改革开放以来,中国经济持续高速发展,建筑业、冷链物流、工业制造等产业取得了巨大的进步,而与这些领域密切相关的制冷空调行业也发生了惊人的变化,已从初步具备制冷空调设备制造能力的状况,发展成为全球制冷空调设备的生产和消费大国。与人们生活密切相关的家用和轻商用小型制冷设备,更是我国具有显著优势的产业。产业在线数据显示,2020年我国家用空调产量为1.4亿台,约占全球总产量1.72亿台的82.7%,电冰箱产量达9 014.7万台,约占全球总产量的一半。在开启全面建设社会主义现代化国家新征程、向第二个百年奋斗目标进军之际,我国小型制冷设备的产业优势必须保持下去并发扬光大,这就要持续地加大技术研发力度,并精准研判未来发展趋势。作为核心部件的压缩机,体现了小型制冷设备的综合技术水平,是产品质量的重要保证,产业发展的基础性保障,在产业发展进程中更需要先行一步。
  为此,本文较详细地梳理了小型制冷压缩机的技术现状,并在实现碳中和目标的大背景下分析其未来发展的影响因素和方向,以期对其未来技术研发和产业发展有所裨益。
  1  应用领域和容量范围
  小型制冷压缩机主要用于服务人们日常生活的住宅或轻商用制冷空调器具(机组)和热泵。按其用途可分为空调(热泵)压缩机和冷冻冷藏压缩机,其中空调(热泵)压缩机包括滚动活塞式和涡旋式,涵盖房间空调、热泵热水器、除湿机、干衣机等家用为主的场合;冷冻冷藏压缩机包括活塞式、滚动活塞式、涡旋式及线性压缩机,涵盖冰箱(柜)、超市陈列柜、自动贩卖机、小型冷库等家用和轻商用为主的场合。按测试工况,又可分为低背压-LBP型(蒸发温度-35 ℃~-15 ℃)、中背压-MBP型(蒸发温度-20 ℃~7.2 ℃)、高背压-HBP型(蒸发温度5 ℃~15 ℃)等3类。目前,小型制冷压缩机常用的制冷剂R22R410A、R32、R600a、R134a、R404A、R290及R744等。
  为满足不同场合的应用需求,不同型式压缩机工作容积的大致分布如图1所示,活塞压缩机的工作容积范围为2~38 cm3,滚动活塞压缩机的工作容积范围为3.1~96 cm3,涡旋压缩机的工作容积范围最为宽广,为15.1~243.1 cm3,但只有靠近下限工作容积的机型才属于小型制冷压缩机。
  图1  不同型式压缩机工作容积分布
  不同型式压缩机的制冷量分布如图2所示,活塞压缩机制冷量整体偏小,其中家用冷冻冷藏压缩机多低于800 W,轻商冷冻冷藏压缩机制冷量较大,部分高背压机型制冷量可拓宽至6 330 W;滚动活塞压缩机在传统空调/热泵领域制冷量进一步拓宽至28 490 W,不断挤占涡旋压缩机的市场,在冷冻冷藏领域,适用R744的滚动活塞压缩机制冷量可达20 916 W;空调/热泵用涡旋压缩机制冷量范围为4 550~56 700 W,冷冻冷藏用涡旋压缩机多应用于小型冷库,制冷量范围为2 000~28 660 W。
  图2  不同型式压缩机制冷量分布
  2  产品现状与技术研发
  2.1  活塞压缩机
  活塞压缩机技术成熟、型号与规格齐全、应用广泛,按封闭结构可分为全封式、半封闭式和开启式等。其中全封式作为家用和轻商用冷冻冷藏产品广泛采用的主流机型,具有结构紧凑、密封性好、使用方便、振动小、噪声低、恶劣工况下可靠性高等优势,但也存在输气不连续、体积较大的不足。
  2.1.1  产品现状
  全封闭活塞压缩机作为1.5 hp以下小冷量场合的主要制冷解决方案,市场销量变化与下游冰箱、冷柜整机行业的运行状况息息相关。受新冠疫情影响,国外冰箱、冷柜企业大幅减产,国外企业从中国进口的需求增多,全封闭活塞压缩机整体市场受出口订单的拉动保持持续增长。据文献数据统计显示,2020年我国全封闭活塞压缩机总销量约为2.0亿台,同比增长约14.5%,其中内销市场约1.3亿台,同比增长约15.6%(图3)。另外,近5年全封闭活塞压缩机国内销量上涨趋势稳定,近两年增速明显加快。这得益于生鲜电商、新零售、无人零售市场的快速发展,进而推动了轻商用全封闭活塞压缩机需求量的增加,2020年轻商机型销量约为1 700万台。新冠疫苗的研发和投入使用也进一步催化了医用冷柜产品的需求与发展,未来几年全封闭活塞压缩机销量仍将保持稳步增长的趋势。
  图3  2016—2020年全封闭活塞压缩机国内销量
  全封闭活塞压缩机制冷剂主要有R134a、R600a、R404A和R290。家用冰箱、冷柜以R600a和R134a为主,少数冷柜也采用R290,R600a凭借产品效率高、噪声低的优势,适用产品占比超70%。轻商用设备制冷剂主要包括R134a、R404A和R290,三者占比相近,受限于容积制冷量,R600a不适用于大冷量的轻商机型,R290依靠自身成本低、产品节能环保等优势,加之政策影响,在轻商机型中占比增长迅速,发展潜力巨大。
  图4为市场上部分品牌全封闭活塞压缩机在不同应用场合COP(能效比)的分布情况。家用冰箱、冷柜压缩机应用类型涵盖中、低背压,COP集中于1.0~2.0。轻商冷冻冷藏用压缩机应用类型涵盖高、中、低背压,COP分布呈现出分层现象,1 000 W以下小冷量低背压机型多用于制冰机、冰淇淋柜、商用厨房冰箱,COP集中于1.5~2.5,1 000 W以上大冷量中、高背压机型多用于贩卖柜、商超陈列柜,COP集中在2~3。
  图4  不同用途全封闭活塞压缩机COP分布
  2.1.2  技术研发
  全封闭活塞压缩机的技术研究非常成熟,其技术现状紧紧围绕高效、环保、低噪声、宽工况、低成本和高可靠性的目标,努力实现产品的应用多样化、工质自然化、变频驱动化及体积小型化,从而满足市场发展需求。
  1)结构与零部件研究
  主要包括气阀设计、余隙容积控制、低流阻系统研究、摩擦研究,强化润滑密封、采用合理节能控制策略有利于进一步提升压缩机能效,通过优化压缩机内的易损件,能提升可靠性的同时保证其运行性能。另外,兼顾紧凑化与轻量化的结构设计更有利于降低材料成本、节约空间,实现产品的小型化。
  2)变容量调节
  活塞压缩机目前常见的容量调节技术包括变转速调节、旁通调节、启动卸载调节及吸气节流调节等,容量调节的目的在于使压缩机适应冷负荷和工况的变化。其中,变频(变速)技术因具有温度控制精度高、容量调节范围大、部分负荷效率高等优点,使变频压缩机在大容量家用冰箱中普遍得到应用。对商超制冷机组而言,变频控制较定频节能11.8%,制冷速度更快且控温更恒定,压缩机启停次数减少、使用寿命延长、可靠性提升,理应在轻商领域广泛推广并使用。
  3)运行范围拓宽
  目前拓宽运行范围的技术主要有:多级压缩、吸气喷液及气缸冷却等,这是细分产品、差异化的发展特点对全封闭活塞压缩机运行范围提出新的要求。多级压缩需合理选取压缩级数及中间压比,吸气喷液则需合理选择并优化喷液量,才能获得较好的压缩机性能。
  4)噪声与振动
  活塞压缩机的噪声发生源涉及泵体结构、轴承、气流压力脉动、电机电磁力、壳体刚性等诸多方面。低噪声化的主要研究方向为机械系统、流体系统、电磁系统3类助振力的弱化和压缩机结构的优化设计。常采用的降噪措施包括:提高零部件工艺精度、壳体优化设计、吸排气腔优化设计、电机泵体动平衡最优化、安装消声器等。
  5)制冷剂替代
  R134a与R404A的使用将被逐渐限制,碳氢类(HFs)自然工质将是小型活塞压缩机的主流制冷剂,将会形成R600a作为家用冰箱常用工质、R290作为轻商机组常用工质的局面。R1234ze(E)与R134a的物性相近,但R1234ze(E)价格相对较高,市场推广存在阻力。
  6)线性压缩机
  线性压缩机是一种特殊结构的活塞压缩机,具有效率高、结构简单、体积小等特点。虽然LG恩布拉科等企业已实现产品化应用,但受限于成本价格,距离大规模应用仍需待时日。国内线性压缩机研究起步较晚,且均处于试验机的研究阶段,针对其技术研究主要集中于直线电机技术、电机控制技术、无油润滑技术、结构及气阀布局优化 。
  2.2  滚动活塞压缩机
  滚动活塞压缩机,依靠气缸中偏心圆筒形转子的滚动减小内部容积,实现对气体的有效压缩,具有结构简单、体积小、易损件少、可靠性高等优点,主要用于空调/热泵、轻商冷冻冷藏等领域。
  2.2.1  产品现状
  滚动活塞压缩机国内销量从2016年的1.16亿台持续上升至2019年的1.60亿台(图5)。但2020年受疫情影响,国内消费需求受到很大抑制,总销量仅为1.55亿台。预计2021年国内制冷压缩机市场发展的内在动力仍然充沛,出口市场将拉动滚动活塞压缩机销量的进一步上升。随着滚动活塞压缩机技术的提升,其应用场景进一步多元化,尤其是拓展到了热泵和冷冻冷藏等多个新兴领域。此外,随着制造厂商在研发上的不断投入,冷冻冷藏用滚动活塞压缩机的成本将会显著降低,而成本方面的优势会使滚动活塞压缩机在中高温轻商用冷冻冷藏领域具有更强的竞争性。因而不论是在传统的空调/热泵领域,还是在新兴的冷冻冷藏领域,滚动活塞压缩机都对其他压缩机产品形成了有力的挑战,特别是挤占部分空调/热泵用涡旋压缩机和冷冻冷藏用全封闭活塞压缩机的市场。
  图5  2016—2020年滚动活塞压缩机国内销量
  目前,滚动活塞压缩机制冷剂主要有R410A、R32、R290和R22,但整个滚动活塞压缩机行业正在快速向R32切换,并且将稳步取代R22和R410A的市场。在冷冻冷藏领域,滚动活塞压缩机制冷剂以R404A、R290为主。此外,热泵干衣机中R290滚动活塞压缩机市场份额已扩大到70%以上;CO2等天然工质的技术储备与产品开发也逐渐受到人们的重视。图6为常用制冷剂滚动活塞压缩机工作容量与COP的分布情况,相比于传统的R22压缩机,R32及R410A压缩机的能效比可高出约128%。
  图6  不同工质滚动活塞压缩机的工作容量及COP分布
  2.2.2  技术研发
  1)变容量调节
  变频压缩机应用面越来越广,其频率调节范围覆盖10 Hz~180 Hz。但变频压缩机需要解决的问题是:高速运转时轴承负荷过大、滑片摩擦和磨损问题、气阀的寿命问题、低转速的振动和润滑油的供给问题,同时,也对压缩机的设计和制造提出了更高的要求。为解决变频滚动活塞压缩机在低频工作时能效较低的问题,研发了变容量压缩机,即通过电磁力或机械方式将需卸载气缸的滑板限制在滑板槽内。目前双缸变容量压缩机在3 hp范围内有着很大的市场空间,并将在多联机等领域向轻商市场渗透。
  2)优选制造材料
  滚动活塞压缩机大范围变频后,不仅配合间隙极小,还要求各个滑动部件具有硬度高、摩擦系数小及搭配良好的摩擦副。因此,需对各零部件作相应处理:滑板材料采用加入镍(Ni)、铬(Cr)、钼(Mo)、硼(B)等合金元素的特殊铸铁件;滚动活塞采用镍铬钼铸铁;偏心轴采用比普通铸铁强度、韧性及抗疲劳性均高得多的球墨铸铁(FCD55);气缸、上下端盖、机架均采用FC-25灰铸铁;排气阀用高级不锈钢;润滑油用特制的矿物油。
  3)降低噪声
  噪声声源主要来自电机噪声和机械噪声,降低电机噪声可通过改进电机的转子,使电机转动的自振频率避开电源谐波频率;降低机械噪声可采用合适的阀片升程限制器及高度,并适当增加阀片弹簧阻尼等。
  4)制冷剂替代
  目前,在空调领域,R410A及R32已成为主要的制冷剂;而在冷冻冷藏领域,R290已应用到市场中。
  5)容量及应用领域拓展
  受益于我国冷链物流行业快速发展,滚动活塞压缩机在冷冻冷藏领域的应用迎来了新机遇,应用规模快速扩大。数据显示,2020年冷冻冷藏滚动活塞压缩机市场销量为24万台,同比增长30%左右。
  2.3  涡旋压缩机
  涡旋压缩机利用动涡旋盘和静涡旋盘的相对公转运动,在吸气、压缩、排气的运转过程中形成封闭容积的连续变化,最终实现压缩气体的目的,具有体积小、重量轻、效率高、运行稳定、噪声低、零件少、寿命长、安全性高等优势。涡旋压缩机曾深受冷冻冷藏、空调等领域客户的欢迎,但也因压比不大、制造成本高等缺点,制约了其进一步的发展,小容量机型正逐步被滚动活塞压缩机所取代。
  2.3.1  产品现状
  涡旋压缩机的销量近年来不断上升,其中,冷冻冷藏国内市场销量从2016年的18.6万台到如今已超过22万台(图7)。尽管2020年因疫情影响,产量、销量都受到一定程度的波动,但进入下半年以来,我国政府加大了对相关产业的扶持力度,整个涡旋压缩机市场开始反弹。预计到2021年,冷冻冷藏涡旋压缩机销量有望突破23万台。然而,由于涡旋压缩机运动机件表面加工及检验较为复杂,制造时需要高精度的加工设备及精确的调心装配技术,因此制造成本较高、售价较贵,与活塞及滚动活塞压缩机相比,其产销量均偏低。
  图7  2016—2020年涡旋压缩机(冷冻冷藏)国内销量
  目前,涡旋压缩机主要应用在以下两方面。一是冷冻冷藏领域,即中低温用途,主要用于超市陈列柜、冷库等,占到了整体冷冻冷藏涡旋压缩机
  市场的60%以上,该系列压缩机带有补气口,构成经济器流程,经济器采用板式换热器,适用工质为R22,R404A和R134a;二是空调(热泵)领域,即中高温用途,主要用于单元式空调机、热泵冷(热)水机等,适用的制冷工质为R22,R410A、R407C和R32。
  图8展示了市场上常用涡旋压缩机制冷量与COP的分布情况。由于蒸发温度不同,空调领域的COP与冷冻冷藏领域的COP也呈现分层的趋势,冷冻冷藏领域的COP较多集中于3以下,而空调领域的COP由于蒸发温度相对较高,COP值多集中在3.2~3.5。此外,R410A与R22适用产品制冷量多存在重叠,但前者COP略高。
  图8  不同工质涡旋压缩机制冷量及能效比分布
  2.3.2  技术研发
  1)结构及零部件优化
  该方面研究主要包括涡旋盘型线优化,零部件强度校核,动平衡改善,采用柔性机构,轴向密封结构和端面密封结构研究,供油系统的优化,以及高效电机的开发。
  2)变容量调节
  涡旋压缩机主要有变转速和数码涡旋等两种容量调节技术,前者控制精度高、温度波动小、舒适性好,但成本高,变频器存在一定的能耗,且存在电磁兼容和电磁干扰问题;后者控制方式简单,不会出现谐波,容量调节范围较大,即使管线较长也易回油,但变容量调节时易出现噪声较大的问题,且低负荷时效率优势不明显。从容量调节角度看,数码涡旋技术和变转速调节技术优势持平,但就目前市场份额而言,变转速技术已经超越了数码涡旋技术,连续多年高速发展。
  3)扩大制冷量范围
  多压缩机机并联的方式能满足大冷量需求,但也存在控制复杂、故障率高、体积大等缺点。研发和生产单台大功率压缩机,能很好地解决上述问题,已被主流涡旋压缩机供应商视为新的市场增长点。
  4)改善能效水平
  研究发现,采用涡旋压缩机流体和结构力学等交叉学科综合的方法整合涡旋型线,并寻求简化加工的方法,可提高密封要求的同时降低其机械摩擦损失;改善润滑性能,也可有效地降低机械摩擦损失;对压缩机平衡机构的完善和改进,尤其是平衡轴向气体力,可进一步强化涡旋压缩机工作的有效性和可靠性;此外,变频电机的研究与完善,也能提高其全负荷工况的能效水平。
  5)制冷剂替代
  涡旋压缩机制冷剂的替代涉及CO2和R32压缩机的开发。CO2涡旋压缩机以全封闭结构为主,主要应用于热泵热水器和汽车空调,其特点是工作压力高,结构尺寸小,吸排气压比小而压差大。R32压缩机则存在排气温度高,排气压力偏高,能效比偏低的问题,其研发关键在于降低排气温度、材料强化及电机优化。