涡旋压缩机发展历程、工作原理和技术优势分析
思瀚产业研究院 英华特    2023-07-10

涡旋压缩机是继往复压缩机、转子压缩机、螺杆压缩机之后的又一种新型高效容积式压缩机，被公认为是技术先进的第三代压缩机。与同等容量的往复压缩机相比，主要零部件仅为往复式的 40%，体积减小 40%左右，噪声下降 5-8dB，效率提高 10%，重量减轻 15%，驱动力矩的波动幅度仅为往复式的 1/10。由于涡旋压缩机独特的结构形式和运动规律，使其具有优良的热力性能和力学性能。

①涡旋压缩机的发展历程

涡旋机械理论的提出，可以追溯到 19 世纪末与 20 世纪初。1905 年法国人Leon Creux 以可逆转的涡旋膨胀机为题申请了美国专利；1925 年 L Nordi 申请了涡旋液体泵的专利。在随后近 70 年里，涡旋机械都没有得到更深入的研究和发展，其原因主要是由于涡旋机械的关键部件——涡旋盘涡旋齿型线的加工精度无法得到保证，各种加工手段、工艺设备和检测设备都不能保证高精度涡旋型线的加工与检测。

直到 20 世纪 70 年代，由于能源危机以及温室效应的出现，使得对节省能源和环境保护的要求日益高涨，涡旋机械以其效率高、振动噪声小、结构简单和运转平稳等显著优点满足了人们对节能和环保的要求；同时高精度数控加工技术的发展，也为涡旋机械的发展带来了机遇。

1972年，美国Arthur D.Littl（e 简称A.D.L）公司首次采用双伸轴两级压缩的结构，成功开发出了排气压力为 1.7MPa 的氦气涡旋压缩机，展现出涡旋机械独特的优点。把它用在远洋海轮上，并在此基础上与瑞士合作开发了多种工质的涡旋压缩机样机，标志着涡旋压缩机实用化年代的到来，从而揭开了涡旋压缩机大规模产业化的序幕。

1973~1976 年间，美国和瑞士先后开发了空气、氮气及氟利昂等介质的涡旋压缩机，从此涡旋压缩机的系列化产品相继出现。1981 年，日本三菱重工推出了用于汽车空调的涡旋压缩机；1982 年，三电公司开始批量生产汽车空调涡旋10刘振全主编，《涡旋式流体机械与涡旋压缩机》，机械工业出版社，2009 年 4 月第一版压缩机；

1983 年，日立公司开发出 2~5hp（0.15~3.73kW）的全封闭涡旋压缩机用于单元式空调和柜式空调；松下电器于 1990 年开始大规模生产小型立式空调涡旋压缩机，又于1992 年成功地研究开发了分体式空调卧式涡旋压缩机；丰田公司大批量生产涡旋式汽车空调压缩机用以装备其公司生产的轿车；东芝公司把涡旋压缩机作为新干线高速火车的空调压缩机，成为新干线高技术组合的一部分。目前涡旋压缩机的研究制造主要集中在美国、日本、丹麦、韩国、中国等国。

②涡旋压缩机的结构

涡旋压缩机主要由动涡盘、静涡盘、支架、偏心轴、防自转机构及其他配件构成。典型的涡旋压缩机结构如下图：

涡旋压缩机的核心部件为动涡盘和静涡盘，其结构如下图：

③涡旋压缩机的工作原理

涡旋压缩机由一个固定的渐开线涡旋盘和一个呈偏心回旋平动的渐开线运动涡旋盘组成压缩腔，通过动涡盘的运动实现压缩器容积的变化而提高气体压力，属于容积式回转压缩机。

在吸气、压缩、排气的工作过程中，静涡旋盘固定在机架上，动涡旋盘由偏心轴驱动并由防自转机构制约，围绕静涡旋盘基圆中心，作很小半径的平面转动。气体通过空气滤芯吸入静涡旋盘的外围，随之偏心轴的旋转，气体在动静盘啮合所组成的若干个月牙形压缩腔内被逐步压缩，然后由静涡旋盘中心部件的轴向孔连续排出。

④涡旋压缩机的技术优势

1）零件数少、无气阀等易易损件，因而结构简单紧凑、体积小、重量轻、可靠性高。

2）无吸排气阀，因而气体流动损失小、吸排气损失小、无气阀的敲击噪声和由此引起的振动。

3）吸气过程是主动的包容运动且持续时间长，无吸气余隙，容积效率高。

4）工作腔容积变化过程持续时间长，因而压缩平稳、排气接近连续，气流脉动小。

5）主轴回转半径小，且可对旋转零件进行平衡，因而旋转惯性力小、运动平衡性能好、整件振动小、运转平稳。

6）动、静两涡旋盘之间相对滑动速度小，因而摩擦磨损小、主轴可选用较12刘振全主编，《涡旋式流体机械与涡旋压缩机》，机械工业出版社，2009 年 4 月第一版高转速。

7）可实现径向和轴向随变，能够实现径向和轴向的磨损补偿、对系统杂质和液体具有较高的容许量。

8）定压缩比压缩，因而启动性能好，转速可在较大范围内调节且效率变化不大，变转速特性好。

9）多个压缩腔同时工作，因而转矩和驱动力矩的变化幅度小。

10）相邻压缩腔的压差小，因而工作腔间的密封性好，气体泄漏小。

⑤涡旋压缩机与转子式和活塞式压缩机的技术特点对比

各种容积式压缩机机技术路径的比较

注 1：○—优、△—良、×—差；

注 2：该图表所呈现数据，是基于一定的样本模型及当时技术水平下得出的数据，在此仅参考其三种技术路径的相对比较趋势，单项数据的具体值不具普通参考意义；

注 3：随着涡旋式压缩机应用的推广，在热泵和冷链用的机型里，往往也配置了排气阀。

涡旋式压缩机在能源效率上，相对于活塞式、转子式和螺杆式的压缩机，具有原理性上的优势。从运动学的角度看，涡旋式压缩机在整个工作过程中，扭矩变化和压力变化，均相对小而平稳，使得产品的振动和噪音数据，都表现优秀。由于涡旋式压缩机的结构简单，运动部件少，简单的结构带来了级数的可靠性利好，也带来了成本的优势。

与家用空调及制冷设备相比，商用制冷设备市场对于产品品牌美誉度、可靠性、更好的能效和更低的噪音是有支付能力的，对成本敏感度相对较低。从技术路径而言，涡旋式压缩机在能效、噪音和可靠性方面均具有原理性的优势。