轉(zhuǎn)子壓縮機與渦旋壓縮機的對比與發(fā)展

飛波

(1 天津大學(xué)熱能研究所 中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室 天津 300072； 2 天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點實驗室 天津 300134)

近年來空氣源熱泵在清潔供暖中開始發(fā)揮重要作用。由于中國地域遼闊，氣候有多個分區(qū)，無論冬夏工況，溫度變化均較大，空氣源熱泵的壓縮機需要能進行變工況調(diào)節(jié)。在寒冷地區(qū)和嚴寒地區(qū)，空氣源熱泵需要采用較大壓縮比的壓縮機，同時，為適合較低的環(huán)境溫度范圍，需要具有可以和系統(tǒng)進行變?nèi)萘?、變壓縮比調(diào)節(jié)的特性。此外，應(yīng)具有較高的COP，尤其在中間溫度區(qū)域(50%、75%負荷區(qū)域)，適應(yīng)部分負荷下的調(diào)節(jié)。壓縮機的設(shè)計是適合不同氣候條件的空氣源熱泵的關(guān)鍵技術(shù)。

1 壓縮機發(fā)展歷程

早期房間空調(diào)器使用的全封閉壓縮機為活塞式?；钊綁嚎s機零件較多，機械損失大，有較大的相對余隙容積，容積系數(shù)低，進排氣閥節(jié)流損失大，小型活塞沒有活塞環(huán)，泄漏損失更大。為解決活塞式壓縮機的上述問題，提高系統(tǒng)效率，逐步開發(fā)了轉(zhuǎn)子式壓縮機，也稱為“旋轉(zhuǎn)活塞式壓縮機”，其運行特點是壓縮氣體工質(zhì)時只進不退，幾乎沒有余隙容積，零件很少，摩擦損失小。雖然其密封線比活塞式更長，但通過提高加工精度，其泄漏損失較小。

1991年，輕工業(yè)部開始推行“節(jié)能空調(diào)”技術(shù)，發(fā)現(xiàn)某品牌[1]開發(fā)的KC18窗式空調(diào)器，在空調(diào)器國標工況下EER達到3.3(最早國家標準中規(guī)定房間空調(diào)器產(chǎn)品合格的EER為2.2[2])，引起行業(yè)的廣泛關(guān)注。有關(guān)部門很快組織全國有條件的單位進行技術(shù)測評，從市面上采購3臺該樣機，上海某空調(diào)器廠測量壓縮機，天津大學(xué)負責制冷劑分析。有關(guān)部門表示如果是一項好技術(shù)，應(yīng)在全國推廣。結(jié)果表明：壓縮機是美國開利公司在韓國生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子式壓縮機，加工精度在微米級，電機效率也較高。但制冷劑采用的是R22和R115混合制冷劑。這兩種制冷劑適當配比(48.8/51.2)即為R502，是一種當時廣泛應(yīng)用于制冷和空調(diào)的共沸制冷劑，但因R115(ODP=0.4，GWP=7 200)屬于CFCs，與R12等正處于淘汰期，最終該項技術(shù)被否定了。

壓縮機效率的提升對該空調(diào)器整體COP的提高具有重要作用。如果當時有R32等工質(zhì)介入，該技術(shù)會進一步推廣。無論如何，高效轉(zhuǎn)子式壓縮機迅速占領(lǐng)了國內(nèi)房間空調(diào)器市場。圖1所示為單缸轉(zhuǎn)子式壓縮機結(jié)構(gòu)。

1汽缸；2滾動轉(zhuǎn)子；3滑片；4偏心軸；5框架；6汽缸蓋；7消聲器；8曲柄軸；9貯液器；10吸入管；11隔板；12管架；13 L管；14吸入口管；15閥門；16轉(zhuǎn)子；17定子；18容器；19上蓋；20底蓋；21支撐墊；22排氣管；23索環(huán)；24終端。圖1 單缸轉(zhuǎn)子式壓縮機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of single cylinder rotor compressor

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，渦旋式壓縮機逐步走向市場。渦旋式壓縮機最早誕生于1905年，由法國工程師Leon Creux發(fā)明。由于加工技術(shù)的限制，20世紀80年代初才開始批量生產(chǎn)[3]。1983年，日立發(fā)明制造了世界第一臺渦旋式空調(diào)壓縮機并申請了專利，其在壓縮機生產(chǎn)和配件方面對中國保密5年以上[4]。美國愛默生(谷輪)公司[5]、歐洲丹佛斯公司[6]也研發(fā)了渦旋式壓縮機。

渦旋壓縮機的主要運動部件渦盤嚙合，即動盤不是轉(zhuǎn)動而是擺動，動盤和靜盤相對運動速度較小，磨損較小，壽命更長。具有體積小、重量輕、輸氣連續(xù)平穩(wěn)等優(yōu)點。因其運行平穩(wěn)、振動小、噪音小，被譽為“超靜壓縮機”[7]。這種壓縮機的關(guān)鍵是渦盤型線的加工精度，必須使用高精度數(shù)控渦盤銑床[8]。較早的加工方式是同一把刀具在同一臺銑床上先后加工出動盤和靜盤，兩者配對，沒有互換性。后來由于機床已經(jīng)達到了較高加工精度，可以大量生產(chǎn)動盤和靜盤。固定內(nèi)容積比(壓縮比)的渦旋壓縮機很快有取代轉(zhuǎn)子式壓縮機的趨勢。渦旋壓縮機動盤/靜盤結(jié)構(gòu)如圖2所示。

轉(zhuǎn)子式壓縮機和渦旋式壓縮機為常用的全封閉壓縮機，表1列舉了兩者各自的特點。

表1 轉(zhuǎn)子式壓縮機和渦旋式壓縮機對比Tab.1 Comparison of rotary compressors and scroll compressors

圖2 渦旋壓縮機動盤/靜盤結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of brake disk and static disk of scroll compressor

2 壓縮機的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電機、結(jié)構(gòu)的改進技術(shù)

為提高壓縮機效率，渦旋壓縮機由交流變頻、數(shù)碼渦旋最終發(fā)展到直流永磁電機驅(qū)動。采用集束式稀土永磁同步電機[4]，在低頻和中頻運轉(zhuǎn)時效率大幅提高；同時采用IPM(轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌式)技術(shù)，轉(zhuǎn)矩提升20%，電機效率進一步提高，比交流電機及傳統(tǒng)直流電機更節(jié)能。電機轉(zhuǎn)子插入的永磁鐵，采用釹磁材料，轉(zhuǎn)子形狀被最優(yōu)化，在轉(zhuǎn)速控制中更高效，可以消除直流電動機特有的電磁噪音。其集中式繞組定子，具有高度低、銅損低、效率高的優(yōu)點。圖3所示為直流永磁電機和普通交流電機效率的對比。

針對R410A冷媒的高壓特性，日立于1983年研發(fā)了不對稱渦旋盤[4]，并強化了軸承結(jié)構(gòu)，具有內(nèi)部油分離功能，如圖4所示。相比傳統(tǒng)對稱渦旋技術(shù)具有：泄漏少，效率高；相鄰兩室壓差小，振動小，更靜音；可防止過壓縮，壓縮機使用壽命長等特點。

圖3 渦旋壓縮機電機效率對比[4]Fig.3 Motor efficiency comparison of scroll compressor

圖4 不對稱渦旋盤[4]Fig.4 Asymmetric scroll

轉(zhuǎn)子式壓縮機也在不斷完善，磨床工藝的進步，提高了加工精度；采用直流永磁變頻技術(shù)，頻率調(diào)節(jié)范圍大，工作效率高；采用雙轉(zhuǎn)子對稱布置技術(shù)加大壓縮機容量，使轉(zhuǎn)子壓縮機的容量幾乎與渦旋壓縮機相當。研發(fā)的雙轉(zhuǎn)子壓縮機，兩個轉(zhuǎn)子180°對置，其偏心配重及兩個葉片運動產(chǎn)生的慣性力相互抵消，因此運轉(zhuǎn)平衡，排氣波動小，效率較高。雖然還保留排氣閥片，有些排氣損失，但方便調(diào)節(jié)排氣壓力，為以后變工況運行打下了良好的基礎(chǔ)。

2．2 變壓比技術(shù)

最早的渦旋式壓縮機內(nèi)容積比固定，是定壓縮比的，僅針對房間空調(diào)器的固定工況。但渦旋壓縮機宣稱的“沒有進氣閥、也沒有排氣閥”的先進性，適合早年房間空調(diào)僅測量EER的情況，即僅測量標準工況，不檢驗變工況。很快因房間空調(diào)規(guī)定要測試SEER，多聯(lián)機等要測試IPLV而難于應(yīng)用。而轉(zhuǎn)子式壓縮機有排氣閥，其排氣壓力或壓縮比(內(nèi)容積比)可調(diào)，在變工況下具有明顯優(yōu)勢。此后，渦旋壓縮機也開始改進，研究出帶有排氣閥的新類型，排氣閥分中間排氣[10]和最終排氣[11]兩種，中間排氣可能有多個，處于不同的渦線位置，主要是克服過壓縮。而最終排氣閥可以維持高背壓，當壓縮比不夠時暫不排氣，進行下一個壓縮周期，因在定容空間中封閉壓縮，兩次壓縮的氣體可以升至所需壓力，克服欠壓縮。這樣渦旋壓縮機在變壓縮比方面，有了較大提升，可以與轉(zhuǎn)子式壓縮機相當。

2．3 噴氣增焓技術(shù)

為了在低環(huán)境溫度空氣源熱泵中實現(xiàn)較大的壓縮比，渦旋壓縮機實現(xiàn)了“噴氣增焓”(EVI，enhanced vapor injection)技術(shù)，如圖5所示。通過在渦旋盤上適當位置開一個補氣孔，并增加一個吸氣回路[12-13]，增加制冷劑質(zhì)量流量并加大主循環(huán)制冷劑的焓差，將壓縮機的壓縮過程由一次升級為兩次，提升壓縮效率，有效擴展空氣源熱泵機組的運行范圍。使空氣源熱泵機組可以在-20 ℃的低溫環(huán)境下快速啟動；-15 ℃時可達到額定制熱能力，制熱量提高，COP提升5%。實際上是在平面渦旋中體現(xiàn)了類似螺桿壓縮機的中間補氣技術(shù)。但當渦旋壓縮機具有中間排氣孔時，渦旋壓縮機在一個渦盤上第一圈密封空間開設(shè)噴氣增焓孔，在第二、三密封空間開設(shè)中間排氣孔，在100%工況時無需中間排氣，在75%工況及以下時需要中間排氣，要關(guān)閉噴氣增焓孔。否則因相對位置的變化會發(fā)生“過噴氣增焓”，即噴氣增焓口嚴重錯位，不僅無利反而有害。

圖5 渦旋壓縮機噴氣增焓系統(tǒng)Fig.5 Scroll compressor enhanced vapor injection system

轉(zhuǎn)子壓縮機的“噴氣增焓”性能不亞于甚至可能超過渦旋壓縮機的“噴氣增焓”性能。滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機缸體容積被偏心輪和滑片分割成兩塊，一個是高壓腔，另一個是低壓腔。在轉(zhuǎn)子式壓縮機氣缸的適當位置開補氣孔，在吸氣過程中該孔被轉(zhuǎn)子覆蓋，在壓縮過程中該孔與氣缸內(nèi)部開通，實現(xiàn)噴氣增焓。噴氣過程如圖6所示。因在低壓比下排氣口相對位置沒有發(fā)生變化，噴氣口和排氣口多種工況下均配合良好，不會發(fā)生“過噴氣增焓”。轉(zhuǎn)子壓縮機的加工相對簡單，沒有復(fù)雜的型線，容易實現(xiàn)高精度大批量生產(chǎn)，這也是轉(zhuǎn)子壓縮機的優(yōu)勢。

雙級壓縮的轉(zhuǎn)子式壓縮機，有低壓轉(zhuǎn)子和高壓轉(zhuǎn)子兩個壓縮腔，相當于兩個壓縮過程，可進行中間冷卻以提高性能，這是很早就有的技術(shù)。

也可在轉(zhuǎn)子壓縮機氣缸側(cè)面開設(shè)噴氣增焓孔，實現(xiàn)“噴氣增焓”，其開設(shè)的位置很重要。這項技術(shù)不是雙轉(zhuǎn)子雙級，而是“雙轉(zhuǎn)子單級對稱180°”，兩個氣缸各有一個噴氣孔[14-15]，如圖7所示，單級轉(zhuǎn)子壓縮機噴氣增焓系統(tǒng)如圖8所示。

圖7 單級轉(zhuǎn)子壓縮機耦合氣孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.7 Internal structure of single-stage rotor compressor coupling stomatal

2．4 部分負荷下調(diào)節(jié)技術(shù)

圖8 單級轉(zhuǎn)子壓縮機噴氣增焓系統(tǒng)Fig.8 Single-stage rotor compressor enhanced vapor injection system

IPLV(H)是檢驗低環(huán)境溫度空氣源熱泵在整個采暖季節(jié)平均COP的指標，其值越高，表明熱泵越省電。我國標準中規(guī)定，戶用及類似用途空氣源熱泵的IPLV(H)為2.3[16]，工業(yè)或商業(yè)用及類似用途空氣源熱泵的IPLV(H)為2.5[17]。提高IPLV(H)的措施主要是提高部分負荷下的能效比。壓縮機容量調(diào)節(jié)和控制方式是影響IPLV(H)的重要因素。為了更好地提高IPLV(H)，在嚴寒地區(qū)或寒冷與嚴寒交界地區(qū)，需要采用雙級轉(zhuǎn)子式壓縮機，格力公司針對普通雙轉(zhuǎn)子雙級壓縮機無法兼顧嚴寒地區(qū)的氣候條件和能效要求的問題，研發(fā)了適用于更低室外溫度制熱的三轉(zhuǎn)子雙級變?nèi)莘e壓縮機[18]，如圖9所示。三轉(zhuǎn)子雙級變?nèi)萘繅嚎s機因可以進一步增大吸氣量，表現(xiàn)最佳。在滾動轉(zhuǎn)子壓縮機上實現(xiàn)了三個氣缸的泵體結(jié)構(gòu)，通過兩個低壓級氣缸和一個高壓級氣缸形成大排量的雙級壓縮機，當環(huán)境溫度很低時(≤-20 ℃時)，低壓縮級兩個轉(zhuǎn)子同時吸氣，以保證足夠的排氣量，當環(huán)境溫度大于-20 ℃時，用油壓裝置將一個氣缸的滑動葉片鎖住，只有一個氣缸吸氣。依靠雙級容積比的切換實現(xiàn)壓縮效率的大幅提升，拓寬了熱泵空調(diào)的工作溫度范圍(-35～54 ℃)。該壓縮機采用熱風(fēng)采暖，提高不同環(huán)境溫度下的COP，如圖10所示。在標準[16-17]的測試條件下，IPLV(H)高達3.6，并可用于-30 ℃的嚴寒地區(qū)。54 ℃制冷工況下，制冷量比單級變頻空調(diào)提高122%～136%，能效提高44%～47%。

圖9 格力三轉(zhuǎn)子雙級變?nèi)萘繅嚎s機[18]Fig.9 Three-rotor two-stage variable capacity compressor of Gree

圖10 三轉(zhuǎn)子壓縮機系統(tǒng)COP隨溫度的變化Fig.10 The COP of three-rotor compressor system changes with temperature

渦旋壓縮機在不斷發(fā)展完善。2017年，艾默生公司發(fā)布ZWW熱泵熱水專用變頻壓縮機[19]，通過優(yōu)化渦旋設(shè)計、應(yīng)用高能效的渦旋容積閥等技術(shù)，在-20 ℃的環(huán)境溫度下，供水溫度可達60 ℃，在-30 ℃的環(huán)境溫度下，能穩(wěn)定的維持50 ℃出水。蒸發(fā)溫度拓展至-35 ℃，滿足極端環(huán)境溫度時的可靠性。在系統(tǒng)制熱量為14 kW，出水溫度為41 ℃時，IPLV(H)可達3.1。

3 結(jié)論

壓縮機效率的提升對空氣源熱泵整體COP和IPLV(H)的提高具有重要作用。本文回顧了壓縮機的發(fā)展歷程，并對提升轉(zhuǎn)子和渦旋壓縮機效率的新技術(shù)進行了總結(jié)和對比，得到如下結(jié)論：

1)在電機方面：直流電機替代交流電機，提高了轉(zhuǎn)子和渦旋壓縮機的電機效率和頻率調(diào)節(jié)范圍。

2)在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面：渦旋壓縮機的不對稱渦旋盤設(shè)計，減小噪音與泄漏量，提高了壓縮機效率。轉(zhuǎn)子壓縮機的雙轉(zhuǎn)子對稱布置，增大了壓縮機的容量。

3)在變壓比方面：渦旋壓縮機是定壓比設(shè)計，只有帶排氣閥的渦旋壓縮機可以在一定程度上實現(xiàn)變壓縮比。轉(zhuǎn)子式壓縮機有排氣閥，在變工況下具有明顯的優(yōu)勢。

4)在低溫供暖應(yīng)用方面：為滿足低環(huán)境溫度熱泵中實現(xiàn)較大的壓縮比，轉(zhuǎn)子壓縮機和渦旋壓縮機均可采用噴氣增焓技術(shù)。

本文受天津市科技計劃(16YFZCGX00080)項目資助。(The project was supported by the Tianjin Science and Technology Project(No. 16YFZCGX00080).)