轉子壓縮機快速重啟技術的研究與應用

高斌 高強 李華明

廣東美芝制冷設備有限公司研發中心 廣東順德 528333

1 引言

隨著轉子壓縮機的技術發展，全球大多數地區的家用空調中采用的是滾動轉子壓縮機。然而，北美風管機目前95%以上采用了定速渦旋壓縮機，其中轉子機能力可覆蓋的入門級產品年銷量約300萬臺。目前北美風管機主流產品采用了non-bleed TXV作為節流部件，在停機后TXV自動關閉，使兩器具有保壓效果，當壓縮機再啟動后，系統能很快達到工況平衡，從而具有更佳的能效及舒適性。

當這種使用TXV節流部件的風管機使用常規的轉子壓縮機時，由于系統保壓，在停機3 min后壓縮機吸排氣側仍存在較大的壓差，不能滿足轉子壓縮機起動壓差小于0.1 MPa的要求，產生系統停機3 min后壓縮機無法啟動的問題。基于此，本文提出了一種轉子壓縮機壓差啟動技術方案，使轉子壓縮機滿足北美風管機的使用要求，以把握當前北美風管機市場使用轉子壓縮機替代渦旋壓縮機的契機，使自主品牌轉子壓縮機打入以往以歐美品牌渦旋機為主的北美市場，從而拓展轉子壓縮機的功能和應用領域，推動轉子壓縮機的技術進步。

2 背景分析

為明確技術要求，首先對non-bleed TXV北美風管機系統進行運行停機后的內部壓力變化測試，評估由于non-bleed TXV自動關閉對壓縮機啟動帶來的影響。

該系統為北美某品牌定速風管機系統，原型機采用的是定速渦旋壓縮機，系統節流方式為正向（制冷）Non-bleed TXV節流，反向（制熱）短管節流。實驗采用的轉子壓縮機為GMCC常規轉子式定速壓縮機，其制冷能力與原渦旋壓縮機相當。

在北美風管機標準AHRI_Standard_210-240要求的DOE B工況下，對匹配了上述轉子壓縮機的系統進行測試：當系統運行穩定后停機，測試得到壓縮機吸排氣側的壓力，計算從停機到平衡的時間。

標準DOE工況穩定運行停機前，壓縮機吸排氣壓差約為1.1 MPa，停機后TXV開度逐漸減小至關閉，直到當吸排氣側壓差達到0.1 MPa以下時，所需時間約為25 min，在此壓差下壓縮機可順利啟動。若在高溫制冷工況（干/濕球溫度：室內26.7/19.4℃、室外46.1/-℃）測試，吸排氣側壓差從穩定運行后停機到壓力平衡的時間約40 min。

因此，當原采用渦旋機的風管機系統改用轉子壓縮機后，系統在DOE B工況運行停機后，至少要等待25 min后壓縮機才能重新啟動，遠長于系統要求停機后3 min重啟的時間要求。

因此，必須設計合適的解決方案，以同時實現停機后換熱器保壓且轉子壓縮機3 min后可重啟的要求。

3 方案設計及分析

針對解決轉子機帶壓差啟動問題，提出了電磁三通閥的壓力控制方案。通過該外置三通閥的換向操作，在系統運行時不影響正常工作，系統停機后可同時實現系統兩器的保壓及壓縮機吸排氣側的快速壓力平衡，從而同時滿足保壓及快速重啟的要求。

如圖1所示，該電磁三通閥壓力控制的實質是通過三通端口的連通切換，同時實現兩個目標：一是在需要時連通壓縮機吸排氣側以平衡高低壓；二是隔斷高低壓換熱器的壓力連接，實現保壓效果。

圖1 三通閥與系統連接圖

圖1中，1是壓縮機、2是冷凝器、3是蒸發器、4是non-bleed TXV、5是熱泵系統常用的四通換向閥，若是單冷系統，則無此部件。6為本方案的先導式電磁三通閥，其中A端接壓縮機排氣，B端連接系統四通閥入口，C端連通壓縮機進氣管，通過壓縮機運行及停機的電信號反饋，可以實時控制三通閥動作，實現AB連通和AC連通的切換，同時空閑端口被截斷封閉，方案概要匯總如表1所示。

表1 三通閥技術方案概要

為實現三通閥的換向，可參考制冷系統成熟的先導式電磁四通換向閥，設計一種先導式電磁三通換向閥，通過電磁先導閥控制主閥閥芯兩側高低壓的切換，通過壓差力控制閥芯的移動，實現三通端口的開關切換。

如圖2所示是先導式三通換向閥的主閥體結構及制冷系統的安裝示意圖。相比四通換向閥，在主閥體的閥芯一側增加了復位彈簧，其作用是在系統內部完全壓力平衡推動主閥芯移動，復位到AB連通C封閉的默認狀態。

圖2 先導三通閥及系統安裝示意圖

4 實驗分析

在前文中所述的北美風管機系統上進行了先導式三通閥方案的驗證實驗，確認系統停機保壓效果及壓力平衡后重啟功能。

如圖2所示，三通閥設置在壓縮機與四通換向閥之間，圖中為壓縮機運行狀態。其中，先導式三通閥只需要通過繼電器與壓縮機電源連接：壓縮機通電時三通閥斷電，此時AB連通C封閉，其中AB連通實現正常排氣，C封閉避免壓縮后的高壓回流至低壓側；壓縮機停機后三通閥通電，此時AC連通B封閉，其中AC連通實現壓力平衡，B封閉實現兩器保壓。實驗結果概要如表2所示。

表2 三通閥實驗驗證結果概要

測試過程中，利用空調焓差室壓力監控接口同步測試系統冷凝器壓力Pc、蒸發器壓力Pe、壓縮機吸氣管壓力Ps、排氣管壓力Pd，記錄壓力變化曲線，分析確認啟動-運行-停機-平衡-重啟過程的壓力變化情況，以驗證方案的有效性。

4.1 系統保壓確認

當壓縮機斷電時，電磁先導閥控制主閥芯移動，控制閥端口AC連通而B端口封閉，壓縮機吸排氣側壓力通過AC泄壓而平衡，高壓側換熱器內的制冷劑則被閥芯隔斷實現保壓。

由于壓縮機內部機構存在運動間隙，壓縮機高低壓側直接連通系統的高低壓換熱器，無三通閥時，兩器壓差作用下，制冷劑會通過間隙泄漏導致兩器壓力逐漸平衡。

有三通閥時，由于B端封閉的密封作用，冷凝器向間隙的流動有效減緩，強化了保壓效果。根據實驗結果，保壓時間由無閥的25 min延長到帶流向控制閥的245 min，證實閥的密封保壓效果滿足要求。

4.2 重啟時間驗證

重啟時間驗證一方面要確認停機后壓縮機吸排氣管的壓力平衡時間是否滿足3 min的要求，另一方面，確認壓力平衡后壓縮機是否可以順利重新啟動。

進行了5組啟動-運行-停機-平衡-重啟測試，壓力變化曲線如圖3所示。圖中藍色為壓縮機殼體內壓力Pd，綠色為冷凝器壓力Pc，下方的紫色為蒸發器壓力Ps。

圖3 停機重啟過程壓力變化曲線

根據實驗數據，停機后三通閥動作使AC端口連通泄壓，20 s后吸排氣已完全壓力平衡，此時啟動壓縮機，全部5組實驗均順利重啟。由于保壓作用，重啟前的冷凝器的壓力Pc處于較高壓力狀態，啟動后AB連通時會產生氣流從冷凝器到壓縮機殼體內的流動，使殼體內的壓力快速上升。經過多次的實驗驗證可以看出，這種回流對壓縮機的啟動不會產生大的影響。

這是由于，一方面先導式三通閥的切換時長較小，且從冷凝器到壓縮機殼體內之間的管路存在阻力，疊加殼體內部較大的空間緩沖，在這個過程中壓縮機已完成啟動，不會影響壓縮機啟動瞬間的平衡狀態；另一方面，啟動后殼體壓力在回流作用下的上升速度會大于正常壓縮的上升速度，但轉子壓縮機排氣閥片的開啟是根據排氣壓力的變化自動調節的，也不會存在運行問題。

4.3 自動復位驗證

自動復位驗證主要是確認彈簧的功能。當系統所有部件均壓力平衡時，停機后AC連通，即壓縮機的吸排氣管直接連通，此時即使三通閥的先導閥換向，由于主閥芯兩側的壓力相同，若無彈簧力的作用，主閥芯將仍然處于AC連通的狀態，制冷劑在壓縮機吸排氣管直接內循環，無法建立系統壓力。因此，本文開發的壓差啟動閥在傳統換向閥的基礎上增加了復位彈簧，以解決完全平衡情況下的復位問題。

為了驗證復位效果，需要在停機狀態下達到系統完全壓力平衡，如前文所示，系統自動達到平衡需要的時間過長，因此，在停機狀態下，手動對三通閥反復通斷電，使閥芯在AB-AC間切換，以加快系統的壓力平衡，從而達到快速驗證復位作用的目的。當系統兩器及壓縮機吸排氣壓力完全平衡后，啟動壓縮機監控系統壓力變化，確認主閥芯是否正常復位，工況壓力達到后再次停機，進行重復多次驗證。

實驗結果如圖4所示，圖中藍色為壓縮機殼體內壓力Pd，綠色為冷凝器壓力Pc，下方的紫色為蒸發器壓力Ps。經過多次手動調節壓力平衡后啟動實驗驗證，系統停機后AC連通后壓縮機吸排氣均可快速壓力平衡，壓縮機可正常啟動，啟動后系統快速建立壓力，判斷閥芯在彈簧作用下復位功能良好。

圖4 系統完全平衡啟動后壓力變化曲線

通過上述系統實測驗證，增加了復位彈簧的先導式三通閥方案在停機后系統保壓效果良好，且壓縮機吸排氣側壓力可快速平衡并順利重啟，達到方案設計的目標，可以滿足在北美風管機產品中的應用要求。

5 結論

本文通過對北美風管機系統進行實驗研究，明確了停機后系統壓力變化特點，提出了壓縮機外置先導式電磁三通換向閥的方案，并通過了實驗驗證。進一步地，針對系統完全壓力平衡后的閥復位問題，設計了閥芯彈簧復位結構，并通過了效果驗證。結果顯示，方案的性能、可靠性均達到設計目標要求，可同時滿足系統兩器保壓及壓縮機快速重啟的要求。