空调转子压缩机油温过热度与粘度关系实验研究

卢耀汕 廖四清 曾令华

广东美芝制冷设备有限公司 广东佛山 528000

0 引言

空调转子压缩机主要是通过其内部的润滑油对机械部件润滑来保证可靠性，而润滑油的粘度特点对压缩机可靠性运行又有重要影响[1]。一般情况下压力越高、温度越低，制冷剂与润滑油的互溶性越好，但润滑油处于高稀释度状态时，其粘度将大幅度下降，不利于油膜形成甚至加剧零件间的磨损，导致可靠性故障[2]。

对于使用转子压缩机的空调系统，为保证长期可靠运行，行业一般使用油温过热度（压缩机油池温度与冷凝温度之差，以下用“ΔT”表示）作为评价指标[3]。ΔT评价方法一般要求空调稳定运行时ΔT≥5℃[4]，其目的为：（1）防止压缩腔排出的气态制冷剂因为油温过低冷凝成液态而稀释润滑油；（2）一般ΔT低时，润滑油与制冷剂饱和溶解度大，对ΔT作出最低要求可保证稀释度不会太高从而保证最低粘度要求，确保运动部位的油膜厚度。其理论依据为：假设压缩机中制冷剂与油达到了饱和溶解状态，则ΔT越高；油中制冷剂溶解度越小，粘度越大[5]，即ΔT与粘度呈单调递增关系。

对于R32制冷剂的变频空调，特别是采用固定开度的节流件（如毛细管、节流短管）的空调，存在较多稳定运行工况因无法满足ΔT≥5℃，只能通过耐久实验进行可靠性确认，严重降低开发效率。有实验结果表明，大部分工况压缩机在不满足ΔT≥5℃时，粘度也可满足压缩机的可靠运行[4]，所以现有ΔT评价标准存在一定局限性。

为了验证现有压缩机可靠性评价方法的合理性，本文通过实验研究了R32制冷剂空调转子压缩机油池中的制冷剂溶解度特性、ΔT和粘度之间的关系，证明了ΔT评价方法存在一定程度上的不合理，提出用粘度作为评价指标更加合理，同时可节约R32制冷剂空调的耐久实验资源，提高开发效率。

为了准确测试油池中的粘度与温度，本文选择了一款高精度的电磁粘度计，其传感器自带温度测试功能，可确保温度点与粘度点测试结果的对应性。

两个实验各自的装置说明如表1所示。

表1 实验装置说明

1 实验方案

本文实验方案及操作步骤如下：

实验一：压缩机油池不同位置制冷剂溶解度实验。

实验目的是验证压缩机油池中不同位置的制冷剂是否达到饱和溶解状态。实验方法：（1）压缩机搭载于单体实验台，等运行稳定后，先用热电偶测试各个采样点的温度，查询PVT图得到各点的饱和溶解度理论值；（2）通过采样法得到采样点的油和制冷剂混合物两种成分的重量，计算得到溶解度；（3）将各点溶解度实测值与饱和溶解度理论值进行对比，即可知道各采样点的混合物是否达到饱和溶解状态。

采样法实验装置示意图如图1所示，在压缩机采样点的壳体上钻孔，通过铜管依次与阀一、接头一、阀二、采样罐、阀三、接头二、真空泵连接，操作步骤如下：

图1 采样法实验装置示意图

（a）第一次称重：实验前关闭阀一，断开接头一和接头二，将采样罐进行单独称重，得到空罐重量G1。

（b）抽真空：接通接头一和接头二，打开阀二和阀三，运行真空泵进行抽真空，然后关闭阀三，断开接头二，取走真空泵。

（c）采样：等压缩机稳定运行之后，打开阀一进行采样，然后关闭阀一、阀二。

（d）第二次称重：断开接头一，将采样后的采样罐进行称重，得到罐子+油与制冷剂混合物重量G2。

（e）分离油与制冷剂：打开阀二或阀三，将混合物排放到一个容器中，此时混合物中的制冷剂会汽化挥发，容器中只剩下油。

（f）第三次称重：将油进行称重，得到油的重量G3，并计算得到制冷剂重量G4=G2-G1-G3。

实验二：压缩机油池相同位置ΔT与粘度关系实验。

实验目的是验证压缩机油池的ΔT与粘度是否呈单调递增关系。实验方法：保持环境温度不变，通过调节压缩机频率可得到不同的ΔT，通过粘度计测试压缩机底部对应的粘度。

2 实验结果分析

2.1 压缩机油池不同位置制冷剂溶解度实验结果

本实验的三个压缩机油池采样点A、B、C位置如图2所示，P点位于压缩机内油池上表面。实验工况如表2，实验结果如表3所示。

表2 油池制冷剂溶解度实验工况

表3 油池制冷剂溶解度实验结果

图2 压缩机油池采样点示意图

实验结果表明，压缩机稳定运行时，油池A、B、C三点的温度并不相等，但这三点的溶解度实测值基本相等，且小于各自的饱和溶解度理论值，说明A、B、C三点未达到饱和溶解状态。分析原因是：工况稳定后，压缩机油池仍处于流动状态，只有压缩机油池表面的油能与气态制冷剂充分接触、互溶达到饱和溶解状态，而制冷剂从油表面往下渗透的速度慢于油的流动速度，导致油池下方的油未能接触到更多的制冷剂，所以A、B、C三点无法达到饱和溶解状态，这证明了现有ΔT评价方法的假设（压缩机中油与制冷剂达到了饱和溶解状态）是不合理的。

此外，因为A、B、C三点的溶解度实测值近似等于P点的饱和溶解度理论值，说明油池中制冷剂溶解度除了受压缩机ΔT影响外，更受压缩腔排气处（P点）的排气过热度影响，即压缩腔排气过热度是影响油池制冷剂溶解度的关键因素。

2.2 压缩机油池相同位置ΔT与粘度关系实验结果

在压缩机搭载空调系统运行时，最小制冷工况（室外18/13℃，室内18/13℃）不同频率各参数变化趋势如图3所示，原因分析如下：

图3 不同频率各参数变化趋势

（1）低频段，随着频率增加，排气温度低且温升慢，而吸气温度下降明显，因此ΔT受吸气温度影响而降低；但粘度受吸气温度影响较小，故粘度随着排气温度上升而上升。

（2）中频段，随着频率增加，排气温度快速上升，ΔT受排气温度影响开始上升，从而形成了ΔT最低值拐点；拐点后的制冷剂溶解度快速降低，粘度随着排气温度也快速上升。

（3）高频段，ΔT受排气温度影响继续上升，此时制冷剂溶解度已经很小，温度是影响粘度的关键因素，故粘度随着ΔT升高反而降低。

由上可知，存在部分工况，ΔT与粘度并非呈单调递增关系，因此用ΔT作为压缩机可靠性评价指标存在一定局限性和不合理性，采用粘度作为评价指标更合理。

3 结论

通过实验测试，总结分析了空调转子压缩机油池不同位置的溶解度特性、油池相同位置ΔT与粘度的关系，结论如下：

（1）同一工况，压缩机油池中不同位置溶解度基本相等，且未达到饱和溶解状态，故油温高的位置粘度反而低；压缩腔排气过热度是影响油池制冷剂溶解度的关键因素。（2）油池相同位置，当ΔT升高时，部分工况粘度反而降低，因此ΔT与粘度并非呈单调递增关系。（3）通过实验证明了现有压缩机用ΔT作为可靠性评价指标存在一定局限性与不合理性，采用粘度作为评价指标更合理。