[科普中國]-微型壓縮機(jī)

微型壓縮機(jī)是指制冷量小于1KW的制冷壓縮機(jī)，具有迷你的體積、輕巧的重量和超強(qiáng)的耐久力；工作安靜，幾乎沒有振動(dòng)；能耗很低，可以使用電池、車載電源、民用電網(wǎng)、太陽能等供電；具有穩(wěn)定的輸出、精確的控制以及優(yōu)越的適應(yīng)性，能夠很好滿足各類要求移動(dòng)便攜的微型熱管理系統(tǒng)的需求。 壓縮機(jī)是制冷系統(tǒng)的核心，其能力和特征決定了制冷系統(tǒng)的能力和特征。微型壓縮機(jī)具有體積小、重量輕、高功率、低能耗、工作安靜無振動(dòng)、可變頻和易于精確控制等特點(diǎn)，可以說是專為尖端制冷系統(tǒng)量身定做的，也是極為理想的移動(dòng)或者便攜的小型熱管理系統(tǒng)的首選。微型壓縮機(jī)可廣泛用于空氣調(diào)節(jié)裝置、水冷裝置、商業(yè)冷藏裝置的制冷單元，目前，其主要應(yīng)用范圍包括便攜式制冷系統(tǒng)、食品冷卻系統(tǒng)、微型冷藏系統(tǒng)、溫控裝運(yùn)容器、電子制冷系統(tǒng)、醫(yī)療成像系統(tǒng)、迷你冷卻水系統(tǒng)等。

研究進(jìn)展壓縮機(jī)是熱泵制冷循環(huán)微型化的核心部件，一般來說，微型壓縮機(jī)是指制冷量小于1kW的制冷壓縮機(jī)，其類型主要有活塞式、轉(zhuǎn)子式、線性和隔膜式4種?；钊綁嚎s機(jī)具有增壓比大、熱效率較高、運(yùn)行穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，但作為容積式設(shè)備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，周期性進(jìn)排氣引起振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲并增加變頻難度。

Elbel和Ernst等對微型活塞式壓縮機(jī)作了詳細(xì)的描述。轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)是通過偏心圓筒狀轉(zhuǎn)子在汽缸內(nèi)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來改變工作容積，從而實(shí)現(xiàn)制冷劑壓縮的。與活塞式壓縮機(jī)相比，轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)沒有往復(fù)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，不需要吸氣閥，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，質(zhì)量輕，性能較好。

Wu、楊宇飛、桑岱和Sathe等都是采用美國Aspen公司開發(fā)的一款型號為14-24-000X的微型轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)在24V直流電源下驅(qū)動(dòng)，選用制冷劑R134a為工質(zhì)，其體積為206cm3，質(zhì)量約0.6kg。

Sathe等通過實(shí)驗(yàn)得出當(dāng)增壓比在2～3.5變化時(shí)，該壓縮機(jī)容積效率73%～90%、絕熱效率44%～70%，可制取163～489W冷量，COP在2.1～7.4變化。

Trutassanawin等采用型號XL0623D1日立轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，制冷工質(zhì)R134a，體積為941.48cm3，環(huán)境溫度為25～35℃，增壓比在1.9～3.2變化時(shí)，容積效率與絕熱效率分別為50%～80%、25%～60%，制冷量121～268W，COP為2.8～4.7。鐘曉暉等自主設(shè)計(jì)研發(fā)了微型三角轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，其制冷工質(zhì)R22，體積為137.38cm3，質(zhì)量（包含電動(dòng)機(jī)）僅有0.55kg，在40℃環(huán)境下可產(chǎn)生300W的制冷量，COP可以達(dá)到2.0以上。

微型線性壓縮機(jī)是通過線性電動(dòng)機(jī)以電磁共振方式驅(qū)動(dòng)的，不是像轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)那樣的機(jī)械連接方式，且線性電動(dòng)機(jī)比旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單。與活塞式相比，摩擦損失小，效率高，可靠性高，只需少量或無須使用潤滑油。Ribeiro采用了Embraco公司生產(chǎn)的微型線性壓縮機(jī)，制冷工質(zhì)R134a，其體積為452.16cm3，質(zhì)量為1.2kg，被一塊體積為15mm×50mm×70mm的電路板控制，在環(huán)境溫度為35.1℃、中沖程條件下，COP為1.45，可產(chǎn)生72.68W的制冷量。另外，Unger、Bailey、Wang和Bradshaw等都對微型線性壓縮機(jī)進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述。

近年來，微型隔膜式壓縮機(jī)引起了部分學(xué)者的關(guān)注，這種壓縮機(jī)是靠隔膜在汽缸中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)來壓縮和輸送氣體的，壓縮比大，體積很小，無須潤滑油，密封性好。Sathe等針對制冷量為80W、理論COP為12.0的制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化了靜電驅(qū)動(dòng)的R134a微型隔膜式壓縮機(jī)組，整體體積約32cm3，每個(gè)單體壓縮腔半徑8.5mm，最大深度85μm，最大增壓35.6k Pa，體積流量97mL/min，工作電壓387V，最小功耗30.1mW，但未對壓縮機(jī)的泄露、穩(wěn)定性、可靠性及噪聲等方面進(jìn)行分析。此外，與其他類型的微型壓縮機(jī)相比，該壓縮機(jī)排量很小，工作電壓高，加工比較困難，成本較高，不過隨著硅片精細(xì)加工技術(shù)的進(jìn)步，微型隔膜式壓縮機(jī)有望在微型制冷系統(tǒng)中得到應(yīng)用。1

基本原理是微型壓縮機(jī)的基本構(gòu)成，由滾動(dòng)活塞、氣缸體、滑板及其背部的彈簧、偏心輪軸和氣缸兩端蓋等主要零件組成。從圖中可以看出，汽缸內(nèi)缸與滾動(dòng)活塞均呈圓形，氣缸體上開有吸氣、排氣孔口。排氣孔口之上裝有簧片排氣閥，氣缸內(nèi)安裝有帶心拐的偏心輪軸（即壓縮機(jī)的主軸）。偏心輪軸的旋轉(zhuǎn)中心與氣缸內(nèi)孔的圓心重合，滾動(dòng)活塞安裝在偏心拐上，即滾動(dòng)活塞與偏心拐同心，使得滾動(dòng)活塞外表面與氣缸內(nèi)表面相切（實(shí)際上由于間隙的存在，在相切處兩者并未接觸），于是氣缸內(nèi)表面與滾動(dòng)活塞外表面之間形成一個(gè)月牙形空間，它的兩端被氣缸蓋封著，構(gòu)成壓縮機(jī)的工作腔。在氣缸的吸氣、排氣孔口之間開一個(gè)徑向槽，槽內(nèi)裝有能來回滑動(dòng)的擋板（簡稱滑板），滑板背部裝有彈簧，靠彈簧力（有時(shí)還作用有氣體或潤滑油的壓力）滑板端部緊緊壓在滾動(dòng)活塞外表面上，將月牙形空間分成兩部分：與吸氣孔口相通的部分成為吸氣腔：在排氣孔口一側(cè)的部分成為壓縮腔，排氣孔口設(shè)置有排氣閥，在壓縮工質(zhì)達(dá)到一定壓力時(shí)，排氣閥打開，實(shí)現(xiàn)壓縮完畢的工質(zhì)的排出，至此，一個(gè)完整的壓縮循環(huán)完成。

圖 3是微型壓縮機(jī)的工作原理，當(dāng)偏心輪軸由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)繞氣缸中心連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，吸氣腔、壓縮腔的容積周期變化，于是就實(shí)現(xiàn)了吸氣、壓縮、排氣及余隙膨脹等工作過程。具體如下：當(dāng)滾動(dòng)活塞位于a所示位置，同時(shí)左側(cè)工作腔開始吸氣，右側(cè)工作腔開始壓縮；位于b所示位置，左側(cè)工作腔吸氣行程完成一半，右側(cè)工作腔壓縮行程完成大半；位于c所示位置，左側(cè)工作腔吸氣行程繼續(xù)，右側(cè)工作腔壓縮工質(zhì)壓力達(dá)到要求，開始排氣；位于d所示位置，左側(cè)工作腔吸氣行程繼續(xù)，右側(cè)工作腔排氣結(jié)束；位于e位置，左側(cè)工作腔吸氣行程結(jié)束，即將進(jìn)入壓縮行程，右側(cè)工作腔即將與左側(cè)連通，進(jìn)入吸氣行程；至此，微型壓縮機(jī)完成一個(gè)完整的壓縮循環(huán)，期間各個(gè)位置的左、右工作腔狀態(tài)說明詳細(xì)見表1。

表1微型壓縮機(jī)工作過程狀態(tài)說明。2

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優(yōu)勢運(yùn)行平穩(wěn)：微型壓縮機(jī)中，對于某一個(gè)工作腔而言，氣體工質(zhì)的吸入、壓縮和排除是在偏心輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩周內(nèi)完成的，但是由于滾動(dòng)活塞和滑板組成左右兩側(cè)的工作腔，吸氣、壓縮及排氣過程是同時(shí)進(jìn)行的，那么對于整個(gè)壓縮機(jī)而言，偏心輪軸每轉(zhuǎn)中仍完成一個(gè)有效的工作循環(huán)，可以使得運(yùn)行平穩(wěn)。

效率較高：微型壓縮機(jī)中，吸氣、壓縮及排氣過程是在滑板兩邊的工作腔中同時(shí)進(jìn)行，不需要吸氣閥門，也不需要額外的吸排氣消聲器，降低了吸排氣過程中的流動(dòng)阻力損失，其指示效率一般比往復(fù)式活塞壓縮機(jī)高30%-40%。

結(jié)構(gòu)緊湊：微型壓縮機(jī)是由圓筒形氣缸和作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的滾動(dòng)活塞相互配合而直接進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓縮，不需要將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，其零部件少，尤其是易損件少，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，比一般往復(fù)活塞壓縮機(jī)的零件少1/3，體積小40%-50%，重量約輕一半。

無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)：微型壓縮機(jī)由直流無刷電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，無刷直流電機(jī)具有響應(yīng)快速、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，易于實(shí)現(xiàn)微型壓縮機(jī)的變轉(zhuǎn)速變頻控制，并且可以使用電池、車載電源、民用電網(wǎng)、太陽能等供電，增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性。3

應(yīng)用壓縮機(jī)是制冷系統(tǒng)的核心，其能力和特征決定了制冷系統(tǒng)的能力和特征。微型壓縮機(jī)具有體積小、重量輕、高功率、低能耗、工作安靜無振動(dòng)、可變頻和易于精確控制等特點(diǎn)，可以說是專為尖端制冷系統(tǒng)量身定做的，也是極為理想的移動(dòng)或者便攜的小型熱管理系統(tǒng)的首選。微型壓縮機(jī)可廣泛用于空氣調(diào)節(jié)裝置、水冷裝置、商業(yè)冷藏裝置的制冷單元，目前，其主要應(yīng)用范圍包括便攜式制冷系統(tǒng)、食品冷卻系統(tǒng)、微型冷藏系統(tǒng)、溫控裝運(yùn)容器、電子制冷系統(tǒng)、醫(yī)療成像系統(tǒng)、迷你冷卻水系統(tǒng)等。

目前有美國ASPEN，研發(fā)了全球最小的制冷壓縮機(jī)。

Aspen微形封閉轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)性能參數(shù)：

型號：14-24-000X；

制冷劑: R-134a；

電機(jī)：無刷電機(jī)；

油的型號：POE RL 68H；

排氣量：1.4CC；

重量：590克；

尺寸：56mm（直徑）X 78mm (高)；

電流：1A – 9.5A；

最大電流：9.5A (正常為5A)；

電壓：20 - 28V；

蒸發(fā)溫度：-18°C ~ 24°C；

冷凝溫度：27°C ~ 71°C；

適用環(huán)境溫度:-30°C ~ 60°C；

最高承受溫度：130°C；

轉(zhuǎn)速：1800-6500rpm。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李勇 - 副教授 - 西南大學(xué)