2001年全球壓縮機市場趨勢分析

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发表于 2002-11-11 13:25 |只看该作者 |正序浏览

2001年全球壓縮機市場趨勢分析Compressor World Trends

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前言

　　壓縮機為冷凍空調產業的心臟，欲建立完整的冷凍空調系統，冷媒壓縮機技術的開發，為不可或缺的一環。由於去年(2000)的全球空調機市場，包括美國、日本、中國大陸和歐洲等國家都有不錯的銷售量，相對的帶動壓縮機市場蓬勃發展。尤其中國大陸RAC/PAC的快速成長，甚至出現壓縮機供應短缺的現象，因此當地主要的壓縮機製造商紛紛提高產能，以供應市場需求。

　　然而壓縮機如同小型空調機一樣，面臨了地球環保如臭氧層保護和溫室效應等問題，業者正努力開發新型式的壓縮機，以符合省能高效率及環保的需求，在最近幾年來國際重要的冷凍空調和壓縮機會議上，陸續發表這些重要技術和產品。以下本文參考日本JARN雜誌，刊載全球壓縮機市場趨勢消息，包括壓縮機所面臨的冷媒問題，不同壓縮機種類的應用領域和市場大小，及壓縮機的技術發展趨勢，提供國內相關業者參考。

冷媒課題

　　根據蒙特婁議定書的規定，把HCFC冷媒列為保護地球臭氧層第二階段的管制物品，從1996年起限制其使用量，在2004年開始削減35%的用量，2010年削減65%，至2020年削減99.5%，而至2030年完全禁止使用。這一波冷媒的管制措施中，影響最大的要屬HCFC的代表性冷媒HCFC22 (R-22)，幾乎是所有空調設備所使用的冷媒，因此衝擊可謂不小。根據最新的管制時程。R-22從1996年起即以消耗量為控制點進行管制，歐洲的管制時程更快，歐盟提議從2001年1月起的新產品禁止使用HCFC冷媒，但是能力小於100kW的空調設備則從2003年1月起禁用，熱泵系統空調機則延至2004年1月起禁用，所有冷凍空調產品至2015年全面廢止使用HCFC冷媒。而有些注重環保的歐洲國家，例如瑞典、德國等國更提早從2000年1月起禁止新產品再使用HCFC冷媒。

　　由於HCFC-22冷媒具有物性穩定、容易使用和高效率等優點，因此作為HCFC-22之替代物HFC冷媒，對於單一冷媒的選擇，在特性方面並沒有類似接近的物品，因而選擇使用2種或3種HFC之混合物。此種混合冷媒的成份，由於含有穩定和不燃性冷媒，因此混合冷媒中同樣具有穩定和不燃性等安全特性。目前替代冷媒選用的大致上趨勢，較低溫冷凍機器設備以HFC125/143a/134a(即R-404A)或R-507為主，最近中、高溫冷凍設備也有採用R-404A和R-507的混合，因為混和物的溫度滑落低於1℃。小型空調機和熱泵設備採用HFC32/125(即R-410A)，箱型機和一般空調機及熱泵則為HFC32/125/134a(即R-407C)。

　　另外，由於人類過度開發與大量使用能源，使得二氧化碳CO2的排放量過高，造成地球的溫室效應(global warming)，1997年12月，UNFCCC (United Nations Framework Convention on Climate Change-聯合國氣候變化綱要公約締約國) 在日本京都所召開之的研討會COP3 (3rd Session of Conference of Parties)中，訂定了所謂京都議定書(Kyoto Protocol)，規定了六種溫室氣體將於2000年開始管制其排放量，以拯救地球環境免於持續嚴重暖化的效應。近年來，好不容易研究出來可替代這些禁用的舊冷媒的HFCs冷媒，也是此六種管制的溫室氣體之一；再者，如何以節省耗能而對應減量產生CO2氣體，已使得冷凍空調產品對『節約能源』的需求更加重視，國際政策也開始對耗能佔民生用電最高百分比率的冷凍空調產品，在節能法規方面進行嚴格要求。因此，對冷凍空調與壓縮機的業界而言，近年來，著實面臨了相當大的技術革命與挑戰。

　　值得注意的是，由於二氧化碳的排放量問題，天然冷媒如氨(NH3)、碳氫化合物(HCs)和CO2等冷媒的應用也開始被重視。事實上，氨冷媒從很早以前就被應用冷凍工業上，但因為具有毒性及爆炸性，須特別制定嚴格的安全法規，在歐洲地區的應用較為廣泛。同樣的，碳氫化合物如propane(丙烷，R-290)和isobutane(異丁烷，R-600a)都具有易燃性，相對的使用上也受到限制，目前在德國和北歐國家已經開始應用在小型冰箱上。意大利的一家空調機製造商De Longi，曾在去年日本神戶舉行的替代冷媒研討會上，首度發表propane(丙烷，R-290)應用在分離式空調機(split-type AC)的性能評估。

　　由於二氧化碳CO2沒有毒性和爆炸性，預期將會是下一階段所採用的新冷媒，目前歐美、日等國都已經積極投入CO2冷媒的應用研究。日本三洋電機並且在1999年底宣佈推出世界第一台密閉迴轉式CO2冷媒壓縮機，但是目前尚無實際應用的數據公佈，Sanyo預計在2001年底正式推出商業化的產品。其他的壓縮機廠如Dorin、Mayakawa等也在積極從事二氧化碳的研究。由於二氧化碳CO2系統具有高的操作壓力，比較可能的應用領域朝單體式空調機(unitary AC)和熱泵(heat pump)系統發展。

　　冷凍油對於冷媒壓縮機而言為一非常重要的部件，R-22冷媒系統用的礦物油(mineral oil)由於具有優益的潤滑效果和穩定性，因此從很早以前就被當作空調機用的冷凍油，但是傳統的礦物油與HFC冷媒不相容，因此製造商在開發HFC冷媒壓縮機的同時，須重新選用新的冷凍油，最重要的考量就是信賴性和穩定性。目前大致上，POE(Polyol ester) 油是較適合於HFC-407C和HFC-410A用冷凍油。而PAG(Polyalkyl glycol，烷基乙二醇化合物)是被認為CO2冷媒的選用冷凍油之一，但其搭配後的性能與穩定性，則需進一步驗證。

技術發展趨勢

　　從1981起變頻控制技術開始應用在小型空調機上，使得空調機性能大幅提升，從此小型空調機便採用了變頻控制模式，由發展初期的交流變頻(AC inverter)，到目前最先進的直流無刷馬達(DC brushless motor)控制。新型式的小型空調機不僅採用新冷媒，加上壓縮機性能的改進，採用高效率的熱交換器、電子膨脹閥和更精良的微處理控制，可節省20～40%的電力消耗，因此小型空調機性能平均COP值已達5.0以上(平均EER值約為4.3kCal/hr.W)。

　　壓縮機之容量調變技術，一般廣泛地分成兩種：一是控制每單位時間冷媒流量的調速控制系統；二是藉由改變每次循環週期之氣態冷媒的排量，以達成控制冷媒質量流率的機械式調變系統。在中小型空調系統方面，最易達成且最有效益的為使用變頻器驅動變化壓縮機轉速與匹配壓縮機泵之吸入節流法來達成容量調變之控制，目前，日本便是使用此策略來進行各種變頻壓縮機的開發。

　　當變頻器剛出現應用於壓縮機的時候，最先使用三相交流感應馬達，然而為了實現更佳的節能效果，於是發展直流無刷馬達(DC brushless motor)。近幾年來，高效率直流無刷馬達已被進一步的改良，在日本，結合磁阻馬達(reluctance motor)原理，發揮磁阻扭力(reluctance torque)之效能的直流無刷馬達，已被大量使用在新型式的小型空調機上。交流感應馬達只要加上電壓，即可開始旋轉運動，但是，直流馬達必須持續同步旋轉才能保持旋轉運動。因此，獲知馬達轉子磁石位置的資訊，是維持同步旋轉所必需的，近年來，由於微處理機運算速度的改善與持續研發中，使得轉子磁石位置的控制，可以順利地達成。

　　如前所述，以往的所謂的〝變頻控制〞，主要為將供應三相交流感應馬達的交流(簡寫為AC)電源之電壓(Voltage-簡寫為V)與頻率(Frequency-簡寫為f )予以變化，而提供不同轉速(簡寫為N)下之定扭力(Torque-簡寫為T) 控制，故而，不同之馬達設計，將會有不同的V/f 曲線而搭配不同的馬達性能曲線(俗稱T/N曲線)，所以在變頻控制時，只要改變電壓與頻率，便可使壓縮機有不同的轉速呈現，但是要匹配壓縮機負載所需扭力而提供適合的電源功率。

　　而直流變頻(DC inverter)，意指壓縮機原使用之交流感應馬達，改為使用直流無刷馬達(DC Brushless Motor)，在這裏所謂的直流無刷馬達，其實為永磁式的三相感應同步馬達，其馬達定子仍為矽鋼片體而進行三相繞線，與原先的三相交流感應馬達之定子結構相似；而其馬達轉子，則為具有永久磁石的矽鋼片體，因為與直流馬達一樣具有永久磁石，但是又不像一般傳統直流馬達，須具有碳刷方能控制驅動運轉，因此稱為「直流無刷馬達」。然而，由於直流馬達之轉子已具有磁極，所以馬達的驅動方式與交流感應的驅動方式有所不同，其控制需先解讀轉子磁極的位置，方能施予供應電流的方向而驅動，因此，整體壓縮機的驅動控制架構便有所不同了。大致上，一般交流變頻的空調系統可比定頻的空調系統，節能達20%以上，而直流變頻的空調系統將又比交流變頻的空調系統，節能達10%以上。值得注意的是，由於電子電力技術的突飛猛進，加上磁石來源充裕、磁石製程技術與具永久磁石馬達之轉子的組裝技術成熟，日本新型式的小型空調機上，已逐漸採用更省能的直流(DC) 變頻控制系統。

　　此外，由於一般中小型空調用之壓縮機，其所使用之無刷馬達，乃密閉於壓縮機的外殼內，將面臨高溫高壓與充滿具腐蝕性冷媒的環境，因此，無刷馬達的結構與各項元件所使用之材質，皆需特殊考慮，同時，也無法安置檢出馬達轉子磁極位置的感測器(如Hall Sensor)，故而在控制上，需運用所謂無感測控制理論(Sensorless Control)，而無感測控制，將需求運算大量資料，此為以往的技術瓶頸。近年來，由於半導體技術的進步，使得以往需許多電子零件方能達成需求的控制電路，可由一顆積體電路(Integrated Circuit-簡寫為IC) 來達成，而且，運算速度更快、可運算之資料更龐大，整體控制器的製作成本也比以往低了許多，所以日本近年來，這些控制技術的發展結果，使得日本業者的家用空調機在熱泵加熱循環時的性能效率(COP)已明顯地的改善。

　　變頻控制的空調系統，最大的特點在於能達成省能、靜音、急冷暖、與恆溫等各項環保與舒適的空調環境。以窗型或一對一的分離式冷氣而言，其運轉模式大致如下之步驟進行：

起動運轉時，壓縮機將平滑起動，並於短時間內運轉至最高轉速。
爾後，則視實際室溫與使用者設定的溫度差，決定壓縮機是否持續於最高轉速運轉，如果達某一溫差的公差內，將降低壓縮機轉速於最低轉速運轉，以保持室溫穩定。
如果室外環境對室內溫度影響大而無法在最低轉速掌控時，即當室溫超出使用者的設定溫度的公差外時，將提昇壓縮機轉速於另一較高轉速或最高轉速下運轉。
如此來回平穩進行控制運轉模式，以期為室內的提供一舒適的環境。
　　如此的變頻控制的空調系統，具有以下的優點：

不會有如定頻空調系統之起動時的大振動與噪音。
不會有如定頻空調系統運轉時，壓縮機常常開開關關，由於起動時之瞬間耗電頗大，壓縮機常開關，不但耗電而且噪音大。
可使壓縮機提供較高的轉速，並配合室內風扇轉速，以使空調系統具有進行強制冷暖之效果，以使室內溫度在短時間內，便能達成使用者設定的溫度值。
定頻空調系統運轉模式，常讓使用者感覺時冷時熱的不舒適，變頻控制可將室內的溫度變化範圍縮小，而提供使用者需求的舒適環境。
　　當然，變頻控制的空調系統技術，並不只有上述的幾項功能而已，例如當使用於一對多的變頻分離式空調系統時，其具有依所需求之室內機開啟的台數，決定壓縮機轉速來提供系統需求的冷媒流量，不但達成小體積具大冷房容量變化範圍的壓縮機特性，又不會有用電過浪費的情形。

　　另外，藉由控制電晶體的開關，變頻器迴路可以產生交流電壓加在馬達上；同時當馬達旋轉時，也可以即時控制電壓。脈波頻寬調變(pulse width modulation, PWM)是藉由控制電晶體開關時間比，以達到控制交流電壓平均值的一種方法；而脈波振幅調變(pulse amplitude modulation, PAM)技術，則是藉由變化交流電壓前的直流電壓大小，以達控制交流電壓平均值的一種方法。與PWM比較，PAM控制有較高的功率因數之優點；但是PWM控制卻有較佳的運轉效率。因此，目前以結合PWM調變電壓控制與PAM調變電壓控制的混合系統，被大量地使用著。此混合系統的使用方式是PAM調變控制用在寒冷氣候或最大容量要求的啟動時期；而PWM調變控制，則是在和煦氣候條件下使用或使用在室內溫度條件已經夠溫暖時(即容量要求較小的時期)。