本文介紹能夠促進制冷機CFCs工質(zhì)替代，并明顯提高家用制冷機(冰箱、空調(diào)器等)能源效益的新一代制冷壓縮機及其研究現(xiàn)狀。它采用直線振蕩電機驅(qū)動活塞式壓縮機，通過簡單的控制方案可以實現(xiàn)無級能量調(diào)節(jié)，電效率可高達85%。

一、引言
根據(jù)《蒙特利爾議定書》締約國第七次會議，發(fā)展中國家將于2010年停止使用CFCs工質(zhì)，而HCFCs也將于2030年全面禁用。為此國內(nèi)外的冷凍空調(diào)工作者進行了大量的CFCs以及HCFCs工質(zhì)替代試驗研究，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)，不但價格昂貴，而且必須嚴格防止泄漏；另外最重要的一點就是工質(zhì)熱 力性質(zhì)等綜合性能較CFCs以及HCFCs工質(zhì)降低，但這一點降低(哪怕1%)也將給廣泛使用的標準制冷機配置帶來諸多的問題，并消耗無數(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百分點也是異常困難和需要大量試驗工作的。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，冰箱制冷性能下降5%-10%。
據(jù)國外統(tǒng)計，中央空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗占整個建筑物總能耗的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。如何提高電冰箱、空調(diào)器等家用制冷機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)器等家用制冷機由制冷壓縮機驅(qū)動制冷工質(zhì)進行熱力循環(huán)，通過供冷部件向需冷空間輸送冷量。因此，要提高家用制冷機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，還可以通過改善壓縮機性能來實現(xiàn)。因為壓縮機的性能優(yōu)劣是制冷機整機性能優(yōu)劣的決定因素，而壓縮機的性能試驗在產(chǎn)品開發(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及其研究現(xiàn)狀
近年來，為了滿足環(huán)保和市場的需要，國內(nèi)電冰箱廠紛紛推出了CFCs工質(zhì)替代的電冰箱(俗稱無氟冰箱或環(huán)保冰箱)；相應地，電冰箱壓縮機廠也不斷開發(fā)出CFCs工質(zhì)替代的制冷壓縮機。
我們知道普遍使用的家用制冷機壓縮機大多數(shù)使用旋轉(zhuǎn)式電動機驅(qū)動活塞作往復振蕩，必須有一套將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊本€往復運動的轉(zhuǎn)換機構(gòu)。通過對這類壓縮機的動力學分析(以曲柄連桿機構(gòu)為例)可見：作用在曲柄連桿機構(gòu)上的力主要有三種——慣性力、氣體力(負載)、摩察力。慣性力又分為活塞往復運動所產(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、連桿運動所產(chǎn)的慣性力；壓縮機的摩擦功率包括往復摩擦功率、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、連桿運動所產(chǎn)生的慣性力以及旋轉(zhuǎn)摩擦功率項都是因為使用旋轉(zhuǎn)式電動機而直接帶來能量損失的項目，而往復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。總之，這種機器總體體積龐大、傳動效率低、噪聲大、磨損利害、壽命短，因此活塞式制冷壓縮機具有很大大的改善潛力。對于家用冰箱的全封閉式壓縮機，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，這個比例也僅有1/3至1/2。
建國以來，甸制冷工業(yè)在生產(chǎn)、國防和科技發(fā)展的推動下，從無到有、從小到大，獲得了迅速的發(fā)展?；钊街评鋲嚎s機為制冷工業(yè)的建設(shè)做出了重大的貢獻。
長期以來，我國的制冷技術(shù)一直落后于西方發(fā)達國家。50年代，活塞式壓縮機行業(yè)從修理轉(zhuǎn)向仿制和組織批量生產(chǎn)。60年代，結(jié)合我國國情，制定了我國中小型活塞式制冷壓縮機系列標準。到70年代末，除了全封閉式外，大多數(shù)是自行設(shè)計制造的系列產(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年代我國完成了全封閉式制冷壓縮機標準的制定，并研制、生產(chǎn)了一些全封閉式壓縮機。目前國內(nèi)生產(chǎn)電冰箱壓縮機的生產(chǎn)線情況是：連桿式引進了下列生產(chǎn)線(引進地)：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；滾動活塞式引進了下列生產(chǎn)線：日本三菱公司(上海)、松下公司(廣州)，美國惠而浦公司(珠海)、FEDDERS公司(南京)；滑管式引進了下列生產(chǎn)線：日本日立公司(西安)、丹麥丹福斯A/S公司(四川)、德國AEG公司(上海)?？梢姡覈评涔I(yè)落后于發(fā)達國家，并成為他們的銷售市場。
從世界范圍看，活塞式壓縮機發(fā)展歷史悠久，具有豐富的設(shè)計、研究、制造和運行經(jīng)驗，至今在各個領(lǐng)域中依然被廣泛應用、發(fā)展著。同時，制冷壓縮機的持續(xù)進步還反映在其種類的多樣化：離心式、螺桿式、滾動轉(zhuǎn)子式、渦旋式等都在被卓有成效地開發(fā)。但是，在中小冷量范圍內(nèi)，仍以活塞式壓縮機為主(據(jù)統(tǒng)計，在100瓦-7.5千瓦的小型封閉式壓縮機中，活塞式占75%)；而且，隨著壓縮機本身可靠性和耐久性不斷提高和壓縮機緊湊輕量化的追求，高速活塞式壓縮機的發(fā)展是很自然的。使用直線電動機驅(qū)動的新一代制冷壓縮機不存在旋轉(zhuǎn)運動以及將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊本€往復運動的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、效率高、壽命長、可以輕松實現(xiàn)高速驅(qū)動。

二、新型節(jié)能制冷壓縮機
家用制冷機的節(jié)能措施有多種：變頻壓縮機、雙轉(zhuǎn)子壓縮機、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現(xiàn)節(jié)能的方案正在得到廣泛應用。由于采用變頻壓縮機，要解決低速運轉(zhuǎn)時的振動問題和潤滑油供給問題，高速運轉(zhuǎn)時的軸承負荷問題、摩擦和磨損問題，因此對壓縮機的設(shè)計和制造提出了更高的要求，控制系統(tǒng)也比較復雜，增加了成本。而直線電機驅(qū)動的活塞式壓縮機具有優(yōu)良的控制性能，采用簡單的控制環(huán)路可以通過調(diào)節(jié)掃氣容積來直接實現(xiàn)能量調(diào)節(jié)，從而達到節(jié)能的目的。
目前發(fā)達國家均采用微型低溫制冷機作為紅外探測器件以及高溫超導器件的冷源（通常提供液氮至液氫溫區(qū)(約-200℃直至-150℃的制冷溫度)，因為它更容易做到微型化、更高的可靠性和不受放置方向的限制等。低溫制冷機由低溫制冷器和壓力波發(fā)生器組成。其中壓力波發(fā)生器是一種無閥型活塞-電機-體化設(shè)計的特種直線壓縮機，其電功轉(zhuǎn)換效率可高達90%以上。美國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驅(qū)動的斯特林制冷機，它是提高衛(wèi)星有效載荷和延長衛(wèi)星使用壽命的有效手段。目前，國外正在進行將這一高技術(shù)成果推向民用的研究。美國正在開發(fā)用于家用制冷機的直線馬達制冷壓縮機。這一項目由美國環(huán)保署(U.S.Environmental Protection Agency ，簡稱EPA)發(fā)起并啟動研發(fā)，美國環(huán)保署、美國宇航局、投資公司等相繼投入資金推動進一步的研究。
我們知道直線電機利用電能直接產(chǎn)生直線運動，它有突出的優(yōu)點：
結(jié)構(gòu)簡單：在需要直線運動的地方，采用直線電機可以實現(xiàn)直接傳動，不需要一套將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊本€往復運動的中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)，因而使機器設(shè)備總體結(jié)構(gòu)大大簡化，體積大大縮小。
反應速度快，隨動性好：直線電機容易做到無刷無接觸運行，動子在運動中毫無機械阻力，這是其它傳統(tǒng)驅(qū)動裝置無法競爭的優(yōu)點。
容易密封，隨動性好：直線電機容易做到無刷無接觸運行，動子在運動中毫無機械阻力，這是其它傳統(tǒng)驅(qū)動裝置無法競爭的優(yōu)點。
容易密封，適用性強：由于電機本身結(jié)構(gòu)簡單，又可做到無接觸運行，因此容易密封，經(jīng)過適當浸漬、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：直線電機是一種直接傳動的特種電機，可實現(xiàn)無接觸傳遞力，沒有什么機械損耗，故障少，幾乎不需要維修，不怕震動和沖擊，因此穩(wěn)定可靠，壽命長。
此外，它還有控制方便、額定值高、精密定位和自鎖等獨特的優(yōu)勢。
直線電機早在1845年就有人提出，但直到最近二、三十年才得到開發(fā)和應用。直線電動機的設(shè)計和研制要緊密結(jié)合它所在系統(tǒng)的技術(shù)要求，進行機電控制系統(tǒng)一體化設(shè)計。直線電機的發(fā)展和應用表明它只有向著其他驅(qū)動裝置所不能滿足的或使用旋轉(zhuǎn)電機受到限制的領(lǐng)域發(fā)展，才能找到直線電機獨特的應用領(lǐng)域和優(yōu)秀的應用機型。目前用于紅外探測器件和高溫超導器件的低溫制冷機使用一種微型、高效、高可靠性的直線往復振蕩電動機來驅(qū)動活塞式超凈氣體壓縮機。
直線振蕩電機有感應型直線振電機、推斥感應型直線振蕩電機、直線同步振蕩電機等。其中前兩款直線振蕩電機由于始終處于啟動和制動狀態(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驅(qū)動的微型、高效、高可靠性的超凈氣體壓縮機得到廣泛的使用，激磁方式采用永磁式。這樣既利用了直線電機可實現(xiàn)直線直接傳動、無接觸運行帶來的結(jié)構(gòu)簡單、隨動性好、適應性強、穩(wěn)定可靠、控制性好等特點，又發(fā)揮了永磁式電機由于沒有激磁繞組和對應的銅損而減少了電機體積和重量、提高了效率和成本等經(jīng)濟技術(shù)指標的優(yōu)勢。直線電機的主要缺點除了研究較少，掌握不夠外，主要是沒有很好的直線運動支承、動子和定子間氣隙比旋轉(zhuǎn)式電機大，使得功率因數(shù)及效率降低。

三、結(jié)論
使用直線電動機驅(qū)動的新一代制冷壓縮機不存在旋轉(zhuǎn)運動以及將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊本€往復運動的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、效率高、壽命長、可以輕松實現(xiàn)高速驅(qū)動。開展促進制冷機CFCs工質(zhì)替代，并明顯提高家用制冷機(冰箱、空調(diào)器等)能源效益的新一代直線馬達制冷壓縮機及其熱力系統(tǒng)動態(tài)特性的理論和實驗研究，將為促進環(huán)保和節(jié)能提供技術(shù)基礎(chǔ)，大大縮短我國在制冷工業(yè)領(lǐng)域與發(fā)達國家的差距。

來源：互聯(lián)網(wǎng)