涡旋压缩机发展动态

第一章涡旋压缩机发展动态

1.1前言

汽车作为一种重要的现代化交通工具，其舒适性与现在我们的日常生活及出

行密不可分。随着我们生活水平的提高，我们对汽车舒适性的要求越来越高。空

气调节，广义的讨论是一种一年四季保持室内的空气温度、湿度、空气流速、洁

净、噪声以及余压等在热舒适标准范围内的技术，而应用在汽车工业上，便是汽

车空调。汽车空调是空气调节工程的一个重要分支，是对汽车车室内或者驾驶室

内空气的质量和数量，为达到热舒适的标准而进行调节的装置。

早在1886年，德国的卡尔•本茨(KarlBenz)创造出第一辆汽车以来，汽车

工业经历了几次飞跃的发展，使汽车成为今天我们重要的交通工具和工业的重要

支柱°而汽车空调的问世却比汽车的发展晚了整整半个世纪.1927年市场;出

现了第一台汽车空调装置，实际上只能称之为加热器。1940年美国Packard公司

第一次以机械制冷用于车用空调。汽车空调的实用化、普及化是从第二次世界大

战后才开始的，然而其发展却是异常的迅速。1953年，装有冷气的车辆才怪独

车辆总数的10%,而仅仅到了20世纪80年代末，美、日等国的汽车空调的装

着率便已经达到了80-90%,其中轿车、旅游车则高达100%。现在，汽车空调

系统不仅安装在轿车、旅行车、客车和公共汽车上，而且在工程车、农用机械上

也得到广泛的应用。而汽车空调装置，比普通空调装置使用的条件会苛刻得多。

汽车室外气候环境变化急剧，变化幅度乂大；车室的空间是有限的狭小容积，因

此成员占空间比大;特别是汽车行驶速度的变化是偶然性的，车速变化引起压缩

机主轴速度的变化，这种偶然性使空调系统变工况运行中更加复杂和难以控制。

根据汽车空调的特点要求空调装置具有快速制冷和低速空调性能。自80年代计

算机微处理汽车空调系统问世以来，汽车空调器的机能和控制发生了根本的变

化，使司机从繁琐的温度调节中解放出来，提高了整车机动性和舒适性，并能达

到冷暖通风一体化的效能。

作为空调装置的核心，汽车空调压缩机经历了从无到有，也有了长足的发展。

目前用于汽车空调的压缩机达30-40种，而新型的压缩机又在不断的开辟、研

究、试制和投放市场，仅在1985年一年内，美、日、德申报的汽车空调压缩机

专利就有20项之多。

压缩机的性能以制冷效果、热效率、容积效率、单位制冷量的分量、单位制

冷量的功耗、噪音大小、耐久性、可靠性作为技术经济指标。由于压缩机的工作

条件随着汽车所处的环境变化非常大，从酷暑潮湿的地区到寒冷干燥的地带，从

高速奔驰到缓慢行进，从乡村到城市，从田野小径到高速公路，道路不平的振动

以及压缩机转速随车速改变而引起制冷量的变化，为此每一种汽车空调压缩机都

必须摹拟上述不同环境条件进行试验、考核，以证实其耐久性、可靠性。

用于汽车空调的压缩机，主要机型是压缩式容积型的压缩机。其中以往豆活

塞立式压缩机装入汽车空调为最早，现在基本上被斜盘式压缩机替代(大型车用

空调活塞式压缩机仍在应用)。斜盘式压缩机是汽车空调最主要的机型。因为斜

盘式压缩机的设计、结构及加工工艺、维修都比较成熟，以斜盘式作为汽车空调

压缩机约占总压缩机量的80%。

从压缩机容积效率、零件数多少、尺寸紧凑、分量指标、节能效果、噪音以

及耐久性等进行比较，人们选择汽车空调器的压缩机重心己经由传统的往复活塞

式、斜盘式时代移向回转式压缩机。可以说，回转式压缩机将会取代往复式、斜

盘式和摇板式压缩机，未来压缩机的时代是回转式压缩机时代。

汽车空调回转式压缩机主要机型有旋叶式、滚动活塞式、螺杆式、三角转子

式和涡旋式压缩机等。其中最引人注目的便是泯旋式压缩机，由于它体积小、重

量轻、噪音小、无气阀，零件数目少，使用寿命长，特别是它的容积效率特殊高，

等值排量情况下节料性、节能性极高。虽然问世不久，但一开始浮现便引起了人

们的高度关注。在相同条件下，它比往复活塞式压缩机容积效率高20-30%,绝

热效率高10%,功率下降10%,体积减少40%,分量下降15%o不难看出，涡旋

式压缩机与其他形式的压缩机相比，它的优势是很明显的。

由于汽车空调压缩机转速随车速变化而变化，从节约能源、车室内保持能量

恒定和热舒适性考虑，变量压缩机应运而生。现在斜盘、摇板、滚动活塞、螺杆、

旋叶以及涡旋式压缩机都研究开辟出变量机型，有的变量机型可进行无级能量调

节。由现状可知，变量压缩机是汽车空调压缩机的发展方向，各种汽车空调压缩

机将全部被变量型压缩机替代。

发展变量型压缩机的同时，现在还有“用改变供电频率的方法，控制电动机

速度乃至达到控制压缩机的转速，以期达到能量控制和与车室负荷匹配的变速传

动(VSD)”。

回顾汽车空调压缩机的发展，我们可以将其分为四个发展阶段：

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第一代汽车空调压缩机为往复活塞式压缩机；

第二代汽车空调压缩机为斜盘式、摇板式和径向辐射式；

第三代汽车空调压缩机为旋叶、滚动活塞、螺杆和三角转子式等回转式压缩机；

第四代汽车空调压缩机为涡旋式压缩机；

第五代汽车空调压缩机为变量型压缩机和VSD变速传动机组。

1.2涡旋式压缩机国内外研究现状

涡旋机械的构思，是本世纪初法国工程师克拉斯(Cruex)提出的，并于1905

年取得美国发明专利权。该发明专利阐述了一种新型旋转式发动(RotaryEngine),

其实它的工作原理就是如今我们所称的涡旋机械。

此后近70年间，涡旋机械并没有得到更深入的研究和发展。原因之一是它

的重要性还未被人们充分认识,其次是没有高精度的涡旋型线加T设备.

进入本世纪70年代，由于能源危机的加剧及数控加工技术的发展，给涡旋

压缩机的发展带来了机遇。1972年，美国ArtburDLittle(简称A.D.L)公司首先解

决了涡旋盘端部补偿磨损的密封装置，在此基础上他们又与瑞士合作开辟了空

气、氟里昂和氨气等工质的涡旋压缩机样机，并把它用在远洋海轮上，标志着泯

旋压缩机实用化年代的到来。此后，又有几家公司，如美国Copeland公司、Carrier

公司、Trame公司、Knox公司先后生产不同种类的涡旋压缩机。美国作为最先

掌握涡旋压缩机创造技术的国家，其产量在逐年上升，94年已经达到了300多

万台。但其生产的涡旋压缩机大都是家用空调器压缩机和空气压缩机，在汽车空

调压缩机方面做的工作较少

1981年，日本三菱重工推出了用于汽车空调的涡旋压缩机。它的起动力矩

较小，确保了发动机的正常工作。时隔两年，日本日立公司开辟出2.2—3.7kw(3

-5匹马力)的全封闭涡旋式压缩机，并用于单元式空调机上。从此，对祸旋压缩

机的研究开辟就成为压缩机技术发展的热点之一。

口本约有十家生产涡旋压缩机的工厂，1983年Hitachi公司开始生产功率2-5HP

的涡旋压缩机。1981年Sanden公司开始生产用于汽车空调的涡旋压缩机，这两

家公司在世界上率先成功的大批生产了分别用于柜式空调和汽车空调的涡旋压

缩机，到目前为止，Sanden公司仍然是生产汽车空调用涡旋式压缩机规模最大、

能力最强的公司。其他厂家如MitsubishiElectric,Daikin,Toshiba,Sanyo和

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MitsubishiHeavyIndustrial等也相继成功的生产出涡旋压缩机，92年在93万台

柜式空调种己有相当一部份配用了涡旋压缩机。此外一些公司，如IWATA和

MITSUIS曰KI等公司，目前也在生产涡旋空气压缩机。除美国和日本外，法国

Matiecnop公司在美国Trame公司的许可下于92年也开始生产1-1.5HP的涡旋

压缩机。瑞典的ATALLAS公司生产涡旋空气压缩机，在泰国Htachi公司也建

立涡旋压缩机生产厂家，其产量大约在年产10万摆布。

国内对车用涡旋压缩机的研究起步于80年代末期，对生产的尝试则开始于

90年代中期。但因国内加工设备滞后及进口设备价格昂贵，同时也由于投资需

求庞大、我国汽车产业滞后等因素，产品向来未走入市场。进入新世纪以后，国

内经济特别是汽车产业迅猛发展，车用涡旋压缩机的生产又迅速升温。广州万宝

集团在其全封闭涡旋压缩机生产技术的基础上开辟出了中小排量的车用涡旋压

缩机；重庆建设集团引进了日本精工小排量涡旋技术；南京奥特佳自主开辟的车

用泯旋压缩机已装备于众多的微型车中，并向大排量发展：江苏新世纪则与高校

合作，迅速推出了中小排量的全系列车用涡旋压缩机，可满足中型客车、轿车直

至微型车的装备需求；上海易初与日本三电公司合资建厂；一些经济和创造业发

达地区的企业也正跃跃欲试甚至已投身其中。

1.3汽车空调涡旋压缩机的关键技术

涡旋压缩机原理是于1905年提出的，但到七十年代末还未达到实用化，其

主要原理是缺乏精密的加工技术，以保证型线良好的啮合和控制工质的泄漏，当

然轴向的磨损也是一个技术难题。因此，涡旋压缩机的关键技术是：

①提高密封性能

②提高压缩比减少余隙

③优化结构简化生产工艺降低生产成本

因特殊的应用场合及使用要求，与涡旋机械的最大应用领域一单元空调压缩

机相比，车用涡旋压缩机的结构及一些关键问题的解决手段有其独到之处。以下

问题是制约车用涡旋压缩机性能及可靠性的关键所在，如下：

1.动盘防自转及轴向支撑

传统的车用涡旋压缩机将防自转和轴向支撑机构合二为一，称为球形轴联

器。这种机构较好地满足了车辆空调结构紧凑及润滑条件差的使用要求，创造也

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比较容易，但对加工和装配的精度要求较高，卡环上的锥孔由铳床加工而成，生

产效率不高，且最重要的锥形工作表面加工质量不易保证，并且结构在运转过程

中惟独不到一半的钢球处于受力状态，各钢球轮流与卡环接触，会产生冲击噪声。

新型压制环槽板动盘防自转及支撑机构则简化了球形轴联器结构。

2.驱动机构调节和补偿

为减小工作腔的周向泄漏，希翼压缩机运行时动静涡盘侧壁能贴合在一起，

然而压缩机各零部件囚加工和装配误差、磨损、热变形等原囚，很难保证所设计

的回转半径恰好可实现动静涡盘的良好贴合，于是需要一个可根据实际情况自动

少量调整回转半径以实现两涡盘侧壁贴合的机构，这称为径向调节机构。常用的

偏心盘径向调节机构由于其本身的缺陷，而未得到广泛的应用。有文献提出一种

同心摆动盘径向调节机沟，这种结构中曲柄销偏心量较小，于是其受力较小，同

时曲柄销所受合力沿菱形长轴方向，于是刚度和强度大大增加，可靠性提高。这

种结构的另一个好处是选取合适的平衡重的尺寸和布置，还可实现压缩机的自动

减负荷启动，使压缩机启动时，回转半径总是处于其最小可能值，径向间隙最

大，实现减负启动。

3.轴向及径向密封

涡旋压缩机中的泄漏有•两种：齿顶轴向间隙产生径向泄漏，齿侧径向间隙产

生周向泄漏。轴向间隙的密封目前广泛采用在涡旋齿槽底部垫钢制耐磨板，在涡

旋齿顶开槽嵌入密封条的手段。工作时，将高压气体引入密封条下部而将其托起，

以增强密封效果。

在车用涡旋压缩机中，径向间隙的密封主要靠两种手段保证，前述的径向调

节机构就是其中最有效的一种措施。两涡盘在径向多点同时啮合实际上属于过定

位现象，由于加工和安装误差的存在以及运行过程中的热变形导致各啮合线不可

能同时接触，导致周向泄漏增加。涡盘中心部位的温度最高，热变形导致的间隙

最大，同时中心部位各工作腔压差也最大，于是导致中心部位工作腔泄漏特别严

重。有文献提出了一种解决手段，即将涡旋壁自中心向外大约一圈以后的厚度减

薄，从而使两涡盘壁只在中心部位压差最大的区域接触，保证高压部位的密封，

彳氐压部份虽间隙增大，但因压差不大，泄漏增加不多，压缩机整体容积效率和热

效率提高，特别是在低转速情况。这称为涡旋壁级间密封技术，削薄量及削薄开

始位置是这一技术的关键所在。

4.齿型修正及排气孔开设

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涡旋压缩机的圆渐开线齿型在加工时会因始端曲率半径小于刀具半径而被

切削掉，这种齿端过切现象对压缩机的设计、创造和使用极其不利，于是必须寻

求合适的可加工曲线对涡卷体中心部位型线进行修正。最早的车用涡旋修正型线

是对称圆弧修正，目前使用较多的是经二次修整的对称圆弧或者对称圆弧加直线

修正。前者是在普通对称圆弧修正基础上对圆弧部份进一步切削而增设弧段，

其主要好处是可降低齿端应力，降低气流脉动噪声，简化排气孔开设，减小排

气开始阶段的压力损失。后者是在普通对称圆弧加直线修正基础上对齿端小圆

弧及其附近齿面进一步切削而成，这样做可使排气初期和末期的压力损失同时

减小，且进一步降低排气噪声，简化排气孔开设。相比而言，后者更利于热效

率提高，目前应用更多。

合适的齿端修正型式必须与合理设计的排气孔相配合才干实现预期的性能

改善。排气孔的开设因齿端修正型式甚至同一型式的参数不同而差别很大，设计

计算十分复杂，最终对压缩机性能的影响也差异很大C齿端修正参数的选取与排

气孔的设计甚至与内容积比的选择都是相互制约的，这些错综复杂的因素交织在

一-起，使齿端修正方法及参数、排气孔形状及尺寸、内容积比数值等的设计极其

艰难。

5.减少振动和降低噪音

车用涡旋压缩机的噪声主要来源于排气脉动、排气阀阀片对阀座的冲击、涡

圈侧壁的冲击、球式防自转机构的冲击4个方面。

比如在排气孔高度的中间位置开设了一个排气缓冲腔，有.效限制和减小了变

工况时的排气压力膨胀波。实验证明，这可使排气孔中的压力变化幅度减小0.25

MPa,气流脉动噪声平均减小6dB。但这将对热效率产生负面影响，优化设计后可

控制热效率的降低在1%以内。

而减小阀片的冲击可采用两种手段。一是减小阀片刚度，研究表明，涡旋压

缩机因其排气过程连续可将阀片刚度取为往复压缩机的一半甚至三分之一，能有

效减小阀片冲击噪声，而不影响使用效果，甚至还因此减小了排气损失。另一个

减小阀片冲击的办法是通过控制中心腔容积变化规律尽量减小阀片关闭阶段的

容积流量，使阀片能在这一转工作周期内及时回落，防止下一转中心腔形成时因

外界高压的作用使其迅速冲向阀座，这又与齿端修正及排气孔有关。

涡旋侧壁的冲击噪声来源于两个方面，一是由于径向调节机构与球式防自转

机构匹配无法严格防止动盘自转，导致涡盘两对称工作腔之一的啮合线分离，产

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生冲击，形成噪声。建议采用EMBrg及OldhamRing&ThrustBearring结构改善

动静盘啮合，减小噪声。研究表明，齿侧啮合冲击噪声主要来源于吸气腔闭合时

涡旋壁末端对另一涡盘侧壁的撞击，将涡旋壁末端内侧壁面一定展角范围内适当

削薄，可有效减小噪声『6dB,且削簿的展角范围越大，噪声降低越明显，建

议取削薄展角区间在n/3摆布，