眾所周知， 壓縮機是制冷/ 空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件和心臟， 壓縮機的品質(zhì)直接決定了制冷設(shè)備的品質(zhì)。近年來， 隨著節(jié)能與環(huán)境保護要求的不斷提高以及市場上一些制冷產(chǎn)品新的應(yīng)用領(lǐng)域的出現(xiàn)， 對壓縮機也提出了越來越高的要求。

　　為了適應(yīng)新的市場變化和形勢要求， 對壓縮機的研究也在不斷深入和寬泛， 出現(xiàn)了一些新的研究方向。壓縮機技術(shù)復雜、制造要求高， 意味著為了滿足市場的需求將要付出更大的努力、密切關(guān)注形勢的變化、走在市場需求的前面。

　　1 政策對全封閉制冷壓縮機的要求

　　1. 1 環(huán)境保護

　　環(huán)境保護對制冷設(shè)備的要求是多方面的， 如臭氧層破壞問題、覆蓋產(chǎn)品全生命周期的綠色設(shè)計問題、原輔材料和生產(chǎn)過程中的有毒有害物質(zhì)排放問題、回收與再生利用問題等。筆者僅對臭氧層破壞問題進行分析。

　　ODS 破壞臭氧層這一問題已在國際上得到廣泛認可， 隨著其他ODS 物質(zhì)的逐步被淘汰， 可在制冷空調(diào)行業(yè)中用作制冷劑、發(fā)泡劑和清洗劑的氫氯氟烴（ HCFCs） 成為目前剩余數(shù)量*大的一族消耗臭氧層物質(zhì)。

　　中國作為第 5 條款國中*大的 HCFCs 生產(chǎn)和消費國， 正面臨著 2013 年凍結(jié)和至 2030 年逐步削減 HCFCs 消費的巨大挑戰(zhàn)。H CFCs 淘汰已進入實質(zhì)性實施階段， 中國制冷空調(diào)行業(yè)將主要面臨淘汰 HCFC 22 制冷劑的巨大挑戰(zhàn) .

　　 第 5 條款國家 HCFCs 淘汰進度要求以往 CFCs 淘汰的經(jīng)驗表明， 新制冷劑壓縮機的供應(yīng)將是新制冷劑制冷空調(diào)設(shè)備產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。因此， 開發(fā)和生產(chǎn)零 OD P 和低GWP 制冷劑壓縮機將是未來一段時期全封閉制冷壓縮機的一個主要發(fā)展方向。

　　國際上對 HCFC 22 制冷劑的替代物研究正在進行中， 目前尚未有明確的結(jié)論， 而采取淘汰行動又是不可拖延的。從當前的形勢分析來看， 未來一段時期將是多種替代制冷劑共存的狀態(tài)， 制冷壓縮機開發(fā)的投入和工作量將倍增。

　　1. 2 節(jié)能

　　壓縮機是制冷空調(diào)設(shè)備主要的耗能部件， 壓縮機能效的提高將直接帶來整機的節(jié)能。而且壓縮機能效的提高不依賴于增加材料消耗， 是一種比較理想的節(jié)能途徑。

　　盡管節(jié)能是一個老話題， 但是隨著能效的不斷提高， 對制冷空調(diào)產(chǎn)品的節(jié)能要求出現(xiàn)了新的變化。這些變化將對壓縮機的能效提出了新的要求。

　　首先， 國家能效標準對制冷空調(diào)產(chǎn)品的能效要求不斷提高。以房間空調(diào)器為例， 新的能效標準大幅度提高了產(chǎn)品的能效限定值， 制冷量在4 500 W以下的產(chǎn)品， 其能效限定值由 EER= 2. 6提高到 EER= 3. 2 ， 這就要求更高效的壓縮機。很顯然， 這種思路下能效的提高不是無限制的。

　　2010 版和 2004 版房間空調(diào)器能效標準對照其次， 節(jié)能要求將主要體現(xiàn)在產(chǎn)品能效評價方法的變化上。這種變化表現(xiàn)在 2 個方面： 一方面， 目前很多制冷空調(diào)產(chǎn)品的能效評價僅限于一個固定工況下的單點評價上。很顯然， 這種評價方法并不能如實反映產(chǎn)品在使用過程中的能效，將出現(xiàn)虛假的節(jié)能現(xiàn)象。以家用電冰箱為例， 在一個固定的環(huán)境溫度下測試冰箱的耗電量， 測試過程中冰箱既無負載也不開門， 這遠遠偏離了使用時的狀態(tài)， 這種條件下測試出的耗電量并不能代表冰箱的實際耗電量。再以房間空調(diào)器為例，目前測試定速空調(diào)器的能效也僅在一個固定的工況下進行， 不考慮空調(diào)器實際使用過程中的環(huán)境溫度變化， 也不對其制熱性能進行考核， 這顯然也是脫離實際的。能效評價方法的變化將是必然的， 如在測試冰箱耗電量的過程中， 周期性開門并定期添加新負荷甚至進一步改變測試時的環(huán)境溫度， 以模擬四季的廚房溫度變化； 房間空調(diào)器測試時改變測試工況， 同時考核制冷與制熱， 進而發(fā)展到以 A PF 綜合評價空調(diào)器的能效。另一個方面的變化將可能表現(xiàn)在能效評價的系統(tǒng)化上。很多情況下制冷設(shè)備只是一個大的系統(tǒng)中的一個組成部分， 顯然作為部件的制冷設(shè)備的高效并不意味著系統(tǒng)的高效， 在整個系統(tǒng)能量過程的層次上考核能源利用率將是節(jié)能要求的另外一個趨勢?？傊?隨著節(jié)能工作的深入， 對產(chǎn)品能效的評價將由點到線、由線到面不斷發(fā)展， 對制冷壓縮機能效的要求也將走向多樣化、深層次、系統(tǒng)性， 壓縮機設(shè)計的變化也將是必然的。

　　2 市場對全封閉制冷壓縮機的要求

　　高效、低噪聲、高可靠性和**格是市場對制冷壓縮機的總體要求， 所有對制冷壓縮機的研究無不圍繞著這一終極目標進行。近年來， 市場上出現(xiàn)了這些常規(guī)要求之外的對制冷壓縮機新的需求。這些需求主要體現(xiàn)在制冷空調(diào)設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域的擴展。如熱泵熱水器用壓縮機、工業(yè)加熱過程節(jié)能的熱泵用壓縮機、能量回收或可再生能源利用的熱泵用壓縮機、用于氣態(tài)物料冷凝回收的低溫壓縮機、空調(diào)熱水器用壓縮機等。這些壓縮機的研究不同于已有應(yīng)用領(lǐng)域壓縮機的技術(shù)提高，而是應(yīng)用領(lǐng)域的擴展對壓縮機的工況范圍、設(shè)計要求、可靠性等提出了全新的要求。

　　3 壓縮機的主要研究方向

　　為了滿足對制冷壓縮機節(jié)能、環(huán)保、低噪聲、高可靠性和**格的總體要求， 對壓縮機的研究從未停止過。研究內(nèi)容包括制冷壓縮機的數(shù)學模擬、熱力學過程、動力學過程、傳熱傳質(zhì)過程、流動、噪聲、振動與氣流脈動、摩擦潤滑、氣閥、電動機、開發(fā)工具、測試技術(shù)、容量控制、工藝過程、材料、制冷劑應(yīng)用等各個方面， 涵蓋了往復式壓縮機、轉(zhuǎn)子式壓縮機、渦旋式壓縮機、速度式壓縮機、螺桿式壓縮機等傳統(tǒng)機型， 以及擺動式壓縮機、線形壓縮機等新的機型或結(jié)構(gòu)。這些研究內(nèi)容過去是、現(xiàn)在是、將來也是制冷壓縮機的主要研究方向， 其終極目標是滿足上述市場對制冷壓縮機的總體要求。在此僅對幾個研究方向舉例說明。

　　3. 1 數(shù)學模擬

　　Yasutaka Ito 等建立了轉(zhuǎn)子式壓縮機的數(shù)學模型， 通過理論計算分析了滾動活塞旋轉(zhuǎn)運動特性的影響因素。結(jié)果表明， 滾動活塞和滑片頂端間的摩擦力是*大的影響因素， 旋轉(zhuǎn)運動還受滾動活塞自身慣性的影響， 可通過減小滾動活塞的質(zhì)量來減小活塞和滑片間的相對滑動速度。

　　Joan L PEZ1 等采用CFD HT 方法建立了往復式壓縮機的熱力學和流體力學數(shù)學模型， 計算出壓縮機的溫度場、質(zhì)量流量以及汽缸內(nèi)壓力變化。

　　數(shù)學模擬結(jié)合了數(shù)學模型和數(shù)值計算 2 方面的知識， 是壓縮機研究的一個歷史悠久的手段， 可用于壓縮機研究的各個方面。問題在于數(shù)學模型所用的各種基礎(chǔ)理論往往不足以描述壓縮機內(nèi)部復雜的熱力、動力和傳熱傳質(zhì)過程， 必須結(jié)合必要的專門試驗， 否則就變成了單純的數(shù)字游戲。

　　3. 2 摩擦潤滑

　　制冷壓縮機的摩擦與潤滑是影響壓縮機能效、壽命、可靠性以及噪聲的關(guān)鍵問題。長期以來對其開展了大量的研究。描述潤滑油膜厚度和潤滑油膜壓力分布的雷諾方程為z h 3 P z + 1 R 2 h 3 P = - 6 U z hz - 6 U zz + 12 ht（ 1）Bilgin Hac l oglu 等基于式（ 1） ， 針對邊界潤滑和流體動力潤滑 2 種情況， 在剛性表面假設(shè)下，研究了縱向和橫向2 個方向不同表面結(jié)構(gòu)（ 表面粗糙度） 對壓縮機活塞潤滑的影響。研究結(jié)果表明，流體動力潤滑時表面結(jié)構(gòu)對潤滑的影響較小， 但在邊界潤滑情況下， 表面結(jié)構(gòu)的影響非常顯著。

　　3. 3 氣閥

　　氣閥是壓縮機的薄弱環(huán)節(jié)， 直接影響著壓縮機的壽命和可靠性，同時氣閥運動的正確與否也將顯著影響壓縮機的能效。因此， 對壓縮機氣閥的研究雖歷經(jīng)數(shù)十年， 至今仍方興未艾， 并且仍將持續(xù)下去。

　　某種程度上， 氣閥研究所用到的理論已基本定型， 問題在于如何從理論上更為準確地描述氣閥的運動、如何方便地測量氣閥的運動以及如何將氣閥的運動與壓縮機的性能聯(lián)系起來。

　　Marcelo Alexandre REAL 等在往復式壓縮機的汽缸內(nèi)安裝光纖位移傳感器和壓力傳感器， 測量壓縮機吸氣閥和排氣閥的運動規(guī)律以及汽缸內(nèi)的壓力， 分析了壓力變化對氣閥運動的影響、氣閥延遲關(guān)閉和延遲開啟等不正?，F(xiàn)象。Shuhei NAGATA 等采用應(yīng)變片的方法做了類似的工作， 測出了氣閥的運動規(guī)律。

　　很顯然， 被測壓縮機的吸氣閥運動規(guī)律并不正常： 因彈簧力過強產(chǎn)生的顫振現(xiàn)象將大大增加噪聲和振動、降低壓縮機的效率。這正是研究氣閥的目的所在。這也可以通過數(shù)學模擬來完成，但前提是計算準確。

　　國內(nèi)外全封閉制冷壓縮機的研究涵蓋了前述的所有研究方向， 在此僅作示例說明， 不一一列舉。

　　4 新型壓縮機和壓縮機的新結(jié)構(gòu)

　　為了提高壓縮機的品質(zhì)或者適應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域的擴展， 新的制冷壓縮機機型不斷出現(xiàn)， 或者是全新的運動原理、或者是現(xiàn)有運動原理的結(jié)構(gòu)變化。

　　筆者介紹幾種新型壓縮機和壓縮機的新結(jié)構(gòu)。

　　4. 1 線形壓縮機

　　線形壓縮機是在往復式壓縮機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。傳統(tǒng)往復式壓縮機的驅(qū)動電機輸出的是旋轉(zhuǎn)運動， 而壓縮機活塞運動需要的是往復運動，這樣就必須采用曲柄連桿機構(gòu)將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為活塞的往復運動。這樣的運動轉(zhuǎn)換是必不可少的， 但這既增加了運動零部件數(shù)量又產(chǎn)生了不可避免的能量損失， 使壓縮機的振動和噪聲增加、能效下降。

　　如果電機輸出的就是往復運動， 則上述問題就可以完全避免。在此思路基礎(chǔ)上就形成了線形壓縮機的概念。它采用直接輸出往復運動的直線電機， 活塞向一個方向的運動由電機驅(qū)動， 反方向的運動則由一個彈簧驅(qū)動， 形成一個機電振蕩系統(tǒng)來實現(xiàn)活塞的往復運動。盡管仍然依靠活塞往復運動壓縮氣體， 但與傳統(tǒng)往復式壓縮機在結(jié)構(gòu)上有本質(zhì)的區(qū)別， 可視為一種全新的壓縮機。

　　線形壓縮機的工作原理早已存在， 它具有高能效的先天優(yōu)勢， 是一種較有發(fā)展?jié)摿Φ膲嚎s機。

　　但它具有較高的技術(shù)難度， 在廣泛產(chǎn)業(yè)化方面仍有大量的工作要做， 目前僅在國外有小批量試用。

　　國內(nèi)一些壓縮機制造商也曾嘗試開發(fā)這種壓縮機， 但至今未見成功的報道。

　　4. 2 螺旋葉片壓縮機螺旋葉片壓縮機的工作原理如 所示， 偏心置于圓筒形汽缸中的轉(zhuǎn)子上， 開有變節(jié)距螺旋槽，槽內(nèi)嵌有變節(jié)距的螺旋葉片。螺旋葉片與轉(zhuǎn)子一起由主軸驅(qū)動， 并以相同的速度旋轉(zhuǎn)， 與此同時存在著螺旋葉片與轉(zhuǎn)子間的徑向相對運動。隨著主軸的旋轉(zhuǎn)， 由螺旋葉片、汽缸和轉(zhuǎn)子所組成的封閉容積向排氣端運動并逐漸縮小體積， 以實現(xiàn)氣體的壓縮。

　　這種壓縮機具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊， 電機定子可置于汽缸外（ 以主軸轉(zhuǎn)子作為電機的轉(zhuǎn)子） ， 將電機與泵體重疊起來， 軸向尺寸可大大縮小， 較好的性能， 較小的噪聲與振動， 無氣閥、強制排氣的特點。

　　這種壓縮機廣泛產(chǎn)業(yè)化的前景尚不明朗。

　　4. 3 擺動式壓縮機

　　擺動式壓縮機是在轉(zhuǎn)子式壓縮機基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種壓縮機。常規(guī)轉(zhuǎn)子式壓縮機的轉(zhuǎn)子與滑片是 2 個獨立的零件， 滑片在其背部彈簧力的作用下緊壓在轉(zhuǎn)子上并隨轉(zhuǎn)子的運動做往復運動。

　　擺動式壓縮機的轉(zhuǎn)子與滑片做成一個整體， 稱為擺動轉(zhuǎn)子。 所示為擺動式壓縮機的工作原理。

　　擺動式壓縮機消除了滑片與轉(zhuǎn)子間的摩擦， 適用于高壓力差的應(yīng)用場合， 盡管目前尚未大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化， 但有一定發(fā)展?jié)摿Αiroki KAM IISHIDA 等介紹了一種使用永磁同步電動機的高效擺動式壓縮機。

　　4. 4 3D 渦旋式壓縮機

　　隨著對傳統(tǒng)制冷壓縮機研究的不斷深入， 其結(jié)構(gòu)和功能可能發(fā)生較大的變化， 從而形成壓縮機的新結(jié)構(gòu)， 前述的線形壓縮機和擺動式壓縮機均屬于此類情況。H ajime SAT O 等則介紹了一種在渦旋式壓縮機基礎(chǔ)上發(fā)展出來的 3D 渦旋式壓縮機3D 渦旋式壓縮機在傳統(tǒng)渦旋式壓縮機徑向壓縮氣體的基礎(chǔ)上， 通過渦旋線高度的變化（ 中心部位較低， 傳統(tǒng)渦旋式壓縮機高度不變） 增加了氣體的軸向壓縮。與傳統(tǒng)渦旋式壓縮機相比， 具有高效、低噪聲、結(jié)構(gòu)緊湊、高可靠性的特點。

　　4. 5 CO 2壓縮機和熱泵熱水器用壓縮機

　　CO 2屬于純天然物質(zhì)， 其 GWP 值低， 屬于環(huán)保制冷劑。同時其跨臨界循環(huán)的特征還使得其在熱泵熱水器中應(yīng)用具有獨特的節(jié)能優(yōu)勢。

　　嚴格意義上講， CO 2壓縮機屬于新制冷劑壓縮機， 大多數(shù)的現(xiàn)有壓縮機機型如往復式、轉(zhuǎn)子式、渦旋式、螺桿式等都可以采用這種制冷劑開發(fā)出相應(yīng)的壓縮機。所須解決的問題是跨臨界循環(huán)的高壓力和大壓差帶來的強度問題及高壓下采用人工合成潤滑油帶來的潤滑和摩擦問題等?？紤]到熱泵熱水器巨大的市場發(fā)展空間， CO2壓縮機具有良好的發(fā)展?jié)摿Γ?已成為制冷壓縮機的一個主要發(fā)展方向。

　　目前國內(nèi)熱泵熱水器用 CO2壓縮機的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚有待時日， 且 CO2熱泵熱水器的開發(fā)仍有一定難度。熱泵熱水器多使用普通的HCFC 22 壓縮機， 這就形成了熱泵熱水器用HCFC 22 壓縮機的市場需求， 成為短時期內(nèi)制冷壓縮機的一個發(fā)展方向。所須要解決的問題是較高冷凝溫度造成的可靠性、能效問題以及冬季和夏季巨大的工況差異問題。

　　4. 6 新制冷劑壓縮機與 CO2

　　壓縮機類似， 新制冷劑壓縮機不屬于新的機型， 所有的現(xiàn)有壓縮機機型如往復式、轉(zhuǎn)子式、渦旋式、螺桿式等都可以采用各種新制冷劑開發(fā)出相應(yīng)的壓縮機。

　　目前有可能替代 H CFC 22 作為制冷劑的物質(zhì)可分為幾大類： 天然物質(zhì)如 NH 3， H 2 O， R290 和CO 2及這些物質(zhì)的混合物等； 人工合成單質(zhì)或混合制冷劑如 R410A ， R134a， R32 和 R407C 等； 以及尚處于開發(fā)階段的一些混合制冷劑。其中一些制冷劑的壓縮機技術(shù)已經(jīng)成熟、具備了批量供貨能力。未來的主要開發(fā)方向是 NH 3， R290， R32 和CO 2及未來出現(xiàn)的制冷劑。

　　開發(fā)新制冷劑壓縮機相對比較簡單， 主要的難題在于長期替代制冷劑的不確定性造成的研發(fā)投入和工作量問題， 以及制造裝備、制造工藝的改造問題。在采用易燃易爆制冷劑時尚存在安全性問題。

　　4. 7 其他

　　此外， 還有其他一些新型壓縮機或新的壓縮機結(jié)構(gòu)， 如旋轉(zhuǎn)滑片式壓縮機、利用轉(zhuǎn)動導桿原理開發(fā)的橢圓壓縮機、轉(zhuǎn)缸驅(qū)動轉(zhuǎn)子滑片式壓縮機以及旨在改善制熱性能的補氣增焓渦旋式壓縮機等， 在此不一一贅述。

　　5 結(jié)束語

　　綜上所述， 全封閉制冷壓縮機的發(fā)展特征表現(xiàn)為借助于熱力學、動力學、傳熱傳質(zhì)、潤滑摩擦的實現(xiàn)都必須以電網(wǎng)信息化為前提。我國多數(shù)地區(qū)的住宅用戶目前連峰谷分時計費制度都沒有實施， 一些地區(qū)不得不花費高昂的投資一再建設(shè)抽水蓄能電站。隨著可再生能源發(fā)電規(guī)模在未來幾年的迅速擴大， 電網(wǎng)高效、可靠運行的問題日益突出。以建設(shè)堅強電網(wǎng)為基本目標的智能化電網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)被納入我國電力部門的議事日程， 面向住宅用戶的電網(wǎng)信息化建設(shè)將為需求響應(yīng)型家用電器的應(yīng)用創(chuàng)造條件， 我國相關(guān)家電生產(chǎn)企業(yè)積極考慮在需求響應(yīng)技術(shù)應(yīng)用方面有所作為。