電動渦旋壓縮機在汽車空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

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。

1 電動渦旋式壓縮機簡介

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。

2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)

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。

3 低溫下潤滑油性質(zhì)的變化

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。

4 結(jié)論

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>