浅谈易熔塞在多联空调上的应用

梁杰波

（珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司 珠海 519070）

引言

多联机是中央空调中一种重要类型，俗称“一拖多”，一台室外机通过配管连接两台或两台以上室内机，一直都占据着比较大的市场份额。出口到北美地区的产品需取得该地区相关认证，其中UL、CSA安全法规规定，内径大于152 mm的压力容器，应配备着火情况下可接受泄压的释压结构，泄压装置应该靠近或直接连接压力容器且该装置应符合ASHRAE 15和CSA B52的要求。多联机中通常会有油分离器、气液分离器、储液器等压力容器，其中气液分离器的内径一般都大于152 mm，所以需要配备泄压装置。

1 多联机中的易熔塞应用

空调中常用的泄压装置有安全阀、易熔塞等，其中易熔塞有结构简单可靠、可拆卸、经济实惠的优点。易熔塞是通过装在塞孔内的易熔合金的流动或熔化而进行动作、不可重复关闭、可拆卸式的压力泄放装置。空调用易熔塞的结构是一个中间带有塞孔，塞孔内灌注有易熔合金的塞体，塞体一端有螺纹结构（见图1）。易熔塞通过螺纹与焊接在空调管路中的接头连接。在正常情况下塞孔处于关闭状态，在给定温度下塞孔内的易熔合金发生流动或熔化，内部压力将熔化后的易熔金属冲出，将介质放出使压力容器泄压，以防止压力容器内介质因升温超压发生事故。

图1 易熔塞实物图

目前多联机多采用环保制冷剂R410a，最大设计允许工作压力为4.3 MPa，根据制冷剂的压力温度特性，使用的易熔塞可熔合金设定熔点温度为70 ℃（允差-2～+4 ℃），当易熔塞表面温度达到该温度时，即熔化释放制冷剂。易熔塞一般设置于空调外机系统的低压侧气液分离器的进管或出管上（见图2）。

图2 空调制冷原理简图

2 易熔塞在多联机中连接结构研究

2.1 连接管长度对易熔塞表面温度的影响

增加易熔塞的目的是在发生火灾等极端高温的时候为避免机组内部压力过大引起爆炸而主动释放压力。机组在正常或地表在一定程度上暴晒引起的高温环境使用过程中我们应极力避免因设计缺陷导致易熔金属蠕变或达到易熔金属熔点温度触发易熔塞动作引起制冷剂泄露导致机组无法正常使用的情况发生，为此需要研究易熔塞的连接结构对易熔塞表面温度的影响。

分别在易熔塞周围、易熔塞表面、易熔塞过渡管中部、易熔塞过渡管根部布置热电偶采集机组在运行中各点的温度（如图3）。在室外侧模拟不同工况设定使用环境温度，同步采集系统高压低压、气液分离器的进出管温度这些关键的参数，测出的数据如表1所示。

表1 带过渡管易熔塞不同位置温度数据

图3 带过渡管易熔塞温度采集示意图

从测试数据可以看出，系统的高压、气分进出管温度随着环境温度的升高而升高，易熔塞周围附近的温度也随着环境温度的升高而升高，而且高于设定的环境温度，这主要是易熔塞位于机组内部靠近冷凝器的位置，机组运行过程中冷凝器换热辐射导致。同样可以看出易熔塞表面温度接近易熔塞周围的空气温度，而且温度从易熔塞表面到过渡管中部再到过渡管根部呈现逐渐降低的现象，过渡管根部比易熔塞表面温度最大低15 ℃左右。

易熔塞表面温度与周围温度基本一致，说明易熔塞在这里主要是与周围环境进行热交换，并没有与低压侧低温制冷剂发生热交换，此时的气分进管温度比环境温度低得多，但易熔塞并没有通过低温制冷剂带走热量而降温。分析认为这是易熔塞过渡管过长，过渡管内部形成封闭区，封闭区内的制冷剂无法流动参与循环带走热量，导致易熔塞表面温度几乎和附近的环境温度相同，对此分析减短或取消易熔塞接头的过渡管会对易熔塞表面温度产生下降的效果。

新方案采用接头直接焊接在气分进管的结构（见图4），在易熔塞周围、易熔塞表面布置热电偶测得各点温度数据见表2。测试数据表明，取消过渡管易熔塞的表面温度与周围附近环境温度产生了10℃的温差，这说明了管路中的制冷剂封闭区已经消失，易熔塞已经可以和低温制冷剂进行热交换从而降低易熔塞的温度。

表2 无过渡管易熔塞不同位置温度数据

图4 取消过渡管易熔塞里连接结构示意

由此可见，在机组运行过程中，易熔塞的连接管越短易熔塞受环境温度影响越小，可靠性越高，在极端气温下越不容易出现非火灾情况下的不正常泄压导致机组故障。

2.2 易熔塞连接管长度对噪音的影响

易熔塞通过连接管焊接在气液分离器的连接管中，形成了一端开放、一端封闭的侧支共振器结构，如图5所示。侧支共振器会产生气柱共振，因为管道中充满了气体，且气柱可以膨胀和压缩,因此气柱可以看作是一个具有质量的弹性振动系统，具有一系列的固有频率。当某一阶的气柱固有频率与空调管路产生的激发频率相接近时,系统就会产生气柱共振，从而产生噪音。

图5 侧支共振器示意图

一端为开放、一端为封闭的气柱固有频率计算公式如下：

式中：

n=0，1，2，3，……；

c—介质声速；

L—支管长度。

式中：

K—气体绝热指数；

R—该介质气体常数；

T—气体绝对温度。

从公式可以看出，当介质声速c一定，支管长度L越大，同一阶的气柱固有频率越小。

在机组开发中发现易熔塞带过渡管的机组在制冷工况压缩机高频运行时存在峰值1 400 Hz左右的不连续啸叫噪音。易熔塞过渡管长L为80 mm，根据系统参数代入公式（2）计算制冷剂声速在150 m/s左右，代入公式（1），n值取1时，计算固有频率为1 406.25 Hz，和实测噪音峰值频率非常接近，所以判定该啸叫声为易熔塞连接结构和内部流体流动产生的气柱共振激发出的噪音。

取消过渡管采用直插式易熔塞接头，接头长度L为18 mm，计算理论固有频率，当取n=0时计算最小固有频率为2 383.3 Hz，已经避开机组的激发频率，理论上不会产生气柱共振激发出的噪音。

通过实验对比也发现取消易熔塞过渡管采用直插式接头后机组啸叫声消失，频谱对比见图6，从中可以看出在1 400 Hz附近的波形有明显区别，无过渡管结构噪音频谱没有了啸叫声特征的锯齿波型。

图6 易熔塞有无过渡管噪音频谱对比

3 结论

本文通过实验和理论计算，对易熔塞在多联机上的应用进行了可靠性和舒适性的研究，主要得出的以下结论：

1）易熔塞在空调管路系统中的连接管越短，机组运行时制冷剂对易熔塞的降温效果越好，受环境影响温度影响越小，运行过程中可靠性越高；

2）易熔塞在空调管路系统中的连接管越短，气柱共振固有频率越高，越不容易产生气柱共振现象，运行过程中舒适性越好。

以上结论基于多联机进行研究得出，同样适用于需要增加易熔塞或类似结构的空调机组。