低油量R290旋转式压缩机的研究与开发

张诚（广东美芝制冷设备有限公司 研发中心，广东 佛山 528333）

经济与管理

低油量R290旋转式压缩机的研究与开发

张诚
（广东美芝制冷设备有限公司 研发中心，广东 佛山 528333）

基于R290冷媒旋转式压缩机，对低油量技术的应用进行了研究，以帮助R290空调系统满足标准的制冷剂充注量限制要求。首先，根据R290制冷剂的应用要求，明确了R290压缩机的设计要点，提出了低油量压缩机的设计思路。其次，根据旋转式压缩机的供油要求设计了低油量旋转式压缩机的结构，完成了供油能力CFD计算分析。再次，完成了低油量压缩机与普通压缩机的供油能力评价，并对比分析了压缩机的性能和耐久磨耗试验结果。最后，在同一套空调系统中，完成了系统性能和R290充注量对比试验，分析了R290低油量压缩机为空调系统带来的效果。研究结果表明，低油量旋转式压缩机可有效减少系统制冷剂充注量，并能保证压缩机及系统的性能和可靠性，具有良好的应用前景。

R290；低油量技术；供油量；制冷剂充注量

由于R22的ODP（臭氧层破坏潜值）不等于零，HCFC制冷剂R22已被“蒙特利尔议定”书列为限期逐步淘汰的制冷剂，中国政府也从2013年开始冻结R22制冷剂的使用量，并采取配额等制度按计划逐步削减R22的使用量，到2030年～2040年仅保留极低的维修使用量，以降低臭氧层进一步受到破坏。作为R22的替代工质，HFC类制冷剂R410A的GWP值比R22还大，将导致温室效应更为严重，“京都议定书”已将R410A列为受控排放的温室效应气体，所以R410A绝不是长远的替代方案，仅仅是作为过渡过程使用的制冷剂。

在环境保护的大背景下，自然界存在的天然制冷剂，如碳氢制冷剂R290，受到了人们的关注。R290具有优秀的环境友好性（ODP为0，GWP为20），且热力特性及物理特性优秀，是最有前途的长远性替代工质。并且，R290有着与R22非常接近的基本物性，其可燃性问题也可以通过减少制冷剂的充注量来有效降低风险，R290产品的市场已逐步打开。

近年来国内外对R290压缩机及空调器的研究逐步展开，减少充注量成为研究的焦点问题。从压缩机设计的角度来说，已提出了一些设计方向的思考，但尚未有针对减少充注量提出十分具体的设计方案。本文在理论分析和试验测试的基础上，提出从压缩机的角度来减少充注量应考虑的设计要点，并完成了结构方案的设计，为R290压缩机减少充注量设计提供了参考。

1　R290压缩机设计要求分析

1.1R290制冷剂应用要求

表1列出了二者的一些物性参数对比数据，R290作为R22的直接替代制冷剂，其与R22的很多物性很接近，替代性较好，并且还具有如能效更高、换热性质更好等特点。但是，根据ANSI/ASHRAE Standard 34-2010标准，R290是属于A3（无毒高可燃）类物质，这是与以往的制冷剂最大的区别。

表1　R22与R290物性参数对比表

由于其可燃性，在应用于家用空调等制冷系统中时，相关的标准如IEC 60335-2-40（2013）及GB 4706.32（2012）等均通过限制系统的制冷剂充注量来保证安全性。根据标准的要求，使用R290（丙烷）制冷剂的空调器，在不同的面积房间里使用，空调器的最大制冷剂充注量相比R22需要大幅降低。以1HP能力壁挂分体式空调器为例，传统的R22系统通常的制冷剂充注量约为800 g，而根据标准要求，R290系统的制冷剂封入量上限约为300 g，仅为R22实际使用量的37.5%。

因此，在R290制冷系统设计时，需要做减少充注量的针对性设计。首先应明确优化设计的方向，即要了解在R290系统中制冷剂的分布状态，以确定优化的方向。在制冷系统运转过程中，由于压力及温度的差异，制冷剂在系统中的分布情况并非按容积均匀分配，需要通过实验测试了解具体情况。

图1是制冷剂分布测试的原理图，通过将空调系统进行改造，在管路上安装了必要的电磁截止阀和接口后，在国标制冷工况下进行制冷剂分布测试，并对结果进行分析计算，得到系统各部分含有的制冷剂质量及百分比。试验结果如表2所示。

图1　制冷剂分布比例试验原理图

表2　R290系统中制冷剂分布比例

可以看出，在优化后的R290空调系统中，制冷剂主要分布在冷凝器中，占到总充注量的62%，其次是压缩机，为26%，而蒸发器与管路则相对较少。因此，要减少R290空调系统的制冷剂充注量，应当重点从冷凝器和压缩机两个方向去优化设计。也就是说，压缩机的设计对于R290空调系统制冷剂的充注量有着重要的影响，可以通过减少压缩机内的制冷剂含量来帮助系统减少充注量。

实际上，在系统运转过程中，由于R290与润滑油的相溶性极好，压缩机中的制冷剂主要是溶解在润滑油中，这些溶解的制冷剂停滞在压缩机中，不会参与系统循环，导致系统的制冷剂循环量不足。因此，要减少压缩机内的制冷剂含量，首先要减少R290压缩机的润滑油量，即通过低油量减少系统的制冷剂充注量。

1.2R290压缩机设计要点

旋转式压缩机在封入较少的润滑油时，压缩机油池内的油面会大幅降低，设计低油量的旋转式压缩机的目标，就是允许旋转式压缩机在更低的油面状况下运行，并能实现润滑和供油的能力。

根据旋转式压缩机的润滑要求，图2中提出了传统旋转式压缩机和低油量压缩机的不同油面设计要求，可以看出，在低油量压缩机中，需要解决曲轴供油能力提升问题和滑片供油保证问题，这是因为，一方面，由于油面降低，供油系统就需要将润滑油泵到相对更高的位置，必须提升供油系统的泵油能力；另一方面，油面降低后，滑片无法像以往那样直接浸在油中，因此，需要额外提供滑片的供油方法，以满足滑片部的润滑和密封要求。

图2　低油量压缩机设计要点

2　低油量压缩机的设计

综上，应针对性地采用适合低油量的结构设计，来满足曲轴与主轴承运动副及滑片的润滑要求。一方面要改善曲轴与主轴承内径的供油状况，另一方面，当油面低于滑片下端面时，能实现滑片的良好供油，最终保证压缩机的性能和可靠性。

2.1主轴承供油设计方案

曲轴油泵的泵油主要靠压差和离心力来实现，其中，压差是指曲轴中心油孔顶端与油池的压差，而离心力则与曲轴的转速、油泵的设计有关。曲轴的转速受限于压缩机的运转条件要求，因此，要提高主轴承的供油能力，从油泵的设计和提高压差两个角度都能有效的进行改善，相对于较成熟的油泵设计方法，本文主要对提高压差设计方案进行研究分析。

图3是典型的旋转式压缩机内部结构。在压缩机内部，电机上腔的压力因排气经过电机间隙产生压降而略低于电机下部空间即油池的压力，由于曲轴中心的油泵机构分别连通油池和电机上腔，这样就存在正压差，帮助油泵将润滑油供给到各运动副中。当油面较低时，润滑油供给到距离油面较高处运动副的油量可能出现不足，并且初始的上油时间会加长，带来可靠性的问题。在压缩机基本结构确定后，可通过提高油泵机构的正压差来改善供油。

图3　旋转式压缩机内部结构示意图

考虑到在压缩机的运转工况下，油池的压力是确定的，因此，可以考虑减小油泵顶部出口处的压力来提高压差。图4设计了转子风扇方案，将转子上端的铸铝改造加工成类似叶片风扇结构，利用转子随曲轴的高速转动，使连通转子风扇中心的油泵上端出口的压力降低，来提高油泵机构的正压差。

图4　转子风扇设计模型

为确认该设计方案的可行性，利用CFD仿真分析软件STAR CD对原始模型和设计方案进行了仿真对比分析，两种模型的内部压力分布及泵油高度结果分别如图5和图6所示。

分析结果显示，采用转子风扇仕样后，在相同的压缩机运转条件下，相比原始模型，转子风扇设计方案曲轴泵油机构的压差较高，如图5所示。另外，根据图6中竖直中截面VOF计算结果，相同条件下转子风扇设计方案的油泵中心润滑油能到达的高度明显高于原始模型。仿真计算结果说明转子风扇设计方案能够明显提高曲轴泵油机构的正压差，从而提高曲轴油泵机构的泵油高度。

图5　压力分布计算结果截面图

图6　泵油高度对比计算结果

也就是说，初步判断利用转子风扇可以使曲轴油泵在油面较低时也能够达到较高的泵油高度，从而满足曲轴与主轴承内径的供油要求，保证压缩机的性能及可靠性。

2.2滑片供油设计方案

设计低油量（面）时的滑片供油方案的主要目的，是为了保证即使压缩机内的油面低于滑片下端面，滑片也能够获得有效的供油润滑状态。由于油面低于滑片下端面，滑片无法直接接触到润滑油，需要通过其它的途径在压缩机运转时给滑片供给润滑油。

图7是滑片及相邻部件装配示意图。在压缩机运转时，滑片作前后往复运动，滑片前半部因会进入到汽缸内部，接触到汽缸内的冷媒和润滑油，可以实现其润滑和冷却效果，因此，更关注滑片尾部的供油。

图7　滑片供油结构示意图

如图8所示，我们在主轴承上设计出导流的供油槽，通过供油槽收集的从压缩机上部及主轴承顶端流回的润滑油，导流至滑片尾部竖直孔中并流经滑片，能保证滑片尾部从上到下均能有油供给，实现滑片后半部的润滑冷却作用，从而达到与滑片浸在油池中同样的效果。这样，即使在滑片无法直接浸在油池中，滑片也能实现良好的供油。

图8　滑片供油槽示意图

3　试验验证分析

在完成设计和理论分析之后，进行样机的实机试验验证，包括压缩机的单体试验和搭载系统的性能试验等，确认相同的机种在普通油量结构和应用了上述的低油量结构的情况下的差异，判断其可行性。

3.1供油量试验

这里所述的供油量试验包括曲轴与主轴承内径的供油量试验和滑片的供油量试验，试验中压缩机的主要结构相同，差异在于油量及有无上述的低油量结构应用。

主轴承供油量试验主要是在相同的条件下对比应用了转子风扇设计方案后相比普通油量时的供油量，以确认其是否出现恶化。而滑片供油方案的验证则是为了确认该方案流经滑片的油量水平，给可靠性试验提高参考。

图9是主轴承和滑片供油量对比试验结果。根据试验数据，若以普通油量结构机种的主轴承上端出油量作为基准，则在仅减低油量即低油量的情况下，由于油面降低导致主轴承供油量明显减少，这会给压缩机的运行带来问题。当在相同的低油量情况下，加上转子风扇设计方案后，相同的条件下，主轴承供油量改善明显，基本达到了普通油量的供油水平，可以满足压缩机的运转供油要求。

另外，由于滑片供油量是低油量设计时应用的新评价方法，因此，本试验的结果也以主轴承供油量作为参照说明，根据试验中观察到的滑片供油量的状态及供油量数值，初步判断供油槽结构可以满足滑片供油的需求。

图9　压缩机供油量试验结果对比

3.2压缩机性能及耐久试验

参考供油量试验的结果，初步判断在低油量时，利用转子风扇及供油槽结构可以满足压缩机主轴承及滑片供油的需求，因此，继续推进了压缩机的性能（制冷量）和耐久试验确认。

图10和图11分别是压缩机在现有结构时普通油量和低油量以及应用了低油量设计方案的转子风扇和供油槽结构时的性能和1KH耐久后相关零件的磨损量对比。可以看出，在低油量（面）状态下，若不应用新结构设计方案，在低油量时供油困难的主轴承/曲轴及滑片的润滑和密封状态恶化，导致能效比下降及磨损加剧。

图10　压缩机性能数据对比

图11　压缩机耐久磨耗数据对比

通过低油量的转子风扇及供油槽设计方案的应用，可以明显改善上述问题，且压缩机的能效比略有提升，零件的磨损与普通油量时相当，具有良好的应用效果，满足压缩机性能和可靠性的要求。

3.3系统性能及冷媒量试验

将压缩机匹配系统进行性能对比测试，是低油量结构可行性的重要判定条件之一。利用单体性能对比测试的普通油量结构和低油量结构的压缩机搭载同一台R290 RAC系统，以普通油量系统数据作为基准，分别对比GB制冷和GB制热条件下能力、功率及能效结果，并确认低油量对系统制冷剂充注量的低减效果，结果如表3所示。

表3　不同结构下压缩机搭载系统性能结果对比%

试验中，100%的制冷剂充注量为标准要求的限制值，也是普通油量系统达到性能最佳时的制冷剂充注量数值。根据试验结果，当R290 RAC系统搭载低油量结构压缩机时，与搭载普通油量结构压缩机的系统相比：

1）制冷剂充注量减少效果：低油量系统只需83%的制冷剂充注量便可实现相当的性能水平，而普通油量系统采用83%的制冷剂量时，系统的能力和能效比均下降明显。一方面，这说明低油量结构对R290系统制冷剂充注量的减少效果明显，可以帮助系统满足标准的制冷剂充注量的要求；从另一个角度来说，在实现相当的性能时，低油量系统可以减少制冷剂充注量，从而提高系统的安全性。

2）性能对比分析：低油量系统增加制冷剂充注量后，一方面，系统的制冷性能表现稳定，而制热能力及制热COP均有明显提高，而普通油量系统性能受制冷剂充注量的影响波动明显。另一方面，R290系统制热性能改善显著，这是由于制热时对制冷剂循环量的要求更多，限制的制冷剂充注量对系统的制热量影响明显，从结果可以看出，通过低油量结构增加了系统的制冷剂循环量，提高了系统的制热性能，改善了R290系统制热表现差的缺点。

4　结论

在R290空调系统中，制冷剂主要分布在冷凝器和压缩机中，压缩机的低油量设计可以帮助系统减少制冷剂充注量，满足标准的要求。在低油量的情况下，需要解决曲轴与滑片供油润滑的课题，本文提出了低油量结构设计的解决方案，完成了供油量的确认试验，通过压缩机单体的性能和耐久评价，初步判断低油量结构具有较好可行性，并完成了搭载R290空调系统的性能对比试验，结果表明，低油量结构压缩机不仅可以显著降低系统的制冷剂充注量，并能改善系统的性能表现，提高系统的安全性，是R290压缩机设计的未来方向之一。

［1］GAO Bin，CHEN Zhenhua，GAO Qiang.Research of R290 compressor effect on RAC system charge amount［C］//International Compressor Engineering Conference.West Lafayette：Purdue University，Purdue e-Pubs，2012：1332.

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［4］GAO Bin，QIAN Canyu，CHEN Zhenhua，et al.Research and development of R290 less oil rotary compressor［C］//International Compressor Engineering Conference.West Lafayette：Purdue University，Purdue e-Pubs，2014：1289.

［5］劳伦曾.天然制冷剂-完美的解决途径［J］.制冷技术，1996（2）：37-43.

［责任编辑：吴卓］

Research and Development of R290 Less Oil Rotary Compressor

ZHANG Cheng
（R&D Section，Guangdong Meizhi Compressor Co.Ltd.，Foshan Guangdong 528333，China）

The less oil technique research is based on R290 rotary compressor for the purpose of decreasing the refrigerant charge amount of R290 room air conditioner to satisfy the demand of IEC standard 60335-2-40.Firstly，according to the demand of R290 refrigerant application，the key points of R290 compressor design was indicated.Then，the less oil rotary compressor was designed，and the CFD simulation of the oil feed structure was confirmed.Thirdly，the oil feed test was evaluated.Moreover，the performance and reliability tests were completed.Lastly，the result of refrigerant charge amount decrease of R290 room air conditioner was obtained by test，and the system performance was also confirmed. The results show that the less oil rotary compressor not only effectively decrease the refrigerant charge amount of R290 room air conditioner but also can achieve the same performance and reliability of the compressor and system.That is to say，the less oil technique is one of the most important directions of rotary compressor development.

R290；less oil technique；oil feed；gas charge amount

TB652

A

1672-6138（2015）03-0020-06

10.3969/j.issn.1672-6138.2015.03.005

2015-04-24

张诚（1964—），男，湖南常宁市人，工程师，研究方向：制冷压缩机研发与制造。