第１９卷第２
期２ ０ １
９年２月ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＡＩＲ－ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＩＮＧ
５５－
６４收稿日期：２０１９－０１－
２１作者简介：
马国远 王磊 刘宇
（北京工业大学）
摘 要 作为小型空调热泵用压缩机的主要机型，滚动活塞式压缩机随着节能环保政策不断推出和市场需求的不断变化，其产品品质持续提高，新技术与新结构不断涌现。本文对滚动活塞式压缩机的近期发展进行梳理，从适应制冷剂的替代变化、拓展容量范围与应用领域、进一步高效化、配合空调器的热泵化和降低噪声等５个方面分别介绍其技术进展，并对未来的技术发展进行展望。关键词 制冷空调；滚动活塞式压缩机；技术 Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｆｏｒ ｒｏｌｌｉｎｇ
ｐｉｓｔｏｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒＭａ Ｇｕｏｙｕａｎ Ｗａｎｇ
Ｌｅｉ Ｌｉｕ Ｙｕ（Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ ｆｏｒ ｓｍａｌｌ ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｎｄ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ
＆ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｐｏｌｉｃｉｅｓ ａｎｄｔｈｅ ｅｖｅｒ－ｃｈａｎｇｉｎｇ ｍａｒｋｅｔ ｄｅｍａｎｄ，ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔ ｑｕａｌｉｔ
ｙ ｏｆ ｒｏｌｌｉｎｇ ｐｉｓｔｏｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ ｃｏｎ－ｔｉｎｕｅ ｔｏ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａｎｄ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｎｅｗ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｃｏｎｔｉｎｕｅ ｔｏ ｅｍｅｒｇｅ．Ｔｈｅｒｅｃｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｒｏｌｌｉｎｇ
ｐｉｓｔｏｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ ｉｓ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｓ ｉｎ－ｔｒｏｄｕｃｅｄ ｆｒｏｍ ｆｉｖｅ ａｓｐｅｃｔｓ：ａｄａｐｔａｔｉｏｎ ｔｏ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｏｆ ｃａｐａｃｉｔｙｒａｎｇｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ，ｆｕｒｔｈｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｈｅａｔ ｐｕｍｐｉｎｇ ｏｆ ａｉｒ ｃｏｎｄｉ－ｔｉｏｎｅｒｓ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｆｕｔｕｒｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｉｓ ｐ
ｒｏ－ｐ
ｏｓｅｄ．ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ；ｒｏｌｌｉｎｇ
ｐｉｓｔｏｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ；ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 滚动活塞式压缩机，
也称滚动转子式压缩机或旋转式压缩机，早期的生产企业主要是美国Ｖｉｌ－
ｔ
ｅｒ公司［１］
，随后的二十年滚动活塞式压缩机开始在制冷系统中大量装备，但限于当时的制造水平，滚动活塞式压缩机与传统活塞式压缩机相比并无竞争力，与同时兴起的螺杆式压缩机亦不存在竞争优势。
２０世纪７０年代后，为了提高小型制冷装置的节能性和舒适性，滚动活塞式压缩机在小型空调器、热泵、家用电冰箱等系统中的应用越来越普遍。随着制造工艺的提高，滚动活塞式压缩机的体积和质量均为往复式压缩机的一半左右，且滚动活塞式压缩机的运行更加平稳，噪声更低，耗电量更少，效率更高。
２０世纪９０年代以来，
滚动活塞式压缩机发展成为房间空调器压缩机的独有机种，随后空调变频化进一步促进其技术发展。压缩机变频技术可分为直流调速（变频）和交流变频２种，其中直流调速压缩机因其更佳的节能效果
被广泛使用。数据显示，目前日本的房间空调器基本采用直流调速滚动活塞式压缩机；我国滚动活塞式压缩机年销售量早已连续多年突破１亿台，２
０１８年１—９月份，空调滚动活塞式压缩机销售量达到１．６１亿台，其中采用直流调速滚动活塞式压缩机的房间空调
器的销售量占比已超过７０％［２］。
经过过去几十年的发展与技术积累，滚动活塞式压缩机在产品生产、技术研发和系统集成等方面都取得了出的成绩。但是，近年来随着制冷空调行业的不断发展和技术进步，滚动活塞式压缩机面临多方面的挑战和机遇，其发展要求主
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·第１９卷
要来自于能效水平和环保性能进一步提升、产品应用领域不断拓展、专一化的特定应用和噪声控制等
方面。为了适应以上的发展要求，滚动活塞式压缩机主要在适应制冷剂的替代变化、拓宽容量范围与应用领域、进一步高效化、配合空调器的热泵化和降低噪声等方面展开技术创新和产品研发，取得了显著的成效和进步。笔者对滚动活塞式压缩机的近期发展进行简要梳理和介绍，并对未来的技术发展进行展望。
１ 适应制冷剂的替代变化２０世纪８０年代以来签署的保护臭氧层公约和联合国气候变化框架公约不断要求制冷剂具备零ＯＤＰ（消耗臭氧潜能）、低ＧＷＰ（全球变暖潜能）和高ＣＯＰ（性能系数）的特性，制冷剂一直为适应这些要求不断地替代。当然，滚动活塞式压缩机在制冷剂替代和应用中进行不断的改进以适应新制冷剂的特性，因此适应新制冷剂的滚动活塞式压缩机的研究和开发是重要技术方向之一［３
］。
图１所示为２０１６年空调滚动活塞式压缩机的
modbus网关模块制冷剂使用情况
［４
］。可以看出，２
０１６年，空调市场上约一半的滚动活塞式压缩机使用Ｒ４１０Ａ，约７％使用Ｒ１３４ａ，其余使用Ｒ２２。目前我国滚动活塞式压缩机所使用的制冷剂仍然处于由ＨＣＦＣｓ向
ＨＦＣｓ转换过程中，但压缩机及系统企业已经提前做好制冷剂应用的技术储备，以迎接２０１９年１月１日《
蒙特利尔议定书》基加利修正案生效后持续活跃的新环保制冷剂市场［
５
］。业内目前比较看好的新制冷剂有Ｒ３２（二氟甲烷）、Ｒ
２９０（丙烷）和Ｒ７４４（二氧化碳）等，下面介绍滚动活塞式压缩机为了适应这几种制冷剂进行的技术变革
。
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图１ ２０１６年空调滚动活塞式压缩机制冷剂使用情况
［４］
１．１ Ｒ３２滚动活塞式压缩机
目前房间空调器１～３ ｈｐ（
马力）压缩机使用的新制冷剂是Ｒ３２。使用Ｒ３２作为工质后，滚动活塞式压缩机需要解决的２个主要问题是改善润滑性能和降低排气温度。
Ｒ３２虽属于ＨＦＣｓ类制冷剂，
但与目前同属于ＨＦＣｓ类的Ｒ４１０Ａ的润滑油存在较差的相溶性，将Ｒ３２直接注入到原本使用Ｒ４１０Ａ的滚动活塞式压缩机会存在压缩机回油困难的问题，严重影响压缩机的润滑性能。因此，针对Ｒ３２寻合适的润滑油就显得十分必要，从成本和水分管理的角度考虑，ＰＯＥ类润滑油非常适合Ｒ３２滚动活塞
式压缩机［
６
］。Ｒ３２制冷剂本身特性决定其具有较高的排气
温度，排气温度过高会影响润滑油的黏度，影响压
缩机的运行寿命［
７
］。滚动活塞式压缩机由于自身带有气液分离器且高背压的构造使其具有一定的抗湿压缩的能力，湿压缩可以有效地降低排气温度，只要确定一个合适的吸气干度就可以在保证压缩机运行稳定的同时降低排气温度。改变电子膨胀阀的开度即可实现系统制冷剂循环流量的改变，从而控制压缩机吸气中带有一定的液态制冷
剂，实现湿压缩降低排气温度［８
］。另外，经济器补
气系统和单机双级压缩系统有助于降低压缩机的排气温度，后续会介绍为适用这２种系统研制的新型滚动活塞式压缩机。１．２ Ｒ２９０滚动活塞式压缩机
Ｒ２９０制冷剂早期主要用于冷冻冷藏及工艺用
制冷系统，目前开始用于房间空调器。Ｒ２９０的易燃易爆性令使用其作为制冷工质的滚动活塞式压缩机在存储、运输、安装以及维修方面都面临安全问题，另外Ｒ２９０空调存在制热能效偏低的问题。
针对Ｒ２９０压缩机的安全性，少油量及小型化是解决的途径。国内外均制定了有关的标准限制
压缩机中Ｒ２９０的充注量，
将危险性降到最低［９－
１０］。由于Ｒ２９０与润滑油的相溶性极好，溶解在油池润滑油中的制冷剂将滞留在压缩机中，在系统运转时不会参与系统循环，导致系统的制冷剂循环量不足。因此，要减少滞留压缩机中的制冷剂量，首先要减少Ｒ２９０压缩机的润滑油量，
即通过低油量减少系统的制冷剂充注量［
１
１］。少油技术主要需要解决的是在低油位下的压缩机供油问题。
webservice安全
现有滚动活塞式压缩机和少油压缩机之间的油位要求的差异如图２所示。在少油压缩机中，电机转子冷却的鼓风结构设计有利于改善轴和上轴
第２期马国远等：滚动活塞式压缩机技术进展·５７
·
承的供油。随着压缩机旋转，改进后的鼓风结构可使主轴油泵出口的压力下降，这增加了轴油泵系统的入口和出口之间的压力差。使用少油技术不仅可以有效降低Ｒ２９０房间空调器的制冷剂充注量，也能够实现压缩机良好的性能与可靠性
。
图２ 滚动活塞式压缩机油位要求［１２］
余隙容积对于Ｒ２９０压缩机的影响较Ｒ２２压缩机要小得多，因此在同等条件下使用Ｒ２９０的滚动活塞式压缩机可以提高容积系数。相关研究表明，Ｒ２９０系统的制冷剂侧压降要比Ｒ２２系统低约一半。因此，可以通过优化换热器设计获得较高的传热系数，从而弥补能效偏低的问题［１３－１４］。１．３ Ｒ７４４滚动活塞式压缩机
作为自然工质，Ｒ７４４与其他类型的合成制冷剂在物理特性上存在较大区别。因此，对于Ｒ７４４滚动活塞式压缩机核心部件的设计与研发，需要考虑以下几个方面。
１）摩擦问题
Ｒ７４４制冷循环的工作压力非常高，这就导致压缩机内部运动部件的摩擦损失增大，从而影响压缩机的效率与寿命，另外摩擦产生的热量会导致排气温度过高的问题，因此需要对滚动活塞式压缩机内部摩擦副之间的间隙进行优化。
２）机械强度问题
由于Ｒ７４４跨临界循环在较高工作压力下运行，高压侧一般可达十几兆帕，因此需要增加滚动活塞式压缩机部件及壳体的强度，增加耐压性，减小高压下的变形［１５］。
３）密封问题
高压下Ｒ７４４对密封材料有很强的渗透性，因此滚动活塞式压缩机内部密封的结构形式需要特殊设计，密封材料的选择上也需要考虑压力剧烈变化情况下材料的稳定性。
４）润滑油问题
Ｒ７４４滚动活塞式压缩机在润滑油的选择上除了要考虑润滑性和溶解性，还需要考虑Ｒ７４４在超临界状态下对润滑油膜的破坏作用，超临界状态的Ｒ７４４可能会与润滑油发生化学反应及腐蚀。有关研究表明：ＰＡＧ类（聚乙二醇类）冷冻润滑油最为适合Ｒ７４４滚动活塞式压缩机［１６］。
目前使用Ｒ７４４作为工质的滚动活塞式压缩机中，双缸机型占绝大比例。提高滚动活塞式压缩机ＣＯＰ的主要方法有：采用膨胀机代替节流阀，降低节流损失，制冷能效可提升２０％～２５％；通过使用引射器技术可以提高中间级蒸发温度，降低中温压缩机组吸气压力，提高能效；采用螺旋式气体冷却器换热管路增大换热面积；采用单机双级压缩系统。
２ 拓宽容量范围与应用领域
滚动活塞式压缩机发展初期主要应用于房间空调器，并以输入功率为１～２ ｈｐ的机型为主，之后向上扩展到６ ｈｐ，进入单元式空调机领域。２０１６年ＨＬ集团展出了排量为８４．８ ｍＬ的滚动活塞式压缩机，采用Ｒ４１０Ａ和Ｒ３２等工质，最大能力达到１６ ｈｐ。ＤＺ公司通过优化电机与排气结构等方式研制出２０ ｈｐ的双转子滚动活塞式压缩机，与传统的大容量机型相比，新机型最大容量提高了１．７倍，在大多数工况范围内ＣＯＰ提高了６％左右［１７］。大容量滚动活塞式压缩机开始逐步向轻商空调领域渗透，与涡旋式压缩机展开竞争。
通过对磁场设计、绕线方式、材料使用等方面的优化，滚动活塞式压缩机容量向下拓展到０．２ ｈｐ，图３所示为微型转子式压缩机外形（旁边是打火机）。空调降温用途的微型转子式压缩机主要以滚动活塞式压缩机为主，微型滚动活塞式压缩机以１２～４８ Ｖ电源驱动，可以用电池、车载电源、民用电网、太阳能等供电。微型滚动活塞式压缩机工作安静，几乎没有振动，能耗很低，具有稳
定的输出、精确的控制及优越的适应性，能够满足各类移动便携的微型热管理系统的需求，如车载电冰箱、小型除湿机、特种消防服、单兵冷却、医药储存箱、微电子散热等［１８］。
图４所示为目前市场上主流的滚动活塞式压
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图３ 微型转子式压缩机
缩机的工作容量按照不同型式进行的划分。滚动活塞式压缩机主要用于空调、热泵、除湿机等，制冷量范围比较宽，Ｒ１３４ａ微型滚动活塞式压缩机制冷量较小，最低可低至２２０ Ｗ，Ｒ７４４冷冻冷藏用滚动活塞式压缩机制冷量可达２０ ９１６ Ｗ。目前滚动活塞式压缩机的型式众多，根据不同的应用领域按照容量要求获得适合的滚动活塞式压缩机产品已然不是大的问题。
滚动活塞式压缩机的应用目前以房间空调器为主，但是从市场成长性来看，在热泵采暖、冷冻
冷藏、轻商空调等应用领域的增长也较为迅猛
。
图４ 不同型式滚动活塞式压缩机工作容量
１
）热泵采暖图５所示为２０１６—２０１７年热泵采暖用滚动活塞式压缩机使用率。由于国家北方采暖“煤改电”政策的推动，户用热泵采暖在２０１６年开始快速增长，２０１７年空气源热泵销售规模继续扩大，达到２０１６年的２倍。在这一契机下，滚动活塞式压缩机借助自身的优势，通过推出专用机型，强势进入热泵供暖领域，市场份额持续扩大。
在国家大的政策背景下，滚动活塞式压缩机在热泵采暖领域的应用势必将进一步扩大，另外在热风机市场中，更多使用容量为３ ｈｐ以下的压缩机，这更符合传统的滚动活塞式压缩机容量的分布范围。
２
）冷冻冷藏在冷冻市场，滚动活塞式压缩机容量集中在１５
ｋＷ以下，多用于轻商冷柜、小型冷库。
依靠成图５ ２０１６—２０１７年热泵采暖用滚动活塞式
压缩机使用率［
１９］
本及性能优势，滚动活塞式压缩机在冷冻冷藏领域的应用越来越多。图６所示为２０１３—２０１７年商用制冷设备用滚动活塞式压缩机市场份额变化情况。
第２期马国远等：滚动活塞式压缩机技术进展·５９
· 目前，
在商用制冷领域，滚动活塞式压缩机的市场份额逐渐超过涡旋式压缩机和半封闭活塞式压缩机，未来将继续扩大
。
机读答题卡
图６ ２０１３—２０１７年商用制冷设备用滚动
活塞式压缩机市场份额变化［
１９］
３
）轻商空调随着人们对于空调产品舒适程度要求的提高，５ ｈｐ／６ ｈｐ小冷量多联机（多联式空调（热泵）机组）产品正在被更多家庭接受，从图７可以发现，滚动活塞式压缩机在轻商空调领域正逐渐抢占涡旋式压缩机市场，家用多联机的兴起为大冷量滚动活塞式压缩机带来了更多的市场空间。
除以上３个领域，通信、数据中心、轨道交通等相关应用领域将成为滚动活塞式压缩机行业未来发展的重要方向。另外，在家用热泵热水机、商用热泵热水器以及现在突飞猛进的热泵烘干机等领域具有较大的发展潜力。
图８
所示为目前市场主流滚动活塞式压缩机
图７ ２０１３—２０１７年轻商空调用滚动活塞式和
涡旋式压缩机市场份额变化［
１９］
在不同应用领域的性能表现。可以看出：在冷冻冷藏领域，滚动活塞式压缩机的ＣＯＰ在１．３７～１．６９，
具有较大的提升空间；在一些特别应用领域（如微型冷却），滚动活塞式压缩机的ＣＯＰ集中在２．００～３．００
。滚动活塞式压缩机的容量大多在１０ ｋＷ以下，可以在符合容量要求的前提下对滚动活塞式压缩机进一步优化，提升性能水平。如在热泵制热水的应用场合，经过不断的技术创新已经形成了一系列的在不同容量范围内均具有高能效水平的专用型号，其容量范围在８～１０ ｋＷ，ＣＯＰ在５．５０～６．５０；
在滚动活塞式压缩机作为房间空调器或热泵应用的场合，虽然压缩机容量变化范围较大，但是ＣＯＰ基本浮动在４．００上下，变化趋势并不明显
。
电线固定座
图８ 滚动活塞式压缩机容量与ＣＯＰ分布
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