双转子压缩机在高节能性变频多联机中的运用

技术背景分析

随着能源紧缺问题再次被引起重视和社会环保意识的加强，任何空调都希望将节能和环保作为技术研发的方向，以期待通过技术的领先扩大市场占有率。变频多联机主要针对办公及房产项目，与之有关的背景技术如下：

1、出于保护臭氧层及减少地球温室效应的要求，根据蒙特利尔协议和京都议定书的要求，HFC制冷剂将取代以R22为代表的HCFC制冷剂，二氧化碳的排放量需进一步降低，至2010年日本、加拿大等国家将全面禁止使用R22，至2015年氟利昂制冷剂将被消减至10%，并最终只能在维修中使用。从2004年开始，国内市场中的主流厂家的变频多联机已普遍使用新冷媒R410A。

2、高节能性要求，参考变频多联机节能国家标准，满负荷COP在实际运行中占的比例仅为10%，变频多联机的大部分时间均处于部分负荷下运行。在行业内，高部分负荷COP的变频多联机才是真正节能的理论也得到广泛认可。

直流变速双转子压缩机

双气缸的旋转式压缩机(2-cylinder type rotary compressor)在1985年首次应用在商业空调上，而在日本，1981年首次将涡旋式压缩机应用到汽车空调，1983年开始运用在厢式空调上。1988年首次出现变频控制的双转子压缩机，由于变频控制具有更大的控制范围，使得机器容量的调节能力提高了1倍。1993年直流变频双转子压缩机技术开发成功，1998年，东芝推出日本首台R410A冷媒空调机搭载的就是最新的直流变速双转子压缩机，由于能够更高效的发挥出R410A的效率，双转子压缩机的技术被进一步推广。

图1是直流变速双转子压缩机的剖面图，该型号是针对环保制冷剂R410A设计。将机械部分设计在压缩机壳体的底部，而集中绕组式直流无刷马达配置在上部。该马达将对气缸进行驱动。

在机械部分的开发上，将排气容积最佳化，余隙容积最小化，改良机械部分的密封性，降低滑块部分的摩擦等，以发挥R410A高压力小流量的最佳特性。关于冷媒润滑油方面，采用可与R410A冷媒互溶的人工合成物多酯油，并改良其分子结构使其抗水解性提高，以确保其恰当的润滑性并维持压缩机构的密封性。一系列的技术革新使压缩机的效率可以在广泛的运转条件范围内获得提高。

在电机部分，将高磁力的稀土类磁石嵌入转子核心内部的内置式马达(Interior Permanent Magnet,IPM)，磁阻扭矩可以被有效利用，马达效率大幅提高。如图2显示的是近似于实际使用运转情况下不同转速的总效率，采用新的直流电机后，所有转速范围内的效率均得到提高，在中、低转速范围内特别杰出。当室内温度接近设定温度时，压缩机在中低转速运转时间比例非常高，在变频器的控制下，空调机在此情况下节能效果最为显著。

单转子压缩机和双转子压缩机的区别

单转子压缩机目前广泛使用在家用分体机上，由于仅配置一个气缸，在运行中低转速状态下的震动特性较差，但在高转速下比较稳定。在这种特性的影响下也进一步限制了将压缩机容量做大的可能性，通常情况下使用在3HP以下的空调上。双转子的开发也是基于解决单转子压缩机存在的这两个局限，双气缸在同一转轴上下180度分布从物理上根本解决了低转速下的震动问题，滑块的摩擦大幅降低，保证了压缩机长期运行下气缸的密封性，延长了压缩机使用寿命;双气缸的采用同时解决了压缩机容量的扩大问题，早在2001年东芝就开发出了6HP等级的直流变速双转子压缩机。由于这两种压缩机的特性完全不同，因此转子式压缩机的这种传统称呼更多地指单转子压缩机。

单转子压缩机用于0.8HP-3HP的系统，5HP以下的系统采用单台涡旋压缩机，5-10HP系统通常采用2台涡旋压缩机的组合，这是很多变频多联机厂家的设计思路。但随着双转子压缩机的推出，宽广的运行范围使之能够覆盖3HP以下的家用变频多联机和5HP以上商用变频多联空调。

从涡旋压缩机到双转子压缩机

对于东芝来讲，压缩机的变革发生在第3代VRF空调MMS与第4代SMMS之间，一系列有力的数据证明，直流变速双转子压缩机的采用使得SMMS的性能脱颖而出，而导致这个革命性变化的主要因素来在于制冷剂使用的变化，从R22到R410A。

新的制冷剂R410A不仅具备环保的特性，但对于专业空调厂家来说，更为关注的是R410A的高效率，与氟利昂制冷剂比较，理论上R410A的效率是R22的1.47倍，R410A的空调应该比R22的空调节能性更为突出，但是如果仅是更换制冷剂而还是采用原先的空调技术，R410A的高效率很难实现。因为研发人员必须认真对待R410A的另外一个显著特征：1.6倍的高压力。

由R410A高压力引起的以下2个技术难题必须找到解决方案：

1)在压缩气缸内的压力差将显著增加，压缩腔内的密封性要求高于R22的压缩机。

2)作用在压缩机转轴上的径向力的增加将使压缩机转动起来消耗更多的电量。

以上2个技术难题对于将采用R410A制冷剂的压缩机都是必须克服的，但是不同形式的压缩机由于物理结构等诸多因素的影响下，解决方案将不同，但很有可能存在暂时无法解决这些问题的可能。有限的解决这两大的问题并不意味着就无法使用这种新型的制冷剂，但与完全解决这些问题的压缩机比较的话，前者只能实现环保的作用，但是效率方面并无实质性的提高，市场上确实有这种产品的存在。但是后者的空调系统将变得即环保又高效节能，目前看来，诸如此类拥有真正成熟技术的产品在市场上也拥有更持久的生命力，并为下一代的产品开发积累重要的数据。

以下是双转子压缩机和涡旋压缩机在解决这些问题的措施和结果

1)密封性问题的解决：更多得益于压缩腔原有的物理结构，双转子压缩机每个气缸中高压部分和低压部分仅有一个接触点，上下气缸的这个高低压腔接触点在力学上是完全平衡的，因此非常容易对应压力差的增加;涡旋压缩机由上下涡旋盘组成，一个固定，另外一个可高速旋转，复杂的物理结构及高速运动中需要保持4个以上的高低压腔接触点的密封性是个较大的技术难题。

2)转轴阻力增加的课题：通过大量模拟及实验数据显示，降低缸体的高度将解决这个难题，双转子压缩机在R410A下均采用这项技术。涡旋压缩机通过降低缸体高度可减少径向力，但同时也引发了转轴轴向力的大幅增加，因此不适合采用该方法。

基于以上两项措施在不同压缩机中使用的结果，以5HP为例，R410A型的双转子压缩机的高度约为380mm，重量约为23kg，而同匹数的涡旋压缩机的高度约为440mm，重量为35kg。轻型及运动部件小型化的压缩机在有效降低输入功率的同时可提高运动部件的可靠性，延长压缩机的整体寿命。

双转子压缩机如何使用最高效

以上的技术分析更多的集中于物理结构的分析，双转子压缩机并不能够覆盖所有采用R410A这种制冷剂的空调，原因在于各种不同型式的空调使用特点完全不同，双转子压缩机的效率特征是最为重要的参数，当双转子应用到变频多联空调机上时，我们发现空调实际运行费用大幅下降，比同类采用直流变频驱动、压缩机不同的机型至少节能20%以上。

如上图所示，双转子压缩机在不同的转速下均能保持较高的效率，也就是高效率的点较多，但是满负荷下高效率的涡旋压缩机在中低转速的情况下效率曲线发生递减。满负荷下同一水平的效率使得两种压缩机的标准工况下COP值相差无几，但中低负荷下两者的效率差距非常明显，当将这些有差距的点累积起来时，双转子压缩机节能方面的优势就更为明显了。

变频多联机广泛应用在办公、房产等领域中，无论是使用特点还是室内外温度的变化都会使变频多联机处于不同的工况及负荷下，部分负荷是变频多联机运行时间的最长的区间，因此，双转子压缩机在节能性方面更适合变频多联机。

精确控制及效率

在变频多联机中除了关注不同转速下的效率问题之外，压缩机本身的转速范围也将决定实际运行下最小和最大容量的输出及对应的能耗问题。

变频多联控制的空调系统，特点除了节能、低噪音、迅速制冷制热外，消耗最小的电量并按照实际负荷精确控制容量的输出也是其最大的特点，其运转模式大致按如下步骤进行：

1)启动运行时，若所有室内机均运行，压缩机将平滑启动，并于短时间内运转至最高转。

2)根据开启室内机的台数并视室内温度与使用者设定的温度差，决定压缩机的运转速度，如果达到某一温差的公差内，将降低压缩机转速于最低转速运转，以保持室温稳定。

3)如果室外环境温度对室内温度影响大而无法保持最低转速时，将提升压缩机转速于另一较高转速或最高转速下运转。

4)如此来回平稳运行控制，以为室内提供舒适的环境，压缩机必须在不同转速间切换。

双转子压缩机的转速范围为15 -120rps ， 普通的涡旋压缩机为30-120rps，因此在只运行极少数室内机的情况下或室内总负荷极低的情况下，该工况在家庭用变频多联机时极为常见，此时，双转子压缩机能够运转在15rps的转速下，精确的输出结合极低的耗电量，解决了其他型式的压缩机低转速下高能耗的难题。双转子压缩机最新的技术已经实现10rps的最低转速，低负荷下效率进一步提高。

高节能性变频多联机的可靠性

多联机的回油问题始终是困扰研发人员的技术难题，当超过规定量的润滑油与冷媒一同流出压缩机进入冷媒循环系统时，压缩机构将过热，此时效率将下降，耗电量上升但是容量输出减少，在更为恶劣的工况下可能出现机构卡死，因而无法压缩。

外部回油系统可有限地将流出的油回收至压缩机，但是不管是主动回油还是被动回油的运行，都需要消耗时间。同时室内外机的工况、安装水平及实际的管长都将使回油的效率降低。在降低润滑油的排出量方面，双转子压缩机采用压缩机内部油分离机构，将压缩机的吐油量控制在传统涡旋的1/40的水平，压缩机内始终保持一定量的润滑油，再配合外部回油系统的运行，压缩机的可靠性提升了很多。这些特性的使用为空调的技术带来了又一次突破，室内外机的管长及高差、室内第一分支器后最远管长等配管技术大幅度提高，从而扩大了高性能变频多联机的使用范围。

总结

对于使用R410A冷媒，能力可变幅度大的多联机而言，双转子压缩机更有优势。