冷媒散熱在家用變頻空調(diào)中的應(yīng)用

王 敏

格力電器股份有限公司 廣東 珠海 519070

1 冷媒散熱變頻空調(diào)制冷系統(tǒng)原理

1.1 單項(xiàng)節(jié)流閥原理

如圖1所示，為單向節(jié)流閥的具體結(jié)構(gòu)。在采用冷媒散熱方案的家用變頻空調(diào)中，其單向節(jié)流閥的工作原理是通過內(nèi)部的一個(gè)能夠自由活動(dòng)的節(jié)流閥芯實(shí)現(xiàn)節(jié)流。當(dāng)冷媒沿著箭頭方向流經(jīng)閥門時(shí)，會(huì)產(chǎn)生節(jié)流效果。當(dāng)冷媒逆著箭頭方向流經(jīng)閥門時(shí)，則會(huì)直接通過，不會(huì)產(chǎn)生節(jié)流效果。

圖1 單向節(jié)流閥結(jié)構(gòu)

1.2 冷媒散熱的制冷系統(tǒng)原理

如圖2所示，為家用變頻空調(diào)的冷媒散熱制冷系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)和普通變頻空調(diào)制冷系統(tǒng)的區(qū)別主要表現(xiàn)在室外機(jī)的高壓閥部件上。當(dāng)前階段，廣大家庭常用的變頻空調(diào)中，其室外機(jī)電控和高壓閥部件之間并不存在接觸，冷媒散熱變頻空調(diào)則正好與之相反。后者在制冷運(yùn)行的過程中，從空調(diào)壓縮機(jī)中排出的高溫高壓氣體在經(jīng)由冷凝器冷凝處理后形成的制冷劑液體會(huì)流向高壓閥部件，由于制冷劑液體的溫度比空調(diào)室外電控模塊的溫度要低，因此可以通過室外電控接觸的銅管將后者的熱量帶走，以此達(dá)到降低室外電控模塊溫度的效果。制冷劑液體在經(jīng)過電控模塊后，會(huì)經(jīng)由單向節(jié)流閥進(jìn)行節(jié)流降壓，轉(zhuǎn)化為低溫低壓液體輸送到蒸發(fā)器，在其中經(jīng)過換熱轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w形態(tài)，轉(zhuǎn)回空調(diào)的壓縮機(jī)內(nèi)，完成整個(gè)循環(huán)過程。

圖2 冷媒散熱變頻空調(diào)制冷系統(tǒng)原理圖

2 高壓閥部件對(duì)比

2.1 常規(guī)變頻空調(diào)的高壓閥部件

如下圖所示，為常規(guī)家用變頻空調(diào)的高壓閥部件結(jié)構(gòu)，由于空調(diào)的室外電控模塊和該部件不存在接觸，因此在空調(diào)制冷系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，只能通過電控模塊自身配備的片狀散熱鋁片進(jìn)行散熱，并借助空氣實(shí)現(xiàn)對(duì)流。結(jié)合實(shí)際情況來看，散熱效果不理想。

圖3 常規(guī)家用變頻空調(diào)高壓閥部件結(jié)構(gòu)

2.2 冷媒散熱方案變頻空調(diào)的高壓閥部件

通過上文的原理分析我們已經(jīng)知道，采用冷媒散熱方案的變頻空調(diào)在進(jìn)行室外電控模塊散熱時(shí)，主要是通過高壓閥部件銅管內(nèi)部的冷媒來實(shí)現(xiàn)的。因此高壓閥部件必須和電控模塊中配置的散熱鋁片相接觸，如此才能達(dá)到散熱的效果。如下圖所示為冷媒散熱變頻空調(diào)的高壓閥部件。冷媒散熱變頻空調(diào)的制冷和制熱節(jié)流需要在散熱模塊兩邊分別設(shè)置獨(dú)立的節(jié)流閥進(jìn)行控制，以確保經(jīng)過變頻器的冷媒冷凝液未經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降溫，冷凝液進(jìn)入散熱模塊前溫度始終高于環(huán)境溫度但遠(yuǎn)低于電控模塊溫度，從而有效避免因冷凝液溫度低于環(huán)境溫度引起散熱模塊表面冷凝結(jié)露產(chǎn)生水漬，威脅到外機(jī)電控模塊運(yùn)行的可靠性。

此外，可以在變頻器上設(shè)置IPM驅(qū)動(dòng)帶，將散熱器的一側(cè)面和該驅(qū)動(dòng)帶相連接。驅(qū)動(dòng)帶上設(shè)有溫度傳感器，其與控制器相連。控制器內(nèi)部的存儲(chǔ)器上預(yù)設(shè)散熱器目標(biāo)溫度值和極限溫度值。在空調(diào)運(yùn)行的過程中，驅(qū)動(dòng)帶對(duì)散熱器表面的溫度信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測，并傳送給控制器，將實(shí)際溫度和預(yù)設(shè)散熱器目標(biāo)溫度值以及極限溫度值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)比較結(jié)果可調(diào)整壓縮機(jī)運(yùn)行頻率參數(shù)。例如，散熱器溫度低，則壓縮機(jī)頻率允許提高，相反則壓縮機(jī)運(yùn)行頻率不能增加或需要調(diào)低，以保護(hù)變頻器電控模塊。

3 常規(guī)與冷媒散熱變頻空調(diào)的性能實(shí)測對(duì)比

為了更加全面的了解采用冷媒散熱變頻空調(diào)的實(shí)際性能，本文分別采用了一套2匹和3匹變頻家用空調(diào)柜機(jī)對(duì)常規(guī)和冷媒散熱的性能進(jìn)行了對(duì)比分析。通過對(duì)不同室外環(huán)境溫度下制冷效果和電控模塊溫度控制情況的實(shí)際測量來看，2匹機(jī)運(yùn)行中，在室內(nèi)溫度為32/23時(shí)，若室外溫度為43、48以及55的情況下，冷媒散熱變頻空調(diào)的運(yùn)行效率要均稍高于常規(guī)變頻空調(diào)，同時(shí)排氣溫度也相對(duì)較高。而電控模塊溫度方面，冷媒散熱空調(diào)的整流橋堆溫度和IGBT表面溫度都相對(duì)偏低，平均溫差在1℃以上。而根據(jù)制冷能力的效果來看，隨著溫度的不斷增加，常規(guī)和冷媒散熱變頻空調(diào)的運(yùn)行效率都會(huì)出現(xiàn)下降，在相較而言，冷媒散熱變頻空調(diào)的運(yùn)行效率始終高于常規(guī)空調(diào)。而在制冷能力方面，冷媒散熱變頻空調(diào)也始終優(yōu)于常規(guī)空調(diào)。使用3匹機(jī)進(jìn)行實(shí)測時(shí)，在同樣的實(shí)驗(yàn)工況下，對(duì)比分析結(jié)果和2匹機(jī)基本相同，不論是運(yùn)行發(fā)熱結(jié)果還是制冷能力結(jié)果，冷媒散熱變頻空調(diào)所所表現(xiàn)出的綜合性能都要優(yōu)于常規(guī)空調(diào)。具體運(yùn)行數(shù)據(jù)見下表所示。

表1 空調(diào)制冷運(yùn)行發(fā)熱結(jié)果

經(jīng)過綜合分析之后可知，對(duì)于2匹或是3匹變頻空調(diào)而言，采用常規(guī)散熱方案時(shí)，想要避免電控模塊出現(xiàn)溫度過高而損壞的情況，在高溫環(huán)境條件下，必須要降低制冷運(yùn)行效率。與之相對(duì)，采用冷媒散熱方案時(shí)，則能夠在保障電控模塊溫度有效控制的基礎(chǔ)上，兼顧制冷運(yùn)行效率。根據(jù)實(shí)測結(jié)果，在工況相同的情況下，冷媒散熱變頻空調(diào)的制冷運(yùn)行頻率要高出常規(guī)空調(diào)2～6Hz。造成這種現(xiàn)象的主要原因即冷媒散熱采用的是傳導(dǎo)換熱的方式，相較于傳統(tǒng)的鋁片散熱效率更高，使得電控模塊溫度可以下降1～2℃。變頻空調(diào)電控模塊的溫度越低，其運(yùn)行的穩(wěn)定性越高，相應(yīng)的其使用壽命也就越長。由此可見，冷媒散熱方案在變頻空調(diào)領(lǐng)域具有較高的推廣價(jià)值。

結(jié)束語：

綜上所述，相對(duì)于常規(guī)家用變頻空調(diào)所采用的散熱鋁片，冷媒散熱方案所采用的高壓閥部件和鋁片接觸，利用冷媒換熱的方式具有更為顯著的優(yōu)越性，不僅有利于電控模塊溫度的控制，提高模塊運(yùn)行可靠性和使用壽命，同時(shí)也可以保障空調(diào)的制冷效果。因此，在未來的變頻空調(diào)產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)中，可以考慮使用冷媒換熱方案。