一、引言：

    根據《蒙特利爾議定書》締約國第七次會議，發展中國家將于2010年停止使用CFCs工質，而HCFCs也將于2030年全面禁用。為此國內外的冷凍空調制冷壓縮機工作者進行了大量的CFCs以及HCFCs工質替代試驗研究，但迄今為止尚未找到一種純工質能在熱力性質、毒性、溶油性等方面與CFCs或HCFCs工質相媲美，其中一些較有前途的工質（如R407C，R410A）屬于非共沸混合工質，不但價格昂貴，而且必須嚴格防止泄漏；另外zui重要的一點就是工質熱力性質等綜合性能較CFCs以及HCFCs工質降低，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，并消耗無數的電力資源，而要將工質熱力性質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，冰箱制冷壓縮機工作性能下降5%-10%

據國外統計，*空調系統的全年能耗占整個建筑物總能耗的40%至60%，因此空調節能是空調行業永恒的課題；而每家每戶每天使用的電冰箱更是CFCs制冷壓縮機工質替代首先沖擊的目標。如何提高電冰箱、空調器等家用制冷壓縮機的能源效益是制冷界zui緊迫的課題之一。

*，電冰箱、空調器等家用制冷機由制冷壓縮機驅動制冷工質進行熱力循環，通過供冷部件向需冷空間輸送冷量。因此，要提高家用制冷壓縮機的能源效益不僅要改善制冷工質的熱力特性及適用性能，還可以通過改善制冷壓縮機性能來實現。因為制冷壓縮機的性能優劣是制冷機整機性能優劣的決定因素，而制冷壓縮機的性能試驗在產品開發和質量控制中起著關鍵性作用。

 二、目前使用的制冷壓縮機及其研究現狀

    近年來，為了滿足環保和市場的需要，國內電冰箱廠紛紛推出了CFCs制冷壓縮機工質替代的電冰箱（俗稱無氟冰箱或環保冰箱）；相應地，電冰箱壓制冷縮機廠也不斷開發出CFCs工質替代的制冷壓縮機。

    我們知道普遍使用的家用制冷壓縮機大多數使用旋轉式電動機驅動活塞作往復振蕩，必須有一套將電動機的旋轉運動轉變為活塞直線往復運動的轉換機構。通過對這類制冷壓縮機的動力學分析（以曲柄連桿機構為例）可見：作用在曲柄連桿機構上的力主要有三種——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生的慣性力、曲柄不平衡旋轉質量所產生的離心慣性力、連桿運動所產的慣性力；壓縮機的摩擦功率包括往復摩擦功率、旋轉摩擦功率。其中曲柄不平衡旋轉質量所產生的離心慣性力、連桿運動所產生的慣性力以及旋轉摩擦功率項都是因為使用旋轉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制冷壓縮機，輸入功率只有1/3得到有效利用（電效率約為30%），而在商用制冷壓縮機系統設備中，這個比例也僅有1/3至1/2。

    建國以來，制冷壓縮機工業在生產、國防和科技發展的推動下，從無到有、從小到大，獲得了迅速的發展。活塞式制冷壓縮機為制冷工業的建設做出了重大的貢獻。

    長期以來，我國的制冷技術一直落后于西方發達國家。50年代，活塞式制冷壓縮機行業從修理轉向仿制和組織批量生產。60年代，結合我國國情，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，除了全封閉式制冷壓縮機外，大多數是自行設計制造的系列產品，其品種、數量、質量以及技術水平都有顯著提高。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、生產了一些全封閉式制冷壓縮機。

    從世界范圍看，活塞式制冷壓縮機發展歷史悠久，具有豐富的設計、研究、制造和運行經驗，至今在各個領域中依然被廣泛應用、發展著。同時，制冷壓縮機的持續進步還反映在其種類的多樣化：離心式、螺桿式、滾動轉子式、渦旋式等都在被卓有成效地開發。但是，在中小冷量范圍內，仍以活塞式制冷壓縮機為主（據統計，在100瓦-7.5千瓦的小型封閉式制冷壓縮機中，活塞式占75%）；而且，隨著制冷壓縮機本身可靠性和耐久性不斷提高和制冷壓縮機緊湊輕量化的追求，高速活塞式制冷壓縮機的發展是很自然的。使用直線電動機驅動的新一代制冷壓縮機不存在旋轉運動以及將電動機的旋轉運動轉變為活塞直線往復運動的轉換機構，結構緊湊，體積小、效率高、壽命長、可以輕松實現高速驅動。

三、新型節能制冷壓縮機

    家用制冷壓縮機的節能措施有多種：變頻制冷壓縮機、雙轉子制冷壓縮機、模糊邏輯控制、微孔發泡、節能差壓閥等。其中采用變頻控制實現節能的方案正在得到廣泛應用。由于采用變頻制冷壓縮機，要解決低速運轉時的振動問題和潤滑油供給問題，高速運轉時的軸承負荷問題、摩擦和磨損問題，因此對制冷壓縮機的設計和制造提出了更高的要求，控制系統也比較復雜，增加了成本。而直線電機驅動的活塞式制冷壓縮機具有優良的控制性能，采用簡單的控制環路可以通過調節掃氣容積來直接實現能量調節，從而達到節能的目的。

    目前發達國家均采用微型低溫制冷壓縮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（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。低溫制冷壓縮機由低溫制冷器和壓力波發生器組成。其中壓力波發生器是一種無閥型活塞-電機-體化設計的特種直線制冷壓縮機，其電功轉換效率可高達90%以上。美國宇航局及歐洲*從八十年代末至今發射的十余顆衛星均采用了這種制冷壓縮機驅動的斯特林制冷壓縮機，它是提高衛星有效載荷和延長衛星使用壽命的有效手段。目前，國外正在進行將這一高技術成果推向民用的研究。美國正在開發用于家用制冷機的直線馬達制冷壓縮機。這一項目由美國環保署（U.S.Environmental Protection Agency ，簡稱EPA）發起并啟動研發，美國環保署、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生直線運動，它有突出的優點：

    結構簡單：在需要直線運動的地方，采用直線電機可以實現直接傳動，不需要一套將旋轉運動轉變為活塞直線往復運動的中間轉換機構，因而使機器設備總體結構大大簡化，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，這是其它傳統驅動裝置無法競爭的優點。

    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，這是其它傳統驅動裝置無法競爭的優點。

    容易密封，適用性強：由于電機本身結構簡單，又可做到無接觸運行，因此容易密封，經過適當浸漬、涂封，它可在各種特殊環境中使用（包括液態物質中）。

    穩定可靠，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*的優勢。

    直線電機早在1845年就有人提出，但直到zui近二、三十年才得到開發和應用。直線電動機的設計和研制要緊密結合它所在系統的技術要求，進行機電控制系統一體化設計。直線電機的發展和應用表明它只有向著其他驅動裝置所不能滿足的或使用旋轉電機受到限制的領域發展，才能找到直線電機*的應用領域和的應用機型。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、、高可靠性的直線往復振蕩電動機來驅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，能量損耗大、效率低、發熱利害，而且漏磁大、功率因數低。而采用直線同步振蕩電機驅動的微型、、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直線直接傳動、無接觸運行帶來的結構簡單、隨動性好、適應性強、穩定可靠、控制性好等特點，又發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濟技術指標的優勢。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式電機大，使得功率因數及效率降低。

四、結論

    使用直線電動機驅動的新一代制冷壓縮機不存在旋轉運動以及將電動機的旋轉運動轉變為活塞直線往復運動的轉換機構，結構緊湊，體積小、效率高、壽命長、可以輕松實現高速驅動。開展促進制冷機CFCs工質替代，并明顯提高家用制冷壓縮機（冰箱、空調器等用）能源效益的新一代直線馬達制冷壓縮機及其熱力系統動態特性的理論和實驗研究，將為促進環保和節能提供技術基礎，大大縮短我國在制冷壓縮工業領域與發達國家的差距。