R290制冷剂润滑油选择的影响因素分析

喻继江（广东美芝制冷设备有限公司 研发中心，广东 佛山 528333）

科技与应用

R290制冷剂润滑油选择的影响因素分析

喻继江
（广东美芝制冷设备有限公司 研发中心，广东 佛山 528333）

针对R290制冷剂应用的特点，重点分析了R290压缩机润滑油的选择过程中溶解度及溶解粘度的影响。指出了在R290制冷剂应用时，因排气温度低带来的过热度问题及其影响，提出了改善R290系统过热度问题的方法。

R290；溶解度；溶解粘度；过热度

在R290压缩机的开发过程中，除了在结构设计上要针对R290的特点进行针对性设计外，由于R290具有可燃性、低粘度、低排气温度等特性，且与各种油品均有良好的互溶性，因此，需要针对制冷剂的特点选择合适的润滑油。

近年来，针对R290用润滑油的研究已逐步开展，但主要的思路多数仍围绕满足压缩机的可靠性，未能针对R290制冷剂的特点进行深入分析。本文通过对R290与传统制冷剂的差异入手，提出了R290油品研究时需特别关注的三个要求，并逐一从理论分析到试验评价进行了研究和说明，总结了研究过程中的一些经验。

1　R290油品的应用要求

在制冷系统中，制冷剂与润滑油直接接触，不可避免地有部分润滑油与制冷剂一起在系统中循环流动，温度变化较大，因此，润滑油的选择需满足一些基本要求，如在运行条件下，润滑油应有适当的粘度、对制冷剂有良好的兼容性，本身应具有较好的热稳定性和化学稳定性、绝缘耐电压要高等。对于碳氢制冷剂R290来说，根据制冷剂特点，需特别关注：

1）根据R290可燃性的特点，从降低制冷剂充注量的角度，需考虑制冷剂在润滑油中的溶解度要求；

2）根据R290液态粘度低及与油相溶性好的特点，需考虑润滑油中溶解了R290后的溶解粘度要求；

3）根据R290排气温度低的特点，需关注排气温度低带来的R290系统△T问题及其对润滑油的影响。

2　冷冻机油选择的因素分析

2.1溶解度

溶解度是指在一定的压力和温度条件下，溶解到润滑油中的制冷剂质量与润滑油的质量比值，一般以质量百分比表示。按制冷剂与润滑油的溶解性大小，可将润滑油分为三类：完全互溶、部分互溶和难溶或微溶油。一般情况下，很少选择难溶或微溶的油品，这样需要在系统中增加额外的油分离设备，以避免润滑油进入两器后难以回到压缩机，从而影响到压缩机内的油量及两器的换热性能。

润滑油与制冷剂的溶解关系如图1所示。在一般情况下，当温度一定时，溶解度随着压力的升高而增大，而当压力一定时，溶解度会随着温度的上升而降低。

图1　润滑油与制冷剂的溶解关系示意图

由于R290的高可燃性，在其应用于空调系统上时，标准IEC 60335-2-40（2013）及GB 4706.32 （2012）中，对不同空间大小的房间内，使用可燃性碳氢制冷剂的空调系统的制冷剂充注量的上限，进行了相同的限制。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封入量相比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系统通常的制冷剂封入量约为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%。

为了满足封入量的限制规定，必须采取必要措施，如减少两器大小、降低压缩机内制冷剂含量等。在压缩机中，制冷剂主要是溶解在润滑油内，因此，从降低制冷剂含量的角度应选择较低溶解性的润滑油。在相同的油量情况下，溶解度的大小决定了油中溶解的制冷剂的多少，从而影响到参与系统循环的制冷剂含量，即影响到系统的性能。

以用于房间面积为15 m2，制冷量1HP（约2 500 W），安装高度为1.8 m，R290最大封入量为290 g的R290空调器所对应的压缩机为例，假设分别采用溶解度为15%与30%的润滑油时，理论上计算出润滑油中所溶有的R290质量比较如表1所示。

表1　不同溶解度油品溶解的R290质量对比

因此，溶解度的差异将会带来溶解在油中的制冷剂含量的差异，从而影响到参与循环的制冷剂质量，R290压缩机分别采用溶解度为15%与30%的润滑油为例，其意义在于，若采用与R290的溶解度为30%的润滑油，压缩机封入的润滑油中溶有的R290质量多达144 g，则对于一台最大封入量为290 g的R290空调器，简略估算，其中参与制冷循环的R290制冷剂质量仅为290 g-144 g=146 g。

换个角度来说，若采用与R290的溶解度为15% 与30%的润滑油比较，压缩机壳体内的润滑油中溶有的R290质量可减少多达72 g，则对于一台封入量为290 g（最大允许封入量）的R290空调器来讲，就可以使得其R290制冷剂封入量减少至218 g，从而空调器的安全性可大大地提高。

根据上述分析，R290空调系统需要针对性设计以降低制冷剂封入量，从压缩机的角度分析，由于溶解在油中的制冷剂无法参与系统循环，因此，需要确定停留在压缩机内的制冷剂含量与润滑油的溶解性之间的关系，为选择合适溶解性的油品作为参考。

在实际试验测试中发现，在1HP能力的R290空调器中，其制冷EER与制冷剂的封入量有明显的关系，如图2所示。

图2　R290空调EER随制冷剂量变化趋势

由图2可以发现，在一定的区间范围内，空调器的EER随着R290制冷剂封入量的增加而增加。于是，若采用与R290的溶解度为15%与30%的润滑油比较，在保持空调器的制冷剂总封入量为290 g的前提下，采用低溶解度油的系统参与制冷循环的R290制冷剂质量较较高者增加了72 g，这样，空调器的性能可进一步得到提高。

因此，从溶解度的角度出发，在选择R290压缩机用油时，应尽量选择溶解度较小的油品，以减少溶解在油中的制冷剂的制冷量，来提高在限制的制冷剂充注量下，使系统获得较多的制冷剂循环量，从而提高系统的安全性及性能。

2.2溶解粘度

润滑油的粘度可定性的定义为它的流动阻力，它是润滑油最重要的性能之一。而溶解粘度则是指油在溶解了制冷剂以后的粘度值，它受润滑油本身的粘度和溶解度大小影响。

一般情况下，由于液体制冷剂的粘度较小，润滑油在溶解了制冷剂以后，其溶解粘度相比纯油会大幅下降，由于R290制冷剂液体粘度小，影响会更大。纯油的粘度会随着温度的升高而降低，因此应当选择粘度指数较大的润滑油以减少油本身的粘度变化。

同一种油和制冷剂的溶解粘度则受溶解度的影响巨大，溶解度增大，油被稀释的程度上升，溶解粘度就下降，反之，溶解度下降，则溶解粘度增大。在相同的压力情况下，溶解度随着温度下降呈加速增加趋势，温度相同时，随着压力的上升，溶解度也呈加速增加趋势，而溶解粘度则与溶解度和温度有着直接的关系，在相同的温度下，溶解粘度随溶解度的减小而快速上升，相同的溶解度时，溶解粘度则随温度的升高而降低。

润滑油的选择主要取决于制冷剂，制冷剂工作的温度压力条件决定了润滑油的溶解度，从而决定了其溶解粘度。为了保证压缩机的性能与可靠性，必须保证在工作条件下油品具有一定的溶解粘度，来满足润滑和密封的要求，同时，为了避免润滑油停滞在两器的管壁上不能及时回到压缩机内，应该选取与制冷剂互溶性良好的润滑油，避免回油困难。

油品的溶解粘度不仅与油本身的粘度有关，更重要的是与使用的制冷剂的溶解度有着直接的关系，以R22制冷剂及R290制冷剂与相应使用的矿物油为例，对比它们的粘度随溶解度变化情况如表2所示。

表2　不同工况时溶解粘度随溶解度变化情况

上表中可以看出，虽然矿物油2的粘度几乎是矿物油1的两倍，但是在溶解了制冷剂后，R290/矿物油2的溶解粘度迅速下降，到工况2时，由于R290的溶解度达到了约50%，导致溶解粘度降低到极低水平，而R22/矿物油1组合则保持着较好的溶解粘度值，两个工况的溶解粘度基本保持稳定，这对保证压缩机在各个工况下的可靠性具有重要的意义。

针对R290制冷剂特性来说，由于R290的分子结构是饱和的碳氢化合物，其对各种润滑油都有非常良好的相溶性，也就是说，润滑油中溶解的R290含量相比其它制冷剂要多，当工况条件变化时，油的粘度受制冷剂含量的变化影响就更大。因此，在R290润滑油选择的过程中，需要特别关注润滑油溶解粘度的波动情况，尽量选择粘度更加稳定的油品，即选择溶解度受工况条件影响较小的润滑油更合适。

2.3排气温度低的影响

在制冷系统中，通常可靠性评价需要关注过热度△T指标。过热度ΔT指的是压缩机内油池油温与排气压力对应的饱和温度的温差，即

其中：

△T——压缩机底部油的过热度（℃）；

Tos——压缩机内底部油的温度（℃）；

Tc——排气压力计算的冷凝器中部温度（℃）。

在计算中，油温通常用压缩机下壳体底部温度代替，而Tc通常用冷凝器中部温度代替。在压缩机搭载系统的可靠性评价试验中，ΔT是判定系统可靠性的重要指标之一，通常在各试验工况条件下，要求ΔT在连续（稳态）运转时须满足ΔT≥5，断续（非稳态）运转时满足ΔT≥0。

在系统中，如果ΔT呈负数，泵体内排出的制冷剂在压缩机内比冷凝器中更容易冷凝，这将导致压缩机内的润滑油被严重稀释，油的粘度大幅降低，从而影响到压缩机的润滑和密封。这是旋转式压缩机壳体内高压力结构设计的典型现象，这种现象是不允许的并且要加以控制。

根据ΔT的计算公式，在设定的工况条件下，排气压力一定，即Tc一定，若ΔT不合格，则说明压缩机内底部油池温度Tos过低，而Tos过低一般是由于系统的制冷剂充注量过多，毛细管不合适引起的回液现象或压缩机过度冷却，环境温度过低引起的沉积现象等原因造成。但是，对于R290制冷剂来说，其排气温度较低也使得油池温度容易过低，从而更容易产生ΔT问题。

在运转过程中，压缩机内部各部分温度，如油池温度Tos，泵体排出温度Td1，电机温度Tm，压缩机排气口温度Td，如图3中所示。

图3　压缩机内温度示意图

如图3中，通常我们在试验中测试的排气温度为Td，即压缩机排气口处的温度，而实际上压缩机泵体的排出温度为Td1，通常情况下，Td1＜Td，这是因为压缩机排气经过电机后，由于电机部温度Tm较高，而将泵体排出的高压气体从Td1加热到Td，电机也因此得到冷却。而此时位于压缩机底部的油池温度则由泵体排出气体温度Td1，排气油分离后的回油温度Tob，压缩机壳体温度Tc，压缩机外部环境温度Ta的影响而决定，它们对油池温度Tos的影响途径为：

Td1：排出的制冷剂不断的溶解到油池中，直接影响到油池温度；

排气气体与油池油面进行热传递，影响到油池温度。

Tob：排出的油气经过电机加热后在电机上腔被分离，分离的油沿壳体和电机定子之间的间隙（再次被加热）回到油池，影响到油池温度。

Tc：电机部壳体温度较高，通过壳体与油池进行热传递。

Ta：壳体外部环境温度与油池温度存在差异，通过壳体进行热传递。

而以上各种影响因素中，泵体排出的制冷剂溶解到油池中及与油池油面的热传递对油池温度Tos影响最大，即Tos受泵体排出温度Td1的影响最大。

当冷凝压力一定时，若ΔT低，则表示油池温度低，此时油对制冷剂的溶解度上升，当压缩机油池内的油溶解的制冷剂达到饱和状态时，ΔT低时的溶解粘度与ΔT较高时的溶解粘度相比，将会有所降低，因R290与各种油均有较好的互溶性，这种饱和溶解带来的溶解粘度降低显得更加明显。

更重要的是，若ΔT＜5甚至ΔT＜0时，即压缩机底部油池温度Tos接近甚至低于冷凝器中部温度时，从泵体内排出的压缩后的制冷剂Td1受电机下腔的温度低的影响，温度下降到排气压力对应的临界温度即冷凝温度后，在压缩机的电机下腔油池处出现冷凝现象，此时，冷凝后的制冷剂混合在油中，进一步稀释了润滑油，油的粘度严重降低，而被稀释的粘度极低的润滑油供给到压缩机的运动机构后，无法形成油膜，从而导致压缩机的润滑不良，产生磨损，并且导致各运动间隙密封性能很差，泄漏严重，压缩机的性能降低明显。表3中给出了在相同压力条件下不同△T时的粘度变化的对比参考数据。

表3　不同△T时R290压缩机油池粘度变化

通过实验测试能够发现，对比R290与R22，排气温度有着非常明显的差异，在标准压缩机单体测试条件ASHRAE工况下，两者排气温度实测数据如表4所示。可以看到，R290排气温度比R22低约20℃，这直接导致了R290压缩机的油池油温要比R22低得多，带来的△T问题更突出。

表4　R22/R290制冷剂不同工况时排气温度对比

特别地，在对R290压缩机搭载空调系统进行SET油液面及ΔT评价时，即使在没有回液的情况下，R290的ΔT的测试结果还是会出现负值，特别是在非稳定运行、断续运行、沉积启动等恶劣工况条件时。综合以上分析及相应工况的温度数据，我们能够确认，泵体排出的气体温度即Td1过低是ΔT出现问题的主要原因。

这种制冷剂本身特性带来的ΔT问题，可以通过系统的设计和匹配来改善，根据R290制冷剂的特点，在系统匹配中，使系统具有较高的过热度，不仅对系统的性能有益，也能使泵体的排出温度Td1提高，从而改善△T问题。

3　结论

1）溶解度决定着相同的润滑油量时，溶解在油品中的制冷剂质量，对于R290空调系统来说，应选择溶解度较小的润滑油，以提高系统的性能和安全性；

2）溶解粘度是润滑油工作性能的重要指标，它受到润滑油本身粘度和溶解度的影响，对R290制冷剂来说，应选择溶解度受工况影响较小，溶解粘度变化不大的润滑油，以保证润滑和密封。

3）R290的排气温度低会使系统更容易出现ΔT问题，这会使润滑油的粘度大幅下降，导致压缩机润滑和密封不良，从而影响到压缩机的可靠性与寿命，因此，需要通过选择合适的润滑油并通过系统的设计和匹配来保证系统全工况使用的性能和可靠性。

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［责任编辑：吴卓］

Analysis of the Influencing Factors on R290 Refrigerant Lubricant Oil Selection

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

Based on the characteristics of R290，the solubility and working viscosity of lubricant oil for R290 are analyzed.In addition，the superheat issue is found to be a special problem in R290 application，the reason and influence of the issue are indicated，and the method to solve the superheat problem is suggested.

R290；solubility；working viscosity；superheat

TB64

A

1672-6138（2015）03-0026-05

10.3969/j.issn.1672-6138.2015.03.006

2015-04-24

喻继江（1964—），男，湖南浏阳市人，工程师，研究方向：制冷压缩机研发与制造。