本文介紹能夠促進(jìn)制冷機(jī)CFCs工質(zhì)替代，并明顯提高家用制冷機(jī)(冰箱、空調(diào)器等)能源效益的新一代制冷壓縮機(jī)及其研究現(xiàn)狀。它采用直線振蕩電機(jī)驅(qū)動(dòng)活塞式壓縮機(jī)，通過(guò)簡(jiǎn)單的控制方案可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)能量調(diào)節(jié)，電效率可高達(dá)85%。

一、引言
根據(jù)《蒙特利爾議定書(shū)》締約國(guó)第七次會(huì)議，發(fā)展中國(guó)家將于2010年停止使用CFCs工質(zhì)，而HCFCs也將于2030年全面禁用。為此國(guó)內(nèi)外的冷凍空調(diào)工作者進(jìn)行了大量的CFCs以及HCFCs工質(zhì)替代試驗(yàn)研究，但迄今為止尚未找到一種純工質(zhì)能在熱力性質(zhì)、毒性、溶油性等方面與CFCs或HCFCs工質(zhì)相媲美，其中一些較有前途的工質(zhì)(如R407C，R410A)屬于非共沸混合工質(zhì)，不但價(jià)格昂貴，而且必須嚴(yán)格防止泄漏；另外最重要的一點(diǎn)就是工質(zhì)熱 力性質(zhì)等綜合性能較CFCs以及HCFCs工質(zhì)降低，但這一點(diǎn)降低(哪怕1%)也將給廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)制冷機(jī)配置帶來(lái)諸多的問(wèn)題，并消耗無(wú)數(shù)的電力資源，而要將工質(zhì)熱力性質(zhì)等綜合性能提高哪怕半個(gè)百分點(diǎn)也是異常困難和需要大量試驗(yàn)工作的。例如，日本從1996年全面禁止生產(chǎn)CFCs冰箱，一般采用HFC-134a及HCFC-22替代CFC-12，HCFC-141b替代CFC-11。而使用HFC-134a替代CFC-12時(shí)，冰箱制冷性能下降5%-10%。
據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì)，中央空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗占整個(gè)建筑物總能耗的40%至60%，因此空調(diào)節(jié)能是空調(diào)行業(yè)永恒的課題；而每家每戶每天使用的電冰箱更是CFCs工質(zhì)替代首先沖擊的目標(biāo)。如何提高電冰箱、空調(diào)器等家用制冷機(jī)的能源效益是制冷界最緊迫的課題之一。
眾所周知，電冰箱、空調(diào)器等家用制冷機(jī)由制冷壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)制冷工質(zhì)進(jìn)行熱力循環(huán)，通過(guò)供冷部件向需冷空間輸送冷量。因此，要提高家用制冷機(jī)的能源效益不僅要改善制冷工質(zhì)的熱力特性及適用性能，還可以通過(guò)改善壓縮機(jī)性能來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)閴嚎s機(jī)的性能優(yōu)劣是制冷機(jī)整機(jī)性能優(yōu)劣的決定因素，而壓縮機(jī)的性能試驗(yàn)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和質(zhì)量控制中起著關(guān)鍵性作用。 二、目前使用的制冷壓縮機(jī)及其研究現(xiàn)狀
近年來(lái)，為了滿足環(huán)保和市場(chǎng)的需要，國(guó)內(nèi)電冰箱廠紛紛推出了CFCs工質(zhì)替代的電冰箱(俗稱無(wú)氟冰箱或環(huán)保冰箱)；相應(yīng)地，電冰箱壓縮機(jī)廠也不斷開(kāi)發(fā)出CFCs工質(zhì)替代的制冷壓縮機(jī)。
我們知道普遍使用的家用制冷機(jī)壓縮機(jī)大多數(shù)使用旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)活塞作往復(fù)振蕩，必須有一套將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。通過(guò)對(duì)這類(lèi)壓縮機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析(以曲柄連桿機(jī)構(gòu)為例)可見(jiàn)：作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力主要有三種——慣性力、氣體力(負(fù)載)、摩察力。慣性力又分為活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力、曲柄不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量所產(chǎn)生的離心慣性力、連桿運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)的慣性力；壓縮機(jī)的摩擦功率包括往復(fù)摩擦功率、旋轉(zhuǎn)摩擦功率。其中曲柄不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量所產(chǎn)生的離心慣性力、連桿運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力以及旋轉(zhuǎn)摩擦功率項(xiàng)都是因?yàn)槭褂眯D(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)而直接帶來(lái)能量損失的項(xiàng)目，而往復(fù)摩擦功率的損失則很大程度上是由曲柄造成的活塞所受到的徑向力引起的?？傊@種機(jī)器總體體積龐大、傳動(dòng)效率低、噪聲大、磨損利害、壽命短，因此活塞式制冷壓縮機(jī)具有很大大的改善潛力。對(duì)于家用冰箱的全封閉式壓縮機(jī)，輸入功率只有1/3得到有效利用(電效率約為30%)，而在商用制冷設(shè)備中，這個(gè)比例也僅有1/3至1/2。
建國(guó)以來(lái)，甸制冷工業(yè)在生產(chǎn)、國(guó)防和科技發(fā)展的推動(dòng)下，從無(wú)到有、從小到大，獲得了迅速的發(fā)展?；钊街评鋲嚎s機(jī)為制冷工業(yè)的建設(shè)做出了重大的貢獻(xiàn)。
長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的制冷技術(shù)一直落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家。50年代，活塞式壓縮機(jī)行業(yè)從修理轉(zhuǎn)向仿制和組織批量生產(chǎn)。60年代，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，制定了我國(guó)中小型活塞式制冷壓縮機(jī)系列標(biāo)準(zhǔn)。到70年代末，除了全封閉式外，大多數(shù)是自行設(shè)計(jì)制造的系列產(chǎn)品，其品種、數(shù)量、質(zhì)量以及技術(shù)水平都有顯著提高。80年代我國(guó)完成了全封閉式制冷壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的制定，并研制、生產(chǎn)了一些全封閉式壓縮機(jī)。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)電冰箱壓縮機(jī)的生產(chǎn)線情況是：連桿式引進(jìn)了下列生產(chǎn)線(引進(jìn)地)：日本松下公司(廣州)，意大利伊瑞公司(北京)、扎努西公司(天津)、英坦斯特公司(常州)、阿斯培拉公司(嘉興)，美國(guó)懷特公司(杭州)、WCI公司(沙市)，西班牙CARSA公司(北京)，羅馬尼亞ARCTIC公司(常熟)，澳大利亞科貝公司(重慶)等；滾動(dòng)活塞式引進(jìn)了下列生產(chǎn)線：日本三菱公司(上海)、松下公司(廣州)，美國(guó)惠而浦公司(珠海)、FEDDERS公司(南京)；滑管式引進(jìn)了下列生產(chǎn)線：日本日立公司(西安)、丹麥丹福斯A/S公司(四川)、德國(guó)AEG公司(上海)。可見(jiàn)，我國(guó)制冷工業(yè)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，并成為他們的銷(xiāo)售市場(chǎng)。
從世界范圍看，活塞式壓縮機(jī)發(fā)展歷史悠久，具有豐富的設(shè)計(jì)、研究、制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，至今在各個(gè)領(lǐng)域中依然被廣泛應(yīng)用、發(fā)展著。同時(shí)，制冷壓縮機(jī)的持續(xù)進(jìn)步還反映在其種類(lèi)的多樣化：離心式、螺桿式、滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式、渦旋式等都在被卓有成效地開(kāi)發(fā)。但是，在中小冷量范圍內(nèi)，仍以活塞式壓縮機(jī)為主(據(jù)統(tǒng)計(jì)，在100瓦-7.5千瓦的小型封閉式壓縮機(jī)中，活塞式占75%)；而且，隨著壓縮機(jī)本身可靠性和耐久性不斷提高和壓縮機(jī)緊湊輕量化的追求，高速活塞式壓縮機(jī)的發(fā)展是很自然的。使用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的新一代制冷壓縮機(jī)不存在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、效率高、壽命長(zhǎng)、可以輕松實(shí)現(xiàn)高速驅(qū)動(dòng)。

二、新型節(jié)能制冷壓縮機(jī)
家用制冷機(jī)的節(jié)能措施有多種：變頻壓縮機(jī)、雙轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)、模糊邏輯控制、微孔發(fā)泡、節(jié)能差壓閥等。其中采用變頻控制實(shí)現(xiàn)節(jié)能的方案正在得到廣泛應(yīng)用。由于采用變頻壓縮機(jī)，要解決低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)問(wèn)題和潤(rùn)滑油供給問(wèn)題，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的軸承負(fù)荷問(wèn)題、摩擦和磨損問(wèn)題，因此對(duì)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提出了更高的要求，控制系統(tǒng)也比較復(fù)雜，增加了成本。而直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的活塞式壓縮機(jī)具有優(yōu)良的控制性能，采用簡(jiǎn)單的控制環(huán)路可以通過(guò)調(diào)節(jié)掃氣容積來(lái)直接實(shí)現(xiàn)能量調(diào)節(jié)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。
目前發(fā)達(dá)國(guó)家均采用微型低溫制冷機(jī)作為紅外探測(cè)器件以及高溫超導(dǎo)器件的冷源（通常提供液氮至液氫溫區(qū)(約-200℃直至-150℃的制冷溫度)，因?yàn)樗菀鬃龅轿⑿突?、更高的可靠性和不受放置方向的限制等。低溫制冷機(jī)由低溫制冷器和壓力波發(fā)生器組成。其中壓力波發(fā)生器是一種無(wú)閥型活塞-電機(jī)-體化設(shè)計(jì)的特種直線壓縮機(jī)，其電功轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)90%以上。美國(guó)宇航局及歐洲航天局從八十年代末至今發(fā)射的十余顆衛(wèi)星均采用了這種壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的斯特林制冷機(jī)，它是提高衛(wèi)星有效載荷和延長(zhǎng)衛(wèi)星使用壽命的有效手段。目前，國(guó)外正在進(jìn)行將這一高技術(shù)成果推向民用的研究。美國(guó)正在開(kāi)發(fā)用于家用制冷機(jī)的直線馬達(dá)制冷壓縮機(jī)。這一項(xiàng)目由美國(guó)環(huán)保署(U.S.Environmental Protection Agency ，簡(jiǎn)稱EPA)發(fā)起并啟動(dòng)研發(fā)，美國(guó)環(huán)保署、美國(guó)宇航局、投資公司等相繼投入資金推動(dòng)進(jìn)一步的研究。
我們知道直線電機(jī)利用電能直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，它有突出的優(yōu)點(diǎn)：
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：在需要直線運(yùn)動(dòng)的地方，采用直線電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)直接傳動(dòng)，不需要一套將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)的中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，因而使機(jī)器設(shè)備總體結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，體積大大縮小。
反應(yīng)速度快，隨動(dòng)性好：直線電機(jī)容易做到無(wú)刷無(wú)接觸運(yùn)行，動(dòng)子在運(yùn)動(dòng)中毫無(wú)機(jī)械阻力，這是其它傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置無(wú)法競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)點(diǎn)。
容易密封，隨動(dòng)性好：直線電機(jī)容易做到無(wú)刷無(wú)接觸運(yùn)行，動(dòng)子在運(yùn)動(dòng)中毫無(wú)機(jī)械阻力，這是其它傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置無(wú)法競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)點(diǎn)。
容易密封，適用性強(qiáng)：由于電機(jī)本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又可做到無(wú)接觸運(yùn)行，因此容易密封，經(jīng)過(guò)適當(dāng)浸漬、涂封，它可在各種特殊環(huán)境中使用(包括液態(tài)物質(zhì)中)。
穩(wěn)定可靠，壽命長(zhǎng)：直線電機(jī)是一種直接傳動(dòng)的特種電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸傳遞力，沒(méi)有什么機(jī)械損耗，故障少，幾乎不需要維修，不怕震動(dòng)和沖擊，因此穩(wěn)定可靠，壽命長(zhǎng)。
此外，它還有控制方便、額定值高、精密定位和自鎖等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
直線電機(jī)早在1845年就有人提出，但直到最近二、三十年才得到開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。直線電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和研制要緊密結(jié)合它所在系統(tǒng)的技術(shù)要求，進(jìn)行機(jī)電控制系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)。直線電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用表明它只有向著其他驅(qū)動(dòng)裝置所不能滿足的或使用旋轉(zhuǎn)電機(jī)受到限制的領(lǐng)域發(fā)展，才能找到直線電機(jī)獨(dú)特的應(yīng)用領(lǐng)域和優(yōu)秀的應(yīng)用機(jī)型。目前用于紅外探測(cè)器件和高溫超導(dǎo)器件的低溫制冷機(jī)使用一種微型、高效、高可靠性的直線往復(fù)振蕩電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)活塞式超凈氣體壓縮機(jī)。
直線振蕩電機(jī)有感應(yīng)型直線振電機(jī)、推斥感應(yīng)型直線振蕩電機(jī)、直線同步振蕩電機(jī)等。其中前兩款直線振蕩電機(jī)由于始終處于啟動(dòng)和制動(dòng)狀態(tài)，能量損耗大、效率低、發(fā)熱利害，而且漏磁大、功率因數(shù)低。而采用直線同步振蕩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的微型、高效、高可靠性的超凈氣體壓縮機(jī)得到廣泛的使用，激磁方式采用永磁式。這樣既利用了直線電機(jī)可實(shí)現(xiàn)直線直接傳動(dòng)、無(wú)接觸運(yùn)行帶來(lái)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、隨動(dòng)性好、適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠、控制性好等特點(diǎn)，又發(fā)揮了永磁式電機(jī)由于沒(méi)有激磁繞組和對(duì)應(yīng)的銅損而減少了電機(jī)體積和重量、提高了效率和成本等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)勢(shì)。直線電機(jī)的主要缺點(diǎn)除了研究較少，掌握不夠外，主要是沒(méi)有很好的直線運(yùn)動(dòng)支承、動(dòng)子和定子間氣隙比旋轉(zhuǎn)式電機(jī)大，使得功率因數(shù)及效率降低。

三、結(jié)論
使用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的新一代制冷壓縮機(jī)不存在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、效率高、壽命長(zhǎng)、可以輕松實(shí)現(xiàn)高速驅(qū)動(dòng)。開(kāi)展促進(jìn)制冷機(jī)CFCs工質(zhì)替代，并明顯提高家用制冷機(jī)(冰箱、空調(diào)器等)能源效益的新一代直線馬達(dá)制冷壓縮機(jī)及其熱力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的理論和實(shí)驗(yàn)研究，將為促進(jìn)環(huán)保和節(jié)能提供技術(shù)基礎(chǔ)，大大縮短我國(guó)在制冷工業(yè)領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。

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