基于滚动转子压缩机微型制冷系统的研究进展分析

1.1  空调服领域需求

受作业条件限制，作战士兵会长期处在飞行甲板、沙漠、潜艇轮机舱等高温环境，防疫人员会长期处于封闭的隔离服内等。此时，从业人员经常会面临人体难以承受的高温环境，从而受到热应激的威胁。人体热应激反应会使操作人员工作效率上限降低、身体运动机能下降与下丘脑功能损伤等，大幅增加了工作人员受伤与发生事故的几率。针对人体热应激问题，微型制冷系统以其体积小、轻量化、低能耗且降温效果明显等优势，被广泛应用于人体表面环境降温领域，以消除在高温环境下人体热应激反应所带来的负面影响。

1.2  便携式冷却设备需求

近年来，车载冰箱、移动冰箱等便携式冷却设备的关注热度有着明显提升。相较于传统的制冷设备，便携式制冷设备具有灵活便捷、体积小且无需安装等优点。目前中国的车载冰箱市场主要有两种产品：半导体式车载冰箱与压缩机式车载冰箱，而应用传统压缩机的车载冰箱受制于体积过大、携带不便等缺点难以得到大范围应用，所以便携式冷却设备对微型制冷系统存在迫切需求。

1.3  集成电子散热需求

现如今，电子元件的发展方向是小体积、大功率、高效率与高集成化，于是其对散热能力有了更严格的要求。已有研究表明：集成化半导体芯片的片内温度每升高10 ℃，芯片的可靠性就会降低50%，同时芯片的工作寿命也随着工作温度的升高而大幅缩减，因此，将集成化电子元件的工作温度稳定于合理范围内是电子设备提高工作稳定性与延长工作寿命的有效手段，所以小空间快速冷却领域将会受到越来越多的关注，集成化电子元器件的散热领域对微型制冷手段的需求也会日益迫切。

随着微通道换热器、微型压缩机等微型技术的进步，制冷系统迅速向轻量化与集成化方向发展，并且以其紧凑、轻便、高性能等优点得到广泛认可。目前微型制冷系统主要分为：蒸气压缩式制冷系统、吸收式制冷系统与半导体制冷系统3种。对于吸收式制冷系统，系统对其化学燃料与初始能量源的要求不高，多采用环境友好型的制冷工质，具有低噪声、绿色环保等优点。但由于热化学压缩机的部分零部件无法进行集成化处理，导致整体机构体积过大。目前吸收式制冷系统主要被应用于热工、化工、冶金等大量产生废热的工业领域。对于目前半导体制冷系统行业，由于没有压缩机与制冷剂等模块的空间要求，使半导体制冷系统获得了良好的操作性与适应性，由于不需要泵机，系统产生的噪声也相对较弱。但受限于半导体的冷端与热端的散热区域面积，无法正常散去的热量需要借助其他辅助手段进行散热，这也变相增加了系统集成化与微型化的实现难度。目前半导体制冷系统主要应用于电池包散热、液体冷却散热、热管散热等领域。对于蒸气压缩式制冷系统，其作为发展历史最久，应用最为成熟的一种制冷系统，相比之下具有结构简单、成本低、集成化高等优点，但蒸气压缩式制冷系统仍具有噪声、摩擦、振动等问题。另外，蒸气压缩式制冷系统中压缩机出口蒸气的过热度过高，也会进而导致换热器换热性能降低、冷凝压力过高，大幅提高系统功耗。据统计，目前，制冷行业中的95%的设备都应用了蒸气压缩式制冷系统，应用范围广泛且发展趋势良好。故本文将微型蒸气压缩式制冷系统作为主要研究对象。

2.1  蒸气压缩式制冷系统原理

目前常见的单级微型蒸气压缩式制冷系统如图1所示，其主要由4部分组成，分别是压缩机、冷凝器、节流元件与换热器。各个模块通过管道连接使系统闭合从而保证对外部不流失压力，制冷剂作为流动传热工质，达到对热能转运的目的。制冷系统的工作原理为：液态制冷工质在蒸发器内汽化为低温低压的蒸气，而后被压缩机吸入压缩至高温高压，经冷凝器冷凝为液体的状态后继续通过节流元件降压为低温低压状态进入蒸发器，从而继续参与下一个循环，达到不间断制冷的效果。

图1  单级蒸气压缩式制冷系统

2.2  微型蒸气压缩制冷系统发展现状

针对军工人员在密闭高温的环境下作业会产生热应激不良反应的问题，杨宇飞等成功研制了对人体微表面进行温度调节的微型便携蒸气压缩式制冷系统。该系统应用了Aspen 14-24-000X微型转子式直流压缩机，制冷工质为R134a，尺寸参数为190 mm×190 mm×100 mm，在45 ℃的环境温度制取20 ℃冷水的工作要求下可以达到260 W的制冷量，COP在充注量为60 g、占空比为45%时达到最佳，装置如图2所示。该系统弥补了其他传统制冷方式的不足，260 W的制冷量也可以完全满足单兵制冷的需求，不足之处在于最大COP为1.55，仍有提升空间。

图2  便携式微环境冷却系统

HE等应用了Aspen公司生产的微型压缩机，搭建了串联与并联的两种连接方式的热沉微型蒸气压缩制冷系统，对比了两种连接方式的制冷性能。试验结果表明：两个系统的最大制冷量为160 W，串联系统性能系数在1.81~3.22，存在冷却滞后的情况。而并联系统性能系数在1.51和2.92之间，存在制冷剂在并联系统中难以均匀分布的情况，试验直观地对比了制冷系统串并联之间的差异，但实际工作环境会对制冷系统产生不稳定影响，可能会对试验结果带来不稳定因素。

CHEN等为探究压缩机使用时放置倾角对微型制冷系统性能的影响，搭建试验台进行了相关性能测试，试验压缩机为Aspen CS-ASC-1424，试验结果表明，压缩机放置倾角的改变会对微型制冷系统产生影响，试验结果显示：压缩机工作在最大倾斜角60°时COPc与COPh呈周期性变化，同时当压缩机倾斜角度为15°时，存在最优的制冷剂充注量，对应的COPc和COPh分别达到最大值。试验探寻了各个角度下不同工作条件系统的工作性能，但结论并未涉及压缩机在变角度工作条件下的性能变化情况。

图3  压缩机性能试验台

POACHAIYAPOOM等设计了一台用于电子设备冷取的蒸气压缩式微型制冷系统，压缩机选择了Aspen 14-24-1101，系统制冷工质为R134a。试验结果表明：提高压缩机的转速可以降低加热器表面温度，但也会降低系统COP；试验系统获得最高COP为9.069，可以适用于电子设备的冷却工作，试验系统在功率低于200 W时出现凝露的问题，并未提出解决方案。

杨露露等设计并搭建了一套搭载微型制冷系统，应用于室外的空调服，探究了不同制冷剂占空比对系统性能的影响。试验系统中制冷工质为R134a。经试验探究找到制冷剂充注量的最佳值，该充注值下系统性能最佳。

3.1  微型滚动转子式压缩机

微型滚动转子式压缩机的工作原理是依靠气缸中的偏心圆筒转子滚动改变腔室的容积从而产生压力差将低压气体很好地压缩为高压气体。微型滚动转子式压缩机以其工作稳定、体积小、噪声低等优势在压缩机领域得到广泛认可与应用。近年来制冷行业正在向集成化高性能化发展，作为制冷系统的核心部分，压缩机正是未来研究的关键所在，所以本文对近年来的压缩机研究动态进行总结。

3.1.1  基本零部件设计与方法

岳向吉等基于流体力学的计算算法，对滚动转子式压缩机的模型进行动态网格技术绘制，模拟载荷在压缩机内的传递与变化。结果表明：导致压缩机与相连接的气液分离器内外压力差的原因，主要是排气弯管内工质在流动时动能与势能相互转化的同时产生损失。为减少能量传递过程中的损耗，对气液分离器内压进行了仿真模拟，如图4为气液分离器内的压力分布。目前试验结果停留在理论分析，还需结合具体工程实践加以完善。

图4  气液分离器内的压力分布图

以滚动转子式压缩机性能分析为方向，胡余生等对滚动转子式压缩机整机采用了基于CFD的PumpLinx瞬态模拟仿真，得到了压缩机的工作流量、排气温度、工作压力、COP以及阀门磨损情况等。经过对比研究发现试验结果与实际情况吻合良好，如图5所示为滚动转子式压缩机模型，该模拟仿真结果为了解滚动转子压缩机内部工作情况与未来零件结构优化设计提供了参考。

图5  滚动转子式压缩机零部件模型

为了提高滚动转子式压缩机的工作效率，降低其在制冷系统中的能量损耗，孙军等基于压缩机的工作理论与工质流动模型，确定通过降低气缸高度以获得尽可能小的余隙容积的设计方案来达到减少泵体的制冷剂泄漏的目的，从而提升压缩机效率。分析了该方案对压缩机泵体带来的其他影响后，通过试验验证得出结论：降低气缸高度在提升压缩机效率的同时也会对气缸叶片槽带来不良影响，甚至会导致压缩机泵体锁死。试验中压缩机在降低气缸高度后的寿命与工作效率情况未作讨论，如图6所示为气缸降低高度后的示意图。

图6  气缸降高减隙示意图

由于在制冷系统中制冷工质与系统外界的能量交换会对压缩机的工作性能产生影响，王珺等根据试验得到的滚动转子式压缩机在运行过程中的热力学分布构建了热力学仿真模型，对泵体在瞬时时刻的温度分布进行记录分析。通过可拆装式模拟机进行单一变量控制试验，验证了不同的泵体结构对压缩机的性能会带来影响的结论。最后得出结论：对泵体温度场的优化，即对泵体结构与尺寸的调节，可以大幅度提高转子压缩机的工作性能。

3.1.2  压缩机输出调节

虞中旸等对R32变频滚动转子式制冷系统进行模拟试验。通过改变压缩机运行频率等变量探究压缩机不同工况下的工作性能。试验结果证明，压缩机的容积效率与压缩机工作频率呈正比关系，而电效率、COP与频率呈反比关系。不同于试验中的工况，压缩机在实际工作时的工作频率会受到若干不良情况的干扰从而发生改变，使压缩机的性能更为复杂，该试验结论为微型变频压缩机实际应用中的变频控制提供参考与经验。

为探究压缩机在变频工作的条件下COP、制冷量等变化情况，沈冰洁等研究分析了变频滚动转子式制冷系统在不同工况下的系统性能并得到结论：系统的损失会在压缩机处于高频工作时超过平均值；压缩机的工作频率与吸气状态选取不当会导致蒸发器的性能变差。当效率最小时，蒸发器是制冷系统中相对薄弱的模块，试验发现压缩机在高频工作时，蒸发器与冷凝器的性能较差，损失较高，可以尝试改变制冷剂充注量等参数提高系统性能。

为探究R32变频滚动转子式压缩机制冷系统在改变压缩机频率与吸气状态等影响因素时，压缩机工作效率的变化规律，虞中旸等建立了压缩机电效率模型，并通过试验得出高低频率控制时压缩机的电效率与容积效率的变化情况，并找到压缩机在标准空调工况下的最佳工作过热度。

何俊等以基于从压缩机吸气过热至吸气带液为基础，探究在不同工况下滚动转子式压缩机制冷系统的性能。研究结果表明：适当降低压缩机工作频率可以达到显著的节能效果，系统排气温度也会随之降低。但同时也会产生压缩机过热、回油困难等一系列问题。

3.1.3  噪声处理技术

余华明对一款滚动转子式压缩机的噪声特性进行了分析，并对原有的消声器增设矩形导流孔。通过试验证明了导流槽对噪声有降幅的作用。如图7为导流槽结构图，有效噪声降幅为3 dB（A）。

图7  导流槽结构

针对滚动转子式压缩机噪声问题，李祥松等应用TRIZ分析，在计算结果中得到小孔式消音盖的解决方案，如图8为优化后的小孔消音盖，为微型滚动转子式压缩机消音技术的实践应用提供参考。

图8  优化后的小孔消音盖

通过收集频率的方法对特定噪声源进行识别（4 kHz~6 kHz）是十分困难的，因此KIM等通过对压缩机壳体上的振动信号与距离压缩机1 m处的噪声信号进行采集，利用二者的相干性识别压缩机噪声源，三分之一倍频带用于频率分析。试验目的为识别有存在可能性的噪声因素。试验结果表明，滚动转子压缩机的气缸腔和消声器产生了大量噪声，同时在应用了改良的消声器后噪声大幅降低，研究证明了该试验结论，试验方法可以同样应用于微型滚动转子式压缩机。

LEE（2011）等证明了一种蓄能器的设计方案可以应用于缓解微型制冷系统噪声领域，并以降低压力波动为设计目的，研究优化了一款可以降低滚动转子式压缩机噪声的蓄能器。压力脉冲也是引起蒸气压缩式微型制冷系统的噪声问题的因素。

针对滚动转子式压缩机排气噪声问题，赵旭敏等对不同的排气路径下压缩机排气噪声进行分析，应用STAR-CD仿真软件计算得到排气的压力脉动曲线，同时检测压缩机壳内的排气压力脉冲。结果表明：压缩机壳体内的一次排气脉动更加明显，所以对排气路径进行优化后可以有效改善压缩机噪声问题。

JANG（2019）等对转子压缩机的噪声进行研究。由于压缩机的噪声来源主要产生于制冷剂压力脉动与结构振动，利用FIS技术实现了转子压缩机的性能分析，同时计算了同一个压缩机在装配与不装配消音 器两种情况的噪声情况。通过流固耦合分析了压缩机噪声的产生，主要是由于排气阀打开时所产生的压力波。

3.1.4  疲劳优化技术

为分析导致压缩机舌簧阀疲劳失效的因素，刘春龙等搭建了多规格舌簧阀加速疲劳试验台，如图9所示为控制部分以及阀片装夹实物图，团队基于无限寿命理论制定了试验方案，最后用X射线对试验前后的舌簧阀进行残余应力测试，最后得出结论：阀片根部为工作主要弯折区，残余应力衰减程度最大。试验提出：可以通过喷丸、抛光等操作来增强根部位置的抗疲劳强度为解决方案，未考虑操作后为阀片带来的应力集中等一系列后续问题。

图9  控制部分以及阀片装夹实物图

针对高压级无油微型压缩机长寿命运行，DENG等提出了一种新型柔性阶梯活塞总成，该总成中，径向的大、小活塞单独承担载荷与气体密封，团队通过试验对其动态密封性能进行了综合性能评价。试验结果表明：密封的间隙、长度与轴速均会对密封效率进行影响，相同条件下密封间隙的影响程度最大，由于微型滚动转子式压缩机同样需要考虑转子与内腔壁密封间隙，转子轴速等因素对密封性能的影响。

秦振振等提出了对变频空调管路寿命估算的新方法，并求得危险节点的疲劳寿命。试验对压缩机制冷系统中的危险管路进行疲劳探伤与寿命分析，得到结论：在正常工况下系统启动时产生的疲劳损伤更高。

邓文娟等在已知阀片工作时周期性气体载荷的条件下对阀片的工作寿命进行评估。结果表明：阀片的疲劳强度和使用寿命不仅与阀片的厚度有关，同时也受阀片的特征升程影响。团队对阀片的尺寸参数进行优化，试验结果表明，优化结果不仅增大了阀片的流通面积，同时阀片应力也得到降低，进而延长了阀片的工作寿命，同时优化后验证了最大应力，保证不会发生断裂失效。

尽管在滚动转子式压缩机与微型制冷系统的研究领域内有一系列的突破，但仍有问题需要继续深入研究：1） 微型制冷系统缺乏一套独立工作部件选型以及适配理论的指导模型；2） 需要对系统内的各个部件连接排布进行优化，对能量合理引用增加系统工作效率；3） 提高滚动转子式压缩机的效率与制冷系统COP，以适配实际更加严峻的场合；4） 流体机械工作原理与机械结构在微型滚动转子式压缩机上的应用与拓展。

本文分析了微型制冷系统在实际生产中的应用与需求，介绍了蒸气压缩式制冷系统的原理、应用以及其他两种主流制冷系统的特点，总结了微小型滚动转子式压缩机在各个研究领域的发展现状。通过分析不难得出：1） 对于微型蒸气压缩式制冷系统，微型压缩机结构的优化，零部件的设计，能量输入输出调节等是近年来的主要研究方向；2） 对于微型滚动转子式压缩机的优化，在整体结构上以及零部件上进行优化所需要求较高，牵扯领域多且复杂，但对于压缩机技术的优化效果明显。