北美風(fēng)管機(jī)專用壓差啟動(dòng)壓縮機(jī)的研發(fā)

高 斌，高 強(qiáng)，李華明

（廣東美芝制冷設(shè)備有限公司 研發(fā)中心，廣東 佛山 528300）

在北美空調(diào)市場(chǎng)中，風(fēng)管機(jī)產(chǎn)品是主要的組成部分，市場(chǎng)容量700 萬(wàn)臺(tái)/年以上，目前95%以上采用定速渦旋壓縮機(jī)，其中轉(zhuǎn)子機(jī)能力覆蓋的入門(mén)級(jí)產(chǎn)品年銷量約300 萬(wàn)臺(tái)。隨著轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)拓展，轉(zhuǎn)子機(jī)替代渦旋機(jī)的趨勢(shì)日漸明朗，成為未來(lái)市場(chǎng)拓展的重點(diǎn)領(lǐng)域。

北美風(fēng)管機(jī)的節(jié)流方案有non-bleed TXV 和閥芯兩種，其中TXV 方案由于能效和舒適性具有明顯優(yōu)勢(shì)成為市場(chǎng)發(fā)展的方向。由于TXV 在停機(jī)后自動(dòng)關(guān)閉，兩器具有保壓效果，當(dāng)壓縮機(jī)再啟動(dòng)后，能很快達(dá)到工況平衡。當(dāng)這種產(chǎn)品使用常規(guī)的轉(zhuǎn)子機(jī)時(shí)，由于系統(tǒng)保壓，在停機(jī)3 min 后壓縮機(jī)吸排氣側(cè)仍存在較大的壓差，存在壓縮機(jī)重啟困難的問(wèn)題。

目前市場(chǎng)上存在幾種問(wèn)題解決思路：一是系統(tǒng)廠商使用Hard Start Kit 組件提高電機(jī)的啟動(dòng)力矩，可以改善但無(wú)法確保啟動(dòng)順利，成本高達(dá)30～40 美元；二是壓縮機(jī)提供解決方案，使轉(zhuǎn)子機(jī)滿足系統(tǒng)的使用要求。

1 壓力平衡機(jī)理分析

制冷系統(tǒng)的壓力平衡是指系統(tǒng)各部件之間的壓力達(dá)到平衡狀態(tài)，不存在壓力差或壓力差不足以使流體進(jìn)一步流動(dòng)，此時(shí)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)可以啟動(dòng)。

1.1 被動(dòng)壓力平衡機(jī)理

當(dāng)non-bleed TXV 系統(tǒng)使用常規(guī)轉(zhuǎn)子機(jī)時(shí)，停機(jī)長(zhǎng)時(shí)間后一樣可以達(dá)到平衡，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子機(jī)泵體內(nèi)存在較多的配合間隙起到了泄漏通道的作用。

如圖1 所示，泵體間隙包括活塞端面間隙、活塞外徑間隙、滑片側(cè)面間隙、滑片端面及頭部間隙等。在壓差的作用下，系統(tǒng)高壓側(cè)流體通過(guò)這些間隙向低壓側(cè)流動(dòng)，逐漸達(dá)到壓力平衡。

根據(jù)停機(jī)后油面高度的不同，從間隙泄漏的流體可能是油或者氣態(tài)制冷劑。當(dāng)泄漏的是油時(shí)，由于在高壓側(cè)油中溶解了更多的制冷劑，泄漏到低壓側(cè)后，制冷劑從油中逸出，進(jìn)入低壓側(cè)容積中。

假設(shè)泄漏的油中的制冷劑溶解度一直為飽和態(tài)，ω表示溶解度，下標(biāo)i和o分別代表泄漏通道入口和出口狀態(tài)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律可知：

圖1 泵體內(nèi)部壓力流動(dòng)路徑

式（1）中，m為泄漏流體的液態(tài)質(zhì)量，mg為氣態(tài)質(zhì)量及氣態(tài)制冷劑質(zhì)量。

流體流經(jīng)縫隙的流量計(jì)算公式：

式（2）為兩平行圓環(huán)縫隙的流量公式，適用于活塞端面泄漏分析，式（3）為兩平行平板縫隙的流量公式，適用于滑片間隙泄漏分析。

其中：

m—泄漏流量/g；h—縫隙寬度，即選配間隙/m；R1—活塞內(nèi)徑尺寸/m；R2—活塞外徑尺寸/m；μ—泄漏流體動(dòng)力粘度/Pa.s；△P—縫隙入口與出口的壓差/Pa；L—泄漏通道長(zhǎng)/m。

根據(jù)停機(jī)及平衡時(shí)的壓力溫度可以從軟件查到對(duì)應(yīng)的氣態(tài)制冷劑的運(yùn)動(dòng)粘度、密度、比容等數(shù)據(jù)，通過(guò)粘度計(jì)看測(cè)試高、低壓側(cè)的油粘度、溫度等數(shù)據(jù)并查詢到溶解度值，從而可以理論概算出泄漏到低壓側(cè)的氣態(tài)制冷劑的質(zhì)量。

1.2 主動(dòng)壓力平衡機(jī)理

被動(dòng)壓力平衡壓差小、間隙小等情況下，流動(dòng)緩慢導(dǎo)致平衡時(shí)間長(zhǎng)，需通過(guò)主動(dòng)平衡進(jìn)行互補(bǔ)。液壓系統(tǒng)中常見(jiàn)的直動(dòng)型溢流閥，如圖2 所示，采用簡(jiǎn)單可靠的彈簧壓力調(diào)定結(jié)構(gòu)。圖中1 為閥體，2 為閥芯或閥片，3 為調(diào)壓壓縮彈簧，4 為調(diào)壓桿，P為壓力流體入口，T為溢流口。

根據(jù)閥芯上受到的PT之間的壓差力與彈簧力的合力關(guān)系，控制閥芯的動(dòng)作。當(dāng)壓差力大于彈簧力時(shí)，實(shí)現(xiàn)從P口到T口的泄壓作用。當(dāng)壓差力小于彈簧力時(shí)，閥關(guān)閉無(wú)作用。

圖2 直動(dòng)型溢流閥結(jié)構(gòu)示意圖

2 壓差啟動(dòng)方案設(shè)計(jì)

2.1 方案原理分析

方案設(shè)計(jì)同時(shí)要求系統(tǒng)保壓和壓縮機(jī)快速重啟，可以重啟意味著壓縮機(jī)吸排氣側(cè)的壓力平衡，表面上看這與兩器保壓存在矛盾。事實(shí)上，若將兩器壓力與壓縮機(jī)吸排氣側(cè)壓力區(qū)分開(kāi)來(lái)，則壓縮機(jī)吸排氣側(cè)的壓力平衡就不會(huì)影響到兩器的保壓。因此，將壓力平衡范圍定義到壓縮機(jī)內(nèi)部，僅使吸排氣側(cè)壓力平衡，便可同時(shí)達(dá)成兩個(gè)目標(biāo)。進(jìn)一步分析泄漏模型可知，當(dāng)泄漏流量相同時(shí)，高低壓側(cè)的容積越小，壓力平衡就越快，即高低壓側(cè)的容積是潛在可變量，這提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。

壓縮機(jī)啟動(dòng)的要求是壓縮機(jī)吸氣與排氣之間的壓力平衡，在壓縮機(jī)的吸、排氣管處均增加停機(jī)后自動(dòng)關(guān)閉的開(kāi)關(guān)閥，形成獨(dú)立的壓縮機(jī)殼體與儲(chǔ)液器兩個(gè)較小的容積腔，使實(shí)現(xiàn)壓力平衡所需的泄漏流量減小，從而縮短平衡時(shí)間。

隨著壓差減小，泄漏動(dòng)力減弱導(dǎo)致泄漏速度越來(lái)越慢，僅靠被動(dòng)泄漏無(wú)法達(dá)成目標(biāo)，需增加主動(dòng)泄漏結(jié)構(gòu)。參考直動(dòng)型溢流閥原理，設(shè)計(jì)一種壓差控制的泄壓閥，實(shí)現(xiàn)在小壓差△Pr下的快速完全平衡：當(dāng)壓差小于△Pr時(shí)，閥打開(kāi)泄壓，正常運(yùn)行時(shí)閥關(guān)閉不影響壓縮機(jī)的運(yùn)行。

綜上，設(shè)計(jì)出壓差啟動(dòng)技術(shù)方案如圖3 所示。包括排氣單向閥Vd，吸氣單向閥Vs，自動(dòng)泄壓閥Vr組成。其中Vd位于排氣流路上，Vs位于吸氣流路上，Vr在泵體中，兩端分別連通高低壓腔。

該方案采用機(jī)械閥結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)雙側(cè)換熱器保壓，性能和可靠性高，且無(wú)需控制，易于應(yīng)用。

2.2 方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)方案原理，進(jìn)行壓差啟動(dòng)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將吸、排氣單向閥及自動(dòng)泄壓閥均設(shè)置在壓縮機(jī)的內(nèi)部，以利于系統(tǒng)的應(yīng)用。

圖3 轉(zhuǎn)子機(jī)壓差啟動(dòng)技術(shù)方案

其中，吸氣單向閥內(nèi)置于儲(chǔ)液器中，從A 管到B 管單向流通。排氣單向閥內(nèi)置于上殼體內(nèi)，位于排氣管內(nèi)側(cè)，設(shè)置向外單向流通。兩個(gè)單向閥用于分隔兩器與壓縮機(jī)，以加快被動(dòng)平衡速度。

如圖4 所示，自動(dòng)泄壓閥設(shè)置在軸承與氣缸之間，入口連通排氣消音器內(nèi)腔，出口連通氣缸吸氣孔，通過(guò)彈簧力調(diào)整來(lái)設(shè)定開(kāi)啟壓差△Pr。閥座接觸部可參考排氣閥座結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定可靠。

圖4 自動(dòng)泄壓閥結(jié)構(gòu)示意圖

在運(yùn)行及停機(jī)后壓差大于△Pr時(shí)，泄壓閥關(guān)閉，與常規(guī)壓縮機(jī)無(wú)差異。當(dāng)停機(jī)后壓差降低到△Pr時(shí)，泄壓閥打開(kāi)泄壓，實(shí)現(xiàn)快速壓力平衡。

2.3 方案工作過(guò)程

在壓縮機(jī)運(yùn)行-停機(jī)-保壓-再啟動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)閥的自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉，簡(jiǎn)化并降低對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用的影響。運(yùn)行過(guò)程如圖5 所示。

其中：

STEP 1：壓縮機(jī)運(yùn)行中，單向閥Vd/Vs開(kāi)，運(yùn)行壓差（Pd-Ps）＞△Pr，泄壓閥Vr關(guān)，壓縮機(jī)正常運(yùn)行，與常規(guī)壓縮機(jī)無(wú)異；

STEP 2：壓縮機(jī)停機(jī)后，單向閥Vd/Vs自動(dòng)關(guān)，此時(shí)（Pd-Ps）＞△Pr，泄壓閥Vr關(guān)，高低壓側(cè)通過(guò)泵體間隙泄漏；

STEP 3：壓縮機(jī)停機(jī)后，單向閥Vd/Vs保持關(guān)，當(dāng)（Pd-Ps）＜△Pr時(shí)，泄壓閥Vr自動(dòng)打開(kāi)，Pd和Ps通過(guò)泄壓通道快速平衡；

圖5 壓差啟動(dòng)方案工作過(guò)程示意圖

STEP 4：壓縮機(jī)內(nèi)部殼體與儲(chǔ)液器間壓力平衡至中間壓力Pm，Pe＜Pm＜Pc，Pc和Pe仍保持壓差，單向閥Vd/Vs保持關(guān)，泄壓閥Vr保持開(kāi)；

STEP 5：壓縮機(jī)重新啟動(dòng)，Pd上升，Ps下降，當(dāng)Pd＞Pc時(shí)，Vd自動(dòng)開(kāi)；當(dāng)Ps＜Pe時(shí)，Vs自動(dòng)開(kāi)；當(dāng)（Pd-Ps）＞△Pr時(shí)，Vr自動(dòng)關(guān)，啟動(dòng)過(guò)程與常規(guī)壓縮機(jī)無(wú)異。

綜上，預(yù)期該方案在停機(jī)后通過(guò)單向閥可保持兩器的壓差，并且STEP 2+STEP 3 ＜3 min，達(dá)到3 min后壓縮機(jī)可以重啟的目的。

3 壓差啟動(dòng)方案驗(yàn)證

3.1 方案結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在完成方案原理設(shè)計(jì)后，采用CAE/CFD 工具對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析優(yōu)化，包括閥的強(qiáng)度、流場(chǎng)、運(yùn)行穩(wěn)定性等，結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。

表1 結(jié)構(gòu)仿真分析優(yōu)化設(shè)計(jì)匯總

部分分析結(jié)果如圖6 及圖7 所示：

圖6 閥片及儲(chǔ)液器強(qiáng)度分析

圖7 泄壓閥流場(chǎng)分析

通過(guò)CAE/CFD 等仿真分析工具，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也減少了評(píng)價(jià)反復(fù)，加快了開(kāi)發(fā)進(jìn)度。

3.2 實(shí)驗(yàn)及分析

3.2.1 壓差啟動(dòng)閥效果驗(yàn)證

首先確認(rèn)增加雙單向閥的效果，針對(duì)前文通過(guò)減小高、低壓側(cè)容積可縮短平衡時(shí)間的分析，設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：在BASE 機(jī)ASG240N 的吸排氣管處增加吸、排氣單向閥，并對(duì)殼體及儲(chǔ)液器內(nèi)壓力采樣，實(shí)驗(yàn)壓力變化曲線如圖8 所示。

圖8 雙單向閥方案平衡時(shí)間摸底結(jié)果

在運(yùn)行范圍各角點(diǎn)工況停機(jī)后，吸、排氣單向閥關(guān)閉，殼體與儲(chǔ)液器內(nèi)壓差迅速降低。此時(shí)，兩側(cè)與系統(tǒng)仍存在壓差，單向閥具有保壓作用。隨著壓差下降，泄漏動(dòng)力減小，特別是當(dāng)壓差降至約0.5 MPa 后，間隙泄漏變得十分緩慢。

部分工況停機(jī)3 min 后仍存在較大壓差，這是由于此時(shí)壓差大，如泄漏的流體是粘度較大的潤(rùn)滑油，其流動(dòng)將十分困難，最終導(dǎo)致3 min 內(nèi)不能達(dá)到壓力平衡，壓縮機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。

綜上所述，增加吸、排氣單向閥的測(cè)試結(jié)果與預(yù)期相符。相比兩器之間30 min 以上的平衡時(shí)間，壓縮機(jī)內(nèi)部平衡時(shí)間大幅縮短，但仍存在小壓差且高油面時(shí)的時(shí)間超標(biāo)問(wèn)題。

基于此，進(jìn)一步驗(yàn)證，增加壓差自動(dòng)控制的泄壓閥后的平衡時(shí)間能否達(dá)成3 min 的目標(biāo)。對(duì)4 臺(tái)泄壓閥樣機(jī)進(jìn)行效果驗(yàn)證測(cè)試，實(shí)際開(kāi)啟壓差與設(shè)計(jì)△Pr偏差小于0.05 MPa，閥開(kāi)啟后10 s 內(nèi)可達(dá)到完全壓力平衡，設(shè)計(jì)合適的△Pr值，各工況的平衡時(shí)間均可在3 min 內(nèi)。

根據(jù)單體測(cè)試結(jié)果，判斷雙單向閥+泄壓閥的設(shè)計(jì)方案可滿足方案設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

3.2.2 性能影響確認(rèn)

由于吸、排氣單向閥設(shè)置在流路上，且單向閥打開(kāi)動(dòng)力是壓差力，因此不可避免會(huì)使產(chǎn)品壓損，使性能下降。對(duì)比有/ 無(wú)閥樣機(jī)單體性能，測(cè)試結(jié)果如表2 所示。其中，泄壓閥的設(shè)計(jì)壓差△Pr較系統(tǒng)常用工況壓差小較多，運(yùn)行時(shí)為關(guān)閉狀態(tài)，對(duì)性能無(wú)影響。在A/B 工況下，增加壓差啟動(dòng)閥后COP 下降0.6% 以內(nèi)，且噪音相當(dāng)，滿足開(kāi)發(fā)要求。

表2 壓差啟動(dòng)閥對(duì)單體性能的影響

將兩種樣機(jī)搭載到北美風(fēng)管機(jī)系統(tǒng)中，進(jìn)行系統(tǒng)SEER 對(duì)比測(cè)試。當(dāng)采用無(wú)閥樣機(jī)時(shí)，DOE D 工況開(kāi)6 停24 分鐘后無(wú)法啟動(dòng)，對(duì)SEER 結(jié)果影響大。而有閥的樣機(jī)可順利完成各工況測(cè)試。對(duì)比兩種仕樣性能結(jié)果如圖9 所示。

圖9 有/無(wú)閥仕樣性能對(duì)比圖

3.2.3 系統(tǒng)功能性驗(yàn)證

系統(tǒng)功能性驗(yàn)證主要是系統(tǒng)保壓和3 min 重啟確認(rèn)。將壓差啟動(dòng)壓縮機(jī)ASG240N 搭載北美風(fēng)管機(jī)2.5ton 系統(tǒng)上，分別對(duì)冷凝器Pc、蒸發(fā)器Pe、壓縮機(jī)殼體內(nèi)Pd、儲(chǔ)液器吸氣B 管Ps進(jìn)行壓力采樣，按AHRI 標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行運(yùn)行-停機(jī)-重啟確認(rèn)測(cè)試。

典型的壓力變化曲線如圖10 所示，其中平衡后停機(jī)過(guò)程較長(zhǎng)，目的是確認(rèn)兩器的保壓效果?？梢钥闯?，實(shí)際測(cè)試的壓力變化過(guò)程與前文中理論分析的曲線十分相似。

圖10 典型運(yùn)行—停機(jī)—保壓—啟動(dòng)過(guò)程壓力曲線

系統(tǒng)正常運(yùn)行后停機(jī)，初始階段TXV 未關(guān)閉，兩器壓力與壓縮機(jī)壓力同步變化。隨著TXV關(guān)閉，單向閥起到隔斷作用，兩器保壓。而壓縮機(jī)內(nèi)間隙泄漏繼續(xù)，殼體內(nèi)Pd下降而儲(chǔ)液器內(nèi)Ps上升，當(dāng)Pd-Ps的差值下降到泄壓閥設(shè)計(jì)壓差△Pr時(shí)，泄壓閥打開(kāi)，Pd與Ps通過(guò)泄壓通道快速完全平衡。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證多個(gè)工況的壓差啟動(dòng)效果，最長(zhǎng)平衡時(shí)間約為2.5 min，平衡后壓縮機(jī)均可重新啟動(dòng)，由于兩器保壓，系統(tǒng)很快再次達(dá)到工況平衡。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)與前期理論分析的壓力變化過(guò)程可知，實(shí)際測(cè)試結(jié)果符合理論預(yù)期，達(dá)到了保壓和重啟的目的，可滿足客戶使用要求。

3.2.4 可靠性驗(yàn)證

北美市場(chǎng)對(duì)可靠性要求嚴(yán)格，特別是新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，可靠是第一設(shè)計(jì)目標(biāo)。針對(duì)這款壓差啟動(dòng)產(chǎn)品ASG240N，進(jìn)行了詳細(xì)的TRS 分析規(guī)劃，制定了可靠性評(píng)價(jià)方案及結(jié)果如表3 所示。

表3 可靠性評(píng)價(jià)方案及結(jié)果

其中，閥的開(kāi)關(guān)次數(shù)和關(guān)閉的密封性是重點(diǎn)關(guān)注的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，因此針對(duì)這兩項(xiàng)要求設(shè)計(jì)了全新評(píng)價(jià)方法，并完成了實(shí)驗(yàn)確認(rèn)。

4 結(jié)語(yǔ)

將壓力平衡范圍定義為壓縮機(jī)內(nèi)部的平衡，為解決問(wèn)題找到了新的突破口，基于此，設(shè)計(jì)了雙單向閥分隔壓縮機(jī)與兩器以縮短被動(dòng)平衡時(shí)間，并通過(guò)泄壓閥實(shí)現(xiàn)小壓差時(shí)的主動(dòng)壓力平衡。完成方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，同時(shí)設(shè)計(jì)多種新實(shí)驗(yàn)方案，完成驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，方案的性能、可靠性均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，可同時(shí)滿足系統(tǒng)兩器保壓及壓縮機(jī)快速重啟的要求。