本文介绍了单螺杆制冷压缩机的工作原理及技术优势，并介绍了北京工业大学在单螺杆制冷压缩机技术上的突破。北京工业大学研发了两种型号5 级精度机床，可实现42~500mm 的螺杆低成本高精度批量加工。提出了注塑加工及切削加工两种星轮加工工艺，完成了模具动模芯和定模芯的设计，并以单螺杆作为刀具实现星轮齿面的二次包络加工，在此基础上，研制了星轮专用加工机床。研发了螺杆直径只有42mm 的世界最小单螺杆制冷压缩机，最大COP 达到了2.4，开发了147mm 和200mm 的单螺杆水源热泵压缩机，制热COP达到4.2 以上，实现了螺杆直径117mm 的空气源热泵用单螺杆压缩机和螺杆直径90mm 的汽车热泵用单螺杆制冷压缩机制造，完成了117 复合滑阀补气型单螺杆空气源热泵压缩机的设计。
关键词：单螺杆热泵压缩机；螺杆星轮；加工技术；样机研发
0 引言
热泵(Heat Pump) 是一种以消耗少量电能或燃料能为代价将大量低温热能变为高温热能的一种装置，按照热泵的工作原理可分为蒸汽压缩式热泵、吸收式热泵和吸附式热泵等，其中蒸汽压缩式热泵是目前的主流技术[1]。热泵消耗1kW 的电能或燃料热能，可得到数kW 的高温热能，而电加热器和锅炉消耗1kW 的电能或燃料热能只能得到小于1kW的高温热能，而且热泵在夏季还可反向运行实现制冷，电加热器和锅炉都无法实现制冷。因此热泵作为一种建筑和工业节能技术已在全世界得到了广泛的关注和应用。
热泵可实现冬季供暖，夏季空调和全年提供生活热水，是一种高效节能环保的建筑供能装置。国家和地方均把热泵做为“十一五”、“十二五”的建筑节能技术进行示范和推广，并出台了相应的激励政策。到2014 年年底，全国已有3.6 亿㎡ 建筑使用了水源热泵供暖空调系统[2]，空气源热泵热水器的销售额已达73.9 亿元。目前雾霾频发，是节能减排事业首要解决的问题。传统采暖方式造成了巨大的环境污染和巨大的能源浪费。实现供暖技术的创新，是破解上述难题的路径。采用热泵取代燃煤锅炉进行供暖和提供生活热水，将成为推进冬季供暖模式革命性变革，解决雾霾问题的一项主要技术途径[3]。
制冷压缩机是蒸汽压缩热泵的心脏，被称为热泵的主机，是热泵的核心关键技术[4]。户用小型热泵用的滚动转子压缩机已在美的、格力、庆安制冷等公司实现了大批量生产，目前市场上销售的户用热泵的压缩机基本上都是国产的，而大中型热泵使用的涡旋压缩机、双螺杆压缩机、单螺杆压缩机和离心式压缩机基本上都依靠进口。我国的大中型热泵机组制造厂有数十至上百家，压缩机都是采用谷轮公司的涡旋压缩机、德国比泽尔的双螺杆压缩机等。
单螺杆制冷压缩机具有结构简单、运动部件少、受力平衡、寿命长、振动噪音低、压比高等一系列优点，被公认是制冷压缩机的高端技术[5-7]。北京工业大学传热强化与过程节能教育部重点实验室经过二十余年的研究，攻克了单螺杆制冷压缩机螺杆和星轮关键部件的加工技术，研制了两种规格的专用机床，实现了从1kW 到2000kW 制热量单螺杆制冷压缩机关键部件螺杆和星轮的大批量高精度低成本加工技术，并且成功研制了六种型号的单螺杆制冷压缩机。本文将系统介绍北京工业大学在单螺杆热泵压缩机的研发进展。
1 单螺杆热泵压缩机的原理及优势
1.1 技术原理
单螺杆热泵压缩机采用半封闭结构（如图1 所示），一个螺杆和两个对称配置的平面星轮组成啮合副（如图2 所示），螺杆和电机同轴连接，螺杆、星轮和电机共同封装在一个壳体内。螺杆的螺旋槽、壳体内壁和星轮齿侧和齿顶构成封闭容积。星轮的作用相当于活塞式压缩机的活塞，带螺旋槽的螺杆相当于活塞式压缩机的缸体。单螺杆压缩机的工作原理是电机通电驱动螺杆转动，然后由螺杆带动星轮旋转，气体由吸气腔进入螺旋槽内，随着星轮旋转，封闭容积逐渐减少，气体受到压缩，压缩终了的气体通过排气口和排气腔排出[7]。
图1 单螺杆热泵压缩机的基本构成图
图2 单螺杆热泵压缩机的关键部件
1.2 技术优势
单螺杆压缩机是容积式压缩机的顶级产品，具有容积效率高、噪音低、振动低，寿命长，可靠性高的优点，代表了压缩机的最高水平，是双螺杆压缩机升级换代的理想产品。单螺杆压缩机具有以下优点：
（1）结构简单，运动部件少。单螺杆压缩机与活塞式压缩机相比结构非常简单，只有三个运动部件，即转子、星轮和滑阀。与双螺杆相比，单螺杆压缩机使用的金属材料少，降低了成本。
（2）受力平衡，易于维修。单螺杆压缩机的主轴的运行处于完全平衡的状态（如图3 所示），既无轴向力又无径向力，因而大大提高了可靠性。相比之下，双螺杆压缩机螺杆存在巨大的轴向力和径向力，工作条件十分苛刻。
图3 单螺杆和双螺杆的比较
（3）容积效率高。单螺杆压缩机没有双螺杆压缩机的三角泄露区（如图3 所示），具有比其它机型更高的容积效率，最高可达到96%。而双螺杆压缩机存在三角泄漏区，其容积效率最高只能达到88%。
（4）摩擦副合理。螺杆星轮受力平衡，可以分别以金属和特殊非金属材料形成合理的摩擦副，使工作更加可靠，振动噪音进一步降低，同时也降低了对润滑性的要求，甚至可以以水带油作为润滑剂。
（5）使用寿命长。具有比其它机型更长的使用寿命，比双螺杆高出一倍以上，可达10 万小时，使用寿命20 年。
（6）运转平稳，噪音低。单螺杆压缩机运转时，几乎感觉不到振动。而活塞式压缩机在运转时会产生大幅度的低频振动，双螺杆式压缩机则会产生小幅度的高频振动。在同样的电机输出功率及同样负荷情况下, 噪音比双螺杆机型低10~15 分贝。
（7）可靠性高，维护费用低。由于其合理的主机结构，单螺杆技术比活塞式或双螺杆及涡旋式压缩机具有更高的可靠性。十年期内单螺杆压缩机的维护费用只是双螺杆压缩机的30%，十五年期内单螺杆是双螺杆的50%。
（8）部分负荷下的效率高。在75% 负荷下单螺杆比双螺杆节省5% 的能耗，在50% 负荷下单螺杆比双螺杆节省10% 的能耗，在25% 负荷下单螺杆比双螺杆节省20% 的能耗。
2 单螺杆热泵压缩机螺杆和星轮核心加工技术的突破
螺杆和星轮是单螺杆压缩机和膨胀机的关键部件。螺杆和星轮的三维啮合表面的设计和加工是单螺杆的技术难点，不可能用常规机床制造螺杆和星轮，不可能用常规的三维坐标仪测量螺杆和星轮的复杂三维曲面。由于该项产品的核心加工工艺具有巨大的难度，国际上只有可数的几家公司拥有生产该项产品的成熟技术，并对其核心技术严密封锁。
北京工业大学智瑞平博士通过对单螺杆与星轮片的空间啮合运动关系的深入分析，基于齿轮啮合原理，建立了CP 型、PP 型、CC 型和PC 型单螺杆转子螺槽和星轮齿面的型线数学模型。此数学模型可以促进单螺杆能量转换装置的三维模型设计，可以用来研究单螺杆转子和星轮的加工方法，有助于缩短设计和加工周期。
基于CP 型单螺杆转子与星轮片的相对运动关系，基于啮合原理，将啮合副的运动关系转化为车刀与单螺杆的啮合运动关系，提出了利用简单星轮单齿作为刀具实现单螺杆一次包络的加工方法，这种方法确保了螺槽的分度误差，保证了啮合副的精度。在此基础上成功研制了两种型号的螺杆加工专用机床，包括1 台5 级高精度I 型专用机床，该机床可加工的螺杆和星轮范围φ42~200mm，加工的单螺杆压缩机的排气量在0.1~6.8m3/min 之间，具备了年产3000 套单螺杆关键部件的生产能力；1 台5 级高精度II 型专用机床，该机床可加工的螺杆和星轮范围φ200~500mm，加工的单螺杆压缩机的排气量在6.8~60m3/min 之间，具备了年产2000 套单螺杆关键部件的生产能力。利用两种型号专用机床可实现42~500mm螺杆的低成本高精度批量加工，加工的各种直径螺杆见图4。北京工业大学可加工螺杆和星轮的直径范围在国际单螺杆企业中是最宽的，特别是可以加工Φ42~147mm 的螺杆和星轮，突破了国内外没有直径150 毫米以下单螺杆技术产品的局面。
图4 利用两种型号的专用机床加工的各种直径的螺杆
基于CP 型单螺杆与星轮齿面的相对运动关系，提出了星轮批量加工的两种工艺。一是注塑工艺，基于CP 型星轮齿面的数学模型模型和由点到线、再由线到面的原理，利用三维软件Pro/E 建立了二次包络齿面的星轮片三维模型，从而完成模具动模芯和定模芯的设计，利用注塑机即可完成星轮片的批量加工，如图5 所示。二是切削加工工艺，依据啮合原理，提出了利用单螺杆作为刀具实现星轮齿面的二次包络加工方法，保证了每一转角上都有一条接触线与螺杆齿面接触，确保了良好的气密性；消除了星轮齿的分度误差，保证了啮合副的精度。在此基础上，研制了星轮加工专用机床。
图5 CP型星轮星轮片注塑工艺
图6 PP 型螺杆三维模型及加工制造的pp型螺杆
基于PP 型型线数学模型，通过对原有CP 型专用机床的改进，在国际上上首次成功试制了左旋和右旋对称布置的PP 型单螺杆转子。
3 单螺杆热泵压缩机的研发
建立了CP 型、PP 型、CC 型和PC 型单螺杆螺槽容积的数学模型，给出了决定单螺杆能量转换装置进气口和排气口位置的展开螺旋线公式。基于螺槽容积数学模型，分析了星轮齿倾斜角、星轮齿宽、啮合中心距和星轮齿长对螺槽容积和内容积比的变化规律。提出了复合滑阀的单螺杆热泵压缩机的变工况调节机构，实现了单螺杆热泵压缩机容量和内容积比的同时调节。
成功研制了螺杆直径只有42mm 的世界最小单螺杆热泵压缩机，转速高达8000 转/ 分，最大制冷量达到了2.25kW，最大COP 达到了2.4。成功研发了螺杆直径147mm 和200mm 的单螺杆水源热泵压缩机，通过了清华同方人工环境公司和美国艾默生环境优化公司的单螺杆压缩机性能测定，制热COP达到了4.2 以上，147mm 单螺杆压缩机已经生产了10 余台样机。成功研发了螺杆直径为117mm 的空气源热泵用单螺杆压缩机和螺杆直径90mm 的汽车热泵用单螺杆制冷压缩机，完成了117 复合滑阀补气型单螺杆空气源热泵压缩机的设计。研制的各种单螺杆热泵压缩机样机如图7 所示。
图7 研制的各种单螺杆热泵压缩机样机
4 结论
（1）单螺杆热泵压缩机是容积式压缩机的顶级产品，具有容积效率高、噪音低、振动小、寿命长、可靠性高等优点，代表了压缩机的最高水平，是双螺杆压缩机升级换代的理想产品。
（2）北京工业大学在单螺杆热泵压缩机螺杆与星轮核心加工技术上取得了突破，基于齿轮啮合原理，建立了CP 型、PP 型、CC 型和PC 型单螺杆转子螺槽和星轮齿面的型线数学模型。提出了利用简单星轮单齿作为刀具实现单螺杆一次包络的加工方法，这种方法确保了螺槽的分度误差，保证了啮合副的精度。研制成功了5 级高精度Ⅰ 型、Ⅱ 型两种型号的螺杆加工专用机床，可实现42~500mm螺杆低成本高精度批量加工，并突破了国内外没有直径150mm 以下单螺杆技术的局面。并在国际上成功试制了左旋和右旋对称布置的PP 型单螺杆转子。提出了星轮批量加工的两种工艺，一是注塑工艺，并完成了模具动模芯和定模芯的设计，二是切削加工工艺，提出了利用单螺杆作为刀具实现星轮齿面的二次包络加工方法，在此基础上研制了星轮专用加工机床。
（3）北京工业大学已成功研发螺杆直径只有42mm 的世界最小单螺杆热泵压缩机，转速高达8000 转/ 分，最大制冷量达到了2.25kW，最大COP达到了2.4。成功研发了螺杆直径147mm 和200mm的单螺杆水源热泵压缩机，制热COP 达到了4.2 以上。提出了复合滑阀单螺杆热泵压缩机的变工况调节机构，实现了单螺杆热泵压缩机容量和内容击比的同时调节。成功研发了螺杆直径为117mm 的空气源热泵压缩机和螺杆直径90mm 的汽车热泵用单螺杆制冷压缩机，完成了117 复合滑阀补气型单螺杆空气源热泵压缩机的设计。
参考文献
[1] 陈东，谢继红主编. 热泵技术及其应用[M]. 化学工业出版社，2008.
[2] 地热“十三五”：仍以浅层地热能为主
[3] 2016 中国空气源热泵产业发展报告
[4] 周雷, 林强, 金光熹等. 单螺杆制冷压缩机气量调节装置的经济型分析[J]. 流体机械，1998(10):49-53.
[5] 邓定国，束鹏程主编. 回转压缩机 [M]. 北京：机械工业出版社，1982
[6] 熊则男, 乔宗亮编著. 回转式压缩机与泵—共轭件啮合动态测试 [M]. 北京：机械工业出版社，1995.
[7] 郁永章，姜培正，孙嗣莹主编. 压缩机工程手册 [M].北京：中国石化出版社， 2012.
