冷媒散热在家用变频空调中的应用

王 敏

格力电器股份有限公司 广东 珠海 519070

1 冷媒散热变频空调制冷系统原理

1.1 单项节流阀原理

如图1所示，为单向节流阀的具体结构。在采用冷媒散热方案的家用变频空调中，其单向节流阀的工作原理是通过内部的一个能够自由活动的节流阀芯实现节流。当冷媒沿着箭头方向流经阀门时，会产生节流效果。当冷媒逆着箭头方向流经阀门时，则会直接通过，不会产生节流效果。

图1 单向节流阀结构

1.2 冷媒散热的制冷系统原理

如图2所示，为家用变频空调的冷媒散热制冷系统原理图。该系统和普通变频空调制冷系统的区别主要表现在室外机的高压阀部件上。当前阶段，广大家庭常用的变频空调中，其室外机电控和高压阀部件之间并不存在接触，冷媒散热变频空调则正好与之相反。后者在制冷运行的过程中，从空调压缩机中排出的高温高压气体在经由冷凝器冷凝处理后形成的制冷剂液体会流向高压阀部件，由于制冷剂液体的温度比空调室外电控模块的温度要低，因此可以通过室外电控接触的铜管将后者的热量带走，以此达到降低室外电控模块温度的效果。制冷剂液体在经过电控模块后，会经由单向节流阀进行节流降压，转化为低温低压液体输送到蒸发器，在其中经过换热转变为气体形态，转回空调的压缩机内，完成整个循环过程。

图2 冷媒散热变频空调制冷系统原理图

2 高压阀部件对比

2.1 常规变频空调的高压阀部件

如下图所示，为常规家用变频空调的高压阀部件结构，由于空调的室外电控模块和该部件不存在接触，因此在空调制冷系统运行的过程中，只能通过电控模块自身配备的片状散热铝片进行散热，并借助空气实现对流。结合实际情况来看，散热效果不理想。

图3 常规家用变频空调高压阀部件结构

2.2 冷媒散热方案变频空调的高压阀部件

通过上文的原理分析我们已经知道，采用冷媒散热方案的变频空调在进行室外电控模块散热时，主要是通过高压阀部件铜管内部的冷媒来实现的。因此高压阀部件必须和电控模块中配置的散热铝片相接触，如此才能达到散热的效果。如下图所示为冷媒散热变频空调的高压阀部件。冷媒散热变频空调的制冷和制热节流需要在散热模块两边分别设置独立的节流阀进行控制，以确保经过变频器的冷媒冷凝液未经节流阀节流降温，冷凝液进入散热模块前温度始终高于环境温度但远低于电控模块温度，从而有效避免因冷凝液温度低于环境温度引起散热模块表面冷凝结露产生水渍，威胁到外机电控模块运行的可靠性。

此外，可以在变频器上设置IPM驱动带，将散热器的一侧面和该驱动带相连接。驱动带上设有温度传感器，其与控制器相连。控制器内部的存储器上预设散热器目标温度值和极限温度值。在空调运行的过程中，驱动带对散热器表面的温度信号进行监测，并传送给控制器，将实际温度和预设散热器目标温度值以及极限温度值进行对比，根据比较结果可调整压缩机运行频率参数。例如，散热器温度低，则压缩机频率允许提高，相反则压缩机运行频率不能增加或需要调低，以保护变频器电控模块。

3 常规与冷媒散热变频空调的性能实测对比

为了更加全面的了解采用冷媒散热变频空调的实际性能，本文分别采用了一套2匹和3匹变频家用空调柜机对常规和冷媒散热的性能进行了对比分析。通过对不同室外环境温度下制冷效果和电控模块温度控制情况的实际测量来看，2匹机运行中，在室内温度为32/23时，若室外温度为43、48以及55的情况下，冷媒散热变频空调的运行效率要均稍高于常规变频空调，同时排气温度也相对较高。而电控模块温度方面，冷媒散热空调的整流桥堆温度和IGBT表面温度都相对偏低，平均温差在1℃以上。而根据制冷能力的效果来看，随着温度的不断增加，常规和冷媒散热变频空调的运行效率都会出现下降，在相较而言，冷媒散热变频空调的运行效率始终高于常规空调。而在制冷能力方面，冷媒散热变频空调也始终优于常规空调。使用3匹机进行实测时，在同样的实验工况下，对比分析结果和2匹机基本相同，不论是运行发热结果还是制冷能力结果，冷媒散热变频空调所所表现出的综合性能都要优于常规空调。具体运行数据见下表所示。

表1 空调制冷运行发热结果

经过综合分析之后可知，对于2匹或是3匹变频空调而言，采用常规散热方案时，想要避免电控模块出现温度过高而损坏的情况，在高温环境条件下，必须要降低制冷运行效率。与之相对，采用冷媒散热方案时，则能够在保障电控模块温度有效控制的基础上，兼顾制冷运行效率。根据实测结果，在工况相同的情况下，冷媒散热变频空调的制冷运行频率要高出常规空调2～6Hz。造成这种现象的主要原因即冷媒散热采用的是传导换热的方式，相较于传统的铝片散热效率更高，使得电控模块温度可以下降1～2℃。变频空调电控模块的温度越低，其运行的稳定性越高，相应的其使用寿命也就越长。由此可见，冷媒散热方案在变频空调领域具有较高的推广价值。

结束语：

综上所述，相对于常规家用变频空调所采用的散热铝片，冷媒散热方案所采用的高压阀部件和铝片接触，利用冷媒换热的方式具有更为显著的优越性，不仅有利于电控模块温度的控制，提高模块运行可靠性和使用寿命，同时也可以保障空调的制冷效果。因此，在未来的变频空调产品研发生产中，可以考虑使用冷媒换热方案。