2002年全球壓縮機市場趨勢分析－技術發展趨勢

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2002年全球壓縮機市場趨勢分析－技術發展趨勢
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Serial No. 397-S,.February 2002(Compressor World Trends ;p. 41, 59, 69 ~72)

5 ]: }9 ^: h7 k6 L前言
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" O( t  m: s# d% F. o4 D, N. I* c　　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。去年(2001)的全球空調機(AC)市場呈現一個繁榮的景象，主要的原因是中國大陸市場的蓬勃發展，使得全球空調機得以維持成長的局面。相信，中國大陸已經在2001年首次超越美國，成為全球空調機的最大市場國家。另一方面，美國經濟從2000年下半年起開始遲緩，這個現象也反映在空調機市場上，特別是家用空調機RAC。而日本則拜連續3年夏季熱浪的侵襲，使得小型空調機的銷售量增加。而且由於新機型改用HFC冷媒以及性能提升緣故，使得箱型機PAC的銷售也微幅增加。歐洲地區維持一個穩定銷售市場，但是亞洲地區和中東以及南美洲國家則有相當幅度的復甦景氣，因此也造成全球空調機銷售的穩定成長。
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. H0 ~/ h1 t* X: }  E　　由於全球空調機的銷售成長，相對的帶動壓縮機市場蓬勃發展。尤其中國大陸從2001年起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。估計目前中國大陸壓縮機的年產量接近3,000萬台，主要型式為迴轉式和渦卷式。


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　　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。

技術發展趨勢
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4 U. P+ C8 [4 L! U  @9 Y1 T　　2001年的壓縮機發展可以歸納成兩個趨勢：

2 I4 ]2 Z& |5 l& T# B" q基於HCFC冷媒的管制措施，目前所有的空調與冷凍設備，都已提供HFC和天然冷媒用壓縮機。
基於減少地球的溫室效應，京都議定書(Kyoto Protocol)規定減少二氧化碳CO2的排放量，因此所有的冷凍空調設備，均致力於產品性能的提升。
: R' N* J0 p0 R　　雙氣缸的迴轉式壓縮機(2-cylinder type rotary compressor)在1985年首次應用在商業空調上，由於它具有較佳的震動特性，可以發展在較大型的迴轉式壓縮機。1988年則是首次將變頻式雙氣缸的迴轉式壓縮機應用在小型空調機RAC上，由於變頻控制具有較大的操作範圍，使得機器容量的調便能力為前一機型的兩倍。2001年Toshiba Carrier更是成功的開發出6hp等級的R410A直流變頻壓縮機，使得箱型機PAC的性能更為提升，新機型的COP值已經超過4.0。
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: i9 ^9 ?1 c8 C　　在日本，1981年首次將渦卷式壓縮機應用在汽車空調，1983年開始應用在箱型空調機上。雖然渦卷式壓縮機的發展僅有約20年的歷史，但是有越來越多的中小型冷凍空調設備使用渦卷式壓縮機。Danfoss Maneurop已經發展出60hp等級的混合型渦卷式壓縮機，Copeland也開發出25hp的渦卷式；而日本的變頻渦卷式壓縮機主要用在1~13 hp的空調機，和2~10hp的冷凍設備上，而且已成為迴轉式的強力對手。

　　當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)。
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　　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。
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( R% P7 v  p( p4 m" K! b$ m' _　　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。

' z8 u; ^( B  b9 K# t　　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。
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% H" z5 R1 F# N( V5 _　　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。
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　　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。
: W: O) m" U$ q2 C, l( k+ M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：
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不會有如定頻空調系統之起動時的大振動與噪音。
$ C5 F7 ?8 W. t  W$ T- f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。
* N$ g3 Z$ C* O" R2 `# o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。
# b/ b4 e4 W5 S2 u. x　　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)。