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节能与环保：家用电器压缩机的发展趋势 |
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作者：西安交大压缩机所 屈宗长 冯健美 |
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目前，我国冰箱社会拥有量为1.3亿台，空调器也超过了1亿台。在未来几年内，我国家用空调器每年新增的用电量将达到2000万千瓦，占全国每年新增发电量的一半以上。在夏季，空调器的能耗最为突出，已经成为电力紧张的主要原因之一。有数据统计，每年北京最热的几天，空调用电量（含中央空调）占北京市用电量的40％，而深圳更是达到了50％的水平，就其平均水平来说，目前的空调能耗已经占我国总用电量的20％。空调器的用电量已经排在了各类家电产品之首，每年消耗电量达500～700亿度。第二位是电冰箱，用电量达400～500亿度。所以降低空调器和电冰箱的能耗是科研部门和家电生产企业所面临的一个严峻挑战。另外，节能本身也与环保有着密不可分的关系，节能不仅是为了节约能源，保证我国的资源安全，而且更为重要的是通过节能来减少CO等有害气体的排放量，以降低由此所产生的“温室效应”。因此，国外也把节能的问题作为环保问题来研究。由此可见，节能不仅是家电发展的趋势，而且是保护环境和实现可持续发展的一个重要的组成部分。
世界各国对节能都予以了充分的重视，制定了相应的法律和法规。我国是一个能源进口国家，节能是我国的一个长期国策，相关的部门对空调及有关的家电产品的节能也非常的重视，2004年7月分别报批了《房间空气调节器能效限定值及能源效率等级》、《单元式空气调节机能效限定值及能源效率等级》和《冷水机组能效限定值及能源效率等级》三项国家标准，同年9月16日这三项国家标准便正式发布；2005年3月1日正式实施。
压缩机是空调器和电冰箱的心脏，也是其消耗电力的主要的部件，所以研究空调器和电冰箱的节能，压缩机的节能便首当其冲。
压缩机类型及节能对策
在家用空调器和电冰箱压缩机中，主要使用的压缩机型式有涡旋压缩机、滚动转子压缩机和往复式压缩机。涡旋压缩机是上世纪80年代开发使用的新型压缩机，其工作原理和结构如图1所示。涡旋压缩机它兼具往复式压缩机与旋转式压缩机的优点，具有体积小、重量轻、噪声振动低、结构简单及可靠性高等特点。但是由于价格等原因，涡旋压缩机目前还主要使用在柜式空调器中，在汽车空调器中涡旋压缩机也占有很大的份额。有文献曾经对八种不同压缩机的性能进行了比较。图2也给出了常用的三种压缩机压力比、转矩、容积效率和绝热效率随转角的变化关系。由图2可以看出，涡旋压缩机就其性能来说，它比滚动转子式和往复式压缩机有着更为优越的性能，由此被公认为是技术最先进的第三代压缩机，也是家用电器的理想机型。
1.静涡盘 2. 动涡盘 3. 十字滑环 4. 主轴
5. 机架 6.吸气口 7.排气口
图1：涡旋压缩机的结构
在涡旋压缩机研究方面，继美国和日本的考普兰、开利、日立、三菱等公司在上世纪80年代初完成涡旋压缩机实用化后，我国西安交通大学压缩机研究中心在 1987年成功研制生产了国内的第一台涡旋压缩机，经过十余年的努力，已经相继完成了各种涡旋压缩机的系列研究设计工作，形成了比较成熟的涡旋空调制冷压缩机设计技术。
图2 (a) 压力比随转角的变化曲线
图2 (b) 容积效率和绝热效率随压力比变化曲线
滚动转子压缩机如图3所示，它主要由气缸、转子、滑片及排气阀等组成，它较比往复式压缩机结构简单得多, 而且体积小、重量轻、零部件少、易损件少, 比同样制冷量的往复式压缩机体积可减少60%, 重量减少35%, 零件减少50%左右，这种压缩机经历上世纪80年代的研究活跃期后，目前已经广泛使用在家用空调设备中。 
图3：滚动转子压缩机结构示意图
往复式压缩机是家用空调和制冷设备中最早使用的一种压缩机，虽然该压缩机转速低、体积大，还具有一些易损件，但是由于往复式压缩机具有技术成熟、功耗较小、成本低等优点，所以目前还广泛地使用在家用空调和冰箱上。
◆ 涡旋压缩机研究现状及节能措施
涡旋压缩机的热力过程是依靠控制容积的变化来实现的，而容积的大小则取决于动、静盘的型线，所以型线的研究历来是涡旋压缩机节能研究中的一个重要的内容，结构方面的不少改进都是围绕着型线来进行的。
目前，涡旋压缩机所使用的型线主要有基元渐开线、正多边型渐开线、线段渐开线、半园渐开线、阿基米德螺旋线、代数螺旋线、变径基元渐开线、包络型线和通用型线等。动、静盘涡圈又有对称和不对称，另外，型线在其涡盘上也有偏置或者处于回转中心等不同类型。从工作原理上也可有单作用和双作用，即涡旋型线置于动涡旋盘单侧和双侧。如此多的型线类型，如何来选择和评价其型线的优劣呢？一般情况下均从体积、效率、加工精度及阻力等方面考虑。首先应该选用吸气容积较大的型线，而且为了保证有较高的容积效率，应使泄漏线的长度尽可能的短，相邻腔之间的压力差要小，同时吸、排气口要尽量大。从有效容积的定义出发，对不同的型线进行比较，可以看到，圆的渐开线的有效容积比为1，正四边形渐开线为0.9，正六边形渐开线为0.95，而线段渐开线为1.023，但考虑到加工工艺，一般选用圆的渐开线作为涡旋压缩机的型线。但是在实际型线设计时，由于单一的型线的内压比不能任意的改变，致使加工刀具的干涉易于在型线的始端产生很大的应力以及在中心腔留有较大的余隙容积，所以必须对单一的型线进行修正。不同型线修正的方法尽管不同，各种型线也均有自己的特点，但是由于这些型线与性能参数的映射关系过分依赖于型线方程，所以每种型线的模型针对性太强而缺乏通用性，所以以后又提出了通用型线的概念，可以对各种型线进行正向的分析和逆向的修正。采用此通用型线，也可以大大减少计算工作量。
在涡旋压缩机结构研究方面，其主要的措施是采用柔性机构。柔性机构的采用可以有效地减少泄漏和摩擦损失，增强涡旋压缩机承受固体杂质和液击的能力，也同时降低了加工精度和装配精度的要求。
改变涡旋体的壁厚，提高涡旋压缩机的性能。传统涡旋压缩机的涡圈均采用等壁厚，为了达到较高的压力比，必须设置多圈，给加工带来了复杂性。而变壁厚的提出可以缩短涡旋圈的长度，也减少了气体在压缩时滞留的时间，提高了压缩机的效率，同时也改进了面积利用系数。
强化冷却，提高涡旋压缩机的性能。涡旋压缩机的压力比在一定程度上是受工作温度所制约，日本岩田涂装工业株式会社在强制冷却方面取得了突破，他们在动、静盘设置夹层，既切断了工作腔的热量直接传向动盘轴承的通路，提高了轴承工作寿命，同时又利用夹层进行冷却，减少了压缩功耗。
使用整机的优化设计理论。涡旋压缩机的性能是与多方面的因素有关，除上述因素外，还受到型线加工误差、止动机构加工误差、冷却系统及控制调节机构的配置等因素的影响，因此仅仅局限于某一方面的改进很难最大限度的发挥作用，必须应用整机的优化设计理论，综合考虑这些因素的影响来最大限度的提高压缩机的性能。
◆ 滚动转子压缩机节能措施
滚动转子压缩机的压缩和排气腔，主要依靠滑板来密封的，所以提高转子和滑板的加工精度，减少周向和端面的泄漏，提高压缩机的效率是其研究的主要方面。滚动压缩机具有较高的转速，一般在3000r/min左右，为了减少泄漏，所以各运动件的配合间隙很小，大多控制在微米级，这就要求各个配合的滑动件具有硬度高、摩擦系数小和匹配良好的摩擦副，这就首先要求对各个摩擦件材料作相应的特殊处理。其中在滑板材料采用加镍（Ni）、铬（Cr）、钼（Mo）、硼（B）等合金元素的特殊铸铁件；而转子采用镍、铬、钼铸铁；偏心轴采用比普通铸铁具有高的多的强度、韧性及抗疲劳性的球墨铸铁；气缸的上下端盖及机架采用灰铸铁的生产工艺等都取得了较好的效果。另外通过改进排气阀的结构，增大电机叠片厚度，采用低铁损高磁通量的硅钢片和提高槽前率等措施也会使压缩机的效率进一步的提高。
滚动转子压缩机有6个泄漏通道，泄漏通道的间隙决定了压缩机的效率、摩擦磨损、功耗和加工工艺及成本。因此应结合上述因素的影响，进行整机的优化设计，合理选取各处的间隙值。
◆ 往复式压缩机的节能措施
往复式压缩机是最早使用在空调制冷领域中，一度曾认为在空调和制冷领域，可以用旋转压缩机来取代往复式压缩机，但是多年来由于在往复式压缩机中不断的进行探索和研究，使得设计制造技术不断趋于成熟，特别是由于该机较低的加工和制造成本，使得往复式压缩机在此领域仍然占有主导地位。
往复式压缩机的节能研究主要在变频技术，日本的东芝公司早在1980年就开发出了往复变频压缩机，压缩机的变频技术也是从往复式压缩机研究开始的，有文献曾经介绍了往复式压缩机制冷量和总效率随频率变化的试验数据，由数据可以显示，往复式压缩机在频率为25～75Hz可变范围内，有一其最高的效率，每一种空调和冰箱压缩机使用的电机不同，所以其最高效率所对应的转速也各不相同，这也是往复式压缩机运转性能研究中的一个重要内容。需要指出的是，由于往复式压缩机的特点，在变频技术应用时，首先要解决气阀的工作可靠性问题和压缩机惯性力的平衡问题，特别是要根据制冷量、排气压力的大小，找出最佳的气阀弹簧力，确保在比较宽的运转范围内，使气阀都能可靠的工作。
节能和环保是全球关注的课题
节能不仅是降低了空调和冰箱的运行费用，而且也减少了燃料资源的开采，更为重要的是减少了电厂CO的排放，进而抑制温室效应的加剧。所以节能的研究从某种意义来说也是环保的研究。目前环保和节能是全球关注的重要课题，国外不断出台有关的环保法规，不断升级能效标准，这对我国这样一个全球家电产品的生产基地提出了一个挑战，也将是我国家电出口的一个重要壁垒。要保持一个持久的出口优势，就必须在技术赶上全球节能环保的发展要求。研究节能和环保，除了在现有的机型上进行精心设计，提高其加工和制造技术外，还要努力开发更为先进的节能机型，提高自主开发的能力和水平。
在制冷领域中，目前提出了一些新的机型，如同步回转压缩机和直线压缩机等，可以预计，经过几年的努力，这些更为节能和环保的产品能够达到工业实用化的要求。
原载《国际电器制造商情》(end)
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(3/11/2006) |
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