涡旋压缩机发展技术及前景

杨紫1234

       涡旋压缩机发展技术及前景
摘要：阐述了涡旋压缩机的发展历程，主要特点。以及在今后一段时间内，有关涡旋压缩机的研究发展方向和发展的技术动向，在追求更高效率，采用先进的数码涡旋技术和调节技术，涡旋压缩机的大规格化，涡旋压缩机的新冷媒化等方面的最新研究状况，并指出了在今后一段时间内涡旋压缩机的研究方向。

关键词： 涡旋压缩机；发展历程；前景

1.1涡旋压缩机的发展历程

涡旋机械的构思是本世纪初期法国工程师克拉斯（Crucx）提出的，并于师克拉斯（年取得美国发明专利权。该发明专利阐述了一种新型旋转式发动机（Rotary  Engine） ，其实它的工作原理就是如今人们所称的涡旋机械。

此后近70年间，涡旋机械并没有得到更深入的研究和发展。原因之一是它的重要性还未被人们充分认识，其次是没有高精度的涡旋型线加工设备。

进入本世纪70 年代，由于能源危机的加剧及数控加工技术的发展，给涡旋压缩机的发展年带来了机遇。1972年，美国Arthur D Little（简称A.D.L）公司成功地开发出压缩氦气的涡旋压缩机，并把它用在远洋海轮上，标志着涡旋压缩机实用化年代的到来。

进入90年代，涡旋式压缩机的系列化产品相继面世。日本松下电器公司生产出用于家用空调的小型全封闭涡旋压缩机。东芝公司推出了列车空调压缩机。美国凯利（Carrier ）公司则在冷水机组上并联使用涡旋压缩机，以提高整机制冷量。用于变频调速、压缩空气或其它用途的涡旋式压缩机也得到了快速发展。

美国考普兰公司（Copelend Corporation）是生产制冷压缩机的专业厂家，尽管其涡旋压缩机的研究开发起步较晚，但现在已成为设计技术先进、生产规模最大的涡旋压缩机生产厂家，年的产量达二百万台之多。

在我国，涡旋压缩机的研究开发工作始于1986年，经过十余年的努力，已形成了比较成熟的涡旋式空调与制冷压缩机设计技术，2.2~5.9KW(3~8hp）的柜式空调用涡旋压缩计机已工业化小批量生产，其它特殊用途的涡旋式压缩机也正在研究开发之中。

涡旋压缩机研究工作起步较早，技术比较成熟，发展速度较快且具有较强的生产能力。对于空调用涡旋压缩机，美国的Copeland公司是全球最大的涡旋压缩机制造商。截止至2002年,全球累计有2800万台Copeland制造的涡旋压缩机，在全球涡旋压缩机的年总产量约为600万台。Carlyle-Carrier公司于92年开始推出2～9HP的涡旋压缩机，目前年产量己达100万台。Trane公司于92年开始生产7.5～15HP的涡旋压缩机。在日本,Daikin, Hitachi, Matsushita, Mitsubishi Electric, MHI, Sanden, Sany和Toshiba-Carrier等公司都致力于生产涡旋压缩机，但数量上没有一家可以与Copeland公司竞争。韩国的Century公司生产5款1.5～5.OHP的涡旋压缩机，LG Electronics在世界各地的工厂都己经有涡旋压缩机生产线准备上市。瑞典的Atlas公司、日本的岩田涂装、三井精机公司等在涡旋空气压缩机方面具有一定的生产能力。

我国有关涡旋压缩机方面的研究和生产起步较晚，国内研究工作开始于上世纪80年代后期，主要研究单位是西安交通大学、兰州理工大学涡旋研究所、原机械工业部合肥通用机械研究所等科研院所。经过多年的努力,己研制出多系列汽车空调涡旋压缩机、涡旋空气压缩机、天然气涡旋压缩机、无油润滑涡旋压缩机等,国内涡旋压缩机理论研究和生产实践都取得了巨大的成果。广州万宝压缩机股份有限公司引进了日立的一条年产12万台空调用全封闭涡旋压缩机的生产线,西安大金庆安压缩机有限公司和日立大金工业株式会社合作年产10万台柜式空调压缩机，Copland公司在苏州建立了生产100万台5HP涡旋压缩机的生产线,大连三洋(Sanyo)公司也一直致力于制冷空调涡旋压缩机的研究。综观国内外涡旋压缩机的研究开发现状、生产制造水平、以及市场的需求趋势，今后一段时间内，有关涡旋压缩机的研究动向可归纳为：降低生产制造成本被列为研究工作的首要任务之一。提高涡旋盘的生产效率，设计出更加紧凑与更加适宜于工业化生产的结构都是直接的措施；通过压缩过程模拟及优化设计、采用新的材料与新的机构来减少机械摩擦损失、气体泄漏损失、传热损失和气流阻力损失，提高涡旋压缩机的工作效率和工作可靠性；拓宽应用范围和使用领域，实现产品系列化。扩大变频调速技术和热泵技术的应用；适应新的制冷工质对涡旋压缩机结构的要求。

1.2涡旋压缩机的主要特点

涡旋压缩机是继往复式压缩机、转子压缩机、螺杆压缩机之后的又一种新型高效容积式压缩机，被公认为是技术最先进的第三代压缩机。与同等容量的往复式压缩机相比，主要零部件仅为往复式的1／10，体积减小40％左右，噪声下降5～8dB，效率提高10％，重量减轻15％，驱动力矩的波动幅度仅为往复式的1／10。由于涡旋压缩机独特的结构形式和运动规律，使其具有优良的热力性能和力学性能。其主要优点如下：零件数少、无气阀等易损件，因而结构简单紧凑、体积小、重量轻、可靠性高；无吸排气阀，因而气体流动损失小、吸排气损失小、无气阀的敲击噪声和由此引起的振动；吸气过程是主动的包容运动且持续时间长，无吸气余隙，容积效率高；工作腔容积变化过程持续时间长，因而压缩平稳、排气接近连续，气流脉动小；主轴回转半径小，且可对旋转零件进行平衡，因而旋转惯性力小、运动平衡性能好、整机振动小、运转平稳。；动、静两涡旋盘之间相对滑动速度小，因而摩擦磨损小、主轴可选用较高转速；可实现径向和轴向随变，能够实现径向和轴向的磨损补偿、对系统杂质和液体具有较高的容许量；定压缩比压缩，因而启动性能好，转速可在较大范围内调节且效率变化不大，变转速特性好；多个压缩腔同时工作，因而转矩和驱动力矩的变化幅度小；相邻压缩腔的压差小，因而工作腔间的密封性好，气体泄漏小。

由于涡旋压缩机是依靠高精度涡旋齿型线的啮合和两涡旋盘之间的相对公转平动完成气体的压缩，因此涡旋压缩机存在如下缺点：涡旋盘的加工精度要求高，涡旋齿型线的加工难度大；整机摩擦副数量较多；难以实施压缩气体的外部冷却，工作过程中的热量不易导出，因而压缩比不能过大，适用于压缩指数较小的气体，或需对压缩腔进行喷液以进行内部冷却；当排气压力变化时，其变工况性能欠佳；难以适应较大排气量和较高压力比的应用场合。

综合起来，涡旋压缩机有以下特点：多个压缩腔同时工作，相邻压缩腔之间的气体压差小，气体泄漏量少，容积效率高，可达90%—98%；驱动动涡盘运动的偏心轴可以高速旋转，因此，涡旋式压缩机体积小、重量轻；动涡盘与主轴等运动件的受力变化小，整机振动小；没有吸、排气阀，涡旋压缩机运转可靠，且特别适应于变转速运转和变频调速技术；由于吸排气过程几乎连续进行，整机噪声很低；轴向和径向柔性机构提高了涡旋压缩机的生产效率，而且保证轴向间隙和径向间隙的密封效果，不因摩擦和磨损而降低，即涡旋压缩机有可靠的和有效的密封性；在热泵式空调装置中，涡旋压缩机有着良好的工作特性；动涡盘上承受的轴向气体作用力，随主轴转角发生变化，很难恰如其份地加以平衡，因此轴向气体力往往带来摩擦功率消耗；涡旋盘的加工精度，特别是涡旋体的形位公差有很高要求，端板平面的平面度，以及端板平面与涡旋体侧壁面的垂直度，应控制在微米级，因此，需采用专门的加工方法、加工技术和加工设备。

1.3涡旋压缩机的发展优势

综观过内外涡旋压缩机的研究开发现状、生产制造水平，以及市场的需求趋势，在今后一段时间内，有关涡旋压缩机的研究发展方向可归纳为一下几个方面：降低生产制造成本仍然是研究工作的首要任务，需要进一步提高涡旋盘的生产效率、设计出更加紧凑和更加适宜于工业化生产的涡旋盘结构形式；通过对涡旋机械工作过程的研究及其结构的优化设计，采用新的材料与新的机构来减少机械摩擦损失、气体泄漏损失、传热损失和气流阻力损失，提高涡旋压缩机的工作效率和工作可靠性；拓宽涡旋机械的应用范围和使用领域，研究大功率、大流量涡旋空气压缩机，实现其产品的系列化。

涡旋压缩机作为第3代压缩机产品，与第1代往复式压缩机比较，有结构简单、体积小和重量轻的特点。它的主要零部件仅为往复式的1/ 10，体积减小40%左右， 噪声也下降5~8dB( A ) ；无气阀等易损件，流体的流动损失也减至最小；转速可在较大范围内调节,且效率变化不大；多腔同时工作，转矩均匀。图3为涡旋压缩机振动和噪声特性曲线, 图4为其转矩变化特性曲线。图5给出了2 种压缩机在不同压力比下的效率曲线。与第二代产品回转式压缩机相比较，涡旋压缩机有较高的容积系数，且气流脉动低10%左右。

图3    1.往复式（1缸） 2.往复式（2缸） 3.涡旋式

图4 涡旋压缩机的转矩特性

图5 2种压缩机不同压力下的效率曲线

涡旋压缩机应用在汽车空调上有其它压缩机不可替代的优势，日本、美国几个大公司就首先将涡旋压缩机用于汽车空调。德国汉诺威大学曾对往复式、汪克尔、滑片式、六缸斜盘式、五缸斜盘式、螺杆式、滚动活塞式以及涡旋式等8 种车用空调压缩机进行性能比较，涡旋压缩机转速在4000 r/ min以上时性能明显高于其它类型压缩机，而这个转速范围正是汽车正常运行工况的压缩机转速。图6给出了8种车用空调压缩机性能的比较。

图6  8种压缩机性能比较

涡旋压缩机在原理上有许多优点, 然而要使这些优点真正反映在产品中， 则必须有正确合理的设计方案和高精度的加工及严格的装配工艺，其中设计方案是否合理尤为重要。传统设计方法是经验、半经验方法，费时、费工, 效率低，而且最终方案并不是整体的最佳方案。采用优化设计方法，以能够正确反映压缩机实际工作过程的数学模型为基础，利用计算机求解，得到压缩机性能参数与各设计变量间的相互关系，再运用适当的寻优方法可得出最优的设计方案。涡旋压缩机的研究与开发已受到各界的广泛重视，其发展极其迅速，变频调速技术在涡旋空调系统中的应用使其独特的优点得以充分体现。今后一个时期，涡旋空气压缩机将逐步向高压和大功率方向发展，其应用范围将进一步扩大，特别适合于环保要求高的特定应用场合。在空调系统中，新的制冷工质对涡旋压缩机的结构提出新的要求，经过结构改进，涡旋压缩机将会更加适应此种应用场合。可以预测，涡旋压缩机的研究和制造将会在我国有一个较大的飞跃，其前景相当乐观。

1.4目前涡旋压缩机发展的技术动向

相对于传统往复式、滚动活塞式及螺杆式压缩机，涡旋式压缩机具有效率高、可靠性强、低振低噪、重量轻、体积小等特点，近十几年来在世界各国迅速发展，尤其是空调领域，市场占有率一路攀升。为适应新的要求，特别是节能、环保等新标准的采用，目前涡旋式压缩机正试图在以下几个方面有所突破。

1.4.1追求更高的效率

无论是从美国SEER 13标准还是从国内颁布的相关标准来看，节能已成为全世界的共识。而要降低空调能耗，就必须提高压缩机的COP和SEER。目前主要通过整体优化设计、采用新材料和新结构等途径来提高压缩机的效率，同时降振减噪, 提高可靠性。整体优化设计提高效率。

型线的优化：采用通用型线。涡旋压缩机的工作过程主要依赖于容积的变化来实现，目前采用的单一型线、修正型线、组合型线存在着模型针对性强，与性能参数的映射关系缺乏通用性，设计计算工作量大等问题，而采用通用型线除了包含常用典型的型线外，还易于扩展出新的型线和便于建立优化的统一数学模型， 并可方便地进行正向分析和逆向修正。通用线性方法如下：

其中前俩式为静盘内、外侧型线方程; 后俩式为动盘内、外侧型线方程。目前各研究机构纷纷对通用型线的热、动力特性进行详细的研究，并确定了各种计算公式。通用型线的提出及应用, 使涡盘的加工精度、整机的性能都更上一层楼。

密封的优化：采用无末端密封化技术，根据两涡盘部件的热膨胀系数，通过控制装配时的涡旋顶端间隙，将无因次间隙 (表示涡旋顶端间隙 除以涡旋高度的无因次间隙)，设定在适当的范围( = 25~ 40)，通过热变形自适应调节减小顶部泄漏，保证在所有工况下都能提高效率( )。解决了有末端密封在压缩机转速低、排气压力和吸气压力的压差小的条件下不能有效地起作用的问题。

设计参数的优化：有的公司选取涡旋圈数、背压孔位置角、涡旋齿厚3个基本参数为设计变量，以能效比为目标函数，进行优化设计，优化后使整机性能有了较大的提高。有的提出涡旋压缩机等效缸径的概念，将型线的高度、槽宽和厚度作为3个独立的无量纲特征参数，给出了不同设计条件下特征参数的优选策略。

压缩腔供油量优化：利用旋转运动的间歇供油装置，该装置在动涡盘上设置供油孔，由这个供油孔将面临中间压部的比例设定成规定的值，同时可以将油供给量调整为任意值。通过对压缩腔供油量的最佳化研究，在所有的条件下,提高了效率( )。

同时通过中间背压腔压力的最优化、加强油循环管理、优化吸气管理，强化压缩机周围热量传递等参数的全面优化改善性能，提高能效比。Cope land推出新一代涡旋压缩机，其中R410A冷媒产品， COP可高达3.08( ASHRAE /T条件), 同时可大大降低噪音, 提高可靠性。

采用新结构提高效率：采用变壁厚高背压结构。实验证明在3~ 8HP的范围内采用高背压，由于直接吸气，减少了吸气加热损失，可比低背压压缩机容积效率高大约10% (这时需采取措施确保电机可靠性)；在此基础上再使用变壁厚的涡旋盘可使指示效率提高约4. 5%，两项相加可使涡旋压缩机COP提高大约13%。目前各公司正通过大力改进结构，减少压缩机零部件，使用轴向和径向柔性补偿机构抵消一部分机械加工和装配产生的间隙误差，改善涡盘轴向密封、提高容积效率同时防止液击及固体杂质对型线损坏，保证压缩机的平稳运行、采用剩磁通密度高、低速时效率高的稀土类磁铁及将分布绕线改为集中绕线等新技术，实现电机高效率化、增强温度保护和采用大轴承系统、新专利的平衡块及机械结构设计来提高压缩机的效率。

1.4.2采用先进的数码涡旋技术和调节技术

以前涡旋压缩机一般采用变转速及多机并联方式进行容量调节，但是这两种方法存在着系统COP和SEER 较低，不够环保等缺点。Copeland 公司作为全球规模最大、技术最先进的制冷空调涡旋压缩机制造商，在压缩机能量调节领域作了不少技术创新，采用了完全不同于以往变转速及多机并联方式的两级调节和数码涡旋技术进行容量调节方法。

数码涡旋技术：数码涡旋压缩机的外部，有一个电磁阀，它可以控制动静涡盘间的位置关系-轴向分开或者轴向闭合。当动静涡盘轴向分开时，压缩机完全卸载；当动静涡盘轴向闭合时，压缩机正常工作。数码涡旋压缩机，有着较多的优点: 宽广的能量调节范围( 10% ~ 100% )；很少的启动/停止；线性的能力曲线，保证温度控制的连续性；低噪音、低振动(压缩机在定速下运行, 无高频噪音问题)；系统应用简单方便(无需变频控制器, 无EMI问题)；与普通变频系统相比成本上很有竞争力等。数码涡旋压缩机已广泛应用于三星、美的、春兰等的多联变容量空调之中。

两级调节技术：两级调节技术的实现方式为: 在压缩机涡盘处开有两个内旁通孔，在压缩机壳体内部设置有一个电磁阀。当电磁阀关闭时，旁通孔打开，一部分涡盘内的制冷剂被卸载，此时运转负荷控制在67%。当电磁阀吸合时，旁通孔被密封，此时运转负荷控制在100%。具体如图7所示。

图7   压缩机容量调节原理图

由于空调机组在实际运转中, 大部分时间处于部分负荷下，该项技术主要应用在负荷变化不大的系统中，在一定程度上提高了机组在部分负荷时的运转效率, 同时比数码涡旋压缩机节约造价。该技术目前用于2004年展出的R410A U ltraTechTM 压缩机, 其容量有两级调节: 67% 和100%。它是介于数码涡旋压缩机(容量10% ~ 100%之间无级可调)和普通定速(只能在100% 负荷运转)涡旋压缩机之间的能量调节技术。该技术的优势是产品价格要比数码涡旋低。

1.4.3涡旋压缩机的大规格化

原先涡旋压缩机的规格一般小于25HP, 25HP以上是螺杆式压缩机等的传统领域。目前情况有了很大的改变，市场上陆续出现了25 HP、30 HP 的空调涡旋压缩机(单机)。另据JARN 期刊报道，在2004年的IKK展上，Copeland展出了60HP的卧式涡旋压缩机(单机)，双机并联可达到120HP。凭借大规格以及本身的优越性能涡旋压缩机将进一步扩大它的市场份额。

1.4.4涡旋压缩机的新冷媒化

为了应对环保问题, 各制造商基本上都已经推出了R410A 和R407C冷媒空调涡旋压缩机。从目前的动向看，由于/效率问题等，在中等规格6HP及以下的范围内，倾向于采用R410A 冷媒，在6HP以上范围，倾向于采用R407C 冷媒。

1.5涡旋压缩机的工作原理

涡旋式压缩机是一种借助于容积的变化来实现其体压缩的流体机械，这一点与往复式压缩机相同。涡旋压缩机的主要零件包括动涡盘、静涡盘、支架、偏心轴及防自转机构，这些零件的装配关系见图8.

图8 涡旋压缩机的主要零件                   涡旋压缩机的压缩腔

1—静涡盘    2—动涡盘    3—防自转机构             1、2、3压缩腔

    4—偏心轴      5—支架

动静涡旋盘的最常用型线是圆的渐开线及其修正曲线。下面以圆的渐开线涡旋型线为例来说明涡旋压缩机的工作原理。

把涡旋型线参数相同、相位差π、基圆中心相距r(r的取值与渐开线节距及壁厚有关）的动涡盘与静涡盘组装后，可以形成数对封闭的月牙形容积腔。容积腔的轴向投影如图8所示。当偏心轴推动动涡盘中心（指基圆中心）绕静涡盘中心（指基圆中心）作半径为r的圆周轨道运动时，这些封闭的容积腔相应地扩大或缩小，由此实现气体的吸入、压缩和排气的目的。低压气体从静涡盘上开设的吸气孔口或动静涡旋盘的周边缝隙进入吸气腔，经压缩后由静涡盘中心处的排气孔口排出。

在图8中，动、静涡旋盘的型线为3 圈，便形成了对容积腔，分别用①、②、③表示，并依次称为中心压缩腔（即第一压缩腔，又称排气腔）、第二和第三压缩腔。动涡盘中心绕静涡盘中心的转动角，也就是偏心轴的曲柄转角，用θ表示。图中画阴影线压缩腔部分表示第2压缩腔对应于曲柄转角θ时的轴向投影面积。

图9是图8所示压缩腔的工作过程示意图。它表示3对容积腔在4个特定曲柄转角（00、900、1800、2700）时的瞬时位置。当 时，第三压缩腔刚好封闭，压缩机的吸气过程结束，这时第三压缩腔中充入的气体所占据的容积即为吸气容积，相当于往复式压缩机的行程容积，图中涂黑部分为该压缩腔轴向投影面积——一对对称的月牙形面积中的一个。随着主轴转角的增大，月牙形面积逐渐减小，依次由 、 、 时对应的涂黑部分的面积表示。

                 图9   压缩过程示意图

当 时，第三压缩腔完成对气体的压缩过程，这时的压缩腔容积就是第二压缩腔的最大封闭容积，即第二压缩腔充气终了时的容积（对应的主轴转角为00），其轴向投影面积如图中 时的阴影线部分所示。中心压缩腔和第二压缩腔中的气体容积变化规律与第三压缩腔中的相同。

第三压缩腔在压缩气体的同时，压缩机的吸气过程也在进行。第二压缩腔和中心压缩腔并不存在吸气过程，只是在几何关系上按2π为一循环划分时，分割为不同的压缩腔而已。涡旋式压缩机压缩气体的过程是连续进行的，需要主轴转动数圈而非一圈，但主轴每转一周即可完成一次吸气。

需要指出的是，中心压缩腔中的气体并不受到压缩，其容积减小是一等压过程，即排气过程。中心压缩腔容积取得最大值时，不一定对应于 ，而与开始排气角有关。

只要注意到动涡盘上的任一点，都只能作半径为r的圆周轨道运动，就不难理解涡旋压缩机的工作原理。这些零件的装备关系如图所示。

1.6涡旋压缩机的结构特点

从图8中可以看出，动涡盘被置于静涡盘和支架之间，可以沿轴向移动。当涡旋压缩机工作时，动涡盘在气体力作用下沿轴向与静涡盘脱离，增大涡盘顶部的气体泄漏通道面积，降低容积效率和热效率。因此，如何有效地平衡作用在动涡盘上的轴向气体作用力，成为涡旋压缩机能否获得良好性能的重要因素之一。

动涡盘在气体力作用下，有绕其中心自转的趋势。这种趋势破坏了涡旋压缩机的正常工作，必须予以限制。防自转机构设置在动涡盘与支架之间，常见的结构型式有十字滑环（又称十字联轴器）、圆柱销、球轴承、小曲柄轴等。十字滑环、圆柱销及小曲柄轴只能防止动涡盘的自转，而球轴承（一种特殊的结构型式）不仅能够防止动涡盘的自转，而且能够承受动涡盘传递的轴向气体力作用。

综合起来，涡旋压缩机有以下特点：多个压缩腔同时工作，相邻压缩腔之间的气体压差小，气体泄漏量少，容积效率高，可达90％-98％；驱动动涡盘运动的偏心轴可以高速旋转，因此，涡旋式压缩机体积小、重量轻；动涡盘与主轴等运动件的受力变化小，整机振动小；没有吸、排气阀，涡旋压缩机运转可靠，且特别适应于变转速运转和变频调速技术；由于吸排气过程几乎连续进行，整机噪声很低；轴向和径向柔性机构提高了涡旋压缩机的生产效率，而且保证轴向间隙和径向间隙的密封效果，不因摩擦和磨损而降低，即涡旋压缩机有可靠的和有效的密封性；在热泵式空调装置中，涡旋压缩机有着良好的工作特性；动涡盘上承受的轴向气体作用力，随主轴转角发生变化，很难恰如其份地加以平衡，因此轴向气体力往往带来摩擦功率消耗；涡旋盘的加工精度，特别是涡旋体的形位公差有很高要求，端板平面的平面度，以及端板平面与涡旋体侧壁面的垂直度，应控制在微米级，因此，需采用专门的技术和加工设备。

·1.7研究展望

综观目前涡旋压缩机研究现状和应用情况，对今后几年涡旋压缩机的研究发展方向归纳为：

⑴ 降低涡旋压缩机的加工成本，主要是涡旋盘的加工；寻找加工复杂但具有良好性能型线的简单方法。

⑵ 研究新的环保型制冷剂对涡旋压缩机结构的新要求。

⑶ 增大涡旋压缩机的功率范围，拓宽其应用领域，特别是研究其变频特性以及在空调热泵中的应用。

⑷ 改进压缩机的平衡机构，特别是轴向气体力的平衡。减少气体的泄漏，减少机械摩擦损失，从而提高涡旋压缩机的工作效率和可靠性。

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杨紫娟 122080705002 石油化工学院