汽车空调用涡旋压缩机的应用及市场调研

汽车空调用涡旋压缩机的应用及市场调
研
汽车空调用涡旋压缩机的应用及市场调研
2010年06月28日
汽车工业是我国的支柱产业，汽车空调作为汽车的六大总成之一，在
汽车生产与销售过程中起着举足轻重的地位。

如不顾及汽车空调的开发、研究，我国汽车工业将缺乏竞争能力。

汽车空调的普及，不仅仅是人们生活水平提高
及豪华的标志，也是提高汽车竞争能力的重要手段之一。

随着汽车工业的发展
和人民物质文明水平的提高，人们对汽车的舒适性、可靠性、安全性的要求越
来越高。

自本世纪80年代以来，涡旋压缩机以其机构紧凑、高效节能、微振低噪以及工作可靠性等特点，在小型制冷及空调领域获得越来越广泛的应用，也
因此成为压缩机技术发展的主要方向之一，其在汽车空调中的应用也越来越引
起人们的关注。

本报告主要综述车用涡旋压缩机技术的发展状况和研究动向、
原理结构、优势以及涡旋压缩机在我国汽车空调中的应用前景。

一、背景简述
1.简述
国际压缩机工程会议（普度大学会议）是压缩机专业的主要国际性学
术会议，其目的在于介绍压缩机领域的最新研究成果及新的设计；考察压缩机
发展及使用的现代工艺水平；为专家同行接触、交流提供机会。

从各届会议发
表论文情况统计可看到，近１０年来，对往复式压缩机和螺杆式压缩机虽然继
续进行研究，但研究的兴趣已转向涡旋式压缩机。

在中、小型空调机中，往复、涡旋、滚动活塞式三类压缩机并存，但
各有其不同的结构特点，下面从效率、噪音、振动等几方面对这三种压缩机进
行比较，见表 2 ：
表 2 涡旋式、滚动活塞式、往复式压缩机比较 ?
比较项目
涡旋式压缩机滚动活塞式压缩机往复式压缩机高压到低压泄露量
吸气阀阻力
排气阀阻力
顶端余隙容积
能效比少无无无 2.9 有泄露
无
有
较小
2.6 有泄露(最大)
有
有
有
2.6以下噪音振动零部件数量重量工作精度 90 60 40 85 最高105 400 60 75 高 100 100 100 100 一般从压缩机会议论文发表情况的统计和对三种压缩机的比较可看出，由于涡旋压缩机在容积效率、气阀流通阻力、振动噪声等方面与目前汽车空调系统中大量使用的斜盘式压缩机（往复式压缩机的一种）相比有较大的优势，随着汽车生产厂对空调系统噪声、能耗指标等要求的提高，涡漩式压缩机成为关注的焦点。

二、车用涡旋压缩机的历史及现状
制冷压缩机是空调装置的核心，用于汽车空调的压缩机多达30-40种，主要机型是压缩式容积型的压缩机。

其中以往复活塞立式压缩机装入汽车空调
为最早，而现在基本上被斜盘式压缩机替代。

斜盘式压缩机是汽车空调最主要
的机型，因为斜盘式压缩机的设计、结构及加工工艺、维修等都比较成熟，以
斜盘式作为汽车压缩机约占总压缩机量的80%。

从压缩机容积效率、零件数多少、尺寸紧凑、重量指标、节能效果、噪音以及耐久性等进行比较，人们选择
汽车空调器的压缩机重心由传统的往复活塞式转换为斜盘式
汽车空调回转式压缩机主要机型有旋叶式、滚动活塞式、螺杆式、三
角转子式、涡旋式压缩机等。

其中最引人注目的是涡旋式压缩机，由于其体积小、重量轻、噪音小、无气阀、零件少、寿命长等优点，尤其是它的容积效率
特别高，等值排量情况下节料性、节能性极高，一开始出现就引起人们高度的
关注。

相比条件下，它比往复活塞式容积效率高 20~30% ，绝热效率高 10% ，能耗下降 10% ，体积减少 40% ，重量下降 15% 。

由于汽车空调压缩机转速随车速变化而变化，从节能、车室内保持能
量恒定和热舒适性考虑，变排量压缩机应运而生，变排量压缩机是汽车空调压
缩机的发展方向，各种汽车空调压缩机将全部被变排量型压缩机替代。

回顾汽车空调压缩机的发展和预测压缩机的未来，可称之：往复活塞
式压缩机为第一代压缩机，第二代为斜板式、摇板式和径向辐射式，第三代为
回转式压缩机，诸如旋叶、滚动活塞式、螺杆式、三角转子式，第四代为涡旋
压缩机，第五代为变排量压缩机。

1981 年 Sanden 公司开始生产用于汽车空调的涡旋压缩机 TR-60
（ 60cc/Rev ），得到了用户的认可，然而， 60cc/Rev 的排量太小，没能充
分发挥涡旋压缩机的 12000rpm 的高速性能。

1984 年， TR-70 （ 69cc/Rev ）系列和 TR90 （ 88cc/Rev ）系列开始批量生产，如果考虑到容积效率，分别
和活塞式的压缩机的 130cc 和 165 相当。

1987 年，新型的 TRF 系列产生，TRF090 （ 86cc/Rev ）、 TRF105 （ 105cc/Rev ）分别和 TR-70 、 TR-90
体积相当，但通过优化涡旋参数，排量增加了 20% 。

1988 年，以定排量的TRF090 为基础，开发了 TRC090 、 TRC105 变排量涡旋压缩机。

此外，为了适应新的制冷剂 HFC134a 要求，还开发了新的 TRS90 、 TRS105 系列。

VISTEON AUTOMOTIVE SYSTEM1998 年六月在葡萄牙的 PALMELA 投资 1.5 亿美
元筹建汽车空调用涡旋压缩机厂，占地面积 18150 平方米，产品主要面向中小型汽车；涡旋压缩机在技术上也做了一些改进，运转更平稳、安静，可靠性、
耐久性都得到了提高，用于汽车空调的燃油消耗也有所降低。

国外生产车用涡
旋压缩机的厂家还有日本三菱重工（ MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES LTD ）、Hitachi 公司、松下公司、，此外，东芝公司推出了列车空调涡漩式压缩机。

我国的车用涡旋压缩机研究工作起步较晚，与国外有较大差距。

目前
汉江机床有限公司和西安交通大学压缩机工程研究中心联合研制并成功开发了
适用于环保型冷媒 R134a 车用制冷涡旋压缩机，已形成 HJSC 系列产品，主要用于中小型客车制冷空调系统。

一种新型的涡旋汽车空调压缩机（ WXTQ －
70 ）由西安交大和邯郸制氧机厂联合研制成功，并在夏利汽车装机试用取得较好效果，该产品比目前普遍采用的美国或日本斜盘式汽车空调压缩机效率提高11.2% ，比国产三角转子式压缩机效率提高 39.4% ，比日本产滑片式压缩机效率提高 48% 。

汽车空调已经历 60 年的发展历程，环境保护将决定未来车用涡旋压
缩机的发展方向：开发研究适于新型环保制冷剂的涡旋压缩机仍然是主流方向；
变排量涡旋压缩机研究也会是一个热点，通过改变传动比，使涡旋压
缩机工作在一个最高效率恒定转速下，从而降低油耗和排放，同时压缩机的尺
寸和重量也变得更小；
应未来越来越多的电车应用要求，全封闭式的电驱动涡旋压缩机也是
一个方向。

三、车用涡旋压缩机的结构、工作原理和特点
汽车空调用的涡旋式制冷压缩机的压缩原理，不同于早期的发明，它
进行了各种研究和改进。

驱动压缩机运转的功率一般来自发动机，压缩机常采用开启式结构，
用传动带实现功率的传递。

图 1 是汽车空调用压缩机机构示意图。

1 ．汽车涡旋压缩机的机构整体构造
涡旋压缩机结构主要分为动静式、双公转式两种。

目前动静式应用最
为普遍，它的工作部件主要由动涡旋与静涡旋组成，动、静涡旋的结构十分相似，都是由端板和由端板上伸出的渐开线型涡旋齿所组成，两者偏心配置且相
差 180 °，静涡旋静止不动，而动涡旋在专门的防转机构的约束下，由曲柄轴带动作偏心回转平动（即无自转，只有公转）。

动、静涡旋盘都采用合金材料，在涡旋端面上开设有涡旋状的槽，槽中置有密封条，用于密封轴向间隙。

动涡
盘进行硬质阳极氧化膜处理。

为确保铝合金材料制作的静涡盘的耐磨性，在静
涡盘的侧面板上嵌了耐磨板，以防止动涡盘的涡旋体端部对侧面板的磨耗。

静
涡盘的排气口处装有一止回阀，用来防止高压气体逆流和电磁离合器断开时轴
转动。

通过滚针轴承来传递曲柄销对动涡盘的驱动力，减小摩擦和磨损。

轴端
蜜蜂采用双唇形密封结构，提高密封效果。

汽车空调压缩机的壳体腔设计成低
压（吸气压力）结构，也是为了保证轴封的密封效果及使用寿命。

球形联轴器
用来承受动涡盘上承受的轴向气体压力，而且用于防止动涡盘的自转运动。

为
了发挥涡旋压缩机的超高速性能，设计电磁离合器时要尽量减小滑轮的直径。

驱动销可以在半径上变动，使得偏心轴瓦在中心位置摆动，从而使动涡盘实现
回转偏心摆动。

平衡块可以有效地抵消动涡盘的回转离心力。

图 1. 车用涡漩式压缩机结构示意图防自转机构及回旋机构球形联
轴器是防止动涡盘自转的有效的和可靠的方式之一，同时可以平衡轴向气体力
对动涡盘的作用。

回旋运动即是涡旋压缩机的工作原理，通过这种运动完成压
缩机吸气、压缩和排气过程。

回旋运动不是旋转运动，而是通过回旋机构产生的，如图 2 所示。

当电磁离合器接通时，曲轴 25 转动，曲柄销牵引偏心套
16 作回旋运动，传动轴承 17 也作回旋，传动轴承上动圈 14 因此做回旋运动。

密封技术和润滑为了获得稳定的高性能，使用了两种关键技术：一种是采用镶片密封技术，用优质的 PTFE 树脂等耐磨、耐温性能好的密封条，防
止压缩气体通过轴向间隙泄漏；另一种是改变涡旋体的壁厚，在压力差大的中
间区域使两个涡壁接触。

这样，即使是在发动机空转时的高压情况下，或是在
超低速区，也不会发生容积效率以及能效比很低等不良现象。

润滑有两种方式：一是汽油混合物润滑；另一种是压差供油。

工作原理
如图 3 所示，一对相同型线的涡旋叶片圈，它们相互错开 180 度组
合一对啮合，动圈 2 以回旋半径的圆作不旋转的回旋运动。

如（ A ）所示，
在吸气完了时，一对涡旋圈共形成两对月牙形容积。

最大的月牙容积 11 即将
开始压缩。

动圈涡旋中心绕定圈涡旋中心连续公转，原最大的月牙容积实现
A ?/FONT>
B ?/FONT>
C 的压缩，达到预定压力，由排气口 9 排出。

在月牙
11 压缩的同时，在动圈和定圈的外周又形成吸气容积 4 、 8 ，连续回转运动过程中，也实现了相同的压缩，如此周而复始完成吸气、压缩、排气过程。

特点
多个压缩腔同时工作，相邻压缩腔之间的气体压差小，气体泄露量少，容积效率高，可达90%~98%。

驱动动涡盘运动的偏心轴可以高速旋转，因此涡旋式压缩机体积小、
重量轻。

动涡盘与主轴等运动部件的受力变化小，整机振动小。

没有吸、排气阀，涡旋压缩机运转可靠，且特别适用于变转速运转和
变频调速技术。

由于吸排气过程几乎同时进行，整机噪声很低。

轴向和径向柔性机构提高了涡旋压缩机的生产效率，而且保证轴向间
隙和径向间隙的密封效果，不因摩擦和磨损而降低，即涡旋压缩机有可靠的和
有效的密封性。

压缩机提高了单位安装空间和单位质量的制冷量，机器易达到小型轻
量化。

四、涡旋压缩机在汽车空调中的应用及关键技术
涡旋压缩机的应用领域正越来越宽广。

目前在制冷和空调、泵送液体、增压气体等方面已获得工业化应用，此外，研究工作者还致力于研究其在膨胀机、发动机等方面的应用。

其在汽车空调中的应用特点和关键技术如下。

1．汽车空调的特点
汽车的室内工作条件比房间要恶劣的多，如汽车直接暴露在太阳下或
风雪中，隔热措施困难；汽车在行驶时有大量风沙、废气从各种缝隙钻入车厢，造成车厢内的空气污染并增加热负荷；汽车的行驶速度变化无常，难以保证稳
定的空调工况等。

概括起来，有以下特点：
要求制冷量大、降温迅速。

车厢内乘员密度大，散热量多，加之太阳
辐射以及发动机本身的热负荷，使得其单位热负荷很高；乘客在汽车中停留时
间较短，因而要求空调机在短短几分钟内就能降温，这一要求与房间空调不同。

不便于用电力作为动力源,必须要用汽车发动机或辅助发动机来带动压缩机，因而在动力源的处理上比房间空调机困难的多。

系统中冷媒流量变化幅度大,设计困难。

发动机的转速可从600RPM到4000RPM，转速变化可能高达7倍，这样对系统的流量控制、冷量控制、系统设计都带来困难。

冷凝温度高。

冷凝器的通风效果受发动机水箱辐射热、汽车行驶速度、路面尘土污染的影响，尤其是在怠速或爬坡时，冷凝温度和压力均异常升高。

制冷剂容易泄露。

由于汽车行驶受路况的影响，振动厉害，连接处容
易松动。

各种车型需专门的车内冷气设备，总成通用化困难。

车厢高度低，风量分配不易均匀，因而，车内温度分布不均匀。

涡旋压缩机应用于汽车空调有着极为可观的潜力，一定程度缓解了汽
车空调领域存在的问题，比如：
其容积效率较高，可降低发动机用于制冷的功率消耗，加快降温速度。

工作平稳，运转可靠，噪音低，适合变转速、高转速运转及变频调速
技术，提高车内的舒适度。

可实现连续容量调节，解决变转速时的冷量控制问题。

转矩变化小，对发动机的冲击影响较小
体积小，重量轻，降低了安装空间的要求。

2．关键技术
涡旋压缩机原理是1905年就提出的，到70年代未还未达到实用化，
其主要原因是缺乏精密的加工技术，以保证型线的良好的啮合和控制工质的泄漏，当然轴向的摩损也是一个技术难题。

因此，涡旋压缩机的关键技术：①提
高密封性能；②提高压缩比减少余隙；③优化结构简化生产工艺降低生产成本。

为解决上述问题各国的科技工作者从不同角度出发采用不同的措施研制出不同
的机构，对涡旋型线和结构进行了卓有成效的改进。

概括起来，近几年来主要
在以下几个方面进行了探索，不断地有许多提高。

1．型线的改进
Mitsubish Heavy Industrial Ltd（三菱重工）已开发出一种
Perfect Mesh profile型线的简称PMP型线，该型线中心部位采用了两个圆弧
进行修正PMP线能将残余气体排净，有效地避免了重复压缩，从而提高了压缩
机效率。

]
2.改进动力平衡性能
采用双作用涡旋盘。

此动盘两面均有完全对称的型线，它们分别与两
侧的静涡旋盘型线啮合。

这种结构的两侧气体力完全平衡，可以减小轴向磨损，并有利于尺寸利用，适用于较大排气量的压缩机。

采用双转子结构。

双转子结构涡旋压缩机也称为自转型压缩机。

其中
一个涡旋盘由电机直接驱动旋转，另一个涡旋盘由保持相对角度的十字联轴节
带动且沿相同的角度旋转。

双转动的结构涡旋压缩机在旋转过程中径向啮合的
密封线位置和方向不变。

因此通过调节加在被动涡旋盘的径向外力就很容易密
封其径向泄漏。

同时由于旋转质量的对称性其动力平衡性能也得到了改善。

3.改进结构，简化工艺，降低对制造精度的要求
1.柔性机构的采用．采用所谓的柔性机构能有效地减少泄漏和摩擦损失，增强压缩机承受固体杂质和液滴的能力，同时降低加工精度和装配精度的
要求。

一般地柔性机构分为两大类，一是轴向的柔性机构，另一个是径向的柔
性机构轴向密封机构或端面密封机构．由于加工和装配误差，往往造成涡盘顶部与另一涡盘底部之间的间隙，气体通过此间隙形成径向泄漏，为了减少此泄
漏量，通常在涡旋型线顶部开有一密封槽，其槽宽略大于密封元件，密封元件
嵌入其槽内且与槽底面保持一定的轴向间隙，借助气体压力使其紧贴于盘底面。

Kabushiki Kaisha Toyoda Jidoshokki Seisakusho (Kariya, JP)和Nippondenso Co., Ltd. (Kariya, JP) 研制一种带斜切面涡旋壁的压缩机，动涡盘绕轴转动时由于压缩气体作用，相对中心轴有一小角度倾斜，其外端面可
能划伤静涡盘的底面，为了避免划伤，在动涡盘涡旋体外侧面外沿和外端面之
间加工一斜切面，斜切面的角度略大于动涡盘运动时的倾斜角度。

2.喷液技术的采用．采用向工作腔喷液（通常为润滑油）的方法也不
适为另一种密封的方法，利用附着在工作腔周壁上的油膜层减少其工作介质泄
漏通道的实际间隙，从而达到减少介质泄漏量的目的。

背压自调平衡系统的采用．如前所述，在动盘上开有适当的小孔与处
在压缩过程中的气腔相通，气体通过该小孔作用在转子背面，形成一个合成的
气体力支撑其动盘，使其将动涡旋盘压在定涡旋盘上，从而形成轴向密封，这
种措施使摩擦损失小，当工况发生变化时可随时改变流体的压力，既能使轴向
力的平衡始终保持在最佳状态，又能自动补偿磨损。

3.改变涡旋体壁厚，提高压缩比。

一种变壁厚的涡旋压缩机便被研制，使用这种形状的涡旋压缩机仅用较少的圈数便可达到较高的压力比。

此型线的
应用，使压缩机的压力比提高，同时改进面积的利用系数。

4.强化冷却。

涡旋压缩机的压力比在一定程度上是受工作温度所制约，特别在无油压缩机中加强冷却是提高轴承与工作型线寿命的关键，日本岩田涂
装机工业株式会社在这方面研究取得了突破，他们在动、静盘上设计夹层且作
成开式，切断了工作腔热量直接传到轴承上，提高轴承工作寿命，加强风冷对
气体直接冷却。

5．改进材质。

为了进一步减少其动静盘的磨损，对动静盘的型线进
行过表面硬化处理，如阳级氧化处理，其硬度达HV－８００，实践表明该措施
具有较高的实用价值。

Hitachi , Ltd.,Tokyo和Hitachi Powdered Metals
Co., Ltd., Chiba联合研制的新型铝硅合金材料，硬度高，可塑性好。

主要成分：1-45%硅，0.1-20%三族元素，0.01%四族和五族元素，其余的的是铝元素。

具体0.01-5%的铜元素，0.01-5%的镁，小于2%的铁，小于1.5%锰，小于1.5%
的钴，通过真空条件容结，氧成分降至0.15%以下。

6.使用涡旋式机械加工专机。

该类专机是采用X，Y，Z，C轴四轴联动和闭环控制，以展成法为基础结合圆弧插补来完成涡旋盘的加工，该专机通过
一次装卡即可完成涡旋盘的正面加工。

采用专机加工涡旋盘，可以在２～３分
钟内完成零件加工，涡旋线的型线轮廓度保证在１０μm之内，大大地提高了
加工效率，加工精度，减少加工成本。

当然这也与动静盘的材质有关，目前动
静盘最多使用的是铸铁，对铸铁的要求是既要耐磨不变形又要容易铸造成型。

更重要的是材料容易加工。

目前美国、日本已开发了专门的配方。

7.变排量机构。

各车用涡旋压缩机厂家大都开展了这方面的研究工作。

1） Kabushiki Kaisha Toyoda Jidoshokki Seisakusho ,Aichi, Japan，无电磁离合器的变排量涡旋压缩机。

静涡盘底板开有一系列的泄放孔，同时装有一环行阀盘，盘上设一系列阀孔，阀盘可以旋转，泄放孔和阀孔连通
或切断，则压缩腔和低压腔连通或切断。

阀盘的转动由一执行机构带动，执行
机构由汽缸、活塞、弹簧组成，活塞的上下滑动带动阀盘转动，汽缸被活塞分
为上下两个腔室，上腔室和排气腔相连，下腔室通过另一电磁控制阀和吸气腔
相通。

电磁控制阀包括阀壳和两位阀芯，两个压力口和一个压力控制口，阀芯的两个位置分别接通排气腔、低压腔及低压腔、下腔室。

电磁控制阀的电磁线
圈的通断电由发出的制冷信号或其它信号控制。

此外，在压缩机吸气口也设有
一控制吸气腔和外部通断的阀件。

2)Sanden 公司申请变排量压缩机专利，变排量机构主要由两部分阀件组成；阀件1包括一个汽缸和可以在汽缸内自由滑动的活塞，活塞的位置对应
排量的大小，汽缸室、中间压力腔和吸气腔有通道相连；阀件2 包括活塞和活
塞上的波纹管，排气腔、活塞腔有通道相连。

波纹管感受通道内的压力动作引
起活塞滑动开关第一个孔，从而开或关中间压力腔和吸气腔的通道，回气通过，改变压缩比，调整排量。

3)Matshushita Electric Industrial Co., Ltd. 申请的专利：静涡
盘端板一汽缸，内有一往复运动节流阀，其两面分别作用一弹簧力和控制压力Pm，净压力决定其滑动的位置，两组旁通孔，第一组和各容积腔连通，第二组
和一个容积腔连通；节流阀滑动可以改变第一组旁通孔相通的通道面积，从而
改变回气流量，改变排气流量；变排量控制机构和静涡盘端板作成一体。

克服
旁通孔不对称布置，躁声大，效率低以及变排量机构元件多，加工成本高，重
量大的缺点。

4） Sanden 公司为了简化变排量机构，设计了锥型孔-球阀机构，在
动涡盘盘底中心设有一旁通孔，通过球阀机构和通道，压缩容积腔和吸气腔连通，盘底设有一圆柱形凹槽，一锥型孔和圆柱孔通容积腔，一圆盘板压入槽内，板上也设有一锥型孔和圆柱孔，通向吸气腔；在板和槽之间的两锥型孔对应处
装有一可自由移动的球，球的运动由旋转时受到的离心力大小控制，打开或关
闭旁通阀。

8.应用于新型制冷系统的涡旋压缩机。

Spauschus Associates,Inc.
申请的专利：压缩和吸收制冷联合，制冷剂是二氧化碳，混合液体成分包括新
戊基乙二醇、乙醇醚、乙醇脂、吡咯烷酮、乙二脂、己二酸盐、碳酸盐等，二
氧化碳和混合液体在涡旋压缩机内压缩时，压力升高，二氧化碳被混合液体吸收，同时放出热量，经过节流阀后压力下降，二氧化碳析出，吸收热量制冷。

工作压力低于35bar，和CFC及HFC制冷系统的工作压力相当。

9. 防自转机构。

十字环联轴器、球型联轴器、圆柱销-环圈联轴器是
涡旋压缩机常用的三种防自转机构。

十字环联轴器由于键和动涡盘间的摩擦力大，机械效率低；圆柱销-环圈联轴器因承受动涡盘的轴向力，机械效率也低；球形联轴器由于定环和球之间存在间隙，噪音、振动较大，此外，如何简化机构，提高加工生产效率也是这方面的研究方向。

Sanden公司采用偏心运动轴承，结构只有一对一体的轨道和球轴承；吸排气腔之间取消O环密封圈，直接靠金
属面接触密封；取消传动轴平衡重，以针型轴承代替以往的球轴承支撑传动轴
等技术措施，简化了结构，减小了质量，噪音振动性能也得到了改善。

五．产品介绍和市场前景
1．产品介绍。