制冷与空调技术的现状和发展

1技术现状

制冷压缩机在面临环保、节能、以及企业间竞争等一系列的挑战中出现了新的突破。在整个压缩机工业的方方面面都广泛使用的电子计算机成为不可或缺的手段，这包括计算机数据采集和整理，计算机辅助设计、设计和工艺的优化等。其带来的总体效果体现在压缩机的小型化和高效率，此外，噪声和振动得到降低，可靠性得到提高和寿命得到延长。而在取得这些成就的过程中所消耗的开发、设计和生产制造时间都比过去短且费用亦低。表示了目前各类压缩机的大致应用范围及其制冷量大小，图中虚线包围的部分表示该结构型式压缩机制冷量拓宽的方向。涡旋式由两部分组成，前一部分表示车用空调。

往复式制冷压缩机是一种传统的制冷压缩机，最大的特点是可以实现制冷量和压力比的任意设计。虽然它的应用还比较广泛，但市场份额正逐渐减小。

1.1往复式压缩机

到目前为止，冰箱（包括小型冷冻与冷藏装置）的主机仍以往复式压缩机为主。通过气阀结构、摩擦副等的优化设计，往复式冰箱压缩机的制冷系数（单位功率制冷量）已由九十年代初期的1.0（w/w）提高到如今的1.8左右；除了节能技术的进步外，与环境保护密切相关的制冷剂替代技术也取得了可喜的进步，我国的冰箱系统已大量采用R600等碳氢化合物，小型制冷装置上也采用了R134a等新的工质。进一步提高往复式冰箱压缩机的效率、降低系统噪声仍然是它的发展方向。

1.1.1线性压缩机

线性压缩机依然使往复式，由于电机的直线运动可以直接带动活塞的往复运动，从而避免了曲柄连杆机构的复杂性和由此带来的机械功率的消耗。装配线性压缩机作为冰箱系统已经面世，线性冰箱压缩机的的制冷系数已超过2.0（w/w），市场前景看好。主要问题是压缩机油路系统的设计和电机线性位移极限点的有效控制及相应的防撞缸技术。

3.1.1.2斜盘式压缩机

斜盘式压缩机也是往复式压缩机的一种变型结构，目前主要用于车用空调系统。经过几十年的发展，斜盘式压缩机已经成为一种非常成熟的机型，在车用空调压缩机市场占有70以上的份额。尽管如此，因为它仍属于往复式结构的系列，所以在汽车空调系统中的能效比（制冷系数）也只有1.5左右，且体积大、重量大。由于斜盘式汽车空调压缩机的工艺成熟，加上技术的进一步改进，在可预见的将来，仍将保有一定的市场份额，但在一定的排量范围内被逐渐替代却是必然之路。

1.2转子式压缩机

转子式压缩机于上世纪七十年代起受到国内的关注，它的代表结构包括滚动活塞式、滑片式等。目前滚动活塞式广泛应用于家用空调器上，在电冰箱上也有一些应用。这种压缩机不需要吸气阀，使它适用于变速运行，从而可以通过变频控制提高系统性能。为了确保大功率（电机输出功率达3P）滚动活塞式压缩机的性能，国内与上世纪末开始研发双转子滚动活塞式压缩机，现已投放市场。双转子滚动活塞式压缩机结构上有两个优点：①转动系统的受力情况得到较大改善，机器的振动与噪声有所降低；②增加了单机的容积排量，提高了电机的输出功率。

在3P以下的空调器中，暂时没有可以替代滚动活塞式压缩机的较好机型。所以提高压缩过程的效率、减低噪声、电动机变速控制以及采用R410A等新制冷工质后的相关技术问题等，是滚动活塞式压缩机的研究方向。

滑片式压缩机属于转子式压缩机的一种，主要用来提供压缩空气，排气量一般在0.3—3m3/min，市场占有率较低。

旋叶式压缩机是滑片式压缩机的一种改型结构，由于它的起动性能比较好、压缩过程力矩变化亦不大，目前主要用于微型轿车和一些排量比较小的工具车的空调系统。高速下的动力特性是这种压缩机的主要技术研究方向。

1.3螺杆式压缩机

螺杆式压缩机具有尺寸小、重量轻、易维护等特点，是制冷压缩机中发展较快的一种机型。一方面，螺杆型线、结构设计有了长足的进步，另一方面，螺杆转子专用铣床特别是磨床的引进，提高了这对关键零件的加工精度与加工效率，使得螺杆压缩机的性能得到了有效提高，产业化生产的必备硬件也有了保障。目前，螺杆压缩机以压缩空气为主，在中型热泵式空调系统中也有成功的应用。由于螺杆式压缩机工作可靠性的不断提高，使之在中等制冷量范围内已逐渐替代往复式压缩机并占据了离心式压缩机的大部分市场。

1.4涡旋式压缩机

涡旋式压缩机在过去十年中得到了快速发展，从基本理论、结构研究、工业样机开发到最终实现规模化工业生产，构成了压缩机技术发展的新亮点。数控加工工艺的发展使涡旋压缩机得以实现大批量生产，无可比拟的性能优势是其大量进人市场的前提。短短数年，已在柜式空调领域占有绝对优势。在柜式空调系统，涡旋压缩机的制冷系数已达3.4（w/w）；在车用空调领域，涡旋压缩机的制冷系数已达2.0（w/w），显示出很强的竞争潜力。涡旋压缩机的发展在于扩大其制冷量范围、进一步提高效率、使用替代工质和降低制造成本等方面。

由于没有气阀，压缩过程力和力矩变化小等结构上的优点使之更适合于变频调速运行，这也成为涡旋压缩机技术发展的主要方向。开发变排量机构也是涡旋压缩机技术发展的重点。目前，利用轴向“柔性”密封技术，理论上可以实现制冷/制热容量10%-100%范围内的调节。

由于涡旋压缩机近乎连续的吸排气特性、低的起动力矩以及抗液击能力，涡旋压缩机的并联使用创造了条件。并联使用的涡旋压缩机可以大大增加机组的制冷能力，可以从目前的单机25匹马力提高到单机组100匹马力（4台的单机并联），而且使得冷量的调节更为合理，充分发挥单机效率最高的优点。但单机并联出现的最大问题，就是回油不平均易造成机组使用时单机的烧机现象。

1.5离心式压缩机

目前在大冷量范围内（大于1500kW）仍保持优势，这主要是受益于在这个冷量范围内，它具有无可比拟的系统总效率。离心式压缩机的运动零件少而简单，且其制造精度要比螺杆式压缩机低得多，这些都带来制造费用相对低且可靠的特点。相对来讲，离心式压缩机的发展有所缓慢，因为受到螺杆式压缩机和吸收式制冷机的挑战。

离心机的市场容量大约在700～1200台之间徘徊，因为在目前的技术前提下，该机型主要用于大型建筑物的空气调节，需求量有限。近几年由于大型基建项目纷纷上马，离心式制冷与空调压缩机又成为关注的热点。解决喘振现象、改善气量调节和随工况变化的适应能力、小型化技术等是离心式压缩机技术发展的主要方向。

1.6其它结构形式

单齿压缩机、十字滑块式压缩机等一些结构独特的容积式压缩机也有一定程度的发展，但在国内尚未形成生产能力。

1.7其它

为了适应特殊地区环境调节的需要，比如中东等高温高湿地区的空气调节要求，有针对性地开发高负荷高工况制冷压缩机也取得了较好发展，目前采用的主要结构型式是活塞式压缩机和旋转式压缩机。

为了适应压缩新制冷剂的需要，润滑油特性的研究尤其是匹配性能的实验研究是制冷行业的基本任务之一。R407C、R410A等非共沸制冷剂的蒸发温度滑移现象、吸气管中油气两相流动规律等是制冷工质替代带来的压缩机和制冷系统的若干基础问题之一。

另外，容积式（比如涡旋式和螺杆式）试图向大容量发展，离心式则试图向小容量发展。随着综合技术的不断发展和市场的相互渗透，总有一天我们将很难仅从制冷量大小的角度去判断压缩机的结构型式，特别是容积式和速度式制冷压缩机的适应制冷量范围。

2基础理论和共性技术研究

2.1工作过程模拟与优化

模拟容积式压缩机的瞬态工作过程，进一步揭示密封、润滑与导热的机理，建立新的数学模型，改良设计方法等，是提高容积式压缩机工作性能的主要途径之一。从几何学和运动啮合原理出发开发新的压缩腔型线，应用有限元理论分析关键零件的热、力变形及其对密封间隙的影响，以及通过对气体流动规律的认识来判断相关损失等，是优化设计的必要工作。

离心式压缩机则应从流场出发，研究叶轮机械内部复杂的三维非定常、非对称流动现象，深化对激振力产生机理以及失速、喘振等现象的认识，探索通过诱导流场主动控制气动失稳、提高稳定裕度的途径。研究高参数下微小间隙约束自激源特性，建立超常工况流体激励下的轴系非线性稳定性和动力响应模型，研究提高轴系稳定性的工程适用方法。暖通百科

2.2变工况设计理论

容积式压缩机现有的结构设计都是以规定设计工况为前提，规定设计工况又是考核压缩机性能优劣的必要条件。可靠性与寿命考核的工况则是以压缩机的安全运行为目的。实际上，制冷压缩机的运行工况与环境（温度、湿度）有很大关系，规定设计工况下的高性能并不表示实际运行时的能量节省。所以，有必要开展变工况设计理论的研究。

3.2.3超常工况下的安全运行与控制

特别恶劣的环境条件、系统压力的突然升高等超常工况的出现以及高转速、跨临界等高参数的要求，对压缩机的运行效率与可靠性提出了挑战，必须进行专题研究，也是未来容积式压缩机和制冷技术进步的象征。

2.4制冷压缩机与环境保护

传统的制冷剂（R11，R12，R22等）的排放对大气环境造成严重破坏已成为不争的事实，新的环境友好制冷剂的研究开发正在积极进行当中。制冷剂的替代不仅要求制冷系统做相应的更改，也要求压缩机适应相应的要求。因此，适应于新型制冷工质的压缩机技术的研究开发成为压缩机技术发展的重点之一，制冷工质替代对压缩机与相关系统的影响以及相关设计思想与对策的研究，是不容忽视的重要研究内容。

2.5无油润滑及特殊用途压缩机研发

由于一些特定应用环境的要求，无油润滑或其他一些特殊结构的压缩机被提出，比如用在航天器上食品与蔬菜保鲜、飞机吊舱空调系统等。这就需要我们研发特殊结构的压缩机以适应特殊的环境要求。

2.6新原理、新结构开发

涡旋压缩机、螺杆压缩机仍将是未来一段时间内容积式压缩机技术发展的重要方向。根据容积式压缩机的结构特点，人们一直在尝试并探索一些新的结构，效率高、工艺性好的新型压缩机将成为开发的重点。

2.7其他

压缩机技术的发展离不开诸如电机、材料、机械加工、测试、计算机技术及控制等相关学科的技术进步，反过来，压缩机与制冷技术的不断进步也推动着相关学科的发展。