制冷压缩机的节能分析
摘 要 本文介绍能够促进制冷压缩机CFCs工质替代，并明显提高家用制冷压缩机（冰箱、空调器等）能源效益的新一代制冷压缩机及其研究现状。它采用直线振荡电机驱动活塞式制冷压缩机，通过简单的控制方案可以实现无级能量调节，电效率可高达85%。
一、引言：制冷压缩机工质
根据《蒙特利尔议定书》缔约国第七次会议，发展中国家将于2010年停止使用CFCs工质，而HCFCs也将于2030年全面禁用。为此国内外的冷冻空调制冷压缩机工作者进行了大量的CFCs以及HCFCs工质替代试验研究，但迄今为止尚未找到一种纯工质能在热力性质、毒性、溶油性等方面与CFCs或HCFCs工质相媲美，其中一些较有前途的工质（如R407C，R410A）属于非共沸混合工质，不但价格昂贵，而且必须严格防止泄漏；另外最重要的一点就是工质热力性质等综合性能较CFCs以及HCFCs工质降低，但这一点降低（哪怕1%）也将给广泛使用的标准制冷机配置带来诸多的问题，并消耗无数的电力资源，而要将工质热力性质等综合性能提高哪怕半个百分点也是异常困难和需要大量试验工作的。例如，日本从1996年全面禁止生产CFCs冰箱，一般采用HFC-134a及HCFC-22替代CFC-12，HCFC-141b替代CFC-11。而使用HFC-134a替代CFC-12时，冰箱制冷压缩机工作性能下降5%-10%。
据国外统计，中央空调系统的全年能耗占整个建筑物总能耗的40%至60%，因此空调节能是空调行业永恒的课题；而每家每户每天使用的电冰箱更是CFCs制冷压缩机工质替代首先冲击的目标。如何提高电冰箱、空调器等家用制冷压缩机的能源效益是制冷界最紧迫的课题之一。
众所周知，电冰箱、空调器等家用制冷机由制冷压缩机驱动制冷工质进行热力循环，通过供冷部件向需冷空间输送冷量。因此，要提高家用制冷压缩机的能源效益不仅要改善制冷工质的热力特性及适用性能，还可以通过改善制冷压缩机性能来实现。因为制冷压缩机的性能优劣是制冷机整机性能优劣的决定因素，而制冷压缩机的性能试验在产品开发和质量控制中起着关键性作用。
二、目前使用的制冷压缩机及其研究现状
近年来，为了满足环保和市场的需要，国内电冰箱厂纷纷推出了CFCs制冷压缩机工质替代的电冰箱（俗称无氟冰箱或环保冰箱）；相应地，电冰箱压制冷缩机厂也不断开发出CFCs工质替代的制冷压缩机。
我们知道普遍使用的家用制冷压缩机大多数使用旋转式电动机驱动活塞作往复振荡，必须有一套将电动机的旋转运动转变为活塞直线往复运动的转换机构。通过对这类制冷压缩机的动力学分析（以曲柄连杆机构为例）可见：作用在曲柄连杆机构上的力主要有三种——惯性力、气体力（负载）、摩察力。惯性力又分为活塞往复运动所产生的惯性力、曲柄不平衡旋转质量所产生的离心惯性力、连杆运动所产的惯性力；压缩机的摩擦功率包括往复摩擦功率、旋转摩擦功率。其中曲柄不平衡旋转质量所产生的离心惯性力、连杆运动所产生的惯性力以及旋转摩擦功率项都是因为使用旋转式电动机而直接带来能量损失的项目，而往复摩擦功率的损失则很大程度上是由曲柄造成的活塞所受到的径向力引起的。总之，这种机器总体体积庞大、传动效率低、噪声大、磨损利害、寿命短，因此活塞式制冷压缩机具有很大大的改善潜力。对于家用冰箱的全封闭式制冷压缩机，输入功率只有1/3得到有效利用（电效率约为30%），而在商用制冷压缩机系统设备中，这个比例也仅有1/3至1/2。
建国以来，制冷压缩机工业在生产、国防和科技发展的推动下，从无到有、从小到大，获得了迅速的发展。活塞式制冷压缩机为制冷工业的建设做出了重大的贡献。
长期以来，我国的制冷技术一直落后于西方发达国家。50年代，活塞式制冷压缩机行业从修理转向仿制和组织批量生产。60年代，结合我国国情，制定了我国中小型活塞式制冷压缩机系列标准。到70年代末，除了全封闭式制冷压缩机外，大多数是自行设计制造的系列产品，其品种、数量、质量以及技术水平都有显著提高。80年代我国完成了全封闭式制冷压缩机标准的制定，并研制、生产了一些全封闭式制冷压缩机。目前国内生产电冰箱制冷压缩机的生产线情况是：连杆式引进了下列生产线（引进地）：意大利伊瑞公司（北京）、扎努西公司（天津）、英坦斯特公司（常州）、阿斯培拉公司（嘉兴），美国怀特公司（杭州）、WCI公司（沙市），西班牙CARSA公司（北京），罗马尼亚ARCTIC公司（常熟），澳大利亚科贝公司（重庆）等 ；滚动活塞式引进了下列生产线：美国惠而浦公司（珠海）、FEDDERS公司（南京）；滑管式引进了下列生产线：丹麦丹福斯A/S公司（四川）、德国AEG公司（上海）。可见，我国制冷压缩机工业落后于发达国家，并成为他们的销售市场。
从世界范围看，活塞式制冷压缩机发展历史悠久，具有丰富的设计、研究、制造和运行经验，至今在各个领域中依然被广泛应用、发展着。同时，制冷压缩机的持续进步还反映在其种类的多样化：离心式、螺杆式、滚动转子式、涡旋式等都在被卓有成效地开发。但是，在中小冷量范围内，仍以活塞式制冷压缩机为主（据统计，在100瓦-7.5千瓦的小型封闭式制冷压缩机中，活塞式占75%）；而且，随着制冷压缩机本身可靠性和耐久性不断提高和制冷压缩机紧凑轻量化的追求，高速活塞式制冷压缩机的发展是很自然的。使用直线电动机驱动的新一代制冷压缩机不存在旋转运动以及将电动机的旋转运动转变为活塞直线往复运动的转换机构，结构紧凑，体积小、效率高、寿命长、可以轻松实现高速驱动。
三、新型节能制冷压缩机
家用制冷压缩机的节能措施有多种：变频制冷压缩机、双转子制冷压缩机、模糊逻辑控制、微孔发泡、节能差压阀等。其中采用变频控制实现节能的方案正在得到广泛应用。由于采用变频制冷压缩机，要解决低速运转时的振动问题和润滑油供给问题，高速运转时的轴承负荷问题、摩擦和磨损问题，因此对制冷压缩机的设计和制造提出了更高的要求，控制系统也比较复杂，增加了成本。而直线电机驱动的活塞式制冷压缩机具有优良的控制性能，采用简单的控制环路可以通过调节扫气容积来直接实现能量调节，从而达到节能的目的。
目前发达国家均采用微型低温制冷压缩机作为红外探测器件以及高温超导器件的冷源（通常提供液氮至液氢温区（约-200℃直至-150℃）的制冷温度），因为它更容易做到微型化、更高的可靠性和不受放置方向的限制等。低温制冷压缩机由低温制冷器和压力波发生器组成。其中压力波发生器是一种无阀型活塞-电机-体化设计的特种直线制冷压缩机，其电功转换效率可高达90%以上。美国宇航局及欧洲航天局从八十年代末至今发射的十余颗卫星均采用了这种制冷压缩机驱动的斯特林制冷压缩机，它是提高卫星有效载荷和延长卫星使用寿命的有效手段。目前，国外正在进行将这一高技术成果推向民用的研究。美国正在开发用于家用制冷机的直线马达制冷压缩机。这一项目由美国环保署（U.S.Environmental Protection Agency ，简称EPA）发起并启动研发，美国环保署、美国宇航局、投资公司等相继投入资金推动进一步的研究。
我们知道直线电机利用电能直接产生直线运动，它有突出的优点：
结构简单：在需要直线运动的地方，采用直线电机可以实现直接传动，不需要一套将旋转运动转变为活塞直线往复运动的中间转换机构，因而使机器设备总体结构大大简化，体积大大缩小。
反应速度快，随动性好：直线电机容易做到无刷无接触运行，动子在运动中毫无机械阻力，这是其它传统驱动装置无法竞争的优点。
容易密封，随动性好：直线电机容易做到无刷无接触运行，动子在运动中毫无机械阻力，这是其它传统驱动装置无法竞争的优点。
容易密封，适用性强：由于电机本身结构简单，又可做到无接触运行，因此容易密封，经过适当浸渍、涂封，它可在各种特殊环境中使用（包括液态物质中）。
稳定可靠，寿命长：直线电机是一种直接传动的特种电机，可实现无接触传递力，没有什么机械损耗，故障少，几乎不需要维修，不怕震动和冲击，因此稳定可靠，寿命长。
此外，它还有控制方便、额定值高、精密定位和自锁等独特的优势。
直线电机早在1845年就有人提出，但直到最近二、三十年才得到开发和应用。直线电动机的设计和研制要紧密结合它所在系统的技术要求，进行机电控制系统一体化设计。直线电机的发展和应用表明它只有向着其他驱动装置所不能满足的或使用旋转电机受到限制的领域发展，才能找到直线电机独特的应用领域和优秀的应用机型。目前用于红外探测器件和高温超导器件的低温制冷机使用一种微型、高效、高可靠性的直线往复振荡电动机来驱动活塞式超净气体压缩机。
直线振荡电机有感应型直线振电机、推斥感应型直线振荡电机、直线同步振荡电机等。其中前两款直线振荡电机由于始终处于启动和制动状态，能量损耗大、效 率低、发热利害，而且漏磁大、功率因数低。而采用直线同步振荡电机驱动的微型、高效、高可靠性的超净气体压缩机得到广泛的使用，激磁方式采用永磁式。这样既利用了直线电机可实现直线直接传动、无接触运行带来的结构简单、随动性好、适应性强、稳定可靠、控制性好等特点，又发挥了永磁式电机由于没有激磁绕组和对应的铜损而减少了电机体积和重量、提高了效率和成本等经济技术指标的优势。直线电机的主要缺点除了研究较少，掌握不够外，主要是没有很好的直线运动支承、动子和定子间气隙比旋转式电机大，使得功率因数及效率降低。
四、结论
使用直线电动机驱动的新一代制冷压缩机不存在旋转运动以及将电动机的旋转运动转变为活塞直线往复运动的转换机构，结构紧凑，体积小、效率高、寿命长、可以轻松实现高速驱动。开展促进制冷机CFCs工质替代，并明显提高家用制冷压缩机（冰箱、空调器等用）能源效益的新一代直线马达制冷压缩机及其热力系统动态特性的理论和实验研究，将为促进环保和节能提供技术基础，大大缩短我国在制冷压缩工业领域与发达国家的差距。
