涡旋式汽车空调压缩机简介分析

涡旋式汽车空调压缩机简介

涡旋式压缩机是自上世纪八十年代发展起来的一种高效率、低噪音、高可靠性压缩机。凭借着这些优点，涡旋式压缩机在制冷行业得到了迅猛的发展。目前已经广泛的应用于家用空调，中央空调、汽车空调，空气压缩等各个领域。在汽车空调领域中，涡旋式压缩机被称为第三代压缩机，正在以其独特的性能优势逐渐代替传统的斜盘式压缩机和旋转式压缩机。

涡旋式压缩机在制冷系统中的卓越性能表现，使得时隔20年的今天，它依然是专家学者研究的热点。

从家用空调认识涡旋式压缩机

1、认识涡旋式压缩机

国内大部分用户对涡旋式压缩机的认识，可能首先是从家用空调开始的。家用空调压缩机经历了活塞式、旋转式、涡旋式等几个发展阶段。活塞式、旋转式压缩机目前多用于窗机、分体机等匹数较低的机型。而柜机由于其系数较高，活塞式、旋转式压缩机已不能充分满足其整机匹配的需要，只有采用涡旋式压缩机才能保持较高的热效率和能效比。

2、涡旋式压缩机的优点

涡旋式压缩机的能效比高（高效率），意味着与其他压缩机相比，在提供相同制冷量的情况下，涡旋式压缩机耗功要小得多，也就是节能，对于家用空调而言就是省电。

涡旋式压缩机的另一个优点就是噪音低，一般比活塞式压缩机低3～5dB (A)，是家用静音空调的基础。

涡旋式压缩机的再一个优点就是可靠性高。设计原理和较少的零部件为其高可靠性提供了充分的保证。

功耗、噪音、可靠性是用户对家用空调选择的重要依据。由于涡旋式压缩机具有的高能效比、低噪音和高可靠性等诸多优点，涡旋式压缩机已经越来越多的被用于家用空调系统和中央空调系统。

在中、大型中央空调机组上，一个明显的趋势就是应用螺杆和涡旋技术。活塞机在3年前还处于主导地位，现在的市场份额却急剧下降到10%左右。

世界上第一台涡旋式压缩机于1983年由日立发明制造，在世界上被公认为涡旋式压缩机的“鼻祖”。其专利变频涡旋式压缩机及其一直领先的制造技术在日本被公认为该领域的标志。

家用空调的节能技术主要有变频系统和数码涡旋系统。例如日立采用的变频涡旋系统和美国谷轮公司拥有的数码涡旋系统。如果将我国的空调全部换成变频空调，则空调的平均年效率至少提高30%，每年可为国家节约480亿元。而数码涡旋技术每年又可比变频系统节能40%，其节能的效果可想而知。

3、发展和趋势

通过以上介绍可以知道，涡旋式压缩机及其控制技术已经被越来越多的使用在家用或中央空调系统中。

正是由于市场的这种发展趋势，美国谷轮公司已在苏州投资兴建年产100万台的柔性涡旋压缩机厂，已正式投产。该厂与谷轮在美国本土上的几家工厂规模相当，同属于全世界最大的涡旋压缩机制造厂。其产品将供应中国和亚太地区几乎所有的主要家用空调制造商。

汽车空调压缩机的发展

汽车空调压缩机的几个发展阶段：

①．活塞式压缩机

在汽车空调上使用的主要是斜盘式（活塞）压缩机，主要分为5缸机、7缸机和10缸机。

代表产品有：

日本电装的10(S)P系列(10缸机)，如10P20C（南京IVECO）、10S11C（原夏利威乐轿车）。

上海三电贝洱的5H14(5缸机)、7H15(7缸机)、BX11(10缸机)、7V16(变排量7缸机)、6V12(变排量6缸机)。

牡丹江富通的V5系列(变排量5缸机)、10S（G）系列(10缸机)，如10G11（夏利三缸机轿车，该型压缩机与原夏利威乐轿车上使用的电装10S11C相同）等。

10缸机的效率要高于5缸机约10% 。

②．旋转式压缩机

旋叶式压缩机是旋转式压缩机的一种。

代表产品有：

重庆建设的JSS-96、JSS-120。

松下的T07（原华利幸福使者轿车）、H09、H12（原夏利三、四缸机轿车）。

旋叶式压缩机效率较斜盘式10缸机提高约8% 。

③．涡旋式压缩机

是目前最先进的压缩机。涡旋式压缩机在理论设计上决定的高效率、低功耗、低噪音和高可靠性是其他压缩机所无法比拟的。

代表产品有：

日本电装的SCA06C（达路·特锐）、日本三电的TRS090（本田飞渡）、三菱的MSC90C （哈飞赛马）以及南京奥特佳冷机有限公司的WXH系列产品（在天津地区的天津一汽全系列轿车）。

涡旋式压缩机效率较旋叶式压缩机又提高约10% 。

涡旋式汽车空调压缩机的工作原理

图一是一个涡旋式汽车空调压缩机的结构示意图。气体通过压缩机的吸气口吸入，进入吸气室。吸气室的气体通过啮合涡旋盘的吸气口进入压缩腔（参考图二），被压缩以后通过涡旋盘的排气口进入压缩机后部的背压腔，然后通过开设在背压腔上的压缩机排气口排出。压缩机的吸气口与空调系统的回气管相连，排气口与空调系统的进气管相连。

图一涡旋式汽车空调压缩机结构示意图

涡旋式压缩机的核心部件由一固定涡旋盘和一运动涡旋盘组成。图二是涡旋盘啮合时的剖面图。工作时，运动涡旋盘（简称动盘）绕着固定涡旋盘（静盘）沿着一圆形轨道作平面运动。也就是说，动盘一方面沿着很小的偏心距（曲轴回转半径）轨道移动，一方面与静盘接触作相对转动。这样一来，就在两个涡旋盘之间形成了数对封闭的月牙形腔体。这些月牙腔分别组成了涡旋式压缩机的吸气腔、压缩腔和排气腔。通常定义一个涡旋盘的尾部（最外部）到另一个涡旋盘的最近距离所形成的面为啮合涡旋盘的吸气口，与吸气口相连的月牙腔为吸气腔，与排气口相连的月牙腔为排气腔，而把完全封闭的月牙腔定义为压缩腔，如图二所标示。从图二中可以看出，啮合涡旋盘有一对吸气口，一对吸气腔，一对压缩腔，一个排气口，一个排气腔。

图二涡旋盘啮合示意图

图三是一个有三对月牙腔的涡旋式压缩机工作过程演示图（虽然涡旋式压缩机的工作腔数目随着不同的设计可能有所不同，但都基本上与图三演示的过程类似）。定义吸

气口闭合时的位置，也就是图三中第1个图所示的位置，为动盘运动的起点，当动盘沿

π），也就是图三中第2个图所示的位置，吸气腔逐渐扩大，气体轨道运动到4/1圈（2/

逐渐被吸入到吸气腔。当动盘转到（π2）位置，也就是图三中第5个图所示的位置，

吸气口闭合，吸气过程结束，封闭后的吸气腔变为压缩腔。随着动盘的继续向前运动（如

图中第6，7，8个图所示），压缩腔内的气体逐渐被压缩。当动盘运动到第三圈（π

4），

也就是图三中第9个图所示的位置，压缩腔与排气腔连通，组成新的排气腔。随着动

盘继续沿轨道向前移动，如图三中第11，12，13个图所示，排气腔逐渐缩小，气体被

排到背压腔，如果有排气阀，腔内气体要被压缩至压力大于背压腔的压力时，才可顶开

排气阀，排到背压腔，然后通过背压腔上的压缩机排气口排出压缩机。

图三涡旋式压缩机的工作过程演示图

如果我们只观察吸气口，那么在每一周的开始，吸气口总是由闭合开始逐渐打开，

随着动盘向前运动，吸气腔越来越大，越来越多的气体被吸入。在一周的结束点，也就

是下一周的开始点，吸气腔吸足了气体，开始封闭，变为压缩腔。随着吸气口的再次打

开，又将形成一对新的半月牙形的吸气腔。所以涡旋式压缩机在每一周都有一对月牙腔

在吸气。

如果我们只观察压缩腔，在每一周的开始一个新的压缩腔都由上一周的吸气腔转变

而来，并随动盘向前运动而缩小，实现气体压缩。在一周的结束点，也就是下一周的开

始点，压缩腔与排气腔相连。所以涡旋式压缩机在每一周都有一对月牙腔在压缩气体。

如果我们只观察排气腔，在每一周的开始，排气腔的体积最大，并随动盘向前运动而缩小，气体通过静盘的排气口逐渐被排到背压腔。如果有排气阀，气体则被压缩至压力高于排气阀外的压力后，才可以顶开阀片排到背压腔。在一周的结束点，也就是下一周的开始点，排气腔的体积减到几乎为零，气体基本被全部排出，然后与上一周的压缩腔相连，形成新的排气腔。所以涡旋式压缩机在每一周都有一个腔在排出气体。

由以上描述可知，a.气体从开始吸入到完全排出，动盘需要运转三周。b.动盘运动的每一周，同时存在吸气过程，压缩过程，排气过程，这表明说涡旋式压缩机的工作过程是连续的。这些工作特性给使涡旋式压缩机有以下优点。

①．容积效率高

从涡旋式压缩机工作过程可以看到，涡旋压缩机没有吸气阀，没有余隙容积。因为没有吸气阀，所以气体可以通畅的吸入月牙腔。因为没有余隙容积，吸入的气体能够被完全排出。一般来说，涡旋式压缩机的容积效率可以达到90～98%。而往复式压缩机，由于有吸气阀的阻力，阻碍了气体吸入，以及有余隙容积存在，气体不能完全排出，而这些不能被排出的气体在吸气过程膨胀占据了气缸的一部分容积，所以其容积效率远远低于涡旋式压缩机，一般只有65～75%。

②．工作平稳

在任何一个压缩机工作循环中，吸气过程基本上不消耗功，此时压缩机的负载非常小，主要用于克服机械损失。压缩过程压缩气体，要消耗大量的功，此时压缩机负载很大，而排气过程也基本上不消耗功，此时的负载主要是来克服排气阻力，所以负载也很小。这样一来，对于单个工作循环，其负载变化很大。但从涡旋式压缩机的工作过程可以知道，有数个不同相位的工作循环在同时进行，例如在动盘走第一圈时第一个工作循环是吸气过程时，第二个工作循环是压缩过程，第三个循环是排气过程。在动盘走第二圈时，第一个循环进入压缩过程，第二个工作循环进入排气过程，第三个工作循环进入吸气过程。在动盘走第三圈时，第一个工作循环进入排气过程，第二个工作循环进入吸气过程，第三个工作循环进入压缩过程。这样一来，前一个工作循环的波峰与后一个循环的波谷相叠合，所以总的负载变化很小，压缩机也就工作的平稳。

③．噪音低，振动小

压缩机的噪音主要来源于吸、排气阀的机械撞击和气流脉动。涡旋式压缩机不象往复式压缩机，它没有吸气阀，所以消除了由于吸气阀引起的噪音。对于相同规格的汽车

空调压缩机，涡旋式压缩机的噪音一般比往复式压缩机低3～5dB (A)。另外，由于涡旋式压缩机的运动部件作圆周运动，而且运动半径很小，惯性力很容易被平衡掉，所以振动非常小。而往复式压缩机由于活塞作往复运动，惯性力不易被完全平衡，所以振动大。

涡旋式汽车空调压缩机的优点

随着人们对舒适性要求的提高以及对能源和环境问题的日益关注，涡旋式压缩机这一高效率、低噪音的压缩机在制冷行业得到了迅猛的发展。在家用空调行业的应用已经人尽所知，在汽车空调行业也得到了越来越广泛的应用。

为什么涡旋式汽车空调压缩机会有如此好的应用趋势呢？我们不妨从涡旋式汽车空调压缩机的特点来分析。

①．涡旋式汽车空调压缩机效率高，功耗小，因而油耗少

涡旋式汽车空调压缩机能效比（COP）最高。

能效比=制冷量/功耗。也就是与其他型式的压缩机相比，在提供相同制冷量的情况下，涡旋式汽车空调压缩机功耗最小；或与其他型式的压缩机相比，在功耗相同的情况下，涡旋式汽车空调压缩机提供的制冷量最大。

涡旋式汽车空调压缩机的启动力矩小，因而在开启空调时引起的掉速很小，对车速基本没有影响。

涡旋式汽车空调压缩机的功耗小，相比使用其他类型的压缩机，在汽车加速和爬坡时对汽车的动力性影响小。

这些优点的集合，可以实现空调系统设计的理想化要求，这是很多轿车首选涡旋式压缩机的重要原因之一。

②．涡旋式汽车空调压缩机可靠性高，故障率少

设计原理和较少的零部件为其可靠性提供了充分的保证。这也是一些国外著名车厂选用涡旋式汽车空调压缩机的重要原因之一。

目前，三菱、马自达、本田等品牌已全部安装涡旋式压缩机，福特、通用等品牌的中高档车型上也已使用涡旋式压缩机。

③．涡旋式汽车空调压缩机转速范围宽、高速性能好

涡旋式汽车空调压缩机可以在700～10000rpm的转速下连续工作，最高瞬时转速可以达到12000rpm。

在高速情况下，涡旋式汽车空调压缩机仍然保持了其固有的高能效比优点，而且随着转速的提高，能效比衰减甚小，这是其他类型的压缩机所无法比拟的。

随着车速的提高→发动机转速提高→压缩机转速提高→压缩机制冷量增加，而此时涡旋式汽车空调压缩机功耗增加缓慢，能效比衰减甚小、旋叶式汽车空调压缩机功耗增加较快，能效比衰减较快、而活塞式汽车空调压缩机功耗则会迅速增加，能效比衰减最快。这就是为什么活塞式汽车空调压缩机传动比通常不超过1.05、旋叶式汽车空调压缩机传动比通常不超过1.10，而涡旋式汽车空调压缩机最大可以达到1.45的根本原因。

高COP（能效比）及低COP（能效比）衰减，一直是空调行业设计的追求，同时也是制冷行业技术进步的唯一标志。

在国内，通常轿车上使用的活塞式汽车空调压缩机最高排量约为150 cc/rev；旋叶式汽车空调压缩机最高排量约为120cc/rev，相比之下，福特蒙迪欧使用的变排量涡旋式汽车空调压缩机排量只有86cc/rev（与本公司配套贵公司的涡旋式汽车空调压缩机排量相同）；本田思域（喜美）使用的涡旋式汽车空调压缩机排量只有约76cc/rev。这正是充分发挥了涡旋式汽车空调压缩机的这些优点。

④．噪音低

涡旋式汽车空调压缩机的噪音低，能够比斜盘式压缩机低3~5dB (A)，比旋叶式压缩机低2~3dB (A)。可以实现空调系统的静音要求。

在国内，轿车在使用排量较大的活塞式汽车空调压缩机时，其空调管路上通常均带有消音器，而涡旋式汽车空调压缩机系统则不需要消音器。

其他：

1、测试数据

只有在相同的测试工况下，压缩机制冷量和能效比的测试数据才有比较意义，不同的测试工况测得的数据相差巨大，不能进行比较。

通常国际上采用的测试工况如下，在该工况下测得的数据最能正确反映压缩机性能。

2、替代

铭牌排量：压缩机说明书或铭牌上注明的排量，是压缩机理论排量。这是大家通常所说的排量。

实际排量：考虑压缩机容积效率和传动比后的压缩机实际排量。空调系统的制冷量取决于压缩机的实际排量，实际排量和空调系统中的质量流量成正比。

实际排量=理论排量×容积效率×压缩机传动比

举例：

1）原威乐轿车上使用的电装活塞式汽车空调压缩机10S11C压缩机

该型式压缩机容积效率最高为75%，原车传动比为1.04

压缩机理论排量为110cc/rev。

压缩机实际排量为=110cc/rev×75%×1.04=85.80 cc/rev

2）现威乐轿车上使用的南京奥特佳涡旋式汽车空调压缩机WXH-086-3压缩机该型式压缩机容积效率最高为98%（可按95%计算），现传动比为1.25

压缩机理论排量为86cc/rev。

压缩机实际排量为=86cc/rev×95%×1.25=102.13 cc/rev

理论上，压缩机提供的制冷量较原车提高了19.0%。同时传动比的设计还要保证功耗不超过原车。

旋叶式汽车空调压缩机可以同时在制冷量和功耗两个指标上（保证优于原车），对活塞式汽车空调压缩机进行替代；而涡旋式汽车空调压缩机可以同时在制冷量和功耗两个指标上（保证优于原车），对旋叶式汽车空调压缩机及活塞式汽车空调压缩机进行替代。

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