R600a變頻冰箱壓縮機的油路設計

崔磊

（華意壓縮機股份有限公司 江西景德鎮 333001）

0 引言

近年來，國家對環保的要求不斷提升，低碳綠色的去求成為大家普遍的認識。且這幾年高效冰箱壓縮機COP值迅速從1.7攀升至2.0。而且不斷地摸索下，我們也認識到了冰箱實際運行工況對冰箱壓縮機節能的影響，從而也提升了壓縮機的性能。但定頻壓縮機有其瓶頸，壓縮機的變頻化則是冰箱壓縮機的發展趨勢；本文考慮的是變頻壓縮機在低轉速下的油路潤滑能力與定頻壓縮機有差異，需要重新設計與驗證。

1 變頻冰箱壓縮機油路分析

油路設計是冰箱壓縮機設計中的一個重要環節，不僅與冰箱壓縮機的性能直接相關，甚至會決定壓縮機的可靠性。良好的潤滑以油膜形式形成邊界摩擦，從而提高冰箱壓縮機的性能。

1.1 需要潤滑部位

冷凍油存在于冰箱壓縮機的底部，當壓縮機運行時，迅速通過油路到達冰箱壓縮機各個運動副間，形成油膜減小摩擦阻力。需要到達的運動部件有曲軸、曲柄、連桿、活塞。圖1中標識的綠色部分，就是摩擦主要發生的部位。

1.2 冷凍油路徑

壓縮機運行后，冷凍油從壓縮機的底部在離心作用下，由吸油管吸入，從曲軸長軸側面排出，在進入螺旋通道經加速后到達曲拐與連桿配合面。或由連桿通道進入活塞銷配合面至活塞配合面，或由連桿曲拐噴灑傘狀油液飛濺入活塞配合面至活塞銷配合面。微量的冷凍油會由壓縮機進入制冷系統，參與循環并最終回流到壓縮機底部。

2 冷凍油的選用

冷凍油的選用，可以從冷凍油的基本特性既黏度、成分、與冰箱壓縮機的匹配性、可靠性等。當然，其基本的酸值、水分、介電強度是必須保證在行業標準之內。

2.1 變頻壓縮機應選擇低粘度潤滑油

壓縮機的粘度直接影響著壓縮機的COP[1-3]。因此，變頻壓縮機為了性能優勢，應選擇低粘度潤滑油。

由壓縮機理論可以得知：

COP=Q/W

所以降低摩擦功率是提升COP的最直接的方式。

P（軸功率）公式如下：

Pe（軸功率）=Pi（指示功率）+Pm（摩擦功率） （1）

機械效率：ηm= Pi / Pe

其中，摩擦功率Pm是由兩部分構成：一是往復活塞做直線運動的活塞與活塞缸孔之間的直線摩擦功率Pmp；另一個是運動副之間旋轉摩擦力，包括長軸與軸孔，偏心軸與連桿，連桿與活塞銷的摩擦功率之和，這個旋轉摩擦功率是Pmr。

有冷凍油參與運轉并形成油膜后的機械摩擦力：

其中，ν是潤滑油的運動粘度；S是接觸面積，u是運動速度，y是配合間隙。

由上式可以看出，粘度的降低可以減小機械摩擦力F，由此減少摩擦功耗Pm，提升冰箱壓縮機的COP值。

2.2 推薦選用合成冷凍油

目前的高效壓縮機普便使用的是ISO5冷凍油。在冷凍油成分的選擇上，R600a冰箱壓縮機目前廣泛使用的是環烷基礦物油、石蠟基礦物油及合成冷凍油。

筆者并不否認礦物油（MO）在R600a冰箱壓縮機中的優良使用性能，但在目前能效比不斷攀升的情況下，原來傳統普遍使用的ISO10冷凍油已經不具備在高效壓縮機上使用的條件。且在MO中，低粘度環烷基冷凍油具有閃點低的特性，會降低冰箱壓縮機的可靠性；而石蠟基冷凍油，由于其傾點較高，會降低冰箱壓縮機低溫運行的效率，甚至降低制冷效果。

合成冷凍油由于其相對優秀的閃點與傾點，已經被企業廣泛使用。從表1所列的三種類別的潤滑油參數中得知，在當前合成冷凍油是較為理想的選擇。

表1 三種類別潤滑油典型參數的對比

2.3 選用優質的添加劑

為了保證油膜的形成以及壓縮機運行的可靠性，低粘度的潤滑油必須依靠添加劑的作用。而優質的添加劑直接決定了潤滑油的優劣。

筆者曾在對某兩家合成冷凍油C、D選用的驗證試驗中，在同樣的可靠性驗證條件下，得到完全不同的結論：使用冷凍油C的壓縮機各運動部件磨損輕微，而使用D冷凍油的壓縮機各運動部件磨損嚴重，性能降低。后經過了解得知，D冷凍油因使用較為劣質的添加劑所致。

3 離心泵泵油能力

現在冰箱壓縮機普遍使用的泵油形式是采用曲軸吸油管離心泵油，見圖1。通過曲軸的旋轉，使得潤滑油通過離心作用上升到各個運動配合面。

3.1 泵油高度

泵油高度的計算公式：

式中：

Δh—泵油高度；

ω—角速度，ω=2πn/60；

R—油路的最大旋轉半徑；

r—吸油管的入口半徑。

泵油安全系數：

其中，H—泵油入口與出口高度差。

對于定頻壓縮機，當壓縮機運行時，其角速度ω是不變的，則泵油高度Δh是不變的。假定變頻壓縮機轉速在1200rad/min～4500rad/min，從式中可以得出，在同等結構下，1200轉速僅有定頻3000轉的40%，則Δh也為定頻壓縮機的40%；

為了滿足低轉速下壓縮機離心泵油高度的要求，需要從變量R、r、H上入手。

3.2 減小入口半徑

減小的程度是有限的，因為入口半徑還決定著潤滑油的流量。入口半徑越小，流量太小也會造成潤滑不足

潤滑油泵油流量：

由公式（5）可知，黏度越低，流量越大，但是入口半徑越小，流量越小。

3.3 增加最大旋轉半徑R

根據公式（2）可知，減小接觸面積可以減少摩擦功率。所以高效壓縮機的曲軸的外徑都較小。甚至有采用曲軸外徑為φ10mm的冰箱壓縮機。

但是根據公式（3）又可知，最大旋轉半徑R增大可以增加泵油高度。所以變頻壓縮機的設計中，曲軸的軸徑不能過小。因為過小的軸徑會限制最大旋轉半徑尺寸R，從而減小泵油高度。這個問題，在變頻壓縮機低轉速（ω）下會顯得尤為突出。按照公式（3）及筆者部分驗證結論，初步認為曲軸的直徑不小于15mm為佳。

3.4 變頻冰箱壓縮機的高度設計

由公式（4）可知，變頻冰箱壓縮機的泵油出入口高度差的減小，可以使原本泵油高度并不高的壓縮機依然能達到潤滑效果。所以目前變頻壓縮機安裝高度普遍較低，一方面是為了減小安裝空間，增加運輸成本的優勢。另一方面，也是為了低轉速下的泵油高度考慮。

4 結論

R600a變頻冰箱壓縮機使用冷凍油適用低粘度合成冷凍油，可以提升壓縮機的機械效率，保證變頻壓縮機的能效比優勢。

考慮變頻壓縮機變轉速的特點，設計其油路時，要考慮低轉速下泵油高度不足的特點。設計合理的吸油管孔徑，且曲軸直徑不宜太小，以不小于15mm為宜。壓縮機的整體上油高度應比傳統定頻壓縮機矮30mm，在降低運輸成本、減小安裝空間的同時，也較容易滿足低轉速下的泵油能力。

[1]繆道平.制冷壓縮機【M】北京：機械工業出版社.2000

[2]吳景華，饒奇宇 壓縮機設計優化中冷凍油的選擇【J】家用電器科技 2000，（1）

[3]何國庚，方澤云，鄧成武 潤滑油對R134a冰箱壓縮機性能的影響 壓縮機技術 2005（2）

[4]B.Hamrock,D.Dowson 最小油膜厚度的計算 密封與潤滑 1979，（01）