我国目前已是世界上最大的制冷设备生产国和消费市场，与此相对应，压缩机等关键部件的技术水平和产品质量也不断得到提高，很多产品的性能达到了国际先进水平。其中，螺杆制冷压缩机是一种重要的制冷设备，具有容量调节方便、工况适应性强、性能可靠等优点，在大中型制冷空调和冷冻冷藏设备中得到了广泛地应用。

为了应对全球气候变化，我国提出了“年前实现碳达峰、年前实现碳中和”这一重大战略目标。制冷行业与国民经济各部门和社会生活各方面紧密相连，在碳中和背景下，将迎来重要的发展机遇，也将面临一系列新的挑战。螺杆制冷压缩机作为制冷系统的核心部件，降低其碳排放量对实现制冷系统降碳、助力我国“双碳”战略目标具有重要意义。

螺杆制冷压缩机的全生命周期排碳环节主要包括原材料获取、加工制造、产品运输、运行维护和报废回收5个方面。然而螺杆制冷机的服务年限通常超过20年，控制产品在长期运行过程中的碳排放才是重中之重。根据数据统计，运维环节碳排放量在全生命周期中的占比达到了85%以上，因此，螺杆制冷压缩机的节能减排的重点仍需放在产品能效的提高上。本文以螺杆制冷压缩机为研究重点，基于对行业痛点问题的深入研究，提出了一系列螺杆制冷机能效提升技术，并探讨了其低碳化应用场景，以期为“双碳”目标下螺杆制冷机的发展趋势指明方向。

1螺杆制冷压缩机能效提升技术

螺杆制冷压缩机作为蒸气压缩制冷系统中最大的耗能部件，是整条产业链中技术含量高、开发制造难度较大的产品，其品质直接影响到系统的能效，因此，螺杆压缩机的能效提升对于用能系统的绿色转型有重大意义。本文基于对行业现存问题的深入研究，进而提出了包括型线优化、变导程设计、自适应多孔封严涂层的使用、润滑油精细化管理、永磁变频技术、两级压缩级间补气技术和智慧运行技术7种新型能效提升技术，并对其作用原理与优化效果进行了探讨，为未来压缩机的优化设计提供新思路，助力“双碳”目标的如期实现。

1.1型线优化

螺杆制冷压缩机最核心的部件是相互啮合的转子，而转子型线是螺杆制冷机的重要构成要素，直接影响了接触线、泄漏三角形、封闭容积与齿间面积等几何特性，也从根本上决定了螺杆制冷机的泄漏特性、热力性能、动力性能和可靠性，因此转子型线的开发是其设计中的核心技术。国内外著名螺杆压缩机生产厂家都是由高效转子型线的开发而成功占领市场。

经过多年的研究，转子型线的设计计算方法

已得到了总结，但近些年转子型线的设计方法仍在不断改进。新方法之一是采用贝塞尔曲线、NURBS等替代常规曲线作为组成齿曲线，以切矢量构建曲率渐变曲线，通过改变节点权重、增加控制点以及移动控制点来灵活的对型线进行优化，实际型线的优化案例如图1所示；另一新方法是采用基于逆向工程的啮合线法构建型线，通过构造啮合线，直接控制几何特性，基本原理见图2。

图1包络法型线优化

图2啮合线法型线优化

此外，可针对具体制冷剂种类、压缩机容量和运行工况，开发出专门的高效转子理论型线，并考虑转子运行过程中的受力变形、受热膨胀和加工及装配过程中的误差，合理配置实际型线的间隙分布。

1.2变导程设计

应用于螺杆真空泵的变导程螺杆转子由于其优秀的使用性能而得到了长足地发展，国内外很多学者也针对变导程螺杆真空泵做了各方面详实的研究。这对于双螺杆制冷压缩机导程设计而言有较大的借鉴意义，变导程设计一般将导程较长的部分放在吸气侧，其最大的优势是可以直接增大排气孔口，降低排气流动阻力。此外，在压缩过程方面，恒定导程的压缩速度始终是匀速的；而对于变导程而言，导程较长的部分压缩较快，导程较短的部分则压缩较缓，这意味着更低的压缩多方指数与更高的效率。

目前主要有3种导程设计形式，结构示意如图3所示。其中，恒导程为最常见的形式，由于其便捷的设计方法、成熟的加工工艺而被目前市面上基本所有双螺杆制冷压缩机使用；多段导程设计为简单的物理拼接，在不同的压缩段采用了不同的恒定导程，目前已有成品样机。然而多段导程压缩过程中的压缩速度突变将不可避免地导致一定的噪声、振动甚至性能的问题；渐变导程的螺杆转子尚在开发之中，相比于多段导程设计，该形式压缩过程平稳、吸排气顺畅，制约其发展的主要原因在于加工难度较高，加工工艺不成熟以及加工时间较长、资金成本过高。

图3导程设计形式示意图

1.3自适应多孔封严涂层

对于稳定工作的螺杆制冷压缩机而言，其吸气端温度略低于装配温度而排气端温度则显著高于装配温度。在复杂温度、压力场的耦合作用下，螺杆转子将发生膨胀、收缩、扭转变形等各种复合应变，这种不规则的应变特性造成了转子间隙的不均匀变化，可能导致转子摩擦甚至卡死。增大设计间隙是确保压缩机安全运行的有效手段，但会增大压缩机泄漏量并降低能效。采用自适应多孔封严涂层可有效减小间隙，是提高航空发动机性能的重要手段，已初步在螺杆制冷压缩机中得到应用。

自适应多孔封严涂层一般由基相、润滑相和大量微小孔洞组成。基相主要保证涂层自己强度以及与基体的结合强度；润滑相主要作用则为降低硬度，提高涂层塑性；微小孔洞由制备过程中加入的造孔相形成。喷涂有该涂层的转子在工作时，涂层上的部分微小孔洞将被压缩，实现转子间隙的自适应调节，进而保证了最小的安全运行间隙，对于提升螺杆制冷机的能效而言具有重要潜力，其效果如图4所示。

图4自适应多孔封严涂层转子

1.4润滑油精细化管理

润滑油对于螺杆制冷压缩机性能的优劣起到至关重要的影响，其作用大致有如下几个方面：提高压缩腔的密封性，减少泄漏；实现转子啮合区域的润滑，减少摩擦功耗；冷却工质，提高绝热效率；降低运行噪声。转子腔喷油孔开设位置和喷油量的选择对螺杆制冷机很重要。对于喷油孔开设位置，过于靠前时会导致被压缩工质提前加热，而过于靠后则会导致换热不充分，进而增大压缩机的实际压缩功耗。对于喷油量，过少时转子啮合区域无法实现充分润滑，可能导致摩擦磨损、振动噪声等问题；而喷油量过多时，会出现搅油损失过大等一系列问题。喷油量增大对螺杆制冷机绝热效率的影响如图5所示，在全工况下，随着润滑油油量的增大，实测绝热效率都会有一定程度的降低；这种降低幅度在低温工况下更加明显，随着油气体积比增大0.1%，绝热效率最大降低了2%。因此，根据特定形式的制冷机和制冷工质，以定制化选择匹配润滑油、合理规划设计喷油孔开设位置和喷油量的润滑油精细化管理成为了螺杆制冷压缩机能效提升重点。

图5喷油量对制冷机绝热效率的影响

KAUDERK等根据大量试验研究，对润滑油在压缩腔内部的实际作用机理进行了解释。他们认为，润滑油在压缩腔内实际是以薄膜的形式覆盖在压缩腔表面的，理想的油膜厚度将恰好实现对啮合间隙、齿顶间隙等的密封；而当油膜厚度过大时，会出现积油现象（图6），此处的积油将随着转子的旋转而被输送到排气端，从而增大压缩机的实际功耗。BENESG等通过双螺杆压缩机的光学测量，验证了上述理论的可靠性。根据理论，喷入压缩腔内部的油从吸气到排气过程由于密封间隙而均匀消耗，因此当排气结束时油体积接近于零时的油量即为最佳喷油量。

图6润滑油作用机理

1.5永磁变频技术

螺杆制冷压缩机容量调节的方法包括启停调节、滑阀调节以及变频调节等，但以滑阀调节为主的传统容量调节方式在实际使用中存在各种问题。首先，当压缩机处于部分负荷时，其能效衰减严重（图7），滑阀有效工作长度与螺杆制冷压缩机能效存在一定的正相关关系，当滑阀有效工作长度缩短（部分负荷运行）时，其能效将大幅下降；其次，在实际使用滑阀调节时，随着滑阀位置的轻微变化，螺杆制冷压缩机冷量跳跃的现象比较明显；此外，随着制冷机使用年限的增长，滑阀油活塞处由于磨损而导致密封性变差，可能会出现工况无法维持、自动加卸载等问题，影响其在工程中的正常使用。

图7滑阀有效工作长度与能效的关系

相比于传统调节方式，变频调节具有调节范围大、结构简单等优势，可以有效提高螺杆制冷压缩机在部分负载下的能效。CHENWQ等通过建立半封闭螺杆式制冷压缩机的集总参数模型，并结合螺杆式制冷机部分负荷工作过程，对滑阀和变频两种方式调节下压缩机的性能进行了模拟对比，结果表明，螺杆制冷机采用变频调节在功耗、排气量以及绕组定子温度特性上有更好的表现。永磁同步变频电机驱动的双螺杆制冷压缩机的结构示意如图8所示，永磁变频电机在宽转速范围下的高效稳定运转，有效提升了螺杆制冷机全工况范围的运行性能。目前，变频驱动已在中央空调用螺杆制冷压缩机中获得了广泛应用，也正在快速推广应用于各种热泵和冷冻冷藏装备中。特别是通过变频调节容量、通过滑阀调节内容积比的变频变容积比螺杆制冷机，实现了容量和内容积比的相互独立调节，能精准高效地实时匹配制冷系统的运行工况和负荷，特别适合于负荷与工况变化范围要求高的应用场合。

1.6补气技术

当螺杆制冷压缩机应用于高压比、大温差工况时，单级压缩由于过大的压差而往往存在严重的振动、噪声、泄漏、能效过低等性能问题，双级压缩也因此得到了广泛地认可与

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