定频空调器缺冷媒保护程序的可靠性分析

谭秋晖 宋月平

南京天加环境科技有限公司

0 引言

空调器在实际安装过程中，由于安装不规范，存在几类问题：①采用室外机自带冷媒对连接管及室内机排空行为，导致冷媒缺失。②连接管喇叭口螺纹密封处装配不到位，导致冷媒泄露。③连接管穿墙时未做好密封进入异物，导致系统堵塞低冷媒量运行。④安装调试时未打开截止阀，导致系统堵塞无冷媒循环运行等。随着制冷系统的缺失或泄露或堵塞，造成冷媒循环量的减少，使压缩机排气温度变高，使压缩机内部持续高温并降低润滑油的润滑能力，最终导致汽缸部件严重磨损卡死[1]。

在现有压缩机缺冷媒保护方案中，多数是在制冷系统上增加压力传感器来进行判断。比如在制冷系统上增加高低压压力传感器，对制冷系统运行压力参数进行逐时监控，从而判断系统是否存在泄漏[2]，因空调器产品价格竞争激烈，空调器室外机并没有电控主板，一些主要的保护元器件如排气温度传感器、低压压力开关也被省去，故增加压力传感器会带来成本大幅上涨。主要依靠压缩机内置保护器进行自我保护，压缩机内置保护器采用双金属弹片结构，压缩机电机和排气温度共同影响内置保护器的动作状态。当压缩机电流和排温同时达到一定条件时才能使内置保护器动作[3]，而在低冷媒循环量下，压缩机排气温度在 140 ℃以上才会触发内置保护器动作，此时压缩机润滑油会出现碳化影响压缩机运行[4]，故该方案的可靠性大大降低。因此在现有技术条件下，没有室外机排气温度或低压压力等参数难以判断空调器是否在低冷媒循环量下超负荷运行。

为避免压缩机在低冷媒循环量下运行，防止压缩机的损坏，在空调器现有配置前提下，提供一种经济有效的缺冷媒保护方案显得非常重要。

1 对象说明

以天加 1.5 匹定频风管机 TSA/R15KRDC 为例，制冷系统主要零部件如图 1 所示，有压缩机-1，四通阀-2，气分-3，室外换热器-4，节流毛细管-5，室内换热器-6，其中室外机接节流毛细管和四通阀分别有2个截止阀-7，通过2 根连接铜管-8 与室内机2 个铜管接头连接成完整的制冷系统。在室内机回风处安装温度传感器-9 检测回风温度T1，在室内机换热器上安装温度传感器-10 检测盘管温度T2。

图1 制冷系统主要零部件

2 控制方案

空调器在制冷运行中，当冷媒缺少到一定程度时才会导致压缩机润滑油碳化，本文根据在在制冷运行模式下，通过检测室内回风温度Th、蒸发器盘管温度Ti、压缩机运行时间t，计算系统冷媒保有量是否满足需求，进行缺冷媒故障判断。缺冷媒故障主要有两种情况：

第一种，当系统完全堵塞，如室外机截止阀没有打开，此时系统无冷媒循环，判断压缩机启动后，Th与Ti温差很小时，则缺冷媒故障条件成立。或当系统冷媒完全没有时，此时系统无冷媒循环，判断Th与Ti温差很小时，则缺冷媒故障条件成立。

第二种，当系统保有冷媒量很少时，制冷模式下压缩机启动后，室内换热器的气态冷媒会迅速被吸回压缩机，此时室内换热器中冷媒压力降低，迫使液态冷媒蒸发成气态，冷媒相变迅速吸热使Ti降低，随着冷媒被压缩机压缩后经过冷凝过程和膨胀过程后，低温低压的冷媒进入室内换热器换热，因冷媒循环量不足，使冷媒在蒸发器前段就已经过热，使Ti升高并维持在一个相对稳定状态。判断Th与Ti温差出现先变大后变小时，则缺冷媒故障条件成立。

控制方案包含以下步骤[5]：

1）空调器制冷运行，压缩机启动。

2）通过盘管温度传感器检测室内换热器中部温度Ti；通过环境温度传感器检测室内机回风温度Th；空调控制器记录压缩机累计运行时间t。

3）若Th-Ti≤T2，持续时间≥t4，转步骤 8）；否则，转步骤 2）；其中：T2为第二温度预设阀值；t4为第四压缩机累计运行时间预设阀值。

4）若t≤t5，转步骤5）；否则，转步骤 2）；其中：t5为第五压缩机累计运行时间预设阀值。

5）若 (Th-Ti)max-(Th-Ti)min≥T1，转步骤 6）；否则，转步骤2）；其中：T1为第一温度预设阀值。

6）若 0＜tmin-tmax≤t3，转步骤 7）；否则，转步骤 2）；其中：tmax为Th与Ti温差最大值发生时的压缩机累计运行时间；tmin为Th与Ti温差最小值发生时的压缩机累计运行时间；t3为第三压缩机累计运行时间预设的阀值。

7）若tmax≥t1，且tmin≤t2，转步骤 8）；否则，转步骤2）；其中：t1为第一压缩机累计运行时间预设阀值；t2为第二压缩机累计运行时间预设阀值。

8）空调控制器显示故障，代码为缺冷媒保护；同时，压缩机关机。

所述T1为 0.5～10 ℃；T2为 0.5～5 ℃；t1为 1～180s；t2为 10～300s；t3为 1～180s；t4为 5～360s；t5为 1～20min。所述t1＜t2。

3 试验方法

通过参考 GB/T 18836-2017《风管送风式空调（热泵）机组》，制冷试验特征工况表如表1 所示，以名义制冷工况、最大制冷工况为特征试验工况，增加室内干球32 ℃湿球30.5 ℃，室外46 ℃的极限环温工况。

表1 制冷试验特征工况表

系统无冷媒循环试验采用表 1 中的名义制冷试验条件，通过堵塞室外机截止阀、将室外机冷媒全部排空两种试验方法来进行，分别记录有缺冷媒保护和无缺冷媒保护下的排气温度，压缩机底部温度，室内回风温度，室内盘管温度，压缩机累计运行时间参数。

系统少冷媒循环试验采用表 1 中三种试验条件，通过调节系统保有冷媒量百分比至 100%、80%、60%、50%、40%、30%、20%进行测试，分别记录有缺冷媒保护和无缺冷媒保护下的排气温度、压缩机底部温度、室内回风温度、室内盘管温度、压缩机累计运行时间参数。

4 试验结果及分析

系统无冷媒循环试验结果如表 2 所示，当系统无冷媒循环时，排气温度与压缩机底部温度因无冷媒将热量带走，温度持续升高，在无缺冷媒保护的机组中，压缩机累计运行 349s 时，压缩机底部温度会达到140 ℃，润滑油会开始碳化导致压缩机磨损加剧以至损坏。通过室内回风温度与室内盘管温度的温差及压缩机累计运行时间判断，在压缩机后温差几乎无变化，符合Th-Ti温差很小的特征，累计运行120s 时可辨别出来，提高压缩机可靠性。

表2 系统无冷媒循环试验结果

系统变冷媒量循环试验结果如表3 所示，通过不增加缺冷媒保护的系统在不同冷媒循环量下和不同环境工况下运行 30 分钟，随着冷媒量降低，压缩机排气温度和底部温度逐渐升高，当冷媒保有量低于 50%时，压缩机排气温度超过140 ℃，润滑油会开始碳化导致压缩机磨损加剧以至损坏，压缩机内置保护时间最快需要压缩机累计运行813 秒才能触发，而压缩机排气温度超过140 ℃最快551 秒就会出现，期间超负荷运行会造成压缩机严重磨损，因此需进行程序上的保护，通过压缩机短时间运行能辨别系统缺冷媒，来提高压缩机寿命。

表3 系统低冷媒循环试验结果

通过表3 的数据分析，在极限环温制冷条件下压缩机排气温度和底部温度上升速率最快，因此在极限环温制冷试验工况条件增加缺冷媒保护控制，调节冷媒保有量至 50%、40%、30%、20%进行测试，50%冷媒保有量参数曲线如图2 所示，压缩机启动后 30 秒，室内环境温度和室内盘管温度出现最大差值为 5 ℃，而后温差逐渐上升，至 120s 时温差为 3.8 ℃，符合Th-Ti温差先变大再变小特征，从而触发缺冷媒保护停机。40%冷媒、30%冷媒、20%冷媒保有量参数曲线如图 3、4、5 所示，40%冷媒保有量下符合Th-Ti温差先变大再变小的特征，30%以下符合Th-Ti温差很小的特征，均在压缩机启动后120s 触发缺冷媒保护。

图2 冷媒保有量50%系统状态曲线

图3 冷媒保有量40%系统状态曲线

图4 冷媒保有量30%系统状态曲线

图5 冷媒保有量20%系统状态曲线

通过试验结果图2～5 的汇总分析，冷媒保有量在40%～50%时，可通过室内环境温度和室内盘管温度先变大再变小的趋势来判断系统缺冷媒，冷媒保有量在30%以下时，可通过室内环境温度和室内盘管温度温差很小的特征，持续120s 来判断系统缺冷媒。

5 结束语

1）当定频空调器在冷媒保有量30%以下运行时，蒸发器盘管温度几乎不会变化。

2）当定频空调器在冷媒保有量 30%至 50%之间时，蒸发器盘管温度会先降低后升高。

3）当定频空调器在冷媒保有量 60%时，压缩机处于高温易损坏的临界状态点。

4）当定频空调器在冷媒保有量 80%以上时，压缩机可以正常运行状态。

5）在不同的空调系统中，冷媒充注量和空调系统容积都不一样，出现该上述特征的冷媒保有量会不同，设定保护参数值也会发生变化，本文旨在提供一种采用室内环境温度，室内盘管温度，压缩机累计运行时间参数，在不增加额外成本的前提下，针对定频空调器提供一种及时的缺冷媒保护功能，该功能可以缩短压缩机在低冷媒循环量下运行时间，提高压缩机使用寿命。