幅提高， 其中最大输出功率增加了 ，并具有较宽的高效运行工作区间。涡旋式制冷压缩机产品及技术发展趋势）产品发展趋势相比于转子式压缩机， 涡旋式制冷压缩机市场的竞争相对缓和， 利润水平也较好， 在空调（ 热泵） 领域具有很好的应用前
17、景。同时， 随着涡旋式制冷压缩机的补气增焓、 中间级喷液技术的成熟，在冷冻冷藏以及热泵领域得到了一定的应用， 未来涡旋式制冷压缩机市场将向冷冻冷藏、 热泵热水及采暖领域拓展。随着转子式压缩机大功率机型的技术难题和能效问题的逐步解决， 大功率直流变频转子式压缩机正在逐步推向市场。由于大功率转子式变频压缩机在成本方面的优势， 未来将会与涡旋式制冷压缩机展开激烈竞争。但涡旋式制冷压缩机多台并联机的能效和成本在市场上完全可以与单机头的螺杆式制冷压缩机组进行竞争。涡旋式制冷压缩机在冷冻冷藏领域得到了推广应用， 在中高温小型冷库市场的增长尤为明显， 未来将与小冷量活塞式制冷压缩机展开竞争。 涡旋式制冷压缩
18、机在日本已经批量生产，应用于 热泵热水器。 涡旋式制冷压缩机关键技术基本得到解决， 在日本已经批量上市。 涡旋式制冷压缩机以及 涡旋式制冷压缩机将会有广阔的应用前景。随着新能源汽车的发展， 电动汽车空调压缩机市场份额将逐步增大， 而电动汽车空调压缩机第 卷的发展以涡旋结构为主。）技术发展趋势综观目前涡旋式制冷压缩机研究现状和应用情况， 对今后几年涡旋式制冷压缩机的研究发展方向归纳为：能效提升充分利用涡旋式制冷压缩机结构力学、 流体力学等多学科相结合的方法优化其涡旋型线， 寻求更优的性能型线和加工方法的简化。对密封和润滑性能的要求越来越高， 进一步减小气体泄漏和机械摩擦损失。改进压缩机的平衡机构
19、， 特别是轴向气体力的平衡， 从而提高涡旋式制冷压缩机的工作效率和可靠性。加强对变频电机的研发， 提高部分负荷能效。制冷剂替代新的制冷工质对涡旋式制冷压缩机的结构设计提出新的要求， 特别是 涡旋式制冷压缩机和 涡旋式制冷压缩机的研发， 将成为未来的研究热点。运行范围拓展深入开展补气增焓及中间级喷液技术的研究， 加强涡旋式制冷压缩机运行范围拓展带来的技术问题研究， 特别是对其在冷冻冷藏和热泵中应用的研究。降噪和轻量化技术随着人们对舒适性的追求， 涡旋式制冷压缩机的降噪技术逐渐被重视。对于气体流动设计、机械振动带来的噪声得到了一定的研究。涡旋式制冷压缩机的轻量化主要从材料、 电机的角度入手。涡旋式
20、制冷压缩机的降噪技术和轻量化技术的研究将成为涡旋式制冷压缩机的研究热点。参 考 文 献中国制冷空调工业协会中国制冷空调行业 年度报告中国制冷空调工业协会 中国制冷空调行业 年度报告中国制冷空调工业协会中国制冷空调行业 年度报告中国制冷空调工业协会中国制冷空调行业 年度报告中国制冷空调工业协会中国制冷空调行业 年度报告张彦斌涡旋压缩机产能呈增长态势制冷与空调， ， （ ） ： 荆华乾， 高恩元， 于志慧， 等 年度中国制冷行业发展分析报告 制冷技术， （ ） ： 程哲铭， 欧阳新萍， 雷蓉 涡旋式压缩机涡旋型线的研究综述与前景流体机械， ， （） ： ， ， ， ， ： ， ， ， ： ， ，
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