空調四通閥換向不良原因分析及預防

徐偉堂

（廣東美的制冷設備有限公司 佛山 528311）

引言

空調用四通閥屬于方向控制閥的一種，是用于熱泵型空調中改變制冷劑的流向，，以實現制冷模式和制熱模式的轉換位目的的產品，適用于中央、單元式和房間空調等熱泵型空調系統。它被用來切換冷媒流通路徑，從而使空調實現夏天制冷和冬天制熱一機兩用的目的。四通閥主要由先導閥和四通氣動換向閥（主閥）和電磁線圈三部分組成（圖1）。先導閥主要由電磁線圈、閥體、滑碗以及毛細管a、b、c、d等組成；主閥主要由滑塊、閥體、閥碗、連桿、接管D、E、S、C等組成。四通閥在使用過程中，通過對電磁線圈通斷電實現先導閥滑碗的左右移動，并控制主閥內滑塊的移動，進而切換壓縮機、室內換熱器、室外換熱器、節流元件等的鏈接，實現空調制冷和制熱功能切換。

圖1 四通閥結構（制熱模式）

造成四通閥換向不良的原因有很多，主要包括：四通閥在冷媒流量小或者環境溫度比較低時，此時四通閥的換向壓差小，不足以推動活塞換向[1]；當環境溫度低，冷媒流量小時，四通閥的主滑塊可能會停滯在中間狀態，進而出現換向不良，因此變頻系統中流量較小時需要升高壓縮機的頻率來保證四通閥的換向[2]；以及四通閥毛細管斷裂即冷媒的泄漏也會導致四通閥換向不良[3]。本文對售后市場反饋的空調制冷不制熱投訴的故障四通閥進行分析，找出四通閥換向不良的根本原因，并提出對應改善和預防措施。

1 換向不良原因分析

1.1 故障件分析

本文選取市場投訴制冷正常但是不制熱的空調進行分析，通過系統各部件分析最終確認為四通閥不換向所致。拆解四通閥本體和先導閥，四通閥本體未發現明顯異常。拆解和剖開先導閥時，發現先導閥小孔內存在堵塞物。堵塞物呈現糊狀白色物質（圖2），且完全堵住了毛細管孔。取出堵塞物質，對其進行成分分析，借助掃描電鏡下觀察其形貌為層片狀的顆粒結晶（圖3）。

圖2 先導閥毛細管孔堵塞

圖3 堵塞物質掃描電鏡形貌圖

1.2 堵塞物質成分分析

采用傅里葉變換紅外光譜儀對堵塞物質進行成分分析，確認堵塞物質酯類物質，與PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）材質有較強的相關性，如圖4所示。

圖4 堵塞物質的傅里葉變換紅外光譜圖

對該四通閥所在的空調系統排查涉及冷媒流路的零部件，PET材料僅用在壓縮機電機轉子的綁扎帶、絕緣紙，由此確認堵塞物質來源于壓縮機電機內部。

1.3 堵塞原因分析

PET是一種芳香族聚酯，其含內部含有大量活性較高的酯基，在高溫下會發生斷鏈的熱降解反應（圖5），形成小分子的低聚物[4]。研究表明冰箱的壓縮機內部產生了類似本研究的顆粒狀物質，系PET材料在130 ℃長時間的熱降解導致，降解的低聚物會溶解在130 ℃的冷凍油中，并在溫度相對較低的部件如消音器表面、活塞表面以及低壓閥片上緩慢析出，形成結晶狀物質[5]。熱降解產物的溶解和析出都是動力學過程，均與溫度有關，溫度越高溶解越快，溫度越低析出越快。PET材料在120 ℃下可以長期使用，短期可耐150 ℃高溫。在低于120 ℃的情況下，PET可以溶解但速度緩慢，同時溫度低于80 ℃時，PET可以析出[5]。

圖5 PET熱降解反應

圖6 外置保護器和內置保護器示意圖

圖7 排期感溫包包扎保溫棉改善

將壓縮機電機使用到的PET材料（電機絕緣紙和幫扎繩）放入一個全新的壓縮機儲液器重，同時沖入R22冷媒和壓縮機冷凍油。兩端用截止閥進行密封后整體放置于不同溫度下的高溫箱進行高溫存儲試驗，試驗后，將絕緣紙和幫扎繩取出，觀察絕緣紙和綁扎繩的變化，試驗結果如表 1。

通過上述試驗結果表明：電機絕緣紙在130 ℃高溫環境存儲360 h后，已經開始變薄，在160 ℃已出現脆化，此時表明絕緣紙材料已經存在高溫老化分解。分解產生的低聚物溶解于壓縮機冷凍油中，隨著冷媒（攜帶冷凍油）在系統中不斷循環。長此以往，在四通閥先導閥小孔內凝聚，進而堵塞先導閥，導致四通閥無法形成換向壓差。

本研究中堵塞位于先導閥的毛細管孔a（圖1）。當空調開啟制熱模式時，電磁線圈上電，先導閥的滑碗會右移，使壓縮機高溫高壓的排氣通過毛細管孔a。此時，如果空調制冷系統中的冷媒減少或存在低電壓運行等情況時，壓縮機的電機會處于過熱運行狀態，嚴重過熱時溫度會達到150 ℃以上。此時壓縮機電機定子的PET會高溫降解成低聚物，隨著高溫高壓氣體沿著壓縮機排氣管流入先導閥毛細管d孔。由于先導閥中的氣流量較低，空間狹小且內部的溫度較低，導致低聚物在通過小孔徑的毛細管孔a時，逐漸析出。隨著制熱時間的延長，低聚物聚集量增多，并最終完全堵住毛細管孔a。

2 整改措施

通過上述分析可知，造成四通閥先導閥堵塞的根本原因是由于壓縮機在異常工況下持續超高溫運行，造成內部PET材質高溫降解析出低聚物。為此，可以采取以下改善措施：

2.1 將壓縮機外置保護器更改為內置，提升溫度感應靈敏性

外置式過載保護器一般都安裝在制冷壓縮機外殼的密封接線柱上，要保持緊貼上蓋，從而保證靈敏的感知到制冷壓縮機外殼上的溫度異常。但是由于從電機的發熱傳輸到制冷壓縮機的外殼有一個傳導和對流的過程，從外殼發熱到被過載保護器感知到還有一個過程，因此這種方式的準確性和可靠性并不是特別好。

內置式過載保護器又被細分為綁扎式和插接式兩種：綁扎式的過載保護器顧名思義就是和電機線圈綁扎在一起，從而起到直接感應線圈溫度變化的目的，這種保護器的優點是反應非常的靈敏和準確。

因此，將外置式的過載保護器改為溫度感知更加靈敏、準確的內置式的保護器，

表1 不同溫度下PET材質存儲結果變化情況

2.2 將系統排氣溫度保護值降低5 ℃

排氣溫度保護屬于系統對壓縮機溫度保護其中的一種類型。壓縮機運行中，由于某些原因，例如系統漏開閥、臟堵和制冷劑缺失等原因會引起系統排氣溫度超過正常值，這不僅會造成壓縮機功耗增大，而且會使潤滑油結炭，繞組損壞，絕緣紙高溫融化等，影響壓縮機正常工作。為了避免排氣溫度過高，空調一般在離壓縮機排氣管（10～15）mm排氣管上設置排氣感溫包，進而對系統造成保護。

將系統排氣溫度保護值降低5 ℃，確保在排氣保護觸發時，壓縮機內部PET材質和絕緣紙溫度不至于過高，造成低聚物析出。

2.3 提高排氣溫度保護器監測精度

壓縮機運轉時，內部電機和泵體為發熱源，從電機和泵體的發熱被冷媒攜帶傳輸到制冷壓縮機的外殼和排氣管有一個傳導和對流的過程，同時排氣感溫包從銅管感知溫度也收到安裝及熱輻射的影響，造成感知溫度與實際溫度有較大差異。通過試驗表明，一般采樣溫度值與實際溫度值差異（5～10）℃左右，鑒于此，將排氣感溫包用保溫棉包住，降低對外熱輻射，提高排期感溫包感知精度，同時將排期感溫包增加修正值，便于更加真實反應壓縮機異常工作下內部溫度，反正壓縮機內部超高溫造成損壞。

3 總結

本文對四通閥換向不良的市場維修件進行分析，確認毛細管堵塞是造成換向不良的主因。通過分析堵塞物質的成分，及排查系統零部件材質，確認堵塞物系壓縮機電機定子PET材質在制熱狀態時高溫降解后在先導閥的毛細管孔析出。

針對該四通閥換線不良問題，可采取如下措施進行預防：

1）降低壓縮機溫度保護器的保護溫度，避免PET材質在壓縮機過熱狀態發生熱降解，同時建議溫度保護器內置，以便使壓縮機的檢測溫度更精確。

2）將外置保護器改為內置保護器，提升溫度感應靈敏性

3）將排氣感溫包進行保溫棉包裹，降低對外熱輻射，提高排期感溫包在系統異常工況下的溫度監測精度。