无油涡旋压缩机的关键技术综述及其发展展望

陈 凯，刘益才，张建平，辛天龙，陈思明

（1.中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙 410083；2.湖南云箭集团公司，湖南 长沙 410083）

1 引言

20世纪70年代以来，由于能源危机的加剧和高精度数控铣床的出现，为涡旋机械的发展带来了机遇。美国的ADL公司首次提出了涡旋氮气压缩机的研究报告，并证明了涡旋压缩机所具有其他压缩机无法比拟的优点，从而为涡旋压缩机的大规模的工程开发和研制走上了迅速发展的道路。

涡旋式压缩机的工作原理如图1所示:用渐开曲线等创造的具有螺旋形的静涡盘和动涡盘相互啮合，可以形成几个压缩腔。让动涡盘作旋转运动，压缩腔向中心转移的同时，其容积减少，利用这种作用吸入压缩冷媒。因为这时存在几组压缩腔，所以按顺序连续往复循环完成吸气、压缩、排气等循环行程。

图1 涡旋压缩机工作原理图

无油涡旋压缩机作为涡旋压缩机的一个分支和最新研究热点，其工作原理和普通的涡旋压缩机基本相同[1,2]，唯一不同的就是在无油涡旋压缩机的动静涡盘压缩腔内没有润滑油来实现密封和润滑，在无油涡旋压缩机的涡旋齿端面开槽嵌入由自润滑材料制成的密封条来实现和代替有油润滑涡旋压缩机中的润滑油的相关功能[3]。

近年来，由于世界压缩机市场的迅速扩大，和在能源危机及环境保护的压力下，涡旋压缩机以其优于其他传统类型压缩机独特的优势，其发展必将突飞猛进。目前，大多数的涡旋压缩机都是采用有油润滑，但是随着工业技术的进步，越来越多的场合需要用到无油污染的纯净压缩气体，如质子交换膜燃料电池[4]中所需要的压缩空气就是不能有油的。传统的无油活塞式和螺杆式等压缩机的技术相对成熟，但无油涡旋压缩机在小排气量的情况下具有无可比拟的优势[5,6]。近年来，越来越多的科研人员进行了无油涡旋压缩机多个方面的研究，使得其技术也越来越进步和成熟。但针对无油涡旋压缩机的难点问题[7,8]，还有待突破，今后也需要努力进行技术上的创新，给无油涡旋压缩机的发展带来美好的前景。

2 无油涡旋压缩机的发展历史及现状

2.1 无油涡旋压缩机的发展历史

自从1973年美国ADL．公司首次提出了涡旋氮气压缩机的研究报告，并证明了涡旋压缩机所具有其他压缩机无法比拟的优点以来，使得涡旋压缩机的大规模的工程开发和研制走上了迅速发展的道路。1982年，日本三电公司拉开了汽车空调涡旋式压缩机批量生产的序幕，其后，日立公司、三菱电气、大金、松下，美国的考普兰和特灵也开始了涡旋压缩机的批量生产。

在中国，涡旋压缩机的起步是在最近十几年，先后有西安交通大学、兰州理工大学、合肥通用机械研究所、中南大学制冷及低温研究所等。无论是在国外还是国内，无油涡旋压缩机的研究及其发展都是伴随着涡旋压缩机一起走过的，在早期，涡旋式空气压缩机的研究就是主要针对无油涡旋压缩机，该类压缩机工作腔内气体的密封完全依靠动静涡盘的加工精度来控制，型线的加工精度要求极高[9]，加工不好则很容易形成缝隙，造成泄露，影响涡旋压缩机的性能。因此，随着型线加工技术不断发展，将会给无油涡旋压缩机技术的成熟提供动力。

2.2 无油涡旋压缩机的发展现状

目前，国外涡旋压缩机公司已经形成美国谷轮,日本大金、三菱、韩国三星等几大公司，并呈现出几个特点:一是各公司年产量及发展生产潜力都很大；二是各公司有各自技术特色的专利产品——谷轮可以说是涡旋压缩机的“王者”，其独创的数码涡旋压缩机不但被众多厂商用在家用空调高端机型，更被众多小型商用空调厂商所青睐，该公司最为出名的产品为TWO STEP涡旋式变容压缩机，该种压缩机是目前全球最佳的变容量技术方案，而日本大金压缩机以低噪和高效技术见长；三是小型化趋势更明显——无油涡旋压缩机在小排气量领域有着传统压缩机不可比拟的优势，各公司相继推出了更小型化无油涡旋压缩机产品；四是各公司都十分注重安全可靠性——在全球的制造商眼里，安全都是一个弥补高技能劳动力资源缺乏的方法，由于对总投资回报的意识越来越强，策略性安全计划成为了制造商的重中之重；五是各大公司都适应全球化经济时代的大发展而在世界各国设立分厂。

无油涡旋压缩机作为涡旋压缩机的一个研究分支，各大压缩机制造公司在无油涡旋压缩机的研究上都有大投入，借助于涡旋压缩机的研究技术成果，都在希望及其可能突破无油涡旋压缩机的相关关键技术。然而到目前为止，并不是各大压缩机公司都在无油涡旋压缩机这一领域取得了成功。日本是第一个掌握无油涡旋空气式压缩机技术的国家，2009年9月，江西惟思特科技发展有限公司投资1200万元，试产建成我国首条无油涡旋空气压缩机生产线。今年1月，经国家权威部门检测，产品各项指标全部合格，其中两项关键指标超过进口水平。这标志着我国已成为继日本后第二个全面掌握无油涡旋空气压缩机生产技术的国家。2010年2月23日，国内首个无油涡旋压缩机生产基地在江西省丰城市正式开建，项目建成后，将年产30万台无油涡旋空气压缩机，实现各项产值64亿元。

3 无油涡旋压缩机的结构及其关键技术

3.1 无油涡旋压缩机的结构

较于普通有油润滑的涡旋压缩机其压缩腔内没有润滑油，而在有油润滑的时候，润滑油可以实现压缩腔的密封，同时也能导出部分压缩腔的热量，提高压缩效率；无油涡旋压缩机则不同，其完全应该由动静涡盘的加工精度来控制压缩腔的泄露，同时在涡盘的端面开槽，放入由自润滑材料制成的密封条。

图2所示为无油涡旋空气压缩机的实物图，表示了涡旋压缩机部分。

图2 无油涡旋空气压缩机的实物图

无油涡旋压缩机主要由以下部分组成：

1）动静涡盘：作为无油涡旋压缩机的核心部件，在动静涡盘啮合而形成的压缩腔内，工作介质不停的被吸收和排除，从而循环完成压缩过程。

2）支架体：支撑动静涡盘的机构。

3）曲轴：连接电机和动涡盘的机构,电机通过带动曲轴的旋转来控制动涡盘的启动。

4）密封条：密封条是设置在动静涡盘端面所开的槽内，这对于无油涡旋压缩机来说至关重要，不仅能够实现压缩腔的密封而且能够增加耐磨性，延长动静涡盘的工作寿命。

5）电机：电机对于一体化无油涡旋压缩机来说是非常重要的，其提供了动静涡盘之间相对运动的直接动力。

3.2 无油涡旋压缩机的关键技术

涡旋式压缩机的出现带动了压缩机行业的变革，无油涡旋压缩机技术为需要纯净压缩气体的行业带来了生机，依托传统的涡旋压缩机技术，借助于无油活塞式和螺杆式压缩机的成熟技术[10,11,12]，无油涡旋压缩机的发展已经取得了突破性进展，然而对于其中的一些关键技术，还需要进一步的研究和升华。现从几方面对无油涡旋压缩机的关键技术进行探讨和总结。

（1）密封和润滑

针对无油涡旋压缩机，首要的问题就是密封和润滑[13]，有油润滑涡旋压缩机可以通过润滑油所形成的油膜来实现对压缩腔的密封和相关运动部件的润滑；无油润滑涡旋压缩机内则不允许有油出现，其主要是依靠涡盘的加工精度来控制泄露问题，同时在涡旋齿端面开槽，在槽内添加由填充的聚四氟乙烯制成的密封条来实现密封（如图4所示），在涡盘底部与支架体接触的地方加耐磨片来保证涡盘底平面的形位公差，降低密封条和涡盘底平面摩擦因数。

图4所示的是密封条的工作原理：当气体通过高低不平的间隙时受到节流的作用，压力由高降低，在高压一侧密封条与槽产生侧间隙，密封条底部由于弹簧作用产生背间隙，在背间隙处产生一背压作用，从而将密封条压紧。

但是这里将引入一些问题：1）密封槽开多深合适，开得浅，密封条将会有很大一部分伸出槽外，由此可能导致密封效果不佳；密封槽开设太深的话，加工困难，且浪费材料。2）密封条距离静涡盘端部多少合适，如果距离太远的话，当压缩气体时，背向的压力不足而将密封条顶向涡盘顶部，从而会造成密封不良的问题；但是如果太近的话，当压缩气体时，背向的气体压力会将密封条压缩过紧，从而造成摩擦力加大，消耗功率增大。所以，这里就有一个最佳距离的设计计算问题——既要保证密封的同时，又能够将摩擦损耗降到最小，在不同排气量的无油涡旋压缩机内实现一个最佳距离的计算模型，当然此问题的研究与解决还有待时日，如能取得突破性进展，无油涡旋压缩机的密封和润滑问题将会得到很好的解决。

图3 涡旋齿端面密封示意图

图4 密封条工作原理示意图

无油涡旋压缩机的润滑问题还要涉及以下几个方面：1）支架体端面的自润滑；2）防自转机构的自润滑；3）曲轴轴承的自润滑等。在这些需要润滑的地方加自润滑材料来完成润滑过程。

（2）冷 却

图5 无油涡旋压缩机冷却系统示意图

有油润滑涡旋压缩机可由润滑油带走压缩腔及部分运动部件所产生的热量，而无油润滑涡旋压缩机压缩腔内不允许有润滑油，只能通过涡盘壁的热传导和自润滑密封条的热传导来导出压缩腔内的热量，因此压缩腔的压缩过程近似为绝热压缩，而绝热压缩的耗功率是非常大的。我们希望能够导出压缩腔内的部分或者绝大多数的压缩热，让压缩过程近似为等温压缩，在此情况下的压缩耗功率最小，所以有必要对无油涡旋压缩机的外部进行冷却。需要冷却的部分主要有3个：静盘侧面，支架体腔内润滑油，电机外壳。图5所示的是无油涡旋压缩机冷却系统的示意图。在3个需要冷却水的地方加冷却水水道，通过冷却水的循环流动来带走无油涡旋压缩及所产生的部分热量，从而提高压缩效率，降低功耗。但吸收了热量的水温度会升高，必须由空气对循环冷却水进行冷却，冷却水的流量可以由3个需冷却的地方所散的热量与水的比热乘以循环水进出冷却系统的温差。当然，水对压缩机的材料有一定的影响，所以要求其材料需要有抗锈的功能，一般采用铝合金制成的。

（3）防自转[14,15]

涡旋压缩机在运行过程中，作用在动涡盘上的切向力产生了使动涡盘绕主轴偏心线的自转力矩，会破坏涡旋压缩机的正常工作，因此，在结构上必须严格限制其自转，从而保证动静涡盘的正确啮合，使涡旋压缩机工作可靠稳定。

十字联轴节、球形联轴节、柱销与孔联轴节等都是典型的防自转机构，但以上的防自转机构运行时候必须有润滑油对其进行润滑。而无油涡旋压缩机来说，这些是不可取的,针对于此，引入无需外来润滑油进行润滑的小曲拐防自转机构，因其使用自润滑轴承，图6所示的是小曲拐的安装示意图——将动盘与涡旋压缩机的支架体之间通过小曲拐来连接，从而可以很好的控制动涡盘的自转，这里将引入一个问题：小曲拐的运动特性的分析及其工作原理，受力分析等都应该要有一个相对完整的数学模型来阐述。

以上所探讨的只是无油涡旋压缩机相对于普通涡旋式压缩机来说的一些特征，且很多涡旋压缩机的关键技术仍然是研究热点[16,17]。像型线的设计就是涡旋压缩机的最基本问题，多年来研究者在型线的研究上也取得了可喜的成果。同时柔性结构的研究也是无油涡旋压缩机的一个热点和难点。

4 无油涡旋压缩机的发展展望

目前国内外的无油活塞式和螺杆式压缩机[18]技术相对较为成熟，而无油涡旋压缩机尚处于初级的阶段，有很多技术问题需要借鉴前两者的成熟经验。但是无油涡旋压缩机以其自身独特的优势在需要纯净压缩气体的行业占据了重要的位置，尤其是小用气量的情况下，所以其研究和开发受到各界的广泛重视，涡旋式空气压缩机具有广阔的市场前景和发展空间。为此，必须在依靠和借鉴其他形式无油压缩机的成熟技术[19,20]的基础上，开发具有自主知识产权的系列产品。在此，作者对无油涡旋压缩机的发展提出几个展望。

（1）型线的研究及开发

涡旋压缩机首当其冲的问题就是型线的研究，开发出具有更高容积效率的型线，进一步改进和开发高精度高可靠性涡盘加工方法，引入计算机技术来辅助研究型线的开发设计。

（2）提高无油涡旋压缩机的排气量

目前，无油涡旋压缩机主要在小排气量领域应用较为广泛，而相对于用气量大的场合，无油涡旋压缩机的应用基本上没有。开发大排气量的无油涡旋压缩机势在必行，但大排气量必须加大动静涡盘的尺寸，从而加大自转力矩。

（3）拓宽无油涡旋压缩机的应用场合

需要纯净气体的场合非常多，像燃料电池供气系统，目前很多需要无油纯净气体的场合所用的都是传统的无油压缩机技术，应发挥无油涡旋压缩机的自身优势，取代传统技术，成为这一领域的带头者。

（4）建立理论与实验相应发展的统一体系

在其他形式无油压缩机的成熟技术之上，借鉴和参照其实验与理论相结合的经验，为无油涡旋压缩机的发展提供准确的方向。

（5）密封问题[21]

因为涡旋压缩机最主要的还是通过加工精度来控制其泄露，啮合程度的好坏直接影响压缩机的效率，无油涡旋压缩机的密封技术也是一大难题，虽然现今的研究对抑制其泄露有一定的帮助，但是还是没有突破技术难点，以后的研究者应该在无油涡旋压缩机的密封方面多研究与实验。

图6 小曲拐安装剖面示意图

5 结束语

随着科学技术的迅猛发展和环境保护的要求越来越高，低碳、节能将会是本世纪的一个主题。压缩机行业也必将兴起一股降低能耗的风潮，而涡旋压缩机以其体积小、质量轻、噪声低、功耗小等优点迅速在压缩机行业崛起，涡旋压缩机技术的应用也将越来越广。无油涡旋压缩机技术作为一个涡旋压缩机的研究热点和难点[22-25]，其技术是个十分值得深究的研究项目，科研价值是非常大的。作者先介绍了无油涡旋压缩机的工作原理及其关键技术，同时也对其存在的问题做了相关论述，针对现有的无油涡旋压缩机使用技术中的不足进行了阐述，尽管随着科学技术的发展无油涡旋压缩机在大发展方向上早就有所突破，但还有相当多细节问题需要研究，特别是针对提高无油涡旋压缩机排气量和无油涡旋压缩机的密封问题，将依旧是当今及今后无油涡旋压缩机的重点突破难点。而从节能、环保的角度来说，现今的汽车发动机的替代燃料——燃料电池以其卓越的优点及接近零排放的优势将会长久盛行，而无油涡旋压缩机又是最新热点技术质子交换膜燃料电池系统所必不可少的一部分，燃料电池的发展必将引领无油涡旋压缩机的进步。从无油涡旋压缩机的市场需求和发展的现状来说，是个很有潜力价值的项目，如今随着人们生活水平的提高和工业的发展，越来越多的场合需要纯净压缩气体。针对无油涡旋压缩机的密封及发展问题作者作了探讨，了解和明了无油涡旋压缩机的发展方向，可以为从事无油涡旋压缩机技术研究的人员提供帮助。

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