空调压缩机油粘度与油温过热度的测试研究

Experimental Study on the Oil Viscosity and Oil Superheat Temperature of Air Conditioner Compressor

摘要：通过自行建立的压缩机油粘度与油温过热度在线测试方法，对1.5HP家用变频空调系统进行测试分析，并结合滚动转子式压缩机的实际工作情况，分析了可能导致压缩机润滑失效的情况，为滚动转子式压缩机润滑可靠性的研究及评价提供了数据支持及理论依据。
关键词：压缩机；油温过热度；粘度；可靠性
Abstract：A method which can test the viscosity of the refrigerating oil on line is used to measure the air conditioner of 1.5HP. Combined with the actual working condition of rotary compressor, the situations which probably lead to a failure without lubricating enough is found. It can provide the data and theory basis to the study of the reliability of the rotary compressor lubrication and the evaluation standard.
Key words：compressor; oil temperature of superheat; viscosity; reliability
　　空调压缩机的可靠运行离不开冷冻油的有效润滑。由于空调压缩机所使用的制冷剂与冷冻油具有一定的互溶特性，当冷冻油处于高稀释度状态，其粘度将大幅度下降，不利于油膜形成，这时，就出现零件磨损的情况。所以，研究空调压缩机在各种运行工况下的油粘度的关系有十分重要的意义。
　　家用空调压缩机一般为滚动转子式压缩机，此类压缩机通常设计为高背压。对于高背压压缩机，油温过热度是指压缩机内部的冷冻油的实际温度减去冷媒的排气压力对应的饱和温度，该指标可以反映出压缩机在不同工况下的冷媒与油的实际混合状态。无论是吸气回来的液态冷媒还是高压侧倒流回来的冷媒，最后都是回到压缩机腔体内，则冷冻油会由于被液态冷媒冷却和稀释，使压缩机的润滑状态发生变化。上述的情况出现后，大部分出现的问题最终表现在温度上。压缩机内发热的位置主要有电机绕组、轴承接触面，电机绕组需要冷冻油良好的冷却及轴承接触面有良好的润滑才能使其发热量不至于过高，保证压缩机的可靠运行。因而，空调系统必须保证在运行时其油温过热度满足标准的要求，以有效地保证压缩机不出现液压缩或者冷冻油被稀释。
　　1 油池粘度测试方法选择及验证
　　对压缩机油池粘度进行在线测试需要解决以下几个问题：①压缩机油池底部悬浮颗粒杂质对传感器可靠性及粘度测试精度的影响；②传感器在压缩机油池中冷媒传递的即时性和有效性；③传感器的抗电磁干扰能力；④油池温度场分布复杂，温度传感器与粘度传感器如无法保证同一测试点会干扰测试结果的分析，粘度仪具有温度监测功能可确保油温过热度与油粘度的对应性。
　　鉴于以上几点原因，本文选择了一款高精度的电磁粘度计。传感器活塞在电磁力的作用下呈往复牵引运动，可确保冷冻油的吸入及更新。测试冷媒具有较高的即时性，而电磁驱动的方式较普通机械驱动方式的抗干扰能力更强，往复运动时间的测量极为精确，液体绝对粘度可以被控制在技术规格的±1%内，传感器自带温度测试功能确保温度点与粘度点测试结果的对应性。
　　实验过程中，涉及高温度范围和高压力范围，为了验证传感器的使用精度，需要提前在高压釜内进行对比试验。要求能够保证容器内温度的恒定并可监测容器内混合液的容积、温度及压力，取其一端通路焊接冷媒充灌阀并外接压力表、调压阀以进行操作控制，如图1。实验全程测试加入容器中的制冷剂及冷冻油重量，以分析冷媒和油的添加比重，记录压力和温度数据以分析二者的互溶情况。
　　在高压釜中封入一定比例的制冷剂与冷冻油充分混合的液体，通过恒温箱保证试验容器内的测试温度，此时测得的压力与设定的温度可认为是制冷剂与冷冻油在此配比下互溶的条件，见表1。通过配置不同比例的混合液体，可以获得制冷剂与冷冻油在不同温度和压力下的互溶比例。
　　将溶解比例作为横坐标，测试压力作为纵坐标绘制曲线，结果如图2所示。
　　同时可通过油粘度传感器，测试不同比例混合液体在不同温度下的粘度情况，测试数据见表2。
　　将温度作为横坐标，粘度作为纵坐标绘制曲线，结果如图3所示。
　　实验结果表明，制冷剂对冷冻油的稀释作用会对冷冻油的润滑作用产生极大的负面影响。以压缩机油池温度100℃为例，冷冻油稀释度每提高10%，冷冻油粘度的下降幅度约为50%。
　　在滚动转子式压缩机的实际工作环境下，随着排气压力及油池油温过热度的变化，压缩机内的冷冻油与制冷剂的溶解度发生变化，油池中混入的制冷剂越多，溶解粘度越低，对压缩机的可靠性不利。而在一定压力条件下，制冷剂的溶解比例与油池温度有关，油池温度越高，则溶入的制冷剂比例越小。因此，在把握压缩机可靠运行的最低油粘度基础上，控制压缩机油池的油温过热度可保证压缩机的可靠运行。
　　2 压缩机内冷冻油粘度在空调系统中的在线测试与分析
　　压缩机内部布置传感器位置如图4所示。
　　对该压缩机接入空调系统，并对空调系统进行在各种工况下油温过热度与冷冻油粘度的监测，发现空调在低温制冷、超低温制热（启动阶段）、过负荷制冷等几个工况下运行时最容易发生油温过热度过低或过高导致油粘度降低的情况。
　　2.1 超低温制热启动阶段
　　空调系统在超低温制热运行启动前，静置于低温环境压缩机内油池温度与环境相同，启动时在节流的作用下，空调冷凝压力及压缩机排气压力迅速上升，而温度的变化则相对较慢，因此导致启动的一段时间内压缩机油温过热度较低。
　　1.5HP空调系统的启动监测：
　　空调系统运行-15℃低温制热，开度为150B时，压缩机30°压力、30°温度、对应饱和温度、油池温度及冷冻油粘度的统计数据如表3。
　　可以看出，压缩机在-15℃的低温工况下启动时，出现冷冻油粘度低于测试量程的情况。
　　2.2 低温制冷运行
　　与低温制热启动阶段出现油温过热度低的情况不同，低温制冷运行时蒸发器换热不足导致吸气过热度低。同时低温制冷运行时压缩机压比往往较低，导致压缩机排气过热度也比较低，排气过热度低时极容易导致油温过热度低，如表4所示。因此，低温制冷运行时也常出现油温过热度低的情况。尤其当空调系统冷媒灌注量较多或节流设置不当导致吸气过热度较低时，油温过热度低的情况则更加明显。
　　制冷剂灌注量过多时，冷媒无法完全蒸发，压缩机吸气过热度低或吸气带液量大，从而导致排气过热度及油温过热度低，冷冻油稀释度大粘度低，压缩机润滑不足易发生故障。更严重时，压缩机工作腔内存在液压缩的情况，破坏压缩机缸体。因此，需要对空调系统的制冷剂灌注量进行合理的设计及控制。
　　2.3 过负荷制冷运行
　　与前两组工况的情况不同，在过负荷制冷工况下运行时易出现油温过热度过高的情况，油温过热度低导致冷冻油稀释产生的粘度下降，油温过热度过高则容易导致冷冻油温度过高产生的粘度下降。此外，由于在过负荷制冷工况下运行时，压缩机轴承负载较大，此时油粘度的降低更容易导致压缩机故障。针对过负荷运行时油粘度低、压缩机负载大的情况，可设置控制逻辑，当空调运行负荷过大时，控制降低压缩机运行频率，以有效缓解压缩机的工作负载。
　　2.4 其他情况
　　空调系统在部分工况下运行停机时，产生制冷剂迁移的现象，制冷剂迁移程度越严重，往往开机时压缩机油池油温过热度低的情况持续时间越长。在部分工况下，由于蒸发器换热不充分，压缩机吸气过热度过低，存在吸气湿度大甚至吸气带液的情况，也会导致压缩机油池油温过热度过低。
　　3 分析总结
　　本文建立了一种压缩机油池粘度和油温过热度的在线测试方法，对空调系统在不同工况条件下油池中冷冻油的粘度和油温过热度进行了系统的测试，提出了油温过热低与粘度低的恶劣使用条件，并建议通过相应的设计改善，有效提高压缩机的可靠运行。
参考文献
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