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技术探讨：小型制冷压缩机技术发展趋势

发布于：2022-08-17 10:09:17 来自：暖通空调/制冷技术 [复制转发]

本期我们主要来看一看小型制冷压缩机的技术发展趋势。

小型制冷压缩机技术总体趋势

1、适应制冷剂低GWP（温室效应潜能）化

《〈关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书〉基加利修正案》在我国正式生效：

R134a、R404A、R410A、R507A和R407C等目前普遍使用的高GWP值HFCs制冷剂将受到管控；
未来可用的制冷剂主要有氨、空气、水、二氧化碳和碳氢类（HCs）等自然工质，以及R1234ze(E)、R1234yf、R1233zd(E)、R32等含氟烯烃类（HFOs）低GWP合成工质。
自然工质的热物性相差很大，其适用性往往限制在某个（些）应用领域或产品，即其使用将会有分领域专用化的趋势。
未来在小型制冷/热泵装置中，CO ₂ 将成为住宅热泵的主要工质；
HCs将成为家用制冷、轻商制冷和住宅空调的核心工质；
新能源车用热泵则会主要采用CO ₂ 或空气。

R32工质：

R32具有较低的GWP值，单位容积制冷量大，充注量小，R32设备的能效高，全寿命期气候性能（LCCP）优异；R32做为中小型制冷空调领域的替代技术选择方向之一，从安全性、经济性、环保性等方面综合评价具有明显的优点。

CO ₂ 压缩机：

CO ₂ 压缩机进一步拓展的应用领域主要有热泵干衣机等新型住宅热泵和新能源车热泵，前者与热水器用压缩机相近，主要考虑容量和工况的差异来扩大产品系列和型号。

R290：

从环保角度，R290将是轻商制冷和住宅空调的首选工质；
R290可燃性的风险是制约其发展的一大重要因素；
对安装维修人员和使用者加强培训只是其最基本的措施，创新结构和技术来增加产品安全性和使用容错性才是根本的出路；

2、适应住宅超低能耗化

在“双碳”目标的驱动下，超低能耗住宅建筑将会加速发展，占比会越来越大。因此，服务于住宅的空调等设备必须进行全面改新，来适应超低能耗住宅。超低能耗住宅的空调负荷特性，与目前主流的普通建筑差异很大。

（1）空调负荷仅为后者的三分之一左右，目前常见的制冷量为1.8~3.5 kW房间空调器，用于超低能耗住宅均显得超大，而超低能耗住宅相配的主要是目前市场比较少见的制冷量为0.5~1.5 kW空调器；

（2）超低能耗住宅的漏气率很低，通风换气量要高于普通建筑，新风负荷偏大甚至远超空调负荷，特别是严寒和酷暑季节更是这样，因此，其机械通风将成为标配且其热回收率不低于75%；

（3）超低能耗住宅的空调与新风处理设备一体化的趋势非常明显，国家标准GB/T 40438—2021热泵型新风环境控制一体机已经颁布，将会有力推动一体机在超低能耗住宅中的应用，并使之成为超低能耗住宅典型的空调机型。

空调压缩机将会适应超低能耗住宅空调的变化而改变。

（1）制冷量为0.5~1.5 kW的小容量空调压缩机品种和系列应增加，小容量空调压缩机在技术及制造上仍需要进一步研发；

（2）注重热泵型新风环境控制一体机用压缩机的研发，目前国内已有厂家研制出，独立吸、排气的双缸旋转压缩机，构成双回路热泵型新风环境控制一体机，但其仅是处于试制试用阶段，因此，需要加强这方面的研发，生产出全系列的独立吸、排气多缸压缩机，创新出我国特有的空调设备品种。

3、适应驱动电源直流化

在碳中和大势下，光伏、风电等新能源的开发及应用得到快速提升，因此，包括制冷空调设备在内所有建筑用电设备，必须适应“光储直柔”配电系统。

（1）压缩机的驱动电源为直流电，这种配电系统的母线电压通常为375 V，进入房内的电压通常为48 V或24 V，因此需要研发375 V、48 V或24 V直流驱动的压缩机；

（2）压缩机能在较大范围内进行容量调节，特别是对于变频压缩机，要很好适应DC/DC变流器且变频范围更宽；

（3）压缩机要与设备冷/热量使用及储存特性相协调或匹配。这样，压缩机的控制器研发则是重中之重，以保证其运转随电网波动的跟随性良好，另外，在极高速和极低速工况下压缩机运行稳定性和能效改进也需要深入研究，保证其在全速范围内的优良性能。

研发很好适应“光储直柔”配电系统的压缩机及其冷暖设备，是“碳中和”大势下的市场期许，发展前景广阔。

4、适应热泵普及化

热泵产品作为高效节能技术，将在我国“碳中和”进程中发挥巨大作用。近些年小型热泵在“煤改电”进程中发挥巨大的作用。

（1）目前热泵产品性能、制造等有待提升，进一步改进热泵性能、研发出住宅供暖适宜的产品是稳固占有市场的保障。

（2）热水器、干衣机等用途的住宅热泵市场需求也很大，热泵热水器经过十多年发展，已经拥有近百亿的市场规模，潜力依然很大。

（3）供暖热泵制热运行的工况范围跨度大，因此，低温工况的能力提升和除霜改进的研发将会持续下去，还需要进一步研制兼顾舒适性和节能性的适宜散热末端型式。

（4）热泵热水器除了极低温环境制热能力提升等低温性能改善外，还应注重高温工况下高效化运行的研究，制热更快、能耗更低将是热水器持续追求的目标。

（5）热泵干衣机运行工况相对稳定，但其发展方向应该是更高的能效比和性价比。

对压缩机要求：

低温制热能力强，同时高温运行电耗低。
要求压缩机能在宽压力比范围内都能高效运行，最好能根据工况改变压缩比，比如单级压缩、双级压缩交替运行。
干衣机热泵压缩机，要根据干衣需求进行专门设计，保证其性能特性与衣服干燥特性的良好匹配。

5、适应高能效比的要求

（1）变频。

为了追求小型制冷空调设备更高的能效比，其压缩机变频范围会越来越宽。 2020年7月1日开始实行的GB 21455—2019《房间空气调节器能效限定值及能效等级》，进一步促进压缩机的变频化发展，变频范围预期可达10~120 Hz甚至更宽。

（2）地域性开发

小型制冷空调设备使用地的气候特征，会严重影响到其运行能耗及能效，现在空调器能效等级评价趋于全年化，即按照全年运行规律来评价其能效水平。因此，像冰箱一样分地域研发、制造空调将会势在必行，这就需要为各地域空调针对性地研发适宜的压缩机。

6、新型压缩机的发展

（1）小容量涡旋压缩机回归

目前，小型制冷设备主要用活塞压缩机，空调器主要用旋转压缩机，而小容量涡旋压缩机的市场空间近年来基本上被旋转压缩机挤压殆尽。小容量涡旋压缩机退出市场的主要原因是价格因素，涡旋压缩机性能优异、结构简单，价格偏高主要是加工要求高所致。随着加工技术进步以及人工智能应用普及，小容量涡旋压缩机价格偏高这一限制条件将有望被冲抵，使得小容量涡旋压缩机回归可能性极大。

（2）线性压缩机

线性压缩机在结构和原理上具有很大优势，而目前的应用面却有限，这主要是受其能效比不突出、运行稳定性及变工况适应性较差的限制。未来，随着线性电机的技术进步和压缩机理的深入研究，线性压缩机发展的限制因素会逐步克服，其应用应会得以扩大。

（3）不同型式复合的压缩机

其具有单一型式不具备的优点，在一些适宜的应用场合会得到发展。例如，涡旋压缩机与旋转压缩机共轴驱动的复合压缩机，构成二级压缩机时能发挥各自的优势，一、二级容积比配置会更合理；另外，还可以做压缩-膨胀机使用，充分回收节流过程的压力能。

（4）其他

传统型式的小型压缩机在改进性能、拓宽用途驱动下还会衍生出新结构。旋转压缩机，在传统单缸、双缸机的基础上，又衍生出三缸、四缸机，为了改善低温工况制热性能，又研发出补气压缩、双级压缩、变容双级压缩等机型，以及双吸气、独立吸排气的双缸机；双吸气的活塞压缩机也具有独特的优势，其研发应该受到重视。

全封闭活塞式压缩机技术趋势

全封闭活塞压缩机的技术研究非常成熟，其技术现状紧紧围绕高效、环保、低噪声、宽工况、低成本和高可靠性的目标，努力实现产品的应用多样化、工质自然化、变频驱动化及体积小型化，从而满足市场发展需求。

1）结构与零部件研究

主要包括气阀设计、余隙容积控制、低流阻系统研究、摩擦研究，强化润滑密封、采用合理节能控制策略有利于进一步提升压缩机能效，通过优化压缩机内的易损件，能提升可靠性的同时保证其运行性能。另外，兼顾紧凑化与轻量化的结构设计更有利于降低材料成本、节约空间，实现产品的小型化。

2）变容量调节

活塞压缩机目前常见的容量调节技术包括变转速调节、旁通调节、启动卸载调节及吸气节流调节等，容量调节的目的在于使压缩机适应冷负荷和工况的变化。其中，变频（变速）技术因具有温度控制精度高、容量调节范围大、部分负荷效率高等优点，使变频压缩机在大容量家用冰箱中普遍得到应用。对商超制冷机组而言，变频控制较定频节能11.8%，制冷速度更快且控温更恒定，压缩机启停次数减少、使用寿命延长、可靠性提升，理应在轻商领域广泛推广并使用。

3）运行范围拓宽

目前拓宽运行范围的技术主要有：多级压缩、吸气喷液及气缸冷却等，这是细分产品、差异化的发展特点对全封闭活塞压缩机运行范围提出新的要求。多级压缩需合理选取压缩级数及中间压比，吸气喷液则需合理选择并优化喷液量，才能获得较好的压缩机性能。

4）噪声与振动

活塞压缩机的噪声发生源涉及泵体结构、轴承、气流压力脉动、电机电磁力、壳体刚性等诸多方面。低噪声化的主要研究方向为机械系统、流体系统、电磁系统3类助振力的弱化和压缩机结构的优化设计。常采用的降噪措施包括：提高零部件工艺精度、壳体优化设计、吸排气腔优化设计、电机泵体动平衡最优化、安装消声器等。

5）制冷剂替代

R134a与R404A的使用将被逐渐限制，碳氢类（HFs）自然工质将是小型活塞压缩机的主流制冷剂，将会形成R600a作为家用冰箱常用工质、R290作为轻商机组常用工质的局面。R1234ze（E）与R134a的物性相近，但R1234ze（E）价格相对较高，市场推广存在阻力。

6）线性压缩机

线性压缩机是一种特殊结构的活塞压缩机，具有效率高、结构简单、体积小等特点。虽然LG、恩布拉科等企业已实现产品化应用，但受限于成本价格，距离大规模应用仍需待时日。国内线性压缩机研究起步较晚，且均处于试验机的研究阶段，针对其技术研究主要集中于直线电机技术、电机控制技术、无油润滑技术、结构及气阀布局优化。

滚动活塞式压缩机技术发展趋势

1）变容量调节

变频压缩机应用面越来越广，其频率调节范围覆盖10 Hz～180 Hz。但变频压缩机需要解决的问题是：高速运转时轴承负荷过大、滑片摩擦和磨损问题、气阀的寿命问题、低转速的振动和润滑油的供给问题，同时，也对压缩机的设计和制造提出了更高的要求。为解决变频滚动活塞压缩机在低频工作时能效较低的问题，研发了变容量压缩机，即通过电磁力或机械方式将需卸载气缸的滑板限制在滑板槽内。目前双缸变容量压缩机在3 hp范围内有着很大的市场空间，并将在多联机等领域向轻商市场渗透。

2）优选制造材料

滚动活塞压缩机大范围变频后，不仅配合间隙极小，还要求各个滑动部件具有硬度高、摩擦系数小及搭配良好的摩擦副。因此，需对各零部件作相应处理：滑板材料采用加入镍（Ni）、铬（Cr）、钼（Mo）、硼（B）等合金元素的特殊铸铁件；滚动活塞采用镍铬钼铸铁；偏心轴采用比普通铸铁强度、韧性及抗疲劳性均高得多的球墨铸铁（FCD55）；气缸、上下端盖、机架均采用FC-25灰铸铁；排气阀用高级不锈钢；润滑油用特制的矿物油。

3）降低噪声

噪声声源主要来自电机噪声和机械噪声，降低电机噪声可通过改进电机的转子，使电机转动的自振频率避开电源谐波频率；降低机械噪声可采用合适的阀片升程限制器及高度，并适当增加阀片弹簧阻尼等。

4）制冷剂替代

目前，在空调领域，R410A及R32已成为主要的制冷剂；而在冷冻冷藏领域，R290已应用到市场中。

5）容量及应用领域拓展

受益于我国冷链物流行业快速发展，滚动活塞压缩机在冷冻冷藏领域的应用迎来了新机遇，应用规模快速扩大。数据显示，2020年冷冻冷藏滚动活塞压缩机市场销量为24万台，同比增长30%左右。

涡旋压缩机技术发展趋势

1）结构及零部件优化

该方面研究主要包括涡旋盘型线优化，零部件强度校核，动平衡改善，采用柔性机构，轴向密封结构和端面密封结构研究，供油系统的优化，以及高效电机的开发。

2）变容量调节

涡旋压缩机主要有变转速和数码涡旋等两种容量调节技术，前者控制精度高、温度波动小、舒适性好，但成本高，变频器存在一定的能耗，且存在电磁兼容和电磁干扰问题；后者控制方式简单，不会出现谐波，容量调节范围较大，即使管线较长也易回油，但变容量调节时易出现噪声较大的问题，且低负荷时效率优势不明显。从容量调节角度看，数码涡旋技术和变转速调节技术优势持平，但就目前市场份额而言，变转速技术已经超越了数码涡旋技术，连续多年高速发展。

3）扩大制冷量范围

多压缩机机并联的方式能满足大冷量需求，但也存在控制复杂、故障率高、体积大等缺点。研发和生产单台大功率压缩机，能很好地解决上述问题，已被主流涡旋压缩机供应商视为新的市场增长点。

4）改善能效水平

研究发现，采用涡旋压缩机流体和结构力学等交叉学科综合的方法整合涡旋型线，并寻求简化加工的方法，可提高密封要求的同时降低其机械摩擦损失；改善润滑性能，也可有效地降低机械摩擦损失；对压缩机平衡机构的完善和改进，尤其是平衡轴向气体力，可进一步强化涡旋压缩机工作的有效性和可靠性；此外，变频电机的研究与完善，也能提高其全负荷工况的能效水平。

5）制冷剂替代

涡旋压缩机制冷剂的替代涉及CO ₂ 和R32压缩机的开发。CO ₂ 涡旋压缩机以全封闭结构为主，主要应用于热泵热水器和汽车空调，其特点是工作压力高，结构尺寸小，吸排气压比小而压差大。R32压缩机则存在排气温度高，排气压力偏高，能效比偏低的问题，其研发关键在于降低排气温度、材料强化及电机优化。

压缩机制冷

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