周翾，李征涛，华正豪，洪谢文，陈永杰



涡旋压缩机变容量调节技术的研究现状

周翾*，李征涛，华正豪，洪谢文，陈永杰

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

涡旋式制冷压缩机在制冷空调行业已有广泛的应用，而变容量调节技术可以帮助涡旋式制冷压缩机进一步拓宽压缩机市场。本文将目前应用广泛的压缩机变容量调节技术进行分类整理，总结出适用涡旋式制冷压缩机的几种变容量方法，并整理了变频技术、数码涡旋技术、冷媒喷射/泄出技术等变容量方法的国内外研究现状。指出了涡旋压缩机变容量调节技术的两个最新运用方向：变频喷气增焓空气源热泵系统与新能源汽车热泵空调系统，并整理了最新研究成果。

涡旋压缩机；容量调节；变频技术；喷气增焓

0 引言

涡旋压缩机具有体积小、能耗低、运行可靠、压缩效率高等特点，单台排量范围有2.1~78 m3/h，单台功率范围达(1~60) hp，多台并联最大可达120 hp，冷量范围约有(1.70~417.5) kW[1]，凭借涡旋压缩机变容量调节技术，涡旋压缩机逐渐打开轻商用制冷压缩机市场，在小排量范围内小功率涡旋压缩机可与大功率转子式压缩机展开竞争，在大排量范围内大功率涡旋压缩机又能与螺杆式压缩机展开角逐[2]。从市场份额上来[3-7]，我国涡旋式压缩机的市场需求量从2012年开始呈直线增长趋势如图1，这主要得益于涡旋压缩机变容量调节技术的迅速发展带来的总体成本下降。

目前涡旋制冷压缩机也正努力朝拓宽冷冻冷藏和热泵行业市场的方向发展。本文以上述涡旋压缩机的现阶段发展为背景，论述了迄今为止涡旋压缩机变容量调节技术的研究现状，并结合实际情况浅述了现阶段涡旋压缩机变容量调节技术的运用领域与发展方向。

图1 2012—2016年涡旋式制冷压缩机销售情况

1 涡旋压缩机容量调节的原理

涡旋压缩机容量调节的原理同其他压缩机类似，实际是通过改变制冷剂流量从而改变压缩机制冷量以适应变化的负荷，根据压缩机的制冷量公式：

0=·1··D(1)

式中：

——压缩机的转速，r/min；

1——吸气密度，m³/kg；

——压缩机的排气量，m3/min；

D——制冷剂进、出蒸发器的比焓差，kJ/kg。

可以看出，通过改变式中压缩机的转速、吸气密度或比焓差都可以改变制冷量。基于上述原理可将压缩机基本调节方式分为：吸气节流调节、转速调节和工作容积调节[7]。文献[1]对近年来压缩机容量调节技术进行了较完善的分类与介绍，其中涡旋式压缩机容量调节技术也得到了发展与衍生，目前为止，提高单台涡旋式压缩机压缩容量的方式可分为转速控制和机械变容控制两大类，多台涡旋式压缩机采取外部多机并联分级调节方式与双涡旋压缩机内部并联的调节方式，分类见图2。

图2 涡旋式压缩机变容量调节方式分类示意图

2 涡旋压缩机容量调节的方式与相关技术研究

2.1 变频调节

2.1.1 变频控制技术

变频技术的核心包括逆变器、微控制器、近脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）和变频压缩机。逆变器能将直流电输出为交流电，目前通常采用集成了智能功率模块（Intelligent Power Module，IPM）与功率因素校正（Power Factor Correction，PFC）环节的逆变技术；微控制器目前使用数字信号处理的方式（Digital Signal Processor，DSP），该控制方式简单但功能强大[9-10]。直流变频压缩机使用永磁同步电机驱动，配合脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation，PAM)、单PWM、PAM/PWM这3种调制方式调节可调矩形波的通电时间和不通电时间来改变压缩机转速从而改变压缩机转速，实现单位时间内制冷剂流量的变化。

数码涡旋技术是一种特殊的变容量调节技术，2001年11月谷轮公司正式向市场推出了数码涡旋变容控制技术[1]，它既是变频调节技术的一种，因其采用PWM技术控制电磁阀的开启与闭合时间以及电磁阀开启的程度。同时它也借鉴了吸气回流的压缩机容量调节技术，通过控制两个涡旋盘由于背压丧失而脱离贴合的状态下存在的轴向间隙使气体发生内部泄漏，气体在压差作用下返回吸气腔，此时压缩机空转下无实际容量压缩。由两个涡旋盘的贴合与分离造成了数码涡旋式压缩机的两个工作周期：“负载期”和“卸载期”，根据PWM控制两个周期的时间比从而控制压缩机的容量，与开停调节不同的是，在控制容量过程中数码涡旋压缩机始终保持着额定转速[9-11]。

变频调节技术与数码涡旋技术是目前真正主导市场的主流变容量调节技术，两种技术的特点在于避免了频繁开停而造成的电能损失，控制方式简单，容量调节范围宽，缺点为成本较高，对于小排量涡旋式压缩机控制精度较高，而对于大压比的大排量涡旋式压缩机通常还是采取冷媒喷射等其他变容技术。

2.1.2 变频调节压缩机运行的性能

涡旋压缩机变频调节容量技术的关键在于找到压缩机匹配目标负载的最佳频率。在模型方面，WINANDY[12]最先设计了包含理想等温面的涡旋压缩机完整运行的数学模型（图3），该模型假定了一个理想等温的压缩机壁面，进入压缩机的制冷剂将与此壁面进行热量的交换，并在此基础上，将制冷剂进出压缩机压缩过程分为4个阶段：制冷剂升温过程、等熵压缩过程、恒定容积绝热压缩过程和制冷剂降温过程。制冷剂升温过程中，制冷剂蒸汽由吸入状态（su）吸收壁面传递的热量变成压缩前状态（su1），然后进入到压缩过程，压缩过程中制冷剂状态为压缩过程状态（in），制冷剂在经过压缩之后变成高温高压的压缩后状态（ex1），此时由于制冷剂的温度高于理想的压缩机壁面，所以制冷剂被冷却到排气状态（ex）后，排出压缩机。

通过将冷凝和蒸发压力、进气温度、环境温度和压缩机转速（50 Hz）作为输入，该模型能够预测压缩机的排气温度、制冷剂流量、环境损失以及压缩机电功率，是目前主要运用的一种压缩机完整运行的数学模型。CUEVAS等[13-14]在该模型基础上做了变转速涡旋压缩机的模拟与实验研究，他们发现有无逆变器参数对模型输出与实验结果的影响都很小，说明该模型同样可适用于变转速压缩机的模拟研究。

在实验研究方面，目前国内外的重点研究对象围绕变频涡旋压缩机的制冷能力和输入功率与频率的关系展开。综合数据表明，压缩机频率在25 Hz~75 Hz范围内运行时性能突出。APREA等[15]对R714A变频涡旋压缩机进行数据分析，结果显示，当冷凝温度分别为40 ℃与30 ℃时，压缩机最佳匹配频率为35 Hz与25 Hz，且对比定转速50 Hz时节能近30%。CUEVAS等[14]针对工作频率在35 Hz~75 Hz的涡旋压缩机做了模拟与实验研究，结果如图3所示。

图3 压缩机完整运行过程模型

在压缩机的吸气和排气过程中存在制冷剂的传热过程，即加热和冷却。如图4所示，纵坐标的正值表示制冷剂的吸热过程，负值表示制冷剂放热过程，而图4中的横坐标则表示压缩机中的排气压力与吸气压力之比。在35 Hz到45 Hz的低转速区主要会因为制冷剂的内泄漏而引起的容积效率小幅下降，当频率上升至75 Hz，机电损耗增大也会引起压缩机效率小幅下降，系统在75 Hz到35 Hz转速下降低幅度只在2%~5%以内。PANATO等[16]分析了不同制冷剂在压缩机频率从35 Hz~75 Hz改变时的工作性能，结果表明配合电子膨胀阀的不同开度，不同制冷工质的系统制冷系数（Coefficient of Performance，）均能达到2.0以上。

多项实验分析表明，涡旋式压缩机在频率35 Hz~70 Hz下，可以表现出较好的工作性能和节能的优势，进一步优化压缩机密封技术也可以很大程度地减少内泄漏并提高变频涡旋压缩机的制冷。

图4 35 Hz~75 Hz频率范围内压缩机的工作性能

2.2 机械变容控制

2.2.1 冷媒喷射/泄出技术

冷媒喷射与泄出技术是通过改变进出压缩机的制冷剂质量流量以及气体密度来机械控制压缩机容量改变的调节技术。冷媒喷射技术常见于喷气增焓涡旋式压缩机，通过采用准二级压缩中间冷却的原理，将流出冷凝器的制冷剂进行分流，部分喷入压缩机提高制冷剂流量，解决高压缩比及高排气问题，为寒冷地区冬季制热量不足，效率低下以及排气温度过高等问题提高解决办法[1]。

冷媒喷射技术较好地解决了涡旋压缩机在大压比工况下容积效率低和制热量不足等问题，相反，冷媒泄出技术可以通过减少制冷剂流量的方法降低小压比工况下压缩容量过大的问题[1,17]。涡旋式压缩机冷媒泄出技术的原理是在涡旋压缩机中段合适位置与制冷系统低压侧之间设置可控的旁通通道，将制冷剂气体在减容需求时重新引入压缩机低压侧。国内清华大学的王宝龙等[17]最先对冷媒泄出技术进行了模拟与实验研究，结果显示，制冷剂流量最大降幅在35%的情况下，系统能效比最大升幅可达45%。但是目前国外针对冷媒喷射和泄出技术的研究重点仍处于可行性研究，距离该技术的实际应用还存在很大空间。

2.2.2 喷气增焓涡旋压缩机运行的性能

从压缩机变容量调节的角度来看，喷气增焓涡旋压缩机（Scroll Compressor of Enhanced Vapor Injection，SCEVI）对系统性能的影响主要体现在最优中间压力下的补气量方面。马致远等[18]就补气量对经济器系统的影响做了综合分析，以系统蒸发温度为参考依据确定最佳补气量，当蒸发温度在-15 ℃以下时，相对补气量在0.2~0.5比较适宜，当蒸发温度在-15 ℃以上时，中间补气对整个系统的影响效果不明显。

戎卫国等[19]对SCEVI进行了热力学分析，并比较了特定工况下二级节流带SCEVI热泵与普通单级涡旋压缩机（Normal Scroll Compressor，NSC）热泵循环的性能，发现前者的制热量与制热系数明显要高许多，SCEVI的补气量随着补气压力的升高而逐渐减小，同时压缩机耗功量也逐渐减小，制热系数随补气压力的升高，先增大后减小（图5），当补气压力在400 kPa~600 kPa时，系统的制热系数可达4.2以上。

张剑飞等[20]利用大连三洋压缩机试验台对喷气涡旋压缩机（Scroll Compressor of Vapor Injection，SCVI）与NSC的各性能参数都进行了较详细的对比实验。虽然制冷量随蒸发温度降低而下降，但SCVI的制冷量仍明显高于NSC，且制冷能力相对提高15%。随着蒸发温度继续下降至-20 ℃时，SCVI的能效相比，NSC可提高至19%；随着蒸发温度的下降，相对补气量增加，对排气温度的改善也越明显。OQUENDO等[21]对比了SCVI与双级往复式压缩机（Two-stage Reciprocating Compressors，TSRC）的工作性能，结果发现，随着冷凝温度由30 ℃上升至70 ℃的过程中，压比7.5处为SCVI与TSRC性能的分界线，当压比小于7.5时，SCVI压缩效率高出TSRC近23%，并且制冷也高出TSRC近14%，最高可达3.9，当压比大于7.5时，TSRC的压缩效率高出2.5%且高出SCVI 5%~18%。当蒸发温度降低，SCVI的压缩机功耗增加同时制热明显下滑，但由于补气量的增加，SCVI的制热量还是略高于TSRC的制热量。

图5 供热系数随补气压力的变化

2.3 多机并联技术

多机并联压缩机的原理就是在部分目标冷量下停掉部分压缩机，满负荷运转其余压缩机以满足冷量需求。并联压缩机的技术关键是解决压缩机的回油问题，压缩机并联回路中，由于各压缩机排油速度不同导致最终回油不均匀，严重时会致使压缩机缺油而烧坏的结果。目前回油技术研究重点主要放在回路结构的设计与制热模式下回油方式的设计。WINANDY等[22]和宋培刚等[23]分别讨论了制冷与制热模式下的回油方式，提出了制热模式下不换向回油的方法，可以有效提高回油效果并且不会降低系统制热能力。MA等[24]和FRASTER等[25]优化了单体涡旋压缩机的回油通道，在压缩机内部开设两个回油口对润滑油进行分流。刘群生等[26]提出了“高压差回油”的油平衡方案，通过文献[27]基于油平衡理论进行的实验比较也证明了这种回油方式的可行性。

吴伟军等[28]以空气源并联涡旋式热泵机组为例，与同冷量空气螺杆式热泵机组进行对比，并联涡旋式热泵机组的能力系数达97.7%，相比螺杆式高出近16.13%，且能效比也大幅提升，部分压缩机运行情况下，并联涡旋式热泵机组的能效比可达3。在节能方面，优化并联涡旋压缩机组的控制与卸载方式是减少能耗的重要解决方法。近年来，对于并联机组的研究重点从提高制冷量与能效系数向优化系统的控制方法等方向延伸，新的控制模型与并联思路成为研究热点。在成本方面，优化并联方式和压缩机结构设计是减少成本主要手段，由于并联涡旋式压缩机组相比并联螺杆式压缩机组，每单位制冷量需要较少的功率，通常通过改进或减少机组尺寸来满足变化的负载和瞬态部分以减少成本是较合理的办法[29-32]。

3 涡旋压缩机变容量调节技术的综合应用

3.1 变频增焓低温空气源热泵

在北方低温严寒地区采用热泵供暖是替代传统燃煤供暖的最佳方式之一，空气源热泵具有高效节能、清洁环保等特点，没有燃烧废气的排放并且能源利用率接近锅炉的2倍，是有效控制PM2.5的重要手段。但是常规空气源热泵机组在低温下运行状况不容乐观，当温度低于-15 ℃就会出现压缩比增高、容积效率降低、制热量不足、制热系数降低等状况。将喷气增焓与涡旋压缩机变频技术有机结合，不但可以解决低温下排气温度高、制热系数低下的问题，还可以提高空气源热泵在严寒地区的适用性和经济性，是近几年解决北方供暖问题的高效手段，也是极具发展前景的技术。

DARDENNE等[33]提出了带有喷气机制的变频涡旋压缩机半经验模型（Semi-em Model），在EVI系统中，该模拟需要包括制冷剂流量和压缩机转速在内等10个参数来模拟制冷剂由进气口吸入到从排气口排出的过程，在各特定工况下该模型准确度高达89%。DECHESNE等[34]提出了一种基于空气源热泵的动态模型，该模型以变速蒸汽喷射涡旋压缩机和R410a为工作流体，利用等体积效率、等熵效率以及喷气质量与流速之间的经验关系来建立，该模型的预测准确度良好。ZENDEHBOUDI等[35]同样也考虑了中间补气和排气量与喷气流速的关系，但他通过人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）和模糊推理算法（Adaptive Neuro Fuzzy Inference System，ANFIS）两种方法来建立变频增焓涡旋压缩机模型，后者模拟的数据相对更好。

在变频增焓空气源热泵运行方面，HEO等[36]的实验显示-15 ℃、-5 ℃、5 ℃下变频增焓涡旋压缩机在转速50 Hz~100 Hz下运行时的制热能力比常规EVI系统高10%；艾默生公司于2015年更新的ZW系列压缩机最高转速可达8,400 r/min，数据显示，多联机系统在室外-15 ℃的环境下，变频喷气增焓系统在压缩机转速达7,200 r/min时，机组制热量为24.5 kW，与7 ℃工况下制热量相比并无衰减，同时相比普通并联机组制热能力可高20%[37-39]。蔡亚平[40]和黄俊军等[41]利用艾默生设计的变频增焓涡旋压缩机研究分析了原搭载R410A制冷剂的压缩机直接采用R32制冷剂时的工作性能，实验结果显示在保证排气温度和系统压力在允许范围内提高压缩转速可提高制热能力，打开喷气增焓的系统在-15 ℃环境下制热能力相对提高45.9%，另外喷气增焓系统可降低压缩机排气温度，并且可使压缩机在最低-20 ℃的环境温度下运行。文献[42-46]模拟评测和实验，结果证实了变频增焓涡旋压缩机结合空气源热泵在低温制热方面体现优越性。目前，变频增焓涡旋压缩机的研究已相对成熟，主要问题在于煤改政策的实行以及空气源热泵在北方严寒地区的广泛推广与运行。

3.2 电动汽车喷气增焓热泵空调系统

电动汽车可以通过输出高品位的电能来直接驱动压缩机工作。独立式电动涡旋压缩机由于具有体积小、耗电量少、压缩效率高等特点，是作为新能源汽车车用电动压缩机的首选。而将涡旋压缩机变容量技术运用在新能源汽车空调系统主要体现在两方面：一方面是由于电池可以直接输出高品位电能来驱动压缩机工作，为适应汽车在不同环境下行驶所需的负荷，可利用变频压缩机容量调节技术来调节制冷量范围，以适应各种路段和四季温度不同情况下的工况；另一方面是针对严寒地区由于常规电动汽车热泵空调系统在低温环境下制热量严重不足提出了电动汽车采用变频增焓热泵系统提高制热量的研究方向。

对于车载空调来说，提高系统的制热量远比提高系统制热重要的多。KWON等[47]在模拟中将用于蒸发分流部分制冷剂的经济器改成了小型换热器，系统的制热量还是取决于中间补气压力，当冷凝温度由0 ℃上升至36 ℃，相比普通热泵制热量提升14%~44%，但压缩机耗电量由2.16 kW上升至2.39 kW，因此当冷凝温度上升时，压缩容量的增量远大于换热量的减少，制热下降。但由于车载涡旋压缩机的体积更小，要想增加更多制热量可在压缩机吸气口附近开设两个补气口；针对该方法，QIN等[48]搭建了涡旋式电动压缩机实验台，两个补气口夹角呈120°，实验结果显示，带双补气口的车载热泵制热量较传统热泵制热量可最高提升28.6%，同时喷气孔尺寸越大，制热量越大；但由于这种方式大幅增加了制冷剂流量，在增加压缩容量的同时也增加了压缩功以及电耗，但是并未给出压缩机电耗的对比。张剑飞等[20]对带有中间补气功能的涡旋式压缩机理论循环进行了分析，结果显示，带有中间补气功能的压缩机在蒸发温度为-5 ℃~-20 ℃之间变化时，其能力提升约15%~30%，能效比提升约9%~19%，功耗仅上升约10%。唐景春等[49]搭建了电动汽车空调准双级涡旋式压缩机性能测试实验台，并在5种不同室外环境温度工况下对比了单级与准双级涡旋压缩机的性能，实验结果表明，在低温工况下，准双击涡旋压缩机的排气制冷流量提高了12.9%~17.4%，系统制热量提高了7.3%~8.3%，制热性能提高了7.6%~8.2%。

与传统固定式家用热泵[50]不同，汽车在行驶路程遭遇的不同环境导致系统运行的工况要比家用空气源热泵运行工况复杂得多，并且车载空气源热泵要求的体积更小质量更轻，结构更加紧凑，抗震性能要求更强，因此由家用热泵空调向车载热泵空调[51]的过渡充满困难。但我国积累了较多的变频技术与喷气增焓热泵的相关经验与技术，集中更多模拟与实验研究后，相信会加快这一转变过程。

4 结语

目前市场上单台涡旋式压缩机主流变容量技术依然以变频技术与数码涡旋为主，喷气增焓技术又是拓宽压缩范围的有效手段，多机并联压缩机可满足市场对大排量大功率涡旋式压缩机的需求。进一步优化压缩机结构并降低变容量涡旋压缩机的运行成本，可提高涡旋压缩机对转子式、螺杆式压缩机等大型制冷压缩机的竞争力，拓宽涡旋压缩机在制冷空调行业的市场，并在未来运用于更多的领域。

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Research Status of Variable Capacity Regulation Technology for Scroll Compressors

ZHOU Xuan*, LI Zhengtao, HUA Zhenghao, HONG Xiewen, CHEN Yongjie

(School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Scroll refrigeration compressors have been widely used in the refrigeration and air conditioning industry. Variable capacity control technology can help scroll refrigeration compressors to widen the compressor market. The widely used compressor variable capacity adjustment technology is classifed, and several variable capacity control methods for scroll refrigeration compressors are summarized, and the domestic and international research status of variable capacity methods such as frequency conversion technology, digital scroll technology, refrigerant injection and discharge technology were summarized. the lastest research results and the two latest application directions of the variable capacity adjustment technology of scroll compressor were pointed out, including variable frequency jet booster air source heat pump system and new energy vehicle heat pump air conditioning system; the latest research results were summarized.

Scroll compressor; Capacity control; Frequency conversion technology; Jet enhancement

10.3969/j.issn.2095-4468.2018.04.203

*周翾（1992-），男，在读硕士研究生。联系地址：上海市杨浦区军工路516号上海理工大学能源与动力工程学院，邮编：200093。联系电话：18817305327。E-mail：476417254@qq.com。