压缩机储液器回油孔设置对空调性能影响分析

王喜成

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

0 引言

房间空调器是小型空气调节装置，通过模式切换实现制冷量、制热量输出。影响空调设备能力输出的影响因素很多，叶务占[1]从空调用分流器个体差异方面阐述其对空调性能一致性的影响，王喜成[2]从分流器结构及摆放方式阐述对换热器性能的影响，杨强、戴立生[3]则阐述了蒸发器亲水性对空调性能的影响。以上研究从影响换热器换热量的因素出发进行多方面论证，并提出了有效的改善措施。崔嵩、孟亚鹏等[4]研究了压缩机转速与回油率对空调性能的影响，张永亮、眭敏[5]研究了滚动转子式压缩机装配间隙对空调性能一致性的影响。以上研究从压缩机吐油、结构装配方面说明了影响因素。郭宋、洪宇峰等[6]从可靠性方面阐述了储液器回油孔的重要性及设置要点，但未涉及回油孔设置对性能的影响。压缩机的泵体零件气缸、滚子等之间的配合面是制冷剂泄露的主要通道，通过润滑油进行密封和冷却，如果润滑油的密封性能变差，必然导致泄漏量增加，进而影响空调制冷、制热的性能输出。文章通过对产品开发中遇到的问题进行阐述、分析、以及优化方案的验证，展现了回油孔的设置对空调性能的影响，为空调开发过程中同类问题的解决提供经验借鉴。

1 性能异常现象

1.1 实验样机

实验样机配置如表1所示。

表1 实验样机配置Table 1 Experimental prototype configuration

1.2 压缩机储液器回油孔

回油孔距离储液器底面距离为标记为H，如图1 所示，未优化前H=38mm。

图1 压缩机回油孔示意图Fig.1 Schematic diagram of the compressor oil return hole

1.3 测试数据及测试现象

压缩机结构数据如表2所示。

表2 压缩机结构数据Table 2 Compressor structure data

在室内20℃/12℃，室外2℃/1℃工况下，以135Hz 运行时，制热量达不到5000W 的目标要求，主要变现为制热周期内，排气温度高，开机的初期和末期室外机盘管温度降低较大，运行后期的制热衰减量大，制热量测试数据如表3 所示。测试峰值制热量满足目标值（6100W），但周期平均制热量偏低目标值约455W，进入化霜前制热量仅4546W，相比峰值制热量衰减约26.2%，运行中后期制热量衰减严重是导致制热量低的主要原因。

表3 制热量测试数据Table 3 Heating test data

样机运行过程中的关键参数排气温度、室外换热器盘管温度、电子膨胀阀开度变化如图2、图3所示。

图2 排气温度、室外机盘管温度变化图Fig.2 Exhaust temperature,outdoor unit coil temperature change diagram

图3 排气温度、膨胀阀开度变化图Fig.3 Discharge temperature,expansion valve opening change chart

图2 中样机的排气温度上升的速度快，且幅度较开发经验值（85℃左右）偏大约10℃，同时样机的室外机盘管温度在开机的前几分钟以及运行周期的后期都有出现大幅降低。由于控制上是通过目标排气调节膨胀阀开度，样机排气偏高引起电子膨胀阀开度较开发经验值偏大约40B，如图3 显示，节流变弱进而引起室外侧换热温差减小，制热量变低。

2 问题分析

2.1 理论推导

从上述现象推导出以下结论：

（1）机组以设置的目标排气温度（85℃）为目标进行电子膨胀阀调节，直至接近目标值，由于排气偏高的幅度较大，所以运行中膨胀阀一直开大，符合控制逻辑要求。

（2）排气高可能的原因有：①吸气比容大导致经压缩后排气温度高或者目标排气本身设置偏高不合理；②由于电机靠排气和润滑油流动冷却，排气的质量流量变低，导致排气温度偏高。本次采用证伪法进行推导排除，假设是第一种原因导致排气高，那么从理论上讲，通过开大膨胀阀或者增加制冷剂量，又或者降低目标排气值可以有效改善制冷剂流量，进而降低排气温度，提升制热量。但是经过实验验证，开大膨胀阀开度、降低目标排气值以及增加制冷剂量，均没有明显改善，制热量测试数据如表4、表5 所示，实验现象不符合理论推导，假设不成立。

表4 调整膨胀阀开度及降低目标排气后制热量测试数据Table 4 Adjust the expansion valve opening and reduce the heat generation test data after the target exhaust

表5 增加制冷剂量后制热量测试数据Table 5 Heating test data after increasing the refrigerant dose

假设是第二种原因，结合膨胀阀开大和增加制冷剂量的影响因素排除，那么有可能是制冷剂泄露引起的实际的有效排量降低引起排气偏高。究竟是什么因素导致的泄露呢？压缩机滚子与法兰、气缸内壁间隙是制冷剂泄露的主要通道，而配合面通过润滑油进行密封，如果润滑油的温度较高或者油量不够，就会降低油膜厚度及润滑油的流动性，进而降低润滑油的密封效果，导致泄露增加和排气温度升高。压缩机的回油路径主要有机内回油、吸气制冷剂混合带油和压缩机储液器内通过回油孔的回油，压缩机的回油孔设置过高会增加回油的难度，再加上高频下奔油量增多，可能会出现回油量不足问题，引起润滑及密封效果变差，同时高频运行下压缩机的运行压力比增大，加剧了泄露，实验现象符合理论推导，假设成立。

2.2 优化验证

根据上述推导，优化后回油孔高度H=18mm。理论上讲，由于低频下压缩机的奔油量少，且储液器内容易汇聚较多的制冷剂，由于制冷剂的密度大于润滑油的密度，降低回油孔高度后，液态制冷剂更容易优先从回油孔进入压缩机泵体，降低泵体及排气温度。因此，在低频下，优化前、优化后在同等条件下要达到同一目标排气，优化后膨胀阀的开度相比优化前要小一些，而且由于进入泵体的制冷剂量增加，压缩机做功也会有所上升。因此在验证方案上，设计了高频（低温制热量）和低频下的性能验证（中间制冷量/中间制热量）。

优化前排气温度高，如果仅调整回油孔位置，膨胀阀初始开度及目标排气值不变条件下，优化后排气温度上升速度、初期抽吸导致的室外机盘管温度降低幅度都会有所减小，但是目标最优排气设置偏高，会导致运行过程中膨胀阀开度不断减小，低压降低，造成运行过程中结霜速度加快，引起制热衰减快，如图4 所示。

图4 回油孔优化前后运行关键参数对比Fig.4 Comparison of key parameters of operation before and after oil return hole optimization

理论上分析，压缩机润滑油量增加后，可以更好的冷却泵体和密封间隙，最优排气温度会降低。基于此，对目标排气进行下调，实际测试制热量确有大幅提升，调整初始开度及目标排气后制热量测试数据如表6 所示。

表6 调整初始开度及目标排气后制热量测试数据Table 6 Adjust the initial opening and the heat generation test data after the target exhaustt

回油孔优化及降低目标排气后，实际测试制热量4895W，较优化前制热量增加349W，化霜前制热量衰减率从26.2%降低至8%，运行关键参数对比如图5 所示。

图5 回油孔优化及降低目标排气后运行关键参数Fig.5 The return hole optimizes and reduces the key parameters of operation after the target exhaust

从图5 可以看出，增大初始开度且降低目标排气后，运行过程中室外机盘管温度的稳定性变好，没有出现大的波动。

低频下（中间制冷量/中间制热量）的验证数据如表7 所示。数据趋势符合预期推导，从侧面佐证了压缩机缺油对空调性能的影响的理论分析的正确性。

表7 优化后低频性能测试数据Table 7 Optimized low-frequency performance test data

3 总结

压缩机作为空调系统的主要核心部件，决定着制冷空调系统的性能和使用寿命，压缩机中的润滑油主要起到润滑、冷却和密封等作用。压缩机运行最怕的是缺油，缺油一方面对旋转运动部件的磨损、电机的温升退磁都会带来不可逆的损伤，另一方面密封性和流动性变差，会引起制冷剂泄露增大及泵体的冷却效果变差，排气温度升高，大大降低压缩机的容积效率，增加能耗，对空调的性能输出产生较大的影响。一般在出现压缩机部分缺油（缺油量不至于引起旋转部件卡死）时，外在表征上较开发经验往往是性能输出较大下降、排气温度较大升高，因此在产品开发设计中，遇到上述的异常特征时，除了核查导致上述现象的节流装置是否堵塞、制冷剂充注量是否充足外，压缩机的回油效果确认也不可忽视。

压缩机的回油主要包括机内循环回油和空调系统循环回油。其中在空调系统循环回油中，储液器回油孔的设计至关重要，要充分结合高频回油效果、低频回液效果进行综合评估。