變頻空調壓縮機的低溫回油對策

鄧達麟

摘 要：低溫工況下，變頻空調壓縮機在啟動和運行時的回油狀況是空調器使用安全和可靠性的重要影響因素之一。文章主要從壓縮機油面測試不合格的案例入手，通過分析變頻壓縮機潤滑油回油不足的原因和實施對策時的注意事項，并針對案例，提出了綜合利用關鍵參數(shù)的運行曲線來制定對策的方法，以此為解決壓縮機回油不足的問題提供參考。

關鍵詞：變頻壓縮機；冷媒沉積；回油不足；油溫過熱度

中圖分類號：TB652 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0055-03

前言

作為變頻壓縮機中的一員，滾動轉子式壓縮機憑借其體積小、效率高、振動小等優(yōu)點，逐漸廣泛地應用于家用空調產品中。如果將壓縮機看作空調運行系統(tǒng)的心臟、制冷劑看作血液的話，那么潤滑油便是維持機體正常生理運作，被譽為生命運轉必需品的脂肪了。在空調系統(tǒng)的實際運行中，潤滑油對壓縮機起到潤滑、冷卻和密封等作用；但其在低外溫工況的啟動和運行時，容易出現(xiàn)回油不足的問題，對空調器的使用安全和可靠性造成了不良的影響，具體表現(xiàn)為回油量少（油面低下）和回油不及時兩方面。下文將結合案例，對低溫回油不足的成因、影響因素和相應對策展開討論。

1 變頻空調壓縮機低溫回油不足的案例

2015年10月，對1匹分體式變頻掛機Q*V25進行暖房低溫油面（外溫-8.5℃/連管長15m）試驗。轉子式壓縮機冷狀態(tài)啟動2min17s后，油面降至下視鏡之下，持續(xù)時間3min38s，油泡沫面降至下視鏡以下的持續(xù)時間為3min15s。狀態(tài)可復現(xiàn)，結果判定為不合格。

依據(jù)壓縮機廠家的油面判定基準：（1）系統(tǒng)長期運行時，下視鏡油面保持在A面以上；若實際油面為C面（即30%），則上視鏡的油面需同時滿足D面（即50%）的要求。（2）油面低于A高于B以上的運行時間不得超過10分鐘。（3）無長時間液擊發(fā)生。（4）油面低于B以下的時間原則上不超過3分鐘；若超過，則油泡沫低于B面的持續(xù)時間不得超過3分鐘。以上條件均滿足，可判定為合格。具體見下圖1。

2 低溫工況下的油面測試對變頻壓縮機啟動和運行的意義

在低溫工況下，若變頻空調外機長時間處于停機狀態(tài)，大量冷媒由于受系統(tǒng)壓力平衡和重力的作用，分別從高、低壓兩側回流至壓縮機內，液化并溶于壓縮機油，甚至以液態(tài)形式存在于壓縮機油腔內的現(xiàn)象，被稱為冷媒沉積。冷媒沉積使壓縮機油受到了稀釋和冷卻，粘度隨著油稀釋率的上升而進一步下降。壓縮機低溫啟動時，溶于機油中的制冷劑會出現(xiàn)劇烈的翻騰，容易使油溶液產生大量泡沫，造成潤滑油膜變薄。根據(jù)冷媒與壓縮機油的互溶特性，兩者組成的均勻溶液的溶解度與溫度成正比；當溫度低于某一臨界溫度時，溶液便會出現(xiàn)分離，上層主要為壓縮機油，下層主要為制冷劑。而這種不同程度的低溫分離現(xiàn)象不僅存在于平衡的靜止狀態(tài)，也存在于運行的流體狀態(tài)；不僅發(fā)生在壓縮機內，也發(fā)生于熱交換器和氣液分離器內，影響了運行系統(tǒng)的回油量。因此，依據(jù)壓縮機廠家的要求，通過液視鏡觀測壓縮機的油面高度，便成為了考察低溫工況下變頻壓縮機啟動和運行時是否存在回油不足的主要手段。

壓縮機回油面過低至少會引起以下兩方面的問題：（1）長時間的回油不足和被稀釋，使壓縮機內部的運動機構及其表面未能得到足夠的潤滑以及形成能承受一定載荷的油膜厚度；容易增大運動接觸面的磨損量，嚴重時會導致卡死，影響壓縮機的使用壽命和運行可靠性。（2）壓縮機內部的主要發(fā)熱部分，包括電機繞組和軸承接觸面，所產生的發(fā)熱量未能得到及時的冷卻處理，使壓縮機容易出現(xiàn)過熱；嚴重者會導致電機減磁或燒毀，影響壓縮機使用的安全性。

可見，變頻空調壓縮機低溫回油的測試及其問題點的對策，對于空調系統(tǒng)的正常運行具有重要的意義。

3 影響變頻壓縮機低溫回油的因素

3.1 外部因素

（1）系統(tǒng)的氣密性。以滾動轉子式壓縮機為例，由于本身內部體積小，注入的冷凍機油少；一旦出現(xiàn)冷媒泄漏，會直接使系統(tǒng)的回油量下降。因此，在系統(tǒng)運行前，需對配管的連接螺母、高低壓取壓閥和壓縮機液視鏡等連接部位進行檢漏；運行時則需留意上述的部位有否存在油漬，以便能及時發(fā)現(xiàn)泄漏點。

（2）冷媒充注量過多。冷媒過多不僅加重了冷媒沉積的程度，使壓縮機內部的油稀釋率提高；而且，未完全蒸發(fā)的多余冷媒在進入氣液分離器后，主要集中在其下部，容易直接從回油孔以大量液態(tài)的形式進入壓縮機，引起液擊。同時，低溫的液態(tài)冷媒使冷凍機油不能順利通過回油孔回到壓縮機，并進一步降低了油溫，不利于系統(tǒng)的回油。因此，應注意外機啟動和運行階段有否出現(xiàn)明顯的異常噪音、振動或者電流脈沖現(xiàn)象，以確定冷媒充注量是否過多。

（3）外溫工況。根據(jù)潤滑油的粘溫特性，在一定的壓力下，潤滑油具有粘度隨溫度的升高而降低的特質；反之亦然。因此，在油面測試的低溫工況（-8.5℃和-15℃）中，除了表現(xiàn)出不同的油稀釋率外，還會出現(xiàn)不同的回油時間；若回油時間大于要求的限定值，則增大了壓縮機內部因潤滑不足所造成的磨損程度。

（4）內外機的連管長度。連管長度主要影響著系統(tǒng)運行時冷媒的質量流量。相對于短連管，使用長連管時的質量流量會有所減少，容易引起回油不足；而且，連管長度的加長容易增加連管中潤滑油的滯留量，尤其是停機后的狀態(tài)。

（5）系統(tǒng)的管路配置。在油面測試中，樣機處于低溫制熱的狀態(tài)，作為蒸發(fā)器的外熱交換器比制冷時的內熱交換器具有更長的流程、更大的換熱面積和更低的蒸發(fā)溫度，使?jié)櫥透菀着c冷媒分離，并滯留在管路中。另外，系統(tǒng)管路中的分配接頭大小和方向、管彎的半徑大小等因素，也會影響滯留的油量。因此，可根據(jù)實際情況，在接近壓縮機的吸氣管路中配置合適的U型回油彎。當積存在回油彎底部的潤滑油數(shù)量漸多時，流過的氣態(tài)冷媒的流速也會相應增加，有利于潤滑油以霧狀的方式返回壓縮機，改善回油的不足。

3.2 內部因素

（1）壓縮機啟動頻率和升頻速度。在低溫啟動階段，合適的啟動頻率和升頻速度，有利于提高排氣溫度和壓縮機底部油溫的上升速度，使沉積于壓縮機底部的冷媒再次以氣態(tài)形式進入系統(tǒng)循環(huán)；在降低油稀釋率的同時，加速了系統(tǒng)中潤滑油的流動，并減少其在低壓側蒸發(fā)器的滯留量。若啟動頻率和升頻速度設置不當，造成短時間內大量的潤滑油隨冷媒進入管路系統(tǒng)，便會引起因排出量過大而導致的油面下降迅速和回油不及時，不利于壓縮機內部的潤滑。

（2）電子膨脹閥的初始開度和啟動階段的開度調節(jié)。對于低溫啟動這樣一種非穩(wěn)態(tài)的過渡階段，冷媒的質量流量和排氣溫度對電子膨脹閥的開度控制較為敏感。合適的開度調節(jié)既有利于排氣溫度的逐步上升，又能使油面的變化幅度控制在一定的范圍內；反之，若在排氣溫度的上升的階段，出現(xiàn)油面下降的速度明顯加快、回油時長超限的情況，則表示電子膨脹閥的節(jié)流幅度過大，使回油效果變差，需要進行開度控制的調整。

（3）油溫過熱度與排氣過熱度。以屬于高背壓的滾動轉子式壓縮機為例，其油溫過熱度等于壓縮機內部冷凍機油的實測油溫減去冷媒的排氣壓力所對應的飽和溫度，該參數(shù)可以反映出壓縮機在不同工況下，冷媒與潤滑油的實際混合狀態(tài)。由以往的試驗可知，隨著啟動后排氣壓力和油溫的變化，壓縮機內的油稀釋率也在變化；通過提高油溫過熱度，將油稀釋率控制在一定的限值以內，則有利于系統(tǒng)的回油。而在實際的測試中，出于對整備工作的考慮，常以熱電偶測量壓縮機殼體底部的溫度，來代替油溫的直接測量值，參與過熱度的計算。另外，考慮到熱電偶的個體測量偏差和控制程序中的輸入均來源于傳感器的測量值，所以在油溫過熱度的基礎上，需引入其他的參數(shù)，以作輔助考察。由圖2、圖3可見，在低溫油面試驗的啟動和穩(wěn)定運行階段，排氣過熱度曲線（TD-TIP）的變化趨勢，與吸氣過熱度（SH）相比，更加接近于油溫過熱度曲線（壓下-DST）。因此，我們認為，排氣過熱度在反映油面低下的問題上可以起到一定的指示作用。

4 油面對策的注意事項

（1）由于液視鏡中的回油面高度和回油時長是多方因素

共同作用下的結果，因此在分析和對策時，需綜合考慮相關參數(shù)的設置，尤其是壓縮機頻率的升頻階段和電子膨脹閥開度的相互配合；避免在改善回油的同時卻造成了吸氣壓力出現(xiàn)負壓的狀況。樣機在運行中如低壓側出現(xiàn)負壓，則有可能因為吸入空氣而引起壓縮機爆炸，故一般情況下絕不允許負壓的出現(xiàn)。

（2）出于防止液擊的考慮，我們建議通過運行參數(shù)的調

整，使樣機在穩(wěn)定運行時的壓下-DST≥10℃。此下限溫度亦可參考不同壓縮機廠家的具體要求。

（3）選取油面對策時，需考慮某參數(shù)的修改對其他試驗結果的影響程度，如果重新測試的項目越多則開發(fā)成本越高；其次，對比分析多種油面對策的優(yōu)缺點，以便定下最終方案；最后，還要兼顧同一對策在長、短連管中的結果，均需達標，方為有效。

5 案例的分析與對策

檢漏和確認無液擊表現(xiàn)后，利用專用軟件讀取外機的運行數(shù)據(jù)，并繪制壓縮機頻率、EEV開度和排氣過熱度的運行曲線進行分析。如下圖4所示，在壓縮機啟動后的升頻階段，EEV的控制中存在跨度為22個脈沖開度的縮減動作（圖中圓圈區(qū)域），其動作時間與壓縮機下視鏡的油面下降的時間段相吻合；且排氣過熱度曲線在同一時間出現(xiàn)零度以下的下行趨勢（圖中矩形區(qū)域）。因此可推斷，在三方的共同作用下，長連管系統(tǒng)中的冷媒流量發(fā)生了驟減，從而延長了壓縮機的回油時間，使泡沫低于下視鏡B面的持續(xù)時間超過了3分鐘。

考慮到修改壓縮機的升頻速度對其他試驗的影響，優(yōu)先修改相應時間段的EEV開度。再者，在當前外機程序T1.17下，3m連管的暖房低溫油面試驗的油面狀況已OK， 修改后的EEV控制需同時滿足3m連管試驗的油面要求，因此對策的修改幅度不宜太大。

對策方案：于外機程序中，通過修改相應時間段內控制EEV開度的參數(shù)值，使EEV的開度增大，以避免壓縮機啟動后因系統(tǒng)流量驟減而引起的回油過慢，達到改善油面的目的。

刷新外機程序T1.19后，進行暖房低溫油面試驗，啟動后泡沫面降至B面以下的持續(xù)時間為2min53s；穩(wěn)定運行時，油面處于下視鏡的75%，其他基準條件均符合，結果合格。對策前后的運行數(shù)據(jù)對比和對策后的曲線分別見表1、圖5（注：為了參照對比，在圖5中同樣以圓圈和矩形標示出相應的變化區(qū)域）。最后，將連管換成3m再驗證，泡沫面降至B面以下的持續(xù)時間為1min05s，穩(wěn)定運行時，油面處于下視鏡的75%，結果同樣合格，證明對策有效。

6 結束語

根據(jù)以上的討論，我們認為在分析和制定低溫油面對策時，以運行時間作為線索，利用壓縮機頻率曲線、電子膨脹閥開度曲線和排氣過熱度曲線進行參照對比，能更直觀和迅速地找到導致油面低下的原因和采取針對性的方案，并為日后解決同類型問題提供了有效參考。

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