壓縮機儲液器回油孔設置對空調性能影響分析

王喜成

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

0 引言

房間空調器是小型空氣調節裝置，通過模式切換實現制冷量、制熱量輸出。影響空調設備能力輸出的影響因素很多，葉務占[1]從空調用分流器個體差異方面闡述其對空調性能一致性的影響，王喜成[2]從分流器結構及擺放方式闡述對換熱器性能的影響，楊強、戴立生[3]則闡述了蒸發器親水性對空調性能的影響。以上研究從影響換熱器換熱量的因素出發進行多方面論證，并提出了有效的改善措施。崔嵩、孟亞鵬等[4]研究了壓縮機轉速與回油率對空調性能的影響，張永亮、眭敏[5]研究了滾動轉子式壓縮機裝配間隙對空調性能一致性的影響。以上研究從壓縮機吐油、結構裝配方面說明了影響因素。郭宋、洪宇峰等[6]從可靠性方面闡述了儲液器回油孔的重要性及設置要點，但未涉及回油孔設置對性能的影響。壓縮機的泵體零件氣缸、滾子等之間的配合面是制冷劑泄露的主要通道，通過潤滑油進行密封和冷卻，如果潤滑油的密封性能變差，必然導致泄漏量增加，進而影響空調制冷、制熱的性能輸出。文章通過對產品開發中遇到的問題進行闡述、分析、以及優化方案的驗證，展現了回油孔的設置對空調性能的影響，為空調開發過程中同類問題的解決提供經驗借鑒。

1 性能異常現象

1.1 實驗樣機

實驗樣機配置如表1所示。

表1 實驗樣機配置Table 1 Experimental prototype configuration

1.2 壓縮機儲液器回油孔

回油孔距離儲液器底面距離為標記為H，如圖1 所示，未優化前H=38mm。

圖1 壓縮機回油孔示意圖Fig.1 Schematic diagram of the compressor oil return hole

1.3 測試數據及測試現象

壓縮機結構數據如表2所示。

表2 壓縮機結構數據Table 2 Compressor structure data

在室內20℃/12℃，室外2℃/1℃工況下，以135Hz 運行時，制熱量達不到5000W 的目標要求，主要變現為制熱周期內，排氣溫度高，開機的初期和末期室外機盤管溫度降低較大，運行后期的制熱衰減量大，制熱量測試數據如表3 所示。測試峰值制熱量滿足目標值（6100W），但周期平均制熱量偏低目標值約455W，進入化霜前制熱量僅4546W，相比峰值制熱量衰減約26.2%，運行中后期制熱量衰減嚴重是導致制熱量低的主要原因。

表3 制熱量測試數據Table 3 Heating test data

樣機運行過程中的關鍵參數排氣溫度、室外換熱器盤管溫度、電子膨脹閥開度變化如圖2、圖3所示。

圖2 排氣溫度、室外機盤管溫度變化圖Fig.2 Exhaust temperature,outdoor unit coil temperature change diagram

圖3 排氣溫度、膨脹閥開度變化圖Fig.3 Discharge temperature,expansion valve opening change chart

圖2 中樣機的排氣溫度上升的速度快，且幅度較開發經驗值（85℃左右）偏大約10℃，同時樣機的室外機盤管溫度在開機的前幾分鐘以及運行周期的后期都有出現大幅降低。由于控制上是通過目標排氣調節膨脹閥開度，樣機排氣偏高引起電子膨脹閥開度較開發經驗值偏大約40B，如圖3 顯示，節流變弱進而引起室外側換熱溫差減小，制熱量變低。

2 問題分析

2.1 理論推導

從上述現象推導出以下結論：

（1）機組以設置的目標排氣溫度（85℃）為目標進行電子膨脹閥調節，直至接近目標值，由于排氣偏高的幅度較大，所以運行中膨脹閥一直開大，符合控制邏輯要求。

（2）排氣高可能的原因有：①吸氣比容大導致經壓縮后排氣溫度高或者目標排氣本身設置偏高不合理；②由于電機靠排氣和潤滑油流動冷卻，排氣的質量流量變低，導致排氣溫度偏高。本次采用證偽法進行推導排除，假設是第一種原因導致排氣高，那么從理論上講，通過開大膨脹閥或者增加制冷劑量，又或者降低目標排氣值可以有效改善制冷劑流量，進而降低排氣溫度，提升制熱量。但是經過實驗驗證，開大膨脹閥開度、降低目標排氣值以及增加制冷劑量，均沒有明顯改善，制熱量測試數據如表4、表5 所示，實驗現象不符合理論推導，假設不成立。

表4 調整膨脹閥開度及降低目標排氣后制熱量測試數據Table 4 Adjust the expansion valve opening and reduce the heat generation test data after the target exhaust

表5 增加制冷劑量后制熱量測試數據Table 5 Heating test data after increasing the refrigerant dose

假設是第二種原因，結合膨脹閥開大和增加制冷劑量的影響因素排除，那么有可能是制冷劑泄露引起的實際的有效排量降低引起排氣偏高。究竟是什么因素導致的泄露呢？壓縮機滾子與法蘭、氣缸內壁間隙是制冷劑泄露的主要通道，而配合面通過潤滑油進行密封，如果潤滑油的溫度較高或者油量不夠，就會降低油膜厚度及潤滑油的流動性，進而降低潤滑油的密封效果，導致泄露增加和排氣溫度升高。壓縮機的回油路徑主要有機內回油、吸氣制冷劑混合帶油和壓縮機儲液器內通過回油孔的回油，壓縮機的回油孔設置過高會增加回油的難度，再加上高頻下奔油量增多，可能會出現回油量不足問題，引起潤滑及密封效果變差，同時高頻運行下壓縮機的運行壓力比增大，加劇了泄露，實驗現象符合理論推導，假設成立。

2.2 優化驗證

根據上述推導，優化后回油孔高度H=18mm。理論上講，由于低頻下壓縮機的奔油量少，且儲液器內容易匯聚較多的制冷劑，由于制冷劑的密度大于潤滑油的密度，降低回油孔高度后，液態制冷劑更容易優先從回油孔進入壓縮機泵體，降低泵體及排氣溫度。因此，在低頻下，優化前、優化后在同等條件下要達到同一目標排氣，優化后膨脹閥的開度相比優化前要小一些，而且由于進入泵體的制冷劑量增加，壓縮機做功也會有所上升。因此在驗證方案上，設計了高頻（低溫制熱量）和低頻下的性能驗證（中間制冷量/中間制熱量）。

優化前排氣溫度高，如果僅調整回油孔位置，膨脹閥初始開度及目標排氣值不變條件下，優化后排氣溫度上升速度、初期抽吸導致的室外機盤管溫度降低幅度都會有所減小，但是目標最優排氣設置偏高，會導致運行過程中膨脹閥開度不斷減小，低壓降低，造成運行過程中結霜速度加快，引起制熱衰減快，如圖4 所示。

圖4 回油孔優化前后運行關鍵參數對比Fig.4 Comparison of key parameters of operation before and after oil return hole optimization

理論上分析，壓縮機潤滑油量增加后，可以更好的冷卻泵體和密封間隙，最優排氣溫度會降低。基于此，對目標排氣進行下調，實際測試制熱量確有大幅提升，調整初始開度及目標排氣后制熱量測試數據如表6 所示。

表6 調整初始開度及目標排氣后制熱量測試數據Table 6 Adjust the initial opening and the heat generation test data after the target exhaustt

回油孔優化及降低目標排氣后，實際測試制熱量4895W，較優化前制熱量增加349W，化霜前制熱量衰減率從26.2%降低至8%，運行關鍵參數對比如圖5 所示。

圖5 回油孔優化及降低目標排氣后運行關鍵參數Fig.5 The return hole optimizes and reduces the key parameters of operation after the target exhaust

從圖5 可以看出，增大初始開度且降低目標排氣后，運行過程中室外機盤管溫度的穩定性變好，沒有出現大的波動。

低頻下（中間制冷量/中間制熱量）的驗證數據如表7 所示。數據趨勢符合預期推導，從側面佐證了壓縮機缺油對空調性能的影響的理論分析的正確性。

表7 優化后低頻性能測試數據Table 7 Optimized low-frequency performance test data

3 總結

壓縮機作為空調系統的主要核心部件，決定著制冷空調系統的性能和使用壽命，壓縮機中的潤滑油主要起到潤滑、冷卻和密封等作用。壓縮機運行最怕的是缺油，缺油一方面對旋轉運動部件的磨損、電機的溫升退磁都會帶來不可逆的損傷，另一方面密封性和流動性變差，會引起制冷劑泄露增大及泵體的冷卻效果變差，排氣溫度升高，大大降低壓縮機的容積效率，增加能耗，對空調的性能輸出產生較大的影響。一般在出現壓縮機部分缺油（缺油量不至于引起旋轉部件卡死）時，外在表征上較開發經驗往往是性能輸出較大下降、排氣溫度較大升高，因此在產品開發設計中，遇到上述的異常特征時，除了核查導致上述現象的節流裝置是否堵塞、制冷劑充注量是否充足外，壓縮機的回油效果確認也不可忽視。

壓縮機的回油主要包括機內循環回油和空調系統循環回油。其中在空調系統循環回油中，儲液器回油孔的設計至關重要，要充分結合高頻回油效果、低頻回液效果進行綜合評估。