【摘要】 CO2 作为一种天然工质，是目前CFCs 工质替代的一个重点研究方向。本文主要介绍了二氧化碳制冷压缩机的相关内容，并且主要进行了二氧化碳涡旋式制冷压缩机与其他压缩机的比较，分析了二氧化碳制冷剂的优势以及它与其他制冷剂的比较情况。
【关键词】 CO2制冷压缩机 制冷剂
一、 概述
由于氯氟烃（CFCs ）对于大气的重要影响，保护环境、替代CFCs已经成为全球共同关注的问题。从1985年的《保护臭氧层的维也纳公约》到1987年的《蒙特利尔议定书》，以及1990年伦敦会议和1992年哥本哈根会议对《蒙特利尔议定书》的修正，世界范围内的CFCs 替代进程在不断加快。1991年6月，我国在修改的《蒙特利尔议定书》上签字，成为缔约国之一。1992年5～7月编制了《中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案》，并于1993年1月获国务院批准。因此，逐步淘汰ODSs已经成为一项国际责任。替代工质应满足安全性、环境可接受性和装置适用性三方面的要求。经过科学家们多年来的不懈努力，汽车空调原理图已经研制出大量的过渡性或长期
的氯氟烃（CFCs ）和氢氯氟烃（HCFCs）替代物， 如R134a ， R407C ， R410A 和R290 等，并研究出相应的技术和设备，在制冷空调行业得到广泛的应用。《蒙特利尔议定书》对于CFCs和HCFCs等物质强制要求限期逐步淘汰，并规定了发达国家和发展中国家的使用期限。而目前使用的HFCs 制冷剂由于会导致明显的温室效应而被《京都议定书》列入温室气体的清单中。在欧洲，有些国家已经在一些制冷空调领域禁止使用HFCs ，并且进一步提议从某些领域逐步淘汰HFCs。有些国家立法将在21 世纪20 年代严格限制或淘汰使用R134a 制冷剂，这就使得制冷与空调行业在适应淘汰CFCs和HCFCs类制冷剂转向使用HFCs制冷剂时又必须寻求的替代物。
在环境保护与制冷剂替代的研究进程中，水，氨，碳氢化合物以及CO2等自然制冷剂成为人们关注的焦点，前国际制冷学会主席挪威的G.Lorentzen认为，自然制冷剂是解决环境问题的最终方案。天然制冷剂CO2具有其他制冷剂无法比拟的优点，比如运动黏度低，动力黏度低，压比小（约为2.5～3.0），比体积小，单位容积制冷量大，高导热率，高定压比热容以及低的表面张力，而且还具有环保，易购买，安全性等优点，已经成为了国内外研究的热点。所以，前国际制冷学会科技理事会主席Lorentzen认为CO2是“无可替代的制冷剂” 。它是最具有应用前景的自然制冷剂，并有望成为21世纪理想的环保自然制冷剂之一，因此国内
外对以CO2作为制冷剂的制冷循环进行了广泛的研究，并取得一些研究成果。
目前，CO2制冷技术主要应用在以下三方面:一是在汽车空调中的应用，二是在各种热泵中的应用，三是在复叠式制冷系统中的应用。自从CO2作为环保制冷剂被再次提出以来，人们已经开发出应用于不同场合的CO2压缩机。主要包括以下几种:活塞压缩机、滚动活塞压缩机、摆动活塞压缩机、涡旋压缩机、滑片压缩机和螺杆压缩机。相比其他工质的压缩机，CO2压缩机的特点是工作压力高，结构尺寸小，压比小以及吸排气压差大，效率比较高。
现在，二氧化碳制冷压缩机已经成为了越来越多企业的研发对象，全球压缩机生产企业，包括丹佛斯、比泽尔、都凌以及艾默生等都顺应了这个潮流，纷纷推出二氧化碳压缩机，并为商业部门提供了二氧化碳解决方案。据了解，丹佛斯的二氧化碳气体冷却器解决方案具有安装调试简便、最大系统运转效率等优点。作为减少碳足迹的积极响应者，丹佛斯的TN型压缩机曾荣获“AHR创新奖”。比泽尔作为最早推出二氧化碳制冷压缩机的厂商，多年来一直与世界上主要的客户保持着紧密的联系，共同研发二氧化碳制冷技术。目前，比泽尔与客户开发的最早的二氧化碳机组已经安全运行近20年。 Dorin开发出世界上第一台半封闭往复式二氧化碳压缩机，这种压缩机能够用在HPWH和轻型、中型商业制冷设备中。功率从0.75kW到1
5kW不等的电机能够以中速和高速模式运转(1450rpm和2900rpm)。压缩机的直径从18mm到34mm不等。艾默生作为全球首屈一指的制热，空调和制冷解决方案提供者，艾默生的谷轮涡旋式压缩机可用于低温级联系统，是美国唯一一款达到UL规定对于高压亚临界二氧化碳级联系统要求的压缩机。
二、 CO2涡旋式制冷压缩机的介绍
下面介绍一下丹麦丹佛斯二氧化碳涡旋制冷压缩机。
丹佛斯涡旋压缩机是丹佛斯工业集团旗下一重要产品，它在德国、斯洛文尼亚和墨西哥设有三家工厂，生产家用冰箱、商用冷柜、空调用小型丹佛斯压缩机。丹佛斯压缩机以其体积小、重量轻、噪音低、效率高、寿命长而享誉制冷行业，尤其是丹佛斯压缩机的低噪音设计，高效率和节能的设计更是所有压缩机中的佼佼者，丹佛斯压缩机成为低噪音、高效率和节能的象征。目前，它的报价为4500~8000元之间，有的已经超过10000元。
图1 丹佛斯涡旋压缩机
二氧化碳涡旋式制冷压缩机的性能特点是：
(1)．效率高。 涡旋式压缩机的吸气、压缩、排气过程连续单向进行，因而吸入气体的有害过热小，相邻两室的压差小，气体的泄露量小。没有余隙容积，故不存在引起输气系数下降
的膨胀过程，而且容积效率高，通常达到95%以上。
(2)．震动小，噪声小。由于吸气、压缩、排气过程是同时连续进行的，压力上升较慢，因此转矩变化幅度小，震动小，噪声小。涡旋式转矩仅为滚动转子式和往复式的1/10。
(3)．结构简单，体积小，质量轻，可靠性高。 涡旋式压缩机构成压缩室的零件数目与滚动式以及往复式的零件数目之比为1：3：7，所以涡旋式的体积比往复式小40%，质量轻15%。又由于没有吸、排气阀，易损零件少，加之有轴向、径向间隙可调的柔性机构，能避免液击造成的损失及破坏，故涡旋式压缩机的运行可靠性高。因此，涡旋式制冷压缩机即使在高速运转下也能保持高效率和高可靠性，其最高转述可达13000r/min.
(4)．由于采用气体支撑机构，故允许带液压缩，一旦压缩腔内压力过高，可使动盘和静盘端面脱离，压力立即得以释放。
(5)．机壳内腔为排气室，减少了吸气预热，提高了压缩机的输气系数。
(6)．涡线体型线加工精度非常高，必须采用专用的精密加工设备，而且密封要求高，密封结构复杂。
(7)．涡旋式压缩机制冷量范围为0.75～15KW（不包括特殊型号），并且多数在3～5KW之间，最多应用是在小型家用空调、商用空调系统中。此类压缩机不用于零下5度的制冷工况。
涡旋式制冷压缩机的发展趋势
涡旋式压缩机广泛使用在房间空调器、组合式空调器、变制冷剂流量系统以及小型冷水机组上。大部分涡旋式压缩机在北美、亚洲和欧洲生产，北美和亚洲占有这种型式产品90%以上的产量。从欧洲来的两家压缩机巨头，比泽尔和丹佛斯近年来也继续扩大了生产。比泽尔在纽约的锡拉丘兹启动了美国工厂生产用于工业空调和制冷设备的涡旋式压缩机。丹佛斯在2006年从布里斯托获得了涡旋式压缩机技术以扩大其产品序列。包括三菱电机、大金、日立和三洋的日本制造商是世界上主要的涡旋式压缩机制造商。近年来中国由于组合式空调器需求的急剧增加，涡旋式压缩机的生产迅速上升。中国的巨大潜在市场以及制造工业的竞争优势吸引了许多世界上主要的涡旋式压缩机制造商把生产基地转移到那里。大金在西安和苏州生产涡旋式压缩机。三洋在2004年把它的全部空调涡旋的生产转移到中国。日立在广州加强了涡旋式压缩机的生产，包括变制冷剂流量(VRF)系统的变频压缩机。2005年丹佛斯在天津
建立了工厂。该公司在获得了布里斯托的涡旋业务后，在天津扩大了它的涡旋式压缩机系列。大连三洋在2007 年开始生产由直流变频器驱动的R410A，8hp (5. 5kW)涡旋式压缩机。制冷涡旋市场相当小，只涉及少数制造商。谷轮是全球的主要领导者，其次是丹佛斯。其它制造商是日立和三洋。据估计涡旋式机组预期在制冷压缩中会有较高的增长率。在市场中R22仍然是占支配地位的制冷剂。然而， 制造商正在转移到替代的制冷剂。截至到2010年，60%的压缩机会使用R410A。CO2压缩机的生产也在增加。大容量、节能和环境保护是涡旋式压缩机的发展趋势。
三、二氧化碳涡旋式制冷压缩机与其他压缩机的比较
下面将二氧化碳涡旋制冷压缩机与其他结构类型的制冷压缩机进行比较，如表1所示。
表1 不同制冷压缩机之间的性能比较
涡旋式 | 活塞式 | 螺杆式 | 滚动转子式 | 滑片式 | |
效率性 | 没有吸、排气阀，摩擦速度低，损失小，效率高，容积效率可达95%。 | 由于活塞，活塞杆等与汽缸存在摩擦，故有功率损失，机械效率一般在75%~90%之间。 | 在较宽的工作范围内，仍可保持较高的效率，不过低温工况运转时效率显著降低。 | 压缩机滑片与汽缸壁面之间的泄露、摩擦和磨损较大，限制了它的工作寿命和效率的提高。 | 容积效率和机械效率都较低。 |
平衡振动性 | 振动和噪声水平较低 | 运行时振动较大。 | 没有往复质量惯性力，动力平衡性能好，它的压缩排气的压力震动是非常低的。 | 由于存在不平衡的旋转质量，平衡性不好。 | 振动，噪声较小。 |
输气系数 | 吸气、压缩、排气连续单向进行，直接吸气，吸入气体有害过热小，且没有余隙容积中气体的膨胀过程，因而输气系数高。 | 由于余隙容积、吸气和排气压力损失，气体与汽缸壁之间的热量交换以及泄露等因素的影响。压缩机的实际输气量总是小于它的理论输气量。 | 工况不同时，输气系数不同，大致为0.7～0.92，小输气量高压比时取下限，大输气量低压比时取上限。输气系数比活塞式及其它类型的回转式压缩机都高，而且变化平坦。 | 输气系数高。 输气系数比同容量的活塞式压缩机高20%左右 | —— |
输气量调节 | 适用于转速在宽广范围内的变化的场合。采用变转速调节方法改变其输气量。涡旋式压缩机比活塞式压缩机和滚动转子式压缩机适用于更宽的速度范围，在空调或热泵中采用涡旋式压缩机进行变频调节输气量是有前途的。 | 最简单的输气量调节方法是压缩机间歇运行，这种能量调节方法只适用于功率10KW左右的小型制冷机中，对于容量较大的压缩机，机器的频繁开停不仅能量损失大，而且影响机器的寿命和供电回路中电压的稳定，影响其他设备的正常工作。 | 输气量能无级调节，并在50%的范围内，功率与输气量成正比下降。具有强制输气的特点，既输气量几乎不受压力的影响。 | 适用于转速在宽广范围内的变化的场合。 采用变转速调节方法改变其输气量。 | —— |
COP | 1.7~1.95 | 2.0~2.9 | — | — | — |
制冷量 | 小制冷量1~~15KW大制冷量8～150KW | 全封闭：制冷量小于60KW，半封闭：制冷量60～600KW | 制冷量100～1200KW | 制冷量8～12KW | — |
相应品牌 | 谷轮、丹弗斯、比泽尔、日立，松下，三菱，大金、三洋等。 | 恩布拉科、松下、丹佛斯、比泽尔、博克、多菱、富士豪、开利、谷轮、莱福康和三洋。 | 日立，神钢，前川，约克，开利，比泽尔，富士豪等 | 东芝，日立，松下，三洋，三菱等 | 三菱、三洋、东芝、泰康等 |
报价 | 大于4500元 | 3000~4000元 | —— | —— | —— |
注：由于资料有限，“—”处数据尚未查阅到。
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