低油量R290旋轉(zhuǎn)式壓縮機的研究與開發(fā)

張誠（廣東美芝制冷設(shè)備有限公司 研發(fā)中心，廣東 佛山 528333）

經(jīng)濟與管理

低油量R290旋轉(zhuǎn)式壓縮機的研究與開發(fā)

張誠
（廣東美芝制冷設(shè)備有限公司 研發(fā)中心，廣東 佛山 528333）

基于R290冷媒旋轉(zhuǎn)式壓縮機，對低油量技術(shù)的應(yīng)用進行了研究，以幫助R290空調(diào)系統(tǒng)滿足標準的制冷劑充注量限制要求。首先，根據(jù)R290制冷劑的應(yīng)用要求，明確了R290壓縮機的設(shè)計要點，提出了低油量壓縮機的設(shè)計思路。其次，根據(jù)旋轉(zhuǎn)式壓縮機的供油要求設(shè)計了低油量旋轉(zhuǎn)式壓縮機的結(jié)構(gòu)，完成了供油能力CFD計算分析。再次，完成了低油量壓縮機與普通壓縮機的供油能力評價，并對比分析了壓縮機的性能和耐久磨耗試驗結(jié)果。最后，在同一套空調(diào)系統(tǒng)中，完成了系統(tǒng)性能和R290充注量對比試驗，分析了R290低油量壓縮機為空調(diào)系統(tǒng)帶來的效果。研究結(jié)果表明，低油量旋轉(zhuǎn)式壓縮機可有效減少系統(tǒng)制冷劑充注量，并能保證壓縮機及系統(tǒng)的性能和可靠性，具有良好的應(yīng)用前景。

R290；低油量技術(shù)；供油量；制冷劑充注量

由于R22的ODP（臭氧層破壞潛值）不等于零，HCFC制冷劑R22已被“蒙特利爾議定”書列為限期逐步淘汰的制冷劑，中國政府也從2013年開始凍結(jié)R22制冷劑的使用量，并采取配額等制度按計劃逐步削減R22的使用量，到2030年～2040年僅保留極低的維修使用量，以降低臭氧層進一步受到破壞。作為R22的替代工質(zhì)，HFC類制冷劑R410A的GWP值比R22還大，將導(dǎo)致溫室效應(yīng)更為嚴重，“京都議定書”已將R410A列為受控排放的溫室效應(yīng)氣體，所以R410A絕不是長遠的替代方案，僅僅是作為過渡過程使用的制冷劑。

在環(huán)境保護的大背景下，自然界存在的天然制冷劑，如碳氫制冷劑R290，受到了人們的關(guān)注。R290具有優(yōu)秀的環(huán)境友好性（ODP為0，GWP為20），且熱力特性及物理特性優(yōu)秀，是最有前途的長遠性替代工質(zhì)。并且，R290有著與R22非常接近的基本物性，其可燃性問題也可以通過減少制冷劑的充注量來有效降低風(fēng)險，R290產(chǎn)品的市場已逐步打開。

近年來國內(nèi)外對R290壓縮機及空調(diào)器的研究逐步展開，減少充注量成為研究的焦點問題。從壓縮機設(shè)計的角度來說，已提出了一些設(shè)計方向的思考，但尚未有針對減少充注量提出十分具體的設(shè)計方案。本文在理論分析和試驗測試的基礎(chǔ)上，提出從壓縮機的角度來減少充注量應(yīng)考慮的設(shè)計要點，并完成了結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計，為R290壓縮機減少充注量設(shè)計提供了參考。

1　R290壓縮機設(shè)計要求分析

1.1R290制冷劑應(yīng)用要求

表1列出了二者的一些物性參數(shù)對比數(shù)據(jù)，R290作為R22的直接替代制冷劑，其與R22的很多物性很接近，替代性較好，并且還具有如能效更高、換熱性質(zhì)更好等特點。但是，根據(jù)ANSI/ASHRAE Standard 34-2010標準，R290是屬于A3（無毒高可燃）類物質(zhì)，這是與以往的制冷劑最大的區(qū)別。

表1　R22與R290物性參數(shù)對比表

由于其可燃性，在應(yīng)用于家用空調(diào)等制冷系統(tǒng)中時，相關(guān)的標準如IEC 60335-2-40（2013）及GB 4706.32（2012）等均通過限制系統(tǒng)的制冷劑充注量來保證安全性。根據(jù)標準的要求，使用R290（丙烷）制冷劑的空調(diào)器，在不同的面積房間里使用，空調(diào)器的最大制冷劑充注量相比R22需要大幅降低。以1HP能力壁掛分體式空調(diào)器為例，傳統(tǒng)的R22系統(tǒng)通常的制冷劑充注量約為800 g，而根據(jù)標準要求，R290系統(tǒng)的制冷劑封入量上限約為300 g，僅為R22實際使用量的37.5%。

因此，在R290制冷系統(tǒng)設(shè)計時，需要做減少充注量的針對性設(shè)計。首先應(yīng)明確優(yōu)化設(shè)計的方向，即要了解在R290系統(tǒng)中制冷劑的分布狀態(tài)，以確定優(yōu)化的方向。在制冷系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程中，由于壓力及溫度的差異，制冷劑在系統(tǒng)中的分布情況并非按容積均勻分配，需要通過實驗測試了解具體情況。

圖1是制冷劑分布測試的原理圖，通過將空調(diào)系統(tǒng)進行改造，在管路上安裝了必要的電磁截止閥和接口后，在國標制冷工況下進行制冷劑分布測試，并對結(jié)果進行分析計算，得到系統(tǒng)各部分含有的制冷劑質(zhì)量及百分比。試驗結(jié)果如表2所示。

圖1　制冷劑分布比例試驗原理圖

表2　R290系統(tǒng)中制冷劑分布比例

可以看出，在優(yōu)化后的R290空調(diào)系統(tǒng)中，制冷劑主要分布在冷凝器中，占到總充注量的62%，其次是壓縮機，為26%，而蒸發(fā)器與管路則相對較少。因此，要減少R290空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑充注量，應(yīng)當(dāng)重點從冷凝器和壓縮機兩個方向去優(yōu)化設(shè)計。也就是說，壓縮機的設(shè)計對于R290空調(diào)系統(tǒng)制冷劑的充注量有著重要的影響，可以通過減少壓縮機內(nèi)的制冷劑含量來幫助系統(tǒng)減少充注量。

實際上，在系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程中，由于R290與潤滑油的相溶性極好，壓縮機中的制冷劑主要是溶解在潤滑油中，這些溶解的制冷劑停滯在壓縮機中，不會參與系統(tǒng)循環(huán)，導(dǎo)致系統(tǒng)的制冷劑循環(huán)量不足。因此，要減少壓縮機內(nèi)的制冷劑含量，首先要減少R290壓縮機的潤滑油量，即通過低油量減少系統(tǒng)的制冷劑充注量。

1.2R290壓縮機設(shè)計要點

旋轉(zhuǎn)式壓縮機在封入較少的潤滑油時，壓縮機油池內(nèi)的油面會大幅降低，設(shè)計低油量的旋轉(zhuǎn)式壓縮機的目標，就是允許旋轉(zhuǎn)式壓縮機在更低的油面狀況下運行，并能實現(xiàn)潤滑和供油的能力。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)式壓縮機的潤滑要求，圖2中提出了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式壓縮機和低油量壓縮機的不同油面設(shè)計要求，可以看出，在低油量壓縮機中，需要解決曲軸供油能力提升問題和滑片供油保證問題，這是因為，一方面，由于油面降低，供油系統(tǒng)就需要將潤滑油泵到相對更高的位置，必須提升供油系統(tǒng)的泵油能力；另一方面，油面降低后，滑片無法像以往那樣直接浸在油中，因此，需要額外提供滑片的供油方法，以滿足滑片部的潤滑和密封要求。

圖2　低油量壓縮機設(shè)計要點

2　低油量壓縮機的設(shè)計

綜上，應(yīng)針對性地采用適合低油量的結(jié)構(gòu)設(shè)計，來滿足曲軸與主軸承運動副及滑片的潤滑要求。一方面要改善曲軸與主軸承內(nèi)徑的供油狀況，另一方面，當(dāng)油面低于滑片下端面時，能實現(xiàn)滑片的良好供油，最終保證壓縮機的性能和可靠性。

2.1主軸承供油設(shè)計方案

曲軸油泵的泵油主要靠壓差和離心力來實現(xiàn)，其中，壓差是指曲軸中心油孔頂端與油池的壓差，而離心力則與曲軸的轉(zhuǎn)速、油泵的設(shè)計有關(guān)。曲軸的轉(zhuǎn)速受限于壓縮機的運轉(zhuǎn)條件要求，因此，要提高主軸承的供油能力，從油泵的設(shè)計和提高壓差兩個角度都能有效的進行改善，相對于較成熟的油泵設(shè)計方法，本文主要對提高壓差設(shè)計方案進行研究分析。

圖3是典型的旋轉(zhuǎn)式壓縮機內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在壓縮機內(nèi)部，電機上腔的壓力因排氣經(jīng)過電機間隙產(chǎn)生壓降而略低于電機下部空間即油池的壓力，由于曲軸中心的油泵機構(gòu)分別連通油池和電機上腔，這樣就存在正壓差，幫助油泵將潤滑油供給到各運動副中。當(dāng)油面較低時，潤滑油供給到距離油面較高處運動副的油量可能出現(xiàn)不足，并且初始的上油時間會加長，帶來可靠性的問題。在壓縮機基本結(jié)構(gòu)確定后，可通過提高油泵機構(gòu)的正壓差來改善供油。

圖3　旋轉(zhuǎn)式壓縮機內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到在壓縮機的運轉(zhuǎn)工況下，油池的壓力是確定的，因此，可以考慮減小油泵頂部出口處的壓力來提高壓差。圖4設(shè)計了轉(zhuǎn)子風(fēng)扇方案，將轉(zhuǎn)子上端的鑄鋁改造加工成類似葉片風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，利用轉(zhuǎn)子隨曲軸的高速轉(zhuǎn)動，使連通轉(zhuǎn)子風(fēng)扇中心的油泵上端出口的壓力降低，來提高油泵機構(gòu)的正壓差。

圖4　轉(zhuǎn)子風(fēng)扇設(shè)計模型

為確認該設(shè)計方案的可行性，利用CFD仿真分析軟件STAR CD對原始模型和設(shè)計方案進行了仿真對比分析，兩種模型的內(nèi)部壓力分布及泵油高度結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

分析結(jié)果顯示，采用轉(zhuǎn)子風(fēng)扇仕樣后，在相同的壓縮機運轉(zhuǎn)條件下，相比原始模型，轉(zhuǎn)子風(fēng)扇設(shè)計方案曲軸泵油機構(gòu)的壓差較高，如圖5所示。另外，根據(jù)圖6中豎直中截面VOF計算結(jié)果，相同條件下轉(zhuǎn)子風(fēng)扇設(shè)計方案的油泵中心潤滑油能到達的高度明顯高于原始模型。仿真計算結(jié)果說明轉(zhuǎn)子風(fēng)扇設(shè)計方案能夠明顯提高曲軸泵油機構(gòu)的正壓差，從而提高曲軸油泵機構(gòu)的泵油高度。

圖5　壓力分布計算結(jié)果截面圖

圖6　泵油高度對比計算結(jié)果

也就是說，初步判斷利用轉(zhuǎn)子風(fēng)扇可以使曲軸油泵在油面較低時也能夠達到較高的泵油高度，從而滿足曲軸與主軸承內(nèi)徑的供油要求，保證壓縮機的性能及可靠性。

2.2滑片供油設(shè)計方案

設(shè)計低油量（面）時的滑片供油方案的主要目的，是為了保證即使壓縮機內(nèi)的油面低于滑片下端面，滑片也能夠獲得有效的供油潤滑狀態(tài)。由于油面低于滑片下端面，滑片無法直接接觸到潤滑油，需要通過其它的途徑在壓縮機運轉(zhuǎn)時給滑片供給潤滑油。

圖7是滑片及相鄰部件裝配示意圖。在壓縮機運轉(zhuǎn)時，滑片作前后往復(fù)運動，滑片前半部因會進入到汽缸內(nèi)部，接觸到汽缸內(nèi)的冷媒和潤滑油，可以實現(xiàn)其潤滑和冷卻效果，因此，更關(guān)注滑片尾部的供油。

圖7　滑片供油結(jié)構(gòu)示意圖

如圖8所示，我們在主軸承上設(shè)計出導(dǎo)流的供油槽，通過供油槽收集的從壓縮機上部及主軸承頂端流回的潤滑油，導(dǎo)流至滑片尾部豎直孔中并流經(jīng)滑片，能保證滑片尾部從上到下均能有油供給，實現(xiàn)滑片后半部的潤滑冷卻作用，從而達到與滑片浸在油池中同樣的效果。這樣，即使在滑片無法直接浸在油池中，滑片也能實現(xiàn)良好的供油。

圖8　滑片供油槽示意圖

3　試驗驗證分析

在完成設(shè)計和理論分析之后，進行樣機的實機試驗驗證，包括壓縮機的單體試驗和搭載系統(tǒng)的性能試驗等，確認相同的機種在普通油量結(jié)構(gòu)和應(yīng)用了上述的低油量結(jié)構(gòu)的情況下的差異，判斷其可行性。

3.1供油量試驗

這里所述的供油量試驗包括曲軸與主軸承內(nèi)徑的供油量試驗和滑片的供油量試驗，試驗中壓縮機的主要結(jié)構(gòu)相同，差異在于油量及有無上述的低油量結(jié)構(gòu)應(yīng)用。

主軸承供油量試驗主要是在相同的條件下對比應(yīng)用了轉(zhuǎn)子風(fēng)扇設(shè)計方案后相比普通油量時的供油量，以確認其是否出現(xiàn)惡化。而滑片供油方案的驗證則是為了確認該方案流經(jīng)滑片的油量水平，給可靠性試驗提高參考。

圖9是主軸承和滑片供油量對比試驗結(jié)果。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，若以普通油量結(jié)構(gòu)機種的主軸承上端出油量作為基準，則在僅減低油量即低油量的情況下，由于油面降低導(dǎo)致主軸承供油量明顯減少，這會給壓縮機的運行帶來問題。當(dāng)在相同的低油量情況下，加上轉(zhuǎn)子風(fēng)扇設(shè)計方案后，相同的條件下，主軸承供油量改善明顯，基本達到了普通油量的供油水平，可以滿足壓縮機的運轉(zhuǎn)供油要求。

另外，由于滑片供油量是低油量設(shè)計時應(yīng)用的新評價方法，因此，本試驗的結(jié)果也以主軸承供油量作為參照說明，根據(jù)試驗中觀察到的滑片供油量的狀態(tài)及供油量數(shù)值，初步判斷供油槽結(jié)構(gòu)可以滿足滑片供油的需求。

圖9　壓縮機供油量試驗結(jié)果對比

3.2壓縮機性能及耐久試驗

參考供油量試驗的結(jié)果，初步判斷在低油量時，利用轉(zhuǎn)子風(fēng)扇及供油槽結(jié)構(gòu)可以滿足壓縮機主軸承及滑片供油的需求，因此，繼續(xù)推進了壓縮機的性能（制冷量）和耐久試驗確認。

圖10和圖11分別是壓縮機在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)時普通油量和低油量以及應(yīng)用了低油量設(shè)計方案的轉(zhuǎn)子風(fēng)扇和供油槽結(jié)構(gòu)時的性能和1KH耐久后相關(guān)零件的磨損量對比?？梢钥闯?，在低油量（面）狀態(tài)下，若不應(yīng)用新結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，在低油量時供油困難的主軸承/曲軸及滑片的潤滑和密封狀態(tài)惡化，導(dǎo)致能效比下降及磨損加劇。

圖10　壓縮機性能數(shù)據(jù)對比

圖11　壓縮機耐久磨耗數(shù)據(jù)對比

通過低油量的轉(zhuǎn)子風(fēng)扇及供油槽設(shè)計方案的應(yīng)用，可以明顯改善上述問題，且壓縮機的能效比略有提升，零件的磨損與普通油量時相當(dāng)，具有良好的應(yīng)用效果，滿足壓縮機性能和可靠性的要求。

3.3系統(tǒng)性能及冷媒量試驗

將壓縮機匹配系統(tǒng)進行性能對比測試，是低油量結(jié)構(gòu)可行性的重要判定條件之一。利用單體性能對比測試的普通油量結(jié)構(gòu)和低油量結(jié)構(gòu)的壓縮機搭載同一臺R290 RAC系統(tǒng)，以普通油量系統(tǒng)數(shù)據(jù)作為基準，分別對比GB制冷和GB制熱條件下能力、功率及能效結(jié)果，并確認低油量對系統(tǒng)制冷劑充注量的低減效果，結(jié)果如表3所示。

表3　不同結(jié)構(gòu)下壓縮機搭載系統(tǒng)性能結(jié)果對比%

試驗中，100%的制冷劑充注量為標準要求的限制值，也是普通油量系統(tǒng)達到性能最佳時的制冷劑充注量數(shù)值。根據(jù)試驗結(jié)果，當(dāng)R290 RAC系統(tǒng)搭載低油量結(jié)構(gòu)壓縮機時，與搭載普通油量結(jié)構(gòu)壓縮機的系統(tǒng)相比：

1）制冷劑充注量減少效果：低油量系統(tǒng)只需83%的制冷劑充注量便可實現(xiàn)相當(dāng)?shù)男阅芩?，而普通油量系統(tǒng)采用83%的制冷劑量時，系統(tǒng)的能力和能效比均下降明顯。一方面，這說明低油量結(jié)構(gòu)對R290系統(tǒng)制冷劑充注量的減少效果明顯，可以幫助系統(tǒng)滿足標準的制冷劑充注量的要求；從另一個角度來說，在實現(xiàn)相當(dāng)?shù)男阅軙r，低油量系統(tǒng)可以減少制冷劑充注量，從而提高系統(tǒng)的安全性。

2）性能對比分析：低油量系統(tǒng)增加制冷劑充注量后，一方面，系統(tǒng)的制冷性能表現(xiàn)穩(wěn)定，而制熱能力及制熱COP均有明顯提高，而普通油量系統(tǒng)性能受制冷劑充注量的影響波動明顯。另一方面，R290系統(tǒng)制熱性能改善顯著，這是由于制熱時對制冷劑循環(huán)量的要求更多，限制的制冷劑充注量對系統(tǒng)的制熱量影響明顯，從結(jié)果可以看出，通過低油量結(jié)構(gòu)增加了系統(tǒng)的制冷劑循環(huán)量，提高了系統(tǒng)的制熱性能，改善了R290系統(tǒng)制熱表現(xiàn)差的缺點。

4　結(jié)論

在R290空調(diào)系統(tǒng)中，制冷劑主要分布在冷凝器和壓縮機中，壓縮機的低油量設(shè)計可以幫助系統(tǒng)減少制冷劑充注量，滿足標準的要求。在低油量的情況下，需要解決曲軸與滑片供油潤滑的課題，本文提出了低油量結(jié)構(gòu)設(shè)計的解決方案，完成了供油量的確認試驗，通過壓縮機單體的性能和耐久評價，初步判斷低油量結(jié)構(gòu)具有較好可行性，并完成了搭載R290空調(diào)系統(tǒng)的性能對比試驗，結(jié)果表明，低油量結(jié)構(gòu)壓縮機不僅可以顯著降低系統(tǒng)的制冷劑充注量，并能改善系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，提高系統(tǒng)的安全性，是R290壓縮機設(shè)計的未來方向之一。

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［2］梁杰榮，李廷勛.“基于SINSDA/FLUENT平臺的R290房間空調(diào)器仿真”［J］.制冷技術(shù)，2010（2）：42-46.

［3］張于峰，馬九賢，孫延祿，等.丙烷及其混合物作為空調(diào)制冷劑可行性研究［J］.制冷學(xué)報，1999（2）：18-24.

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［5］勞倫曾.天然制冷劑-完美的解決途徑［J］.制冷技術(shù)，1996（2）：37-43.

［責(zé)任編輯：吳卓］

Research and Development of R290 Less Oil Rotary Compressor

ZHANG Cheng
（R&D Section，Guangdong Meizhi Compressor Co.Ltd.，F(xiàn)oshan Guangdong 528333，China）

The less oil technique research is based on R290 rotary compressor for the purpose of decreasing the refrigerant charge amount of R290 room air conditioner to satisfy the demand of IEC standard 60335-2-40.Firstly，according to the demand of R290 refrigerant application，the key points of R290 compressor design was indicated.Then，the less oil rotary compressor was designed，and the CFD simulation of the oil feed structure was confirmed.Thirdly，the oil feed test was evaluated.Moreover，the performance and reliability tests were completed.Lastly，the result of refrigerant charge amount decrease of R290 room air conditioner was obtained by test，and the system performance was also confirmed. The results show that the less oil rotary compressor not only effectively decrease the refrigerant charge amount of R290 room air conditioner but also can achieve the same performance and reliability of the compressor and system.That is to say，the less oil technique is one of the most important directions of rotary compressor development.

R290；less oil technique；oil feed；gas charge amount

TB652

A

1672-6138（2015）03-0020-06

10.3969/j.issn.1672-6138.2015.03.005

2015-04-24

張誠（1964—），男，湖南常寧市人，工程師，研究方向：制冷壓縮機研發(fā)與制造。