曹蘭寶 徐秀娟 劉忠剛 崔亞 陳琳
(浙江吉智新能源汽車科技有限公司)
在電動汽車上,由于動力電池能量密度與成本的限制,對各個系統(tǒng)的節(jié)能需求相比傳統(tǒng)燃油車會更高[1]。電動汽車乘員艙的制冷可由電動壓縮機替換傳統(tǒng)的以發(fā)動機為動力源的離合器式壓縮機來完成,而對于制熱,因無發(fā)動機余熱可以利用,現(xiàn)行的電動車空調(diào)制熱系統(tǒng)有2 種主要方案,一種為利用PTC 電加熱裝置為乘員艙提供熱量,另一種為利用熱泵空調(diào)系統(tǒng)[2]。熱泵空調(diào)系統(tǒng)因具有高效且節(jié)能的特點,國內(nèi)外很多研發(fā)機構(gòu)、整車廠家都在積極對其進行開發(fā)[3]。電動壓縮機作為實現(xiàn)制冷和制熱的核心部件,也成為了重點研究對象。而電動渦旋式壓縮機因其具有結(jié)構(gòu)簡單、噪聲低、體積小、質(zhì)量輕、運行平穩(wěn)及效率高等優(yōu)點,在已上市的搭載有熱泵空調(diào)系統(tǒng)的電動汽車中被大量應(yīng)用[4-5]。因為電動渦旋式壓縮機固有的結(jié)構(gòu)特點,在應(yīng)用于熱泵空調(diào)系統(tǒng)時,因為低溫下潤滑油特性的改變及系統(tǒng)中質(zhì)量流量的降低,回油問題需要被重點關(guān)注[6]。文章重點討論電動渦旋壓縮機應(yīng)用于電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)時,從設(shè)計角度需要重視的潤滑與回油問題。
電動渦旋壓縮機整機共有7 處摩擦副[7],在壓縮過程中,所有的摩擦副都需要潤滑。一方面,潤滑油起到導熱、降低摩擦、減少磨損、減小噪聲的作用;另一方面,潤滑油形成的薄油膜在不同壓縮腔的分界面處(即動靜盤徑向最小間隙處)隔斷不同壓力的氣體,起到徑向密封的作用。由此,如果壓縮機內(nèi)潤滑油不足,將會導致摩擦副的摩擦損失和動靜盤之間的密封不良,壓縮機的可靠性和性能都將下降。機內(nèi)潤滑油不足導致的壓縮機磨耗,如圖1所示。
圖1 壓縮機磨耗圖
渦旋壓縮機從整機結(jié)構(gòu)上通常分為高壓腔結(jié)構(gòu)和低壓腔結(jié)構(gòu)。高壓腔結(jié)構(gòu)依靠壓縮機內(nèi)部的壓差實現(xiàn)供油;對于在汽車空調(diào)上常用的低壓腔結(jié)構(gòu),潤滑油是通過主軸的動力來提供離心力,到達軸承表面和其他需要潤滑的表面。
盡管潤滑油對于渦旋壓縮機的潤滑、導熱及密封至關(guān)重要,但油隨排氣離開壓縮機時,就是對氣體的一種污染。制冷劑中含油,一方面會導致壓縮機有效的吸氣容積降低,惡化壓縮機本身的性能;另一方面,會在制冷系統(tǒng)的其他零部件中產(chǎn)生集油,增大熱阻,惡化換熱器性能。鑒于制冷劑與油良好的互溶性,在系統(tǒng)運行的過程中,油液必然會隨著制冷劑而流動。為實現(xiàn)油液分離,一些壓縮機在后蓋上設(shè)計有相應(yīng)的油氣分離結(jié)構(gòu),利用離心力實現(xiàn)油氣分離。
無論如何,油氣不可能徹底分離。而對于汽車空調(diào),由于布置空間的限制,很少能裝配有氣液分離器。因此,相較于系統(tǒng),汽車空調(diào)的含油率相對較高。
圖2 示出基本的熱泵空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
圖2 汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
該結(jié)構(gòu)在常規(guī)制冷空調(diào)的基礎(chǔ)上,增加了兩通電磁閥、三通電磁閥、電子膨脹閥、室內(nèi)冷凝器芯體及相應(yīng)的連接管路。對壓縮機來說,應(yīng)用于熱泵空調(diào)系統(tǒng)時,與應(yīng)用于常規(guī)制冷系統(tǒng)相比有以下3 點差別:1)熱泵系統(tǒng)需要壓縮機的轉(zhuǎn)速范圍較大(600~8 000 r/min),為保證高轉(zhuǎn)速下壓縮機的良好潤滑,潤滑油與制冷工質(zhì)之比往往達到了10%(一般制冷空調(diào)壓縮機低于2%);2)熱泵系統(tǒng)使用的環(huán)境溫度較低,可能低于-10 ℃,在此溫度下,潤滑油與冷媒的溶解度降低,冷媒的比容增大,有效吸氣及有效潤滑油質(zhì)量降低,而此時壓縮機的轉(zhuǎn)速較高,需要的潤滑油量更多;3)相對于制冷工況,制熱工況的吸氣壓力更低,壓縮機的壓比增大,所以壓縮機的排氣溫度也將增高,這就可能導致潤滑油炭化失效,嚴重時損壞壓縮機。為解決這些問題,熱泵系統(tǒng)設(shè)計時需注意以下問題。
在制冷回路中,壓縮機1 排氣進入室外冷凝器6,經(jīng)全開的大口徑電子膨脹閥5,再經(jīng)電子膨脹閥10 節(jié)流降壓后進入室內(nèi)蒸發(fā)器9,經(jīng)吸氣管進入氣液分離器8 后回到壓縮機。在這一回路中,壓縮機排氣管路/冷凝器出液管路中流體流速較高,潤滑油不易累積;冷凝器中,因為車用冷凝液多為微通道結(jié)構(gòu),截面尺寸較小,油液會有一定程度的附著,所以冷凝器中實現(xiàn)流程分配的隔板上宜設(shè)置回油孔,利用冷凝器進出口的壓差作用,實現(xiàn)油液的順利排出;制冷劑經(jīng)電子膨脹閥10節(jié)流降壓后流速下降,進入蒸發(fā)器中,制冷劑以氣液兩相態(tài)的形式存在,而潤滑油仍為液態(tài),特別是制冷劑過熱段,油氣分離更明顯。所以,對蒸發(fā)器后的壓縮機吸氣管就需要采取相應(yīng)的回油措施。常用的吸氣管道包括水平管、上升立管和回油彎,且各段管路都有一定的流速要求。
在制熱工況中,壓縮機排氣1 進入室內(nèi)冷凝器3,此冷凝器的設(shè)計可遵循與室外冷凝器相同的設(shè)計要求,當然,因通常室內(nèi)情況下室內(nèi)冷凝器整體尺寸較小,集油不明顯,考慮到回油孔存在可能產(chǎn)生的對系統(tǒng)性能的影響,可以不做處理;再經(jīng)電磁閥4,流入電子膨脹閥5,節(jié)流降壓后,進入室外蒸發(fā)器6,此蒸發(fā)器整體尺寸往往較大,而且工作在低的蒸發(fā)溫度下,油氣分離更明顯,所以蒸發(fā)器及其后壓縮機吸氣管路的回油設(shè)計需要重點關(guān)注。在熱泵空調(diào)系統(tǒng)中,因制熱/制冷工況下不同的換熱量需求及管路總量的增加,制熱工況下,所需的制冷劑充注量會高于制冷時的充注量,此時就需要在系統(tǒng)中設(shè)置氣液分離器。氣液分離器一方面能夠保證系統(tǒng)不出現(xiàn)大量的液體進入壓縮機,一方面內(nèi)部可設(shè)計合理的回油結(jié)構(gòu)。合理的設(shè)計包含進出氣管的相對位置和回油孔的位置及尺寸。合理的回油孔位置及尺寸可以保證少量的液態(tài)制冷劑及油液連續(xù)地回到壓縮機的吸氣管路上。應(yīng)注意,此時制冷劑處于低溫、低壓、低速的氣態(tài),潤滑油易析出,所以此段管路不宜過長。而當系統(tǒng)中配置了氣液分離器時,通常的干式蒸發(fā)器可以考慮一定程度的滿液使用,此時蒸發(fā)器內(nèi)部可以設(shè)置適宜的孔板,用以提高制冷劑流速而減少集油。
綜上,室外換熱器在制冷工況時為冷凝器,在制熱工況時為蒸發(fā)器,為同時兼顧制冷和制熱的換熱性能,換熱器的結(jié)構(gòu)/流程設(shè)計可能異于傳統(tǒng)的冷凝器或者蒸發(fā)器,此時更應(yīng)兼顧換熱器內(nèi)部的回油問題。
圖3 示出通常的潤滑油與制冷劑的溶解規(guī)律曲線。
圖3 潤滑油與制冷劑的溶解曲線
由圖3 可見,低溫下,潤滑油的溶解度下降,壓縮腔中動靜盤的潤滑、冷卻及密封可能存在問題。而當制冷劑與潤滑油的混合物排入系統(tǒng)后,系統(tǒng)工作在低蒸發(fā)溫度(環(huán)境溫度為-20 ℃)時,蒸發(fā)器內(nèi)的冷媒蒸發(fā)不完全,潤滑油分離更為嚴重,此時蒸發(fā)器后吸氣管、氣液分離器等的回油設(shè)計尤為重要。
綜上,在電動渦旋式壓縮機應(yīng)用于汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)時,較傳統(tǒng)的制冷空調(diào)系統(tǒng),解決系統(tǒng)回油問題尤為重要。壓縮機自身、系統(tǒng)管路、芯體、氣液分離器等各零部件在設(shè)計之初就需重點考慮回油問題。1)壓縮機自身在充分潤滑后,排氣前應(yīng)能夠進行一定量的油氣分離,以保證較低的油循環(huán)率;2)冷凝器中為保證回油,流程隔板中應(yīng)設(shè)置適當?shù)幕赜涂祝?)冷凝器出液管制冷劑流速較高,可不特殊考慮;4)對于蒸發(fā)器中因制冷劑蒸發(fā)而產(chǎn)生的油氣分離,在熱泵工況下,應(yīng)考慮設(shè)計孔板以提高制冷劑流速從而減少集油;5)氣液分離器中應(yīng)設(shè)計合理的回油孔位置與尺寸;6)壓縮機吸氣管不宜設(shè)置過長,應(yīng)有適當?shù)幕赜蛷潯?/p>