小容量制冷压缩机技术发展趋势！

    

               小容量制冷空调产品的压缩机往往采用全封闭结构形式，将整个压缩机和电机连成一体，组装在一个无法拆开的密闭薄壁机壳中，而机壳则最后焊接成一体，大大缩小和减轻了整个压缩机的尺寸和重量，也有利于减少制冷剂泄漏的机会，非常适于大批量生产。         这类压缩机具有使用可靠性高、寿命长等优势，广泛应用于家用场合，尤其是家用电冰箱和房间空调器。         此外常见的小容量制冷器具还有饮料柜、自动售货机等。

      本期，我们就通过对活塞压缩机、滚动活塞压缩机和线性压缩机的市场概况和技术现状的了解，以及对实际产品的热力学完善度的简单计算，来看一看小容量制冷压缩机的未来发展趋势。

1、 压缩机的分类、应用和容量    

   

分类： 主要有往复式、滚动活塞和线性压缩机三类；

应用： 用于冰箱、冷柜、空调、热泵等小型制冷空调装置。

制冷剂： 常用制冷剂有R600a、R290、R134a、R22、R410A、R32及R744等。

另外，按应用与测试工况可将其分为低背压、中背压和高背压三种，分别用LBP、MBP和HBP表示。 低 背压式(蒸发温度-35～-15℃)，主要用于电冰箱、食品冷冻箱、超市岛柜等产品； 中背压式(蒸发温度-15～0℃)，主要用于饮料冷却柜、食品保鲜柜、制冰机等产品； 高背压式(蒸发温度5～15℃)，主要用于房间空调器、除湿机、热泵热水器等产品。

 

不同类型压缩机的工作容积分布如图1所示：

活塞压缩机 的工作容积范围为2.5～39.8cm 3，主要用于电冰箱和小型冷冻冷藏设备如轻商冷柜；

滚动活塞压缩机 的工作容积范围为1.4～84.8cm 3，主要用于家用空调、热泵和除湿机等；

线性压缩机 的工作容积范围为7～16.5cm 3，主要用于家用电冰箱。

 

不同类型压缩机的制冷量分布如图2所示：

活塞压缩机 制冷量普遍偏小，绝大多数都在500W以内，但也有少数中高背压机型可以达到1750W，轻商用机型冷量范围进一步拓宽，最高可达5646W；

滚动活塞压缩机 主要用于空调、热泵、除湿机等，制冷量范围比较宽，可低至220W左右，最高则可达20916W；

线性压缩机 在民用领域发展时间短、产品类型少，目前一般用于电冰箱，制冷量范围比较窄，普遍在400W以下。

 

2、 市场概况与技术现状    

   

  2.1 活塞压缩机     

活塞压缩机发展时间最长，具有丰富的研究、设计、制造和运行经验，型号与规格齐全，目前其全封机型主要用于轻型商用与小型家用制冷领域。虽然它具有结构紧凑、使用方便、振动小、噪音低、恶劣工况下可靠性高、工作压力和流量范围广等优点，但也存在体积较大、不适合家用空调产品等缺陷。

在冰箱压缩机很难大幅增长的当下，轻商压缩机体量虽小但市场潜力巨大，而且利润好于家用，预计今后几年新增需求比较旺盛。

 

上图（图3）为2018年冰箱用活塞压缩机的制冷剂使用情况， 主要有R600a、R134a、R290和R404A。 R600a和R134a大多应用在200W以下机型，200～300W之间机型对R290、R600a、R134a三种制冷剂均有应用，300W以上机型应用R404A较多。R600a单位容积制冷量小，排气量很难做到15cm 3以上，但凭借效率更高、噪音更低等优点，在我国的占比接近80%；其次是R134a，但R134a冰箱压缩机主要以出口美国市场为主，在内销市场比重不高。

 

上图（图4）为目前市场上活塞压缩机的工作容量按照不同型式和用途进行的划分，主要有冰箱和轻商设备两大类。电冰箱用全封活塞压缩机经过长期研究优化，具有结构简单、体积小、能效高、可靠性高、冷量范围宽等特点，中高背压机型制冷量较高，可以达到1750W左右， 绝大多数的低背压家用冰箱、冷柜用压缩机制冷量普遍偏小，在500W以下。

 

轻商设备可细分为食品展示柜、酒柜、饮料柜、自动售货机、专业厨房冰箱等轻商柜，与制冰机、医用冷柜、冰淇凌机等其他用途的制冷设备两类，该用途压缩机工作容积与冰箱压缩机大体相当，只是容量范围更广，从几百瓦到几千瓦都有对应的机型，部分低背压机型制冷量接近1000W，中背压机型根据使用场景可达1800W甚至更高，高背压机型最大容量在5kW左右。下图（图5）反映了目前市场上主流的活塞压缩机性能表现。

 

结合图4可以看出， 在500W以下的容量范围，多是用于家用冰箱、冷柜的中低背压活塞压缩机，其COP主要集中在1.0～2.0，出现这种情况的原因是冰箱压缩机COP的大小，不仅与制冷量有关，还受电机类型、冷却方式等多种因素影响，无法得到明显的规律。 此容量范围内的冰箱用定速活塞机型制冷量范围为55～475W，COP范围为0.96～2.15；变频活塞机型制冷量范围为31～490W，COP范围为1.5～2.34。轻商活塞压缩机主要使用R134a、R404A和R290制冷剂，根据具体产品覆盖低中高三个背压，工作容量范围更广，COP范围为1.4～2.8。

 

2 .2 滚动活塞压缩机  

滚动活塞压缩机又称滚动转子压缩机、旋转压缩机，目前广泛应用于家用和商用空调热泵。早期主要由美国Vilter公司生产，随着制造水平的提高，其应用越来越普遍；改革开放以后，众多外资在我国境内设厂生产，我国开始大规模生产滚动活塞压缩机；九十年代左右，它逐步发展成为房间空调器压缩机的独有机种，在单元式空调机也有一定的市场份额。

最近几年其工作容量不断拓宽，凭借成本与性能优势，滚动活塞压缩机在热泵采暖、冷冻冷藏以及家用多联机产品中的应用也越来越多。 与活塞压缩机相比，滚动活塞压缩机加工精度高，由于连续压缩且几乎没有往复运动部件，因此噪音更低、寿命更长、摩擦损失小，具有无吸气阀片、吸气阻力小、容积效率高等优势。

 

此外，它还具有良好的抗湿压缩性能。目前，空调市场上很多的滚动活塞压缩机使用R410A，其余则使用R134a、R22等制冷剂。但R410A的GWP值较高，各国出于政治、经济、技术等考虑，采用了不同的技术替代路线。

 

下图（图6）为前几年市场上滚动活塞压缩机的工作容量按照不同的型式和用途进行的划分 ，可见其制冷量范围比较宽，相关产品极其丰富，主要有空调、热泵、干衣机、除湿机和热泵热水器。微型制冷系统用R134a滚动活塞压缩机制冷量低至220W，R744冷冻冷藏用滚动活塞压缩机制冷量最高可达20916W。

 

下图（图7）反映了市场上滚动活塞压缩机在不同应用领域的性能表现。

结合图7可以看出，中低温用途的滚动活塞压缩机多用于小型冷库、轻商柜，容量多在15kW以下，适用制冷剂为R404A、CO2等，COP范围为1.37～1.69，性能水平还具有较大的提升余地；中高温用途的滚动活塞压缩机则主要用于空调、热泵、除湿机、干衣机、泳池热泵以及微型制冷系统，家用空调、热泵的容量变化范围较大，COP范围为2.5～5，基本在4上下浮动，并无明显的变化趋势，单冷式空调器在能效水平和最大容量上稍低于热泵高效型。

 

在一些特别的应用场合如基站用滚动活塞压缩机，COP范围为2～3，容量基本在1kW以下，可在容量符合要求的前提下进一步优化。热泵热水器的主要容量范围在8～10kW，COP范围为5～6.5，经过不断的技术创新，部分企业已经形成了一系列的制热水专用型号，在不同容量范围内均具有超高能效水平。

 

  2.3 线性压缩机   

 

线形压缩机也叫直线压缩机，严格来说属于一种特殊电机的活塞压缩机。它采用直接输出往复运动的直线电机驱动活塞向一个方向运动，反方向运动由一个弹簧驱动，这样形成一个机电振荡系统来维持活塞的往复运动。线性压缩机避免了采用曲柄连杆机械机构导致的复杂性，并可有效降低由此带来的机械耗功。

 

另一个明显的优势是线性压缩机可以实现无油润滑，消除了回油需求不仅减少了管道尺寸的限制、提高了换热器的传热性能，还有效减少了压降损失。许多白色家电压缩机制造商将线性压缩机列入下一代压缩机的核心技术。

 

上图（图8）为前几年市场上线性压缩机的工作容量分布图，应用于家用电冰箱，无论是恩布拉科的无油设计还是LG的有油设计，均采用动磁式直线振荡电动机，使用R600a和R134a，制冷量不超过400W。LG的线性压缩机有FL和FM两个系列，电动机效率超过90%，制冷量范围为150～370W，工作容积有7.5、10.2和16.5cm 3等规格，其主要问题在于成本较高，使用润滑油和硬质弹簧也并不具备吸引力，原因是前者无法增强换热性能，后者给压缩机小型化工作带来了困难，无法有效节省产品空间。

 

恩布拉科线性压缩机Wisemotion系列采用无油自润滑技术，适用于50至260伏的宽电压范围，制冷量范围为40～335W，COP可达2.34。有学者认为，目前大规模生产该机型的限制主要是成本，直线电机需要更多的稀土材料，同时制造工艺上也有不同于传统活塞机型的要求，比如在无油线性压缩机的制造过程中，需要专门的洁净室以满足其径向间隙活塞和气缸间10～20μm的精度要求。此外，邹慧明等还开发了R290轻商冷柜线性压缩机样机，在供电电压145V、频率70.2Hz条件下，制冷量为604W时COP达到1.42，以部分负荷运行时的制冷量和COP会发生一定衰减。

 

目前，冰箱用线性压缩机无论是有油设计还是无油设计都存在成本难以降低的局限性；微电子器件冷却用线性压缩机前景良好，其高效化和小型化是主要面临的问题；而为房间空调器设计线性压缩机（制冷量大于2000W），目前是一项非常具有挑战性的工作。

 

3、热力学完善度的计算和分析    

   

马一太等提出将热力学完善度作为性能评价指标，可以将不同制冷空调循环统一在一个基准上进行比较分析，帮助分析产品提高性能的空间和努力方向。

根据国标规定的名义工况，可以计算理想逆卡诺循环效率，通过前文统计的实际产品能效比实测值可以求得不同类型产品的热力学完善度。

 

表1反映了常见的家用制冷空调产品的热力学完善度水平，定速压缩机的电冰箱热力学完善度在16 .19 ～3 6 . 2 6 %，变频压缩机的电冰箱热力学完善度在26.98～39.46%，商用陈列柜热力学完善度在12.81～25.62%。可以理解为按照我国家用电冰箱的技术水平，实际用能效率相当于理想循环的六分之一到五分之二，相较普通定速机型，采用变频技术的活塞压缩机用能效率更高，而种类众多轻商制冷产品，实际用能效率仍有较大的提升空间。空调与热泵产品方面，房间空调器热力学完善度在15.95～34.41%，热泵型的实际用能效率要高于单冷型，热泵热水器热力学完善度在18.26～51.71%。

 

需要注意的是， 房间空调器的能效是在恒温室或焓差室中测量的，热源视为无限大 ，若以其额定制冷的试验工况（室内干球温度27℃、室外环境温度35℃）计算，理想等温逆卡诺循环效率高达37.52，很难作为“理想目标”，分析其原因主要是实际产品与室内外空气的换热不是等温的，室内侧可能是27至（12～17）℃，室外侧可能是35至（43～45）℃，因此对使用侧空气介质的实际变温过程近似取平均值可得到单冷型房间空调器COP c 约为15.67，同理可得热泵型房间空调器COP c 约为14.53。

 

分析不同产品的热力学完善度可知，实际循环效率与理想循环相差很大 ，造成这种差距的原因主要有两方面，首先是压缩机的产冷、产热能力与实际负荷不匹配，容易形成“大马拉小车”，显然采用变频压缩机的产品用能效率与“理想循环效率”更接近，还可开发专用压缩机提高产品性能；其次是不可逆传热损失与传热温差的存在，如热力学完善度较高的CO 2热泵热水器，采用跨临界循环时水的加热过程与工质的冷却过程温度更匹配，更接近于劳伦兹循环，获得较高效率的同时出水温度也可以做到更高。

 

4、发展趋势与典型产品    

   

4.1 环保冷媒的使用

近几年R32、R290和CO 2等环保制冷剂发展迅速，压缩机为适应制冷剂替代在技术上也做了很大改进。R32热力性能与R410A相似，目前已大批量生产、成本较低，是目前在空调器中较为理想的替代R410A的制冷剂。日本率先将R32作为房间空调器的替代制冷剂，从2016年开始多家中国制造商也在国内外市场推出了R32产品。

 

（1）小型高效R32变频双转子压缩机

三菱电机（广州）压缩机有限公司的3HP变频压缩机SVB200，是一款空调用变频双转子压缩机，适用于R32环保制冷剂，采用了龙骨马达、热铆接、分割式隔板技术等多项三菱电机独创技术，使3HP压缩机本体直径缩小至112.2mm，重量轻至8.5kg，可用于家用空调、1拖1空调。

（2）双电压丙烷变频压缩机

尼得科压缩机（天津）有限公司的NLV12.6CN丙烷压缩机，适用多种电制，是为超市岛柜等轻商制冷设备量身定制的中低背压变频压缩机。变频控制器配备主动式功率因数校正模块，确保负载温度波动最小化，制冷量为422～938W，COP可达1.76，噪音低至42分贝，是当前市场上同类产品中唯一支持热气除霜模式的产品。

（3）CO 2双转子压缩机

松下压缩机（大连）有限公司生产的CO 2压缩机为两级压缩双转子结构，将2个滚动活塞以180°对称配置，由单个电机带动两个有两套完全独立吸气口与排气口的压缩缸，与同功率活塞压缩机相比，具有噪音低、重量轻、体积小和压缩过程转矩变化平滑等优势。卧式15F均为冷冻冷藏用定速型号，用于自动售货机和陈列柜；立式15F是变频制热型号，用于400～600W的热泵干衣机和1～3HP家用热泵热水器；其余两个系列为立式大容量变频空调和热泵机型。

 

4.2 变频和变容量技术更加普及

国内的房间空调器企业在十余年内经历了从定速、交流变频、直流调速的技术发展过程。

 

（1）小容积变频冰箱用压缩机

目前市场上主流的变频压缩机大多适用于400～600L大冰箱，但实际上我国消费者购买冰箱时倾向选择400L以下的产品。

（2）三缸双级变频变容压缩机

三缸双级变容积比压缩机是双级压缩产品，此机型实现了单台压缩机可变容积比的双级压缩，根据工况调整容积比使各个工况下效率最大化，可应用在中央空调、家用空调、热泵热水器及采暖机产品中，最低工作温度可低至-35℃，并保持在-25℃环境温度下制热量不衰减，彻底取消了其他辅助加热手段。

 

4.3 容量拓宽与重叠

全封活塞压缩机的主要应用是电冰箱，随着轻商市场的高速增长，轻商用活塞压缩机的容量拓宽至5kW左右；滚动活塞压缩机的传统应用是房间空调器，后来容量不断拓宽。而随着压缩机容量和运行范围的不断扩大，部分应用范围出现了重叠，如微型滚动活塞压缩机用于车载冰箱，活塞压缩机用于制热水，改善排气温度后的卧式涡旋压缩机用于冷冻冷藏。

 

（1）车载冰箱用微型压缩机

上海海立电器有限公司自主研发的滚动活塞微型压缩机，采用车内直流电源驱动、智能变频控制，用于中高端汽车的车载冰箱。该产品体积小，高度仅75mm，结构紧凑，噪音低于32dB，COP突破3.0，已通过耐震和倾斜试验考核，保证车用环境下的可靠运行。

（2）R290热泵用活塞式压缩机

它是一款220-240V/50Hz高能效R290活塞式压缩机，适用高背压和高启动力矩应用场合，排量为8.76cm 3，其高能效设计可使制热COP达到4.07，制热能力达到1629.6W，延续了NL系列压缩机优秀的可靠性，适用于200～300L热水器热泵。该产品的推出可将热泵热水器从R134a切换为天然制冷剂R290，从而使热泵的耗电量进一步降低，显著提升能效水平。

（3）冷冻冷藏用卧式涡旋压缩机

采用中间喷液结构的卧式涡旋压缩机，能最大程度地降低排气温度，还对卧式结构进行优化，具有低噪音、震动和高可靠性等优点，其油润滑系统采用压差供油方式，能够在-45℃的蒸发温度下运行。

 

5、 结论    

   

本文对小容量制冷压缩机的市场概况、技术现状、发展趋势、典型产品等进行了介绍，得出以下结论：

（1）全封活塞压缩机

制冷量范围为31～5646W，COP范围为0.96～3.22，主要用于电冰箱和轻商制冷设备，后者的市场潜力巨大。

 （2）滚动活塞压缩机

制冷量范围为220～20916W，COP范围为1.37～6.5，主要用于房间空调器，近年来在热泵采暖、冷冻冷藏等领域的应用越来越多。

（3）线性压缩机

制冷量范围为40～375W，主要用于家用电冰箱，电子冷却用与家用空调机型尚处于研究阶段。

（4）环保制冷剂

压缩机、变频变容量压缩机、线性压缩机等得到较快发展，某些容量范围出现了不同型式压缩机的竞争。

备注说明：本文数据统计受时间所限，仅统计到2018年。文字内容仅供参考。

 

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