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小容量制冷空調(diào)產(chǎn)品的壓縮機(jī)往往采用全封閉結(jié)構(gòu)形式，將整個壓縮機(jī)和電機(jī)連成一體，組裝在一個無法拆開的密閉薄壁機(jī)殼中，而機(jī)殼則最后焊接成一體，大大縮小和減輕了整個壓縮機(jī)的尺寸和重量，也有利于減少制冷劑泄漏的機(jī)會，非常適于大批量生產(chǎn)。這類壓縮機(jī)具有使用可靠性高、壽命長等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于家用場合，尤其是家用電冰箱和房間空調(diào)器。此外常見的小容量制冷器具還有飲料柜、自動售貨機(jī)等。 本期，我們就通過對活塞壓縮機(jī)、滾動活塞壓縮機(jī)和線性壓縮機(jī)的市場概況和技術(shù)現(xiàn)狀的了解，以及對實際產(chǎn)品的熱力學(xué)完善度的簡單計算，來看一看小容量制冷壓縮機(jī)的未來發(fā)展趨勢。 分類：主要有往復(fù)式、滾動活塞和線性壓縮機(jī)三類；應(yīng)用：用于冰箱、冷柜、空調(diào)、熱泵等小型制冷空調(diào)裝置。制冷劑：常用制冷劑有R600a、R290、R134a、R22、R410A、R32及R744等。另外，按應(yīng)用與測試工況可將其分為低背壓、中背壓和高背壓三種，分別用LBP、MBP和HBP表示。低背壓式(蒸發(fā)溫度-35～-15℃)，主要用于電冰箱、食品冷凍箱、超市島柜等產(chǎn)品；中背壓式(蒸發(fā)溫度-15～0℃)，主要用于飲料冷卻柜、食品保鮮柜、制冰機(jī)等產(chǎn)品；高背壓式(蒸發(fā)溫度5～15℃)，主要用于房間空調(diào)器、除濕機(jī)、熱泵熱水器等產(chǎn)品。活塞壓縮機(jī)的工作容積范圍為2.5～39.8cm 3，主要用于電冰箱和小型冷凍冷藏設(shè)備如輕商冷柜；滾動活塞壓縮機(jī)的工作容積范圍為1.4～84.8cm 3，主要用于家用空調(diào)、熱泵和除濕機(jī)等；線性壓縮機(jī)的工作容積范圍為7～16.5cm 3，主要用于家用電冰箱。
活塞壓縮機(jī)制冷量普遍偏小，絕大多數(shù)都在500W以內(nèi)，但也有少數(shù)中高背壓機(jī)型可以達(dá)到1750W，輕商用機(jī)型冷量范圍進(jìn)一步拓寬，最高可達(dá)5646W；滾動活塞壓縮機(jī)主要用于空調(diào)、熱泵、除濕機(jī)等，制冷量范圍比較寬，可低至220W左右，最高則可達(dá)20916W；線性壓縮機(jī)在民用領(lǐng)域發(fā)展時間短、產(chǎn)品類型少，目前一般用于電冰箱，制冷量范圍比較窄，普遍在400W以下。
活塞壓縮機(jī)發(fā)展時間最長，具有豐富的研究、設(shè)計、制造和運行經(jīng)驗，型號與規(guī)格齊全，目前其全封機(jī)型主要用于輕型商用與小型家用制冷領(lǐng)域。雖然它具有結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便、振動小、噪音低、惡劣工況下可靠性高、工作壓力和流量范圍廣等優(yōu)點，但也存在體積較大、不適合家用空調(diào)產(chǎn)品等缺陷。在冰箱壓縮機(jī)很難大幅增長的當(dāng)下，輕商壓縮機(jī)體量雖小但市場潛力巨大，而且利潤好于家用，預(yù)計今后幾年新增需求比較旺盛。
上圖（圖3）為2018年冰箱用活塞壓縮機(jī)的制冷劑使用情況，主要有R600a、R134a、R290和R404A。R600a和R134a大多應(yīng)用在200W以下機(jī)型，200～300W之間機(jī)型對R290、R600a、R134a三種制冷劑均有應(yīng)用，300W以上機(jī)型應(yīng)用R404A較多。R600a單位容積制冷量小，排氣量很難做到15cm 3以上，但憑借效率更高、噪音更低等優(yōu)點，在我國的占比接近80%；其次是R134a，但R134a冰箱壓縮機(jī)主要以出口美國市場為主，在內(nèi)銷市場比重不高。
上圖（圖4）為目前市場上活塞壓縮機(jī)的工作容量按照不同型式和用途進(jìn)行的劃分，主要有冰箱和輕商設(shè)備兩大類。電冰箱用全封活塞壓縮機(jī)經(jīng)過長期研究優(yōu)化，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、能效高、可靠性高、冷量范圍寬等特點，中高背壓機(jī)型制冷量較高，可以達(dá)到1750W左右，絕大多數(shù)的低背壓家用冰箱、冷柜用壓縮機(jī)制冷量普遍偏小，在500W以下。輕商設(shè)備可細(xì)分為食品展示柜、酒柜、飲料柜、自動售貨機(jī)、專業(yè)廚房冰箱等輕商柜，與制冰機(jī)、醫(yī)用冷柜、冰淇凌機(jī)等其他用途的制冷設(shè)備兩類，該用途壓縮機(jī)工作容積與冰箱壓縮機(jī)大體相當(dāng)，只是容量范圍更廣，從幾百瓦到幾千瓦都有對應(yīng)的機(jī)型，部分低背壓機(jī)型制冷量接近1000W，中背壓機(jī)型根據(jù)使用場景可達(dá)1800W甚至更高，高背壓機(jī)型最大容量在5kW左右。下圖（圖5）反映了目前市場上主流的活塞壓縮機(jī)性能表現(xiàn)。
結(jié)合圖4可以看出，在500W以下的容量范圍，多是用于家用冰箱、冷柜的中低背壓活塞壓縮機(jī)，其COP主要集中在1.0～2.0，出現(xiàn)這種情況的原因是冰箱壓縮機(jī)COP的大小，不僅與制冷量有關(guān)，還受電機(jī)類型、冷卻方式等多種因素影響，無法得到明顯的規(guī)律。此容量范圍內(nèi)的冰箱用定速活塞機(jī)型制冷量范圍為55～475W，COP范圍為0.96～2.15；變頻活塞機(jī)型制冷量范圍為31～490W，COP范圍為1.5～2.34。輕商活塞壓縮機(jī)主要使用R134a、R404A和R290制冷劑，根據(jù)具體產(chǎn)品覆蓋低中高三個背壓，工作容量范圍更廣，COP范圍為1.4～2.8。滾動活塞壓縮機(jī)又稱滾動轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)、旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)，目前廣泛應(yīng)用于家用和商用空調(diào)熱泵。早期主要由美國Vilter公司生產(chǎn)，隨著制造水平的提高，其應(yīng)用越來越普遍；改革開放以后，眾多外資在我國境內(nèi)設(shè)廠生產(chǎn)，我國開始大規(guī)模生產(chǎn)滾動活塞壓縮機(jī)；九十年代左右，它逐步發(fā)展成為房間空調(diào)器壓縮機(jī)的獨有機(jī)種，在單元式空調(diào)機(jī)也有一定的市場份額。最近幾年其工作容量不斷拓寬，憑借成本與性能優(yōu)勢，滾動活塞壓縮機(jī)在熱泵采暖、冷凍冷藏以及家用多聯(lián)機(jī)產(chǎn)品中的應(yīng)用也越來越多。與活塞壓縮機(jī)相比，滾動活塞壓縮機(jī)加工精度高，由于連續(xù)壓縮且?guī)缀鯖]有往復(fù)運動部件，因此噪音更低、壽命更長、摩擦損失小，具有無吸氣閥片、吸氣阻力小、容積效率高等優(yōu)勢。此外，它還具有良好的抗?jié)駢嚎s性能。目前，空調(diào)市場上很多的滾動活塞壓縮機(jī)使用R410A，其余則使用R134a、R22等制冷劑。但R410A的GWP值較高，各國出于政治、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等考慮，采用了不同的技術(shù)替代路線。下圖（圖6）為前幾年市場上滾動活塞壓縮機(jī)的工作容量按照不同的型式和用途進(jìn)行的劃分，可見其制冷量范圍比較寬，相關(guān)產(chǎn)品極其豐富，主要有空調(diào)、熱泵、干衣機(jī)、除濕機(jī)和熱泵熱水器。微型制冷系統(tǒng)用R134a滾動活塞壓縮機(jī)制冷量低至220W，R744冷凍冷藏用滾動活塞壓縮機(jī)制冷量最高可達(dá)20916W。
下圖（圖7）反映了市場上滾動活塞壓縮機(jī)在不同應(yīng)用領(lǐng)域的性能表現(xiàn)。結(jié)合圖7可以看出，中低溫用途的滾動活塞壓縮機(jī)多用于小型冷庫、輕商柜，容量多在15kW以下，適用制冷劑為R404A、CO2等，COP范圍為1.37～1.69，性能水平還具有較大的提升余地；中高溫用途的滾動活塞壓縮機(jī)則主要用于空調(diào)、熱泵、除濕機(jī)、干衣機(jī)、泳池?zé)岜靡约拔⑿椭评湎到y(tǒng)，家用空調(diào)、熱泵的容量變化范圍較大，COP范圍為2.5～5，基本在4上下浮動，并無明顯的變化趨勢，單冷式空調(diào)器在能效水平和最大容量上稍低于熱泵高效型。
在一些特別的應(yīng)用場合如基站用滾動活塞壓縮機(jī)，COP范圍為2～3，容量基本在1kW以下，可在容量符合要求的前提下進(jìn)一步優(yōu)化。熱泵熱水器的主要容量范圍在8～10kW，COP范圍為5～6.5，經(jīng)過不斷的技術(shù)創(chuàng)新，部分企業(yè)已經(jīng)形成了一系列的制熱水專用型號，在不同容量范圍內(nèi)均具有超高能效水平。線形壓縮機(jī)也叫直線壓縮機(jī)，嚴(yán)格來說屬于一種特殊電機(jī)的活塞壓縮機(jī)。它采用直接輸出往復(fù)運動的直線電機(jī)驅(qū)動活塞向一個方向運動，反方向運動由一個彈簧驅(qū)動，這樣形成一個機(jī)電振蕩系統(tǒng)來維持活塞的往復(fù)運動。線性壓縮機(jī)避免了采用曲柄連桿機(jī)械機(jī)構(gòu)導(dǎo)致的復(fù)雜性，并可有效降低由此帶來的機(jī)械耗功。另一個明顯的優(yōu)勢是線性壓縮機(jī)可以實現(xiàn)無油潤滑，消除了回油需求不僅減少了管道尺寸的限制、提高了換熱器的傳熱性能，還有效減少了壓降損失。許多白色家電壓縮機(jī)制造商將線性壓縮機(jī)列入下一代壓縮機(jī)的核心技術(shù)。
上圖（圖8）為前幾年市場上線性壓縮機(jī)的工作容量分布圖，應(yīng)用于家用電冰箱，無論是恩布拉科的無油設(shè)計還是LG的有油設(shè)計，均采用動磁式直線振蕩電動機(jī)，使用R600a和R134a，制冷量不超過400W。LG的線性壓縮機(jī)有FL和FM兩個系列，電動機(jī)效率超過90%，制冷量范圍為150～370W，工作容積有7.5、10.2和16.5cm 3等規(guī)格，其主要問題在于成本較高，使用潤滑油和硬質(zhì)彈簧也并不具備吸引力，原因是前者無法增強(qiáng)換熱性能，后者給壓縮機(jī)小型化工作帶來了困難，無法有效節(jié)省產(chǎn)品空間。恩布拉科線性壓縮機(jī)Wisemotion系列采用無油自潤滑技術(shù)，適用于50至260伏的寬電壓范圍，制冷量范圍為40～335W，COP可達(dá)2.34。有學(xué)者認(rèn)為，目前大規(guī)模生產(chǎn)該機(jī)型的限制主要是成本，直線電機(jī)需要更多的稀土材料，同時制造工藝上也有不同于傳統(tǒng)活塞機(jī)型的要求，比如在無油線性壓縮機(jī)的制造過程中，需要專門的潔凈室以滿足其徑向間隙活塞和氣缸間10～20μm的精度要求。此外，鄒慧明等還開發(fā)了R290輕商冷柜線性壓縮機(jī)樣機(jī)，在供電電壓145V、頻率70.2Hz條件下，制冷量為604W時COP達(dá)到1.42，以部分負(fù)荷運行時的制冷量和COP會發(fā)生一定衰減。目前，冰箱用線性壓縮機(jī)無論是有油設(shè)計還是無油設(shè)計都存在成本難以降低的局限性；微電子器件冷卻用線性壓縮機(jī)前景良好，其高效化和小型化是主要面臨的問題；而為房間空調(diào)器設(shè)計線性壓縮機(jī)（制冷量大于2000W），目前是一項非常具有挑戰(zhàn)性的工作。馬一太等提出將熱力學(xué)完善度作為性能評價指標(biāo)，可以將不同制冷空調(diào)循環(huán)統(tǒng)一在一個基準(zhǔn)上進(jìn)行比較分析，幫助分析產(chǎn)品提高性能的空間和努力方向。根據(jù)國標(biāo)規(guī)定的名義工況，可以計算理想逆卡諾循環(huán)效率，通過前文統(tǒng)計的實際產(chǎn)品能效比實測值可以求得不同類型產(chǎn)品的熱力學(xué)完善度。
表1反映了常見的家用制冷空調(diào)產(chǎn)品的熱力學(xué)完善度水平，定速壓縮機(jī)的電冰箱熱力學(xué)完善度在16 .19 ～3 6 . 2 6 %，變頻壓縮機(jī)的電冰箱熱力學(xué)完善度在26.98～39.46%，商用陳列柜熱力學(xué)完善度在12.81～25.62%?？梢岳斫鉃榘凑瘴覈矣秒姳涞募夹g(shù)水平，實際用能效率相當(dāng)于理想循環(huán)的六分之一到五分之二，相較普通定速機(jī)型，采用變頻技術(shù)的活塞壓縮機(jī)用能效率更高，而種類眾多輕商制冷產(chǎn)品，實際用能效率仍有較大的提升空間。空調(diào)與熱泵產(chǎn)品方面，房間空調(diào)器熱力學(xué)完善度在15.95～34.41%，熱泵型的實際用能效率要高于單冷型，熱泵熱水器熱力學(xué)完善度在18.26～51.71%。需要注意的是，房間空調(diào)器的能效是在恒溫室或焓差室中測量的，熱源視為無限大，若以其額定制冷的試驗工況（室內(nèi)干球溫度27℃、室外環(huán)境溫度35℃）計算，理想等溫逆卡諾循環(huán)效率高達(dá)37.52，很難作為“理想目標(biāo)”，分析其原因主要是實際產(chǎn)品與室內(nèi)外空氣的換熱不是等溫的，室內(nèi)側(cè)可能是27至（12～17）℃，室外側(cè)可能是35至（43～45）℃，因此對使用側(cè)空氣介質(zhì)的實際變溫過程近似取平均值可得到單冷型房間空調(diào)器COP c 約為15.67，同理可得熱泵型房間空調(diào)器COP c 約為14.53。分析不同產(chǎn)品的熱力學(xué)完善度可知，實際循環(huán)效率與理想循環(huán)相差很大，造成這種差距的原因主要有兩方面，首先是壓縮機(jī)的產(chǎn)冷、產(chǎn)熱能力與實際負(fù)荷不匹配，容易形成“大馬拉小車”，顯然采用變頻壓縮機(jī)的產(chǎn)品用能效率與“理想循環(huán)效率”更接近，還可開發(fā)專用壓縮機(jī)提高產(chǎn)品性能；其次是不可逆?zhèn)鳠釗p失與傳熱溫差的存在，如熱力學(xué)完善度較高的CO 2熱泵熱水器，采用跨臨界循環(huán)時水的加熱過程與工質(zhì)的冷卻過程溫度更匹配，更接近于勞倫茲循環(huán)，獲得較高效率的同時出水溫度也可以做到更高。
近幾年R32、R290和CO 2等環(huán)保制冷劑發(fā)展迅速，壓縮機(jī)為適應(yīng)制冷劑替代在技術(shù)上也做了很大改進(jìn)。R32熱力性能與R410A相似，目前已大批量生產(chǎn)、成本較低，是目前在空調(diào)器中較為理想的替代R410A的制冷劑。日本率先將R32作為房間空調(diào)器的替代制冷劑，從2016年開始多家中國制造商也在國內(nèi)外市場推出了R32產(chǎn)品。（1）小型高效R32變頻雙轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)三菱電機(jī)（廣州）壓縮機(jī)有限公司的3HP變頻壓縮機(jī)SVB200，是一款空調(diào)用變頻雙轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，適用于R32環(huán)保制冷劑，采用了龍骨馬達(dá)、熱鉚接、分割式隔板技術(shù)等多項三菱電機(jī)獨創(chuàng)技術(shù)，使3HP壓縮機(jī)本體直徑縮小至112.2mm，重量輕至8.5kg，可用于家用空調(diào)、1拖1空調(diào)。尼得科壓縮機(jī)（天津）有限公司的NLV12.6CN丙烷壓縮機(jī)，適用多種電制，是為超市島柜等輕商制冷設(shè)備量身定制的中低背壓變頻壓縮機(jī)。變頻控制器配備主動式功率因數(shù)校正模塊，確保負(fù)載溫度波動最小化，制冷量為422～938W，COP可達(dá)1.76，噪音低至42分貝，是當(dāng)前市場上同類產(chǎn)品中唯一支持熱氣除霜模式的產(chǎn)品。松下壓縮機(jī)（大連）有限公司生產(chǎn)的CO 2壓縮機(jī)為兩級壓縮雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，將2個滾動活塞以180°對稱配置，由單個電機(jī)帶動兩個有兩套完全獨立吸氣口與排氣口的壓縮缸，與同功率活塞壓縮機(jī)相比，具有噪音低、重量輕、體積小和壓縮過程轉(zhuǎn)矩變化平滑等優(yōu)勢。臥式15F均為冷凍冷藏用定速型號，用于自動售貨機(jī)和陳列柜；立式15F是變頻制熱型號，用于400～600W的熱泵干衣機(jī)和1～3HP家用熱泵熱水器；其余兩個系列為立式大容量變頻空調(diào)和熱泵機(jī)型。4.2 變頻和變?nèi)萘考夹g(shù)更加普及國內(nèi)的房間空調(diào)器企業(yè)在十余年內(nèi)經(jīng)歷了從定速、交流變頻、直流調(diào)速的技術(shù)發(fā)展過程。目前市場上主流的變頻壓縮機(jī)大多適用于400～600L大冰箱，但實際上我國消費者購買冰箱時傾向選擇400L以下的產(chǎn)品。三缸雙級變?nèi)莘e比壓縮機(jī)是雙級壓縮產(chǎn)品，此機(jī)型實現(xiàn)了單臺壓縮機(jī)可變?nèi)莘e比的雙級壓縮，根據(jù)工況調(diào)整容積比使各個工況下效率最大化，可應(yīng)用在中央空調(diào)、家用空調(diào)、熱泵熱水器及采暖機(jī)產(chǎn)品中，最低工作溫度可低至-35℃，并保持在-25℃環(huán)境溫度下制熱量不衰減，徹底取消了其他輔助加熱手段。全封活塞壓縮機(jī)的主要應(yīng)用是電冰箱，隨著輕商市場的高速增長，輕商用活塞壓縮機(jī)的容量拓寬至5kW左右；滾動活塞壓縮機(jī)的傳統(tǒng)應(yīng)用是房間空調(diào)器，后來容量不斷拓寬。而隨著壓縮機(jī)容量和運行范圍的不斷擴(kuò)大，部分應(yīng)用范圍出現(xiàn)了重疊，如微型滾動活塞壓縮機(jī)用于車載冰箱，活塞壓縮機(jī)用于制熱水，改善排氣溫度后的臥式渦旋壓縮機(jī)用于冷凍冷藏。上海海立電器有限公司自主研發(fā)的滾動活塞微型壓縮機(jī)，采用車內(nèi)直流電源驅(qū)動、智能變頻控制，用于中高端汽車的車載冰箱。該產(chǎn)品體積小，高度僅75mm，結(jié)構(gòu)緊湊，噪音低于32dB，COP突破3.0，已通過耐震和傾斜試驗考核，保證車用環(huán)境下的可靠運行。它是一款220-240V/50Hz高能效R290活塞式壓縮機(jī)，適用高背壓和高啟動力矩應(yīng)用場合，排量為8.76cm 3，其高能效設(shè)計可使制熱COP達(dá)到4.07，制熱能力達(dá)到1629.6W，延續(xù)了NL系列壓縮機(jī)優(yōu)秀的可靠性，適用于200～300L熱水器熱泵。該產(chǎn)品的推出可將熱泵熱水器從R134a切換為天然制冷劑R290，從而使熱泵的耗電量進(jìn)一步降低，顯著提升能效水平。采用中間噴液結(jié)構(gòu)的臥式渦旋壓縮機(jī)，能最大程度地降低排氣溫度，還對臥式結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，具有低噪音、震動和高可靠性等優(yōu)點，其油潤滑系統(tǒng)采用壓差供油方式，能夠在-45℃的蒸發(fā)溫度下運行。本文對小容量制冷壓縮機(jī)的市場概況、技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、典型產(chǎn)品等進(jìn)行了介紹，得出以下結(jié)論：制冷量范圍為31～5646W，COP范圍為0.96～3.22，主要用于電冰箱和輕商制冷設(shè)備，后者的市場潛力巨大。制冷量范圍為220～20916W，COP范圍為1.37～6.5，主要用于房間空調(diào)器，近年來在熱泵采暖、冷凍冷藏等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。制冷量范圍為40～375W，主要用于家用電冰箱，電子冷卻用與家用空調(diào)機(jī)型尚處于研究階段。壓縮機(jī)、變頻變?nèi)萘繅嚎s機(jī)、線性壓縮機(jī)等得到較快發(fā)展，某些容量范圍出現(xiàn)了不同型式壓縮機(jī)的競爭。備注說明：本文數(shù)據(jù)統(tǒng)計受時間所限，僅統(tǒng)計到2018年。文字內(nèi)容僅供參考。
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