空调四通阀换向不良原因分析及预防

2023-12-22徐伟堂

日用电器 2023年11期

徐伟堂

（广东美的制冷设备有限公司佛山 528311）

引言

空调用四通阀属于方向控制阀的一种，是用于热泵型空调中改变制冷剂的流向，，以实现制冷模式和制热模式的转换位目的的产品，适用于中央、单元式和房间空调等热泵型空调系统。它被用来切换冷媒流通路径，从而使空调实现夏天制冷和冬天制热一机两用的目的。四通阀主要由先导阀和四通气动换向阀（主阀）和电磁线圈三部分组成（图1）。先导阀主要由电磁线圈、阀体、滑碗以及毛细管a、b、c、d等组成；主阀主要由滑块、阀体、阀碗、连杆、接管D、E、S、C等组成。四通阀在使用过程中，通过对电磁线圈通断电实现先导阀滑碗的左右移动，并控制主阀内滑块的移动，进而切换压缩机、室内换热器、室外换热器、节流元件等的链接，实现空调制冷和制热功能切换。

图1 四通阀结构（制热模式）

造成四通阀换向不良的原因有很多，主要包括：四通阀在冷媒流量小或者环境温度比较低时，此时四通阀的换向压差小，不足以推动活塞换向[1]；当环境温度低，冷媒流量小时，四通阀的主滑块可能会停滞在中间状态，进而出现换向不良，因此变频系统中流量较小时需要升高压缩机的频率来保证四通阀的换向[2]；以及四通阀毛细管断裂即冷媒的泄漏也会导致四通阀换向不良[3]。本文对售后市场反馈的空调制冷不制热投诉的故障四通阀进行分析，找出四通阀换向不良的根本原因，并提出对应改善和预防措施。

1 换向不良原因分析

1.1 故障件分析

本文选取市场投诉制冷正常但是不制热的空调进行分析，通过系统各部件分析最终确认为四通阀不换向所致。拆解四通阀本体和先导阀，四通阀本体未发现明显异常。拆解和剖开先导阀时，发现先导阀小孔内存在堵塞物。堵塞物呈现糊状白色物质（图2），且完全堵住了毛细管孔。取出堵塞物质，对其进行成分分析，借助扫描电镜下观察其形貌为层片状的颗粒结晶（图3）。

图2 先导阀毛细管孔堵塞

图3 堵塞物质扫描电镜形貌图

1.2 堵塞物质成分分析

采用傅里叶变换红外光谱仪对堵塞物质进行成分分析，确认堵塞物质酯类物质，与PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）材质有较强的相关性，如图4所示。

图4 堵塞物质的傅里叶变换红外光谱图

对该四通阀所在的空调系统排查涉及冷媒流路的零部件，PET材料仅用在压缩机电机转子的绑扎带、绝缘纸，由此确认堵塞物质来源于压缩机电机内部。

1.3 堵塞原因分析

PET是一种芳香族聚酯，其含内部含有大量活性较高的酯基，在高温下会发生断链的热降解反应（图5），形成小分子的低聚物[4]。研究表明冰箱的压缩机内部产生了类似本研究的颗粒状物质，系PET材料在130 ℃长时间的热降解导致，降解的低聚物会溶解在130 ℃的冷冻油中，并在温度相对较低的部件如消音器表面、活塞表面以及低压阀片上缓慢析出，形成结晶状物质[5]。热降解产物的溶解和析出都是动力学过程，均与温度有关，温度越高溶解越快，温度越低析出越快。PET材料在120 ℃下可以长期使用，短期可耐150 ℃高温。在低于120 ℃的情况下，PET可以溶解但速度缓慢，同时温度低于80 ℃时，PET可以析出[5]。

图5 PET热降解反应

图6 外置保护器和内置保护器示意图

图7 排期感温包包扎保温棉改善

将压缩机电机使用到的PET材料（电机绝缘纸和帮扎绳）放入一个全新的压缩机储液器重，同时冲入R22冷媒和压缩机冷冻油。两端用截止阀进行密封后整体放置于不同温度下的高温箱进行高温存储试验，试验后，将绝缘纸和帮扎绳取出，观察绝缘纸和绑扎绳的变化，试验结果如表 1。

通过上述试验结果表明：电机绝缘纸在130 ℃高温环境存储360 h后，已经开始变薄，在160 ℃已出现脆化，此时表明绝缘纸材料已经存在高温老化分解。分解产生的低聚物溶解于压缩机冷冻油中，随着冷媒（携带冷冻油）在系统中不断循环。长此以往，在四通阀先导阀小孔内凝聚，进而堵塞先导阀，导致四通阀无法形成换向压差。

本研究中堵塞位于先导阀的毛细管孔a（图1）。当空调开启制热模式时，电磁线圈上电，先导阀的滑碗会右移，使压缩机高温高压的排气通过毛细管孔a。此时，如果空调制冷系统中的冷媒减少或存在低电压运行等情况时，压缩机的电机会处于过热运行状态，严重过热时温度会达到150 ℃以上。此时压缩机电机定子的PET会高温降解成低聚物，随着高温高压气体沿着压缩机排气管流入先导阀毛细管d孔。由于先导阀中的气流量较低，空间狭小且内部的温度较低，导致低聚物在通过小孔径的毛细管孔a时，逐渐析出。随着制热时间的延长，低聚物聚集量增多，并最终完全堵住毛细管孔a。

2 整改措施

通过上述分析可知，造成四通阀先导阀堵塞的根本原因是由于压缩机在异常工况下持续超高温运行，造成内部PET材质高温降解析出低聚物。为此，可以采取以下改善措施：

2.1 将压缩机外置保护器更改为内置，提升温度感应灵敏性

外置式过载保护器一般都安装在制冷压缩机外壳的密封接线柱上，要保持紧贴上盖，从而保证灵敏的感知到制冷压缩机外壳上的温度异常。但是由于从电机的发热传输到制冷压缩机的外壳有一个传导和对流的过程，从外壳发热到被过载保护器感知到还有一个过程，因此这种方式的准确性和可靠性并不是特别好。

内置式过载保护器又被细分为绑扎式和插接式两种：绑扎式的过载保护器顾名思义就是和电机线圈绑扎在一起，从而起到直接感应线圈温度变化的目的，这种保护器的优点是反应非常的灵敏和准确。

因此，将外置式的过载保护器改为温度感知更加灵敏、准确的内置式的保护器，

表1 不同温度下PET材质存储结果变化情况

2.2 将系统排气温度保护值降低5 ℃

排气温度保护属于系统对压缩机温度保护其中的一种类型。压缩机运行中，由于某些原因，例如系统漏开阀、脏堵和制冷剂缺失等原因会引起系统排气温度超过正常值，这不仅会造成压缩机功耗增大，而且会使润滑油结炭，绕组损坏，绝缘纸高温融化等，影响压缩机正常工作。为了避免排气温度过高，空调一般在离压缩机排气管（10～15）mm排气管上设置排气感温包，进而对系统造成保护。

将系统排气温度保护值降低5 ℃，确保在排气保护触发时，压缩机内部PET材质和绝缘纸温度不至于过高，造成低聚物析出。

2.3 提高排气温度保护器监测精度

压缩机运转时，内部电机和泵体为发热源，从电机和泵体的发热被冷媒携带传输到制冷压缩机的外壳和排气管有一个传导和对流的过程，同时排气感温包从铜管感知温度也收到安装及热辐射的影响，造成感知温度与实际温度有较大差异。通过试验表明，一般采样温度值与实际温度值差异（5～10）℃左右，鉴于此，将排气感温包用保温棉包住，降低对外热辐射，提高排期感温包感知精度，同时将排期感温包增加修正值，便于更加真实反应压缩机异常工作下内部温度，反正压缩机内部超高温造成损坏。