日本大金油泵 多联机：灵活调节、低能耗的空调系统，引领未来舒适生活

日本大金油泵 多联机：灵活调节、低能耗的空调系统，引领未来舒适生活

多联机空调（热泵）机组（以下简称“多联机”）早在上世纪80年代由日本大金工业株式会社开发，并于上世纪90年代引入我国。多联机空调（VRV）是在传统房间分体空调一对一模式，即一台室外机连接一台室内机的基础上发展起来的，是一种传统的一对多氟系统空调，即一台室外机连接多台室内机的空调系统。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，以及压缩机变频技术的不断发展，多联机空调逐渐进入人们的视野，受到重视，并得到充分的发展和推广。与传统的集中式空调相比，多联机空调直接利用制冷剂输送冷量，并能根据室内机负荷的变化，自动调节输出负荷。 因此多联机空调调节更加灵活，能耗更低，系统能效更高。

多联机空调（热泵）机组（以下简称“多联机”）早在上世纪80年代由日本大金工业株式会社开发，并于上世纪90年代引入我国。多联机空调（VRV）是在传统房间分体空调一对一模式，即一台室外机连接一台室内机的基础上发展起来的，是一种传统的一对多氟系统空调，即一台室外机连接多台室内机的空调系统。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，以及压缩机变频技术的不断发展，多联机空调逐渐进入人们的视野，受到重视，并得到充分的发展和推广。与传统的集中式空调相比，多联机空调直接利用制冷剂输送冷量，并能根据室内机负荷的变化，自动调节输出负荷。 因此多联机空调调节更加灵活，能耗更低，系统能效更高。

多联机制冷循环系统由压缩机、冷凝器、多个蒸发器以及相应数量的膨胀阀组成（图1）。系统中的制冷剂流经冷凝器后，会进入支管进行分流。由于蒸发器的物理位置不同，环境负荷不同，导致不同蒸发器在运行时存在耦合和干扰。因此，多联机系统在系统控制方面与独立空调系统有较大区别。

图1 多链路工作原理

随着人们对知识产权保护认识的不断深入，多联机的专利申请数量逐渐增多，各科研机构或空调生产厂家纷纷对其研发成果申请专利，实施专利布局，有效占领多联机市场。

本文选取CNABS中国专利摘要数据库和CNTXT全文数据库，采用IPC（国际通用专利文献分类检索工具）分类号和关键词（多联机​​、变频/变容压缩机、电子膨胀阀、回油/油平衡器等）进行检索统计（检索时间为2019年9月11-17日），从专利申请年度变化、具体申请人及其类型、核心技术含量等方面分析其发展概况。通过对近年来多联机中国专利申请文献进行统计分析，分析该领域的发展趋势和核心技术，并对多联机技术的发展方向进行展望。

图1 多链接中国专利申请的时间分布

如图2所示，1992年至2018年，多联机领域的专利申请数量整体稳步上升，截止2018年专利申请数量为331件。从图2可以看出，我国多联机技术起步晚于国外，1992年至2001年期间，每年仅有少量专利申请，发明改进主要围绕多联机的基本结构和简单的控制方法；2002年至2011年期间，多联机专利申请数量虽有小幅波动，但基本保持在每年几十件的水平。在此期间，多联机专利申请已经上升到具体零部件的改进和一些制冷剂流量的控制，如压缩变频、多台压缩机的油平衡、气液分离器、油分离器等具体分支，说明在此期间，多联机技术在我国已进入中期发展； 2012年至2018年间，申请数量呈几何级数增长，从每年100余件申请迅速增长到每年300余件，发明涉及节能、环保、降噪等多个方面。从业者意识到一拖多的技术优势和研究意义，开始大力研发，进入技术突破阶段。

图2 多链接中国专利申请时间分布

2. 多连接国家分布

多联机空调起源于日本，经过几十年的研发，国外技术已达到一定水平。但经检索发现，1992年至2018年间，中国专利申请中有87%来自国内申请人，国外申请人仅占13%（图3）。据分析，近年来，多联机空调在国内市场的占比不断提高，使用越来越普遍，特别是在住宅家用中央空调中，其优势更加明显。同时，我国制冷空调设备产量已位居世界前列，制冷空调行业整体繁荣也带动了多联机空调领域的发展。此外，从业人员的知识产权保护意识也不断增强，专利申请数量持续增加。

图3 多链接中国专利申请国别分布

3 申请人分布

图4列出了1992年至2018年近30年间多联机中国专利申请排名前27位的申请人。从国别分布来看，国内申请人较多，主要为国内各大制冷空调生产企业，国外申请人相对较少，主要来自日本和韩国。从申请人类型进一步分析可知，国内申请人仅有清华大学1家。另外，由于多联机的申请领域比较集中，以住宅集中式为主，企业申请人类型基本为以家用空调为主项目的企业。可以看出，多联机技术的发展已受到企业的重视并取得了一定的成果，而高校则需要提高对多联机及专利的认识，加快研究，并申请专利。

图4 多链接中国专利申请前27名申请人

由于部分关联公司之间存在申请重叠，为便于分析，笔者将关联公司或属于同一集团的公司视为同一研究对象。例如图中申请量最多的公司包括、、、、，笔者将其统称为“及其独资或合资公司”、、、、和、（以下简称“/株式会社”），也作为同一对象进行研究。但经检索发现，和与LG电子株式会社在多链路领域的申请量并无重叠，因此将其作为两家独立公司进行分析。

其独资或合资公司在多联机系统领域申请了492件专利，以394件申请量位居第二。/和/株式会社分别申请了148件和138件，也都申请了近百件，其后还提交了78件专利申请。可以看出，国内空调生产企业近年来在多联机系统的研究上已经取得了一定的成果，并在专利申请中进行了知识产权保护。至于国外申请人，三菱电机株式会社、LG电子株式会社、三星电子株式会社、三洋电机株式会社、大金工业株式会社等均提交了几十件到数十件的专利申请。虽然国外申请人在申请数量上不占优势，但在发明内容的创新性和申请质量上却处于领先地位。

4 多线专利申请的核心技术

多联机系统是由一台室外机加多台室内机的系统，多个蒸发器在制冷剂流量、制冷剂温度、压力等方面相互影响、耦合，使得多联机技术更加复杂，系统控制的设计和优化尤为重要，如果设计或控制出现偏差，多联机系统的优势就发挥不出来，甚至可能比传统空调更加耗能。笔者对多联机专利申请的核心技术进行分析，结果如图5所示：制冷剂分流或电子膨胀阀控制方面的创新占到了整个核心发明点的57%；系统控制或优化方法方面的申请量占到了20%。从前两者的申请占比来看，人们对系统控制和电子膨胀阀控制做了较多的研究；压缩机的改进或控制方面的申请量占到了15%，说明对压缩机的研究一直保持着强劲的势头；此外，压缩机回油或油平衡方面的专利申请量占到了5%； 多联机安装或施工的专利申请数量为3%，可见由于系统的复杂性，多联机系统的安装或施工也具有一定的技术含量，下面分别分析各核心技术的具体内容。

图5 多连接发明点分布

4.1 制冷剂分流或电子膨胀阀控制

由于多联机系统中每台室内机的环境负荷不同，用户设定的温度也不同，因此需要对电子膨胀阀及进入每台蒸发器的制冷剂流量进行控制。考虑到节能环保要求的不断提高，制冷剂分流或电子膨胀阀控制是重点研究方向。由于该领域的专利申请数量较多，涉及的创新手段多种多样，笔者对主要的技术手段进行了归纳，归纳为以下几类：

1）通过采集读取空调系统各项物理参数，修正电子膨胀阀的开度。

a.通过空调系统参数确定制冷剂充注量，修正电子膨胀阀开度。

b.检测室内机开机状态，控制电子膨胀阀开度。

c.通过过冷度或过热度判断冷凝器或蒸发器的工作状态，从而调节电子膨胀阀。

d.根据每台室内机的阀前压力值、送风温度、回风温度调整膨胀阀开度。

2）制冷剂分流控制。例如，在两台室内机蒸发器之间设置带有电磁阀的支管，以充分利用室内机，避免资源浪费。

3）系统中单独设置制冷剂量调节装置。例如，通过电磁阀、气液分离器等部件来调节系统中制冷剂的过量或数量，以满足制冷或供暖系统中制冷剂量的要求。

4）改进支管或分液结构，减少分液控制误差，减少局部阻力损失。

5）改进电子膨胀阀阀体结构，减少调节偏差，避免制冷剂回流至压缩机，保证系统精确控制和稳定运行。

4.2 系统控制或优化方法

为了实现多联机节能、优化运行，兼顾舒适性与经济性，除了制冷剂的分流、电子膨胀阀的改进外，制冷系统的整体控制与优化也十分重要，需要进一步加大研发力度。控制或优化系统的主要技术手段有：

1）控制室内外机风扇转速，满足不同工况和负载的需要。

2）建立物理模型并进行仿真，以提高系统性能，降低优化成本。

3）与新风系统结合，改善室内空气品质及节能效果。

4）回收系统中多余的热量，例如安装热水箱或热交换器，或在冬天将其与地板采暖系统结合使用。

5）系统恒温除湿或除霜的改进。

6）减少零部件数量，降低成本。例如，系统中只设置一个压力传感器，通过检测、计算来确定运行参数。

7)降低系统噪音的改进。

8）改进系统低温启动方法，增加设备使用寿命。

4.3 压缩机

压缩机是制冷系统的心脏，压缩机的工作能力直接决定了制冷系统的制冷量。由于室内环境负荷变化较大，多联机一般采用变频压缩机。压缩机的改进一直是行业内的热点问题之一，经查阅专利文献，压缩机的改进主要分为以下几类：

1）电机本身的改进，如采用直流电机、全直流变频压缩机，可以提高压缩机效率，降低噪音，结合优化算法的控制，可以减少室温波动，提高空调性能。

2）将多台压缩机并联，并采用优化算法控制启动的压缩机数量。

3）通过单缸、双缸压缩机切换控制，在控制室温的同时，改善系统性能参数。

4）在室外温度较低条件下采用喷射再热压缩机，提高制热能力。

5）对压缩机出口温度进行日常控制，如过热保护等。

4.4 回油或油平衡

由于多联机在部分负荷下压缩机转速不高，制冷剂流量低，回油困难，加之多联机环境负荷大，常采用压缩机并联的方式增加制冷量。关于压缩机回油及并联机组间油平衡的专利申请文献也有一定数量。关于回油或油平衡的发明创造改进主要分为以下几类：

1）改善多台压缩机之间安装的回油管和油平衡管的尺寸，提高回油控制的准确性。

2）设置回油电磁阀和/或油平衡电子膨胀阀，精确控制每台压缩机的回油量。

3）安装多台带有油平衡管的油分离器，并在多台压缩机之间或制冷剂入口处设置旁通支管，以调节油平衡。

4)设置油位检测装置，与控制模块形成反馈机制，利用直接设置在多台压缩机上的小油泵来调节油平衡。

4.5 构造

多联机空调俗称“一对多”系统，在施工安装过程中，冷媒管路的长度、室内外机的高度差都会影响多联机空调系统的性能，另外弯头、支管的安装也有一定的要求，多台室内机要与室内装修有机协调，因此多联机空调的安装比较复杂，涉及很多繁琐的工程。专利申请中记载的多联机空调施工的技术手段如下：

1）在多联管路或支管上安装支架或吊架，以减少制冷剂沿流压力损失，降低系统噪音。

2）在支管上加装保温装置，减少冷（热）损失。

3）根据房间热负荷，支管与室内（内）外机之间的距离进行科学合理的计算，优化管道布置，减少阻力损失和耗材。

5 发展趋势及前景

随着多连杆系统研究力度的不断加大，创新成果不断涌现，市​​场份额也在逐步提高，但仍有以下几个方面需要考虑或创新：

1）需进一步对室内机间的耦合与干扰机理进行建模研究，以便有针对性地完善优化控制，提高能量利用率，减少能量损失。

2）多联机系统由于对热（冷）负荷的调节更加灵活，系统性能得到明显提升，但由于室内机及长管路的热交换过程相互耦合、干扰，在节能方面仍需要进行准确的定量分析。

3）系统内部容积较大，管路较长，导致制冷剂充注量较大，泄漏风险增大，因此管路布置、焊接工艺需进一步优化。出于环保考虑，对现有制冷剂的替代制冷剂的研究也刻不容缓。

六，结论

本文详细介绍了多联机中国专利申请概况。申请数量随着时间的推移逐渐增加，特别是近年来，呈几何指数增长；申请人以国内为主，基本都是以家用家用空调为主营项目的厂家；在核心技术方面，制冷剂分流或电子膨胀阀控制的申请数量占比最大，其次是系统优化或控制方法和压缩机改进。围绕油回流或油平衡和构造的专利申请也占一定数量，并总结了各核心技术的技术手段。本文还分析了多联机目前面临的技术问题，并展望了发展趋势。因此，只有加快创新步伐，积极利用知识产权保护作为重要手段，才能在经济全球化的大潮中创造新的发展机遇。

本文摘自《制冷与空调》杂志2019年11月号第88-92页