涡旋压缩机的高效、低噪、平衡运转

近年来，涡旋压缩机由于其效率高，噪声低，运转平衡而受到了人们的重视。涡旋压缩机是一种容积式压缩机，它是利用涡旋转子与涡旋定子的啮合，形成多个压缩室，随着涡旋转子的平移回转，使各压缩室的容积不断变化来压缩气体的。涡旋式压缩机的机理，早在1905年由法国寇克斯（Leon.Creux）提出并取得专利。20世纪70年代，美国ADL公司进行了广泛研究，于1974年提出了应用于氮气压缩机的报告，并在1973～1976年间，美国和瑞士先后开发了空气、氮气和氟利昂等涡旋压缩机。20世纪80年代初期，美国和日本成功地开发了应用于空调、制冷的涡旋压缩机。又由于涡旋压缩机不需要进、排气阀，且工质在涡旋体中流速较低，因此给变频运行创造了极佳条件，它可以在900～13000r/min的范围中较好地运转。又由于涡旋压缩机可以采用轴向和径向的柔性密封，不仅提高了密封性能，大大提高了容积效率，而且对湿行程也不敏感，这对热泵在高压比下运行时，采用喷液冷却压缩机提供了方便，并且在结构上的特殊性，可采用带经济器运行，使效率得到进一步提高。对于它的优点可用图7-43来表示。当然，涡旋压缩机需有很高的加工精度和安装技术，否则其优点无法实现。

图7-43 涡旋压缩机的优点

目前，涡旋压缩机的常用功率范围已经从0.75kW延伸到22kW，对于高温型压缩机，常用工质为R22、R134a、R407C和R410A；对中低温型压缩机，则除R22和R134a外，还用R404A和R507。

1.涡旋压缩机的工作原理

涡旋压缩机的工作室是由两个涡旋体啮合而成。涡旋体的型线一般采用圆的渐开线（见图7-44a），其基圆半径为a，利用渐开线的不同起始角形成涡旋体的壁厚δ（见图7-44b），当轴向具有一定高度H时，即形成涡旋体（见图7-44c）。

图7-44 涡旋体的形成

a）渐开线 b）壁厚 c）轴向高度

图7-45示出涡旋压缩机的基本结构。两个涡旋体中一个是固定不动的涡旋定子3，一个是作平移转动的涡旋转子4。涡旋转子和涡旋定子周向相差180°，中心偏置e=πa-δ，于是两个涡旋体的型面出现多处啮合点，形成多个封闭的小室。从图7-45上可以看到，涡旋转子在其反面与偏心轴8上的偏心销相连，其偏心距即等于e。当偏心轴转动时，涡旋转子在偏心销的带动下运动，由于在涡旋转子底部和固定机座5之间介入了一个十字联轴环7，因而限制了涡旋转子中心只能进行绕涡旋定子中心以偏心距e为半径的平移转动，而不能绕涡旋转子中心转动。在涡旋定子的中心处，设置一定大小的排气口2。在其周边设有吸气口1，直通涡旋转子的外围。图7-46a表示转子和定子的最外圈正好在大端点处啮合，处于最外围的两个对称的小室（阴影部分）刚完成其吸气过程。随着偏心轴的转动和涡旋转子的平移转动，两涡旋体保持着良好的啮合，使外圈小室中的气体不断向中心推移，容积不断收缩，压力逐渐升高，开始其压缩过程（见图7-46a～g，每圈相隔偏心轴转角120°）。压缩过程一直持续到该两小室的空间，合并为一中心室与排气口相通为止，然后开始通过排气口的向外排气（见图7-46h），并持续到小室的空间消失为止，此即排气过程。在上述这些过程进行的同时，从图7-45b、c、e、f、h看到，外圈型面多次开启，把气体不断吸入到涡旋外圈小室，直到外圈端部闭合（见图7-46d、g），多次完成其吸气过程。由此可见，在涡旋压缩机中，吸气、压缩、排气等过程，是同时和相继在不同涡旋小室中进行的。据此，可以进而理解到，涡旋压缩机中的压缩过程，是一具有一定内容积比的内压缩过程，有一定的内压力比，其中不需要设置吸气阀和排气阀，不存在余隙容积，工作中也就没有膨胀过程。此外，由最外圈压缩室的形成至最内圈排气结束，需经涡旋转子多次平移才能完成。与活塞式、滚动转子式相比，涡旋式压缩机的压缩过程中气体压缩、排气过程最为缓慢，流动损失也必然最小。

图7-45 涡旋式压缩机的基本结构

1—吸气口 2—排气口 3—涡旋定子 4—涡旋转子 5—固定机座 6—背压腔 7—十字联轴环 8—偏心轴

图7-46 涡旋转子和涡旋定子之间的压缩过程

a）0° b）120° c）240° d）360° e）480° f）600° g）720° h）840°

2.全封闭涡旋压缩机的结构

图7-45已清楚地表示了涡旋压缩机中压缩部分的结构，它只有很少的5个主要零件：两个涡旋体、机座、十字联轴环和偏心轴。

图7-47为ZR系列全封闭式涡旋压缩机的断面图，其工作原理如下：从蒸发器过来的工质气体经吸气管4进入压缩机机壳，通过处于机壳上部的涡旋转子3和涡旋定子压缩，由涡旋定子中心孔排出，并经由高低压分隔罩25进入顶部排气腔24。在分隔罩与涡旋定子间设有密封面。在机壳体排气管1处装有止回阀26。在涡旋定子的中心排气孔口附近，设有一旁通管20，通道口由双金属温控片23控制。当排气温度过高时，温控片打开通道口，使高低压旁通，排气腔压力降低，止回阀关闭，压缩机运转在卸载状态，避免压缩机过热。用这种方式，压缩机排气温度可控制在150°C以下，从而避免压缩机的损坏。偏心轴7对涡旋转子的传动，通过十字联轴环18相连，使涡旋转子仅能绕涡旋定子公转，防止了涡旋转子的自转。涡旋转子盘与偏心销之间装有游动衬套17。压缩机的润滑是借助于偏心轴运转时的离心抽力，将壳体下部油池中的润滑油，沿着偏心轴中的油道，送到主轴承、偏心销、游动衬套进行润滑。内置电动机处于机壳的下部，其定子紧配在机壳上，使机壳成为电动机的散热面。在电动机转子的上下端，设有上平衡块6和下平衡块14，以平衡涡旋转子所产生的惯性力矩。

图7-47 ZR系列全封闭式涡旋压缩机的断面图

1—排气管 2—涡旋定子 3—涡旋转子 4—吸气管 5、10—油孔 6—上平衡块 7—偏心轴 8—电动机转子 9—电动机定子 11—甩油盘 12—润滑油池 13—下主轴承 14—下平衡块 15—润滑油道 16—上主轴承 17—游动衬套 18—十字联轴环 19—轴向柔性导销 20—气体旁通管 21—中间压力卸荷阀 22—浮动密封 23—双金属温控片 24—排气腔 25—高低压分隔罩 26—止回阀

除了高低压分隔罩以上的排气腔部分以外，机壳内基本上处于低压状态。电动机得到部分吸入工质的冷却。在机壳底部所设置的下主轴承13，是用以改善电动机的定位，保持电动机的正常磁隙，这样有利于改善轴承负荷和单相电动机的低电压起动性能。

由于涡旋式压缩机具备带液起动，以及融霜循环时能经受液体制冷剂的能力，通常不需配用气液分离器。但是在正常停机时，有大量液体制冷剂反复多次流回压缩机，会稀释润滑油，以致使轴承不能正常润滑而造成损坏。为此，在实际应用时，可通过试验来确定系统是否必须安装气液分离器。(www.xing528.com)

涡旋压缩机的另一个特点是只能在一个旋转方向下进行压缩运行。对单相压缩机，旋转方向不是一个问题，但三相压缩机，却存在压缩机朝反方向旋转的可能。为此，对压缩机的转向必须加以提示说明。

3.变容量涡旋压缩机

在变容量涡旋压缩机的设计中，有不同的变容量方法。美国谷轮公司推出一种数码涡旋压缩机，通过动涡旋盘升起和降落，改变其排气量。另一种变容量的方法是采用直流变频的涡旋压缩机。国外也有将一个定频涡旋压缩机和一个变频涡旋压缩机装在一个壳体内的机构，以利于回油。

（1）数码涡旋压缩机 数码涡旋压缩机是利用轴向“柔性”技术，它的控制循环周期包括一段，“负载期”和一段“卸载期”。负载期间，涡旋盘处于图7-48所示位置，压缩机像常规涡旋压缩机一样工作，输出100%容量。卸载期间，由于压缩机的柔性设计，使两个涡旋盘在轴向有一个微量分离，因此不再有制冷剂通过压缩机，压缩机输出为0。这样，由负载期和卸载期的时间便可确定压缩机的输出容量。

图7-48 压缩机负载和卸载状态示意图

负载期和卸载期这两种状态的转换是通过安装在压缩机上的PWM电磁阀来控制的，如图7-49所示。有一活塞安装于顶部的定涡旋盘处，确保活塞上移时顶部涡旋盘也上移。在活塞的顶部有一调节室，通过0.6mm直径的排气孔和排气压力相连通，而PWM电磁阀连接调节室和吸气管。电磁阀断电时处于常闭位置，活塞上下侧的压力为排气压力，以弹簧力确保两个涡旋盘处于正常工作位置，使压缩机共同加载在满载下工作。当电磁阀通电时，调节室内的排气被释放至低压吸气管，导致活塞上移，顶部涡旋盘也随之上移。该动作使两个涡旋盘分离，导致无制冷剂通过涡旋盘，使压缩机卸载。当电磁阀断电时，再次使压缩机满载，恢复压缩操作。

图7-49 数码涡旋变容量机械结构

数码涡旋压缩机的一个“工作周期时间”包括“负载状态”时间和“卸载状态”时间，如图7-50所示，这两个时间阶段的组合决定压缩机的容量调节。通过数码控制改变负载状态和卸载状态的时间，就可调节压缩机的输出容量在10%～100%的范围内变化。由于涡旋盘的加载和卸载，任何周期内吸气和排气压力会发生波动。负载状态中，吸气压力开始下降而排气压力开始增大。在卸载周期内，吸气压力开始增大而排气压力开始下降。由于通过改变加载时间的比例即可改变压缩机输出，从而实现了连续的容量输出，即无级输出。因提供了连续的容量输出，压缩机能够更精确地控制室内温度，并且更加节能。

图7-50 工作周期时间

（2）变频涡旋压缩机 变频涡旋压缩机的容量是通过压缩机电动机的转速来改变的，驱动压缩机工作的是感应电动机，其转速随频率而变化。当室内负荷要求提高时，压缩机电动机的频率随之增大，从而导致电动机转速更快，容量提高。同样地，当室内负荷要求随之降低时，压缩机的频率减小，从而使容量降低。变频压缩机的工作频率级别范围在30Hz到117Hz间。压缩机以有限的容量级别运转（21级），容量输出的变动是间断的。变频压缩机电动机主要分为交流异步电动机和直流无刷电动机两种。直流无刷电动机拖动无刷电动机本身，由转子位置传感器和电子换向开关组成。转子磁极为永磁体，电动机绕组采用自控式换流，定子旋转磁场与转子磁极同步旋转，通常采用按转子磁场定向的定子电流矢量变换控制，既有普通直流电动机良好的调速性能和起动性能，又从根本上消除了换向火花、无线电干扰的弊端，具有寿命长，可靠性高和噪声低，控制方便的特点。目前变频涡旋压缩机已应用于柜式空调机上，节能效果明显，制冷系数提高20%左右。

（3）其他涡旋压缩机 低温强热涡旋压缩机的结构示意图如图7-51所示，低温涡旋压缩机除了常规的吸气口和排气口外，还具有第二吸气口，即蒸气喷射口，中压的制冷剂蒸气通过蒸气喷射口和位于涡旋盘的通道喷射到涡旋盘的中间腔，以增加制冷机流量，结合带经济器的系统设计，达到增加系统质热量，提高了运行可靠性。图7-52给出了谷轮公司低温强热涡旋压缩机VRI34KF-PFS与普通涡旋压缩机VR34KF-PFS的制热量对比曲线。

图7-51 低温涡旋压缩机的结构

二氧化碳涡旋压缩机在日本已经被广泛用于家用热泵式热水器生产中，这种小型的全封闭式涡旋二氧化碳压缩机已进入商业化状态，如三洋的双级涡旋式压缩机、电装和松下的涡旋压缩机等。表7-8为二氧化碳涡旋压缩机的基本规格。

图7-52 低温强热涡旋压缩机VR134KF-PFS与普通涡旋压缩机VR34KF-PFS的制热量对比曲线

1—普通型 2—强热型

表7-8 二氧化碳涡旋压缩机的基本规格