曹蘭寶 徐秀娟 劉忠剛 崔 亞 鄧龍生 雷 霖

電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)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 鄧龍生 雷 霖

（浙江吉智新能源汽車科技有限公司 杭州 310000）

電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)在電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展迅速，作為系統(tǒng)工作的核心部件，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮壓縮機(jī)的使用需求，壓縮機(jī)的潤(rùn)滑與系統(tǒng)回油對(duì)壓縮機(jī)自身與系統(tǒng)性能都有重要意義。就壓縮機(jī)的潤(rùn)滑與回油做簡(jiǎn)要的分析，以便提高壓縮機(jī)的可靠性與系統(tǒng)的性能。

電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)；熱泵系統(tǒng)；潤(rùn)滑；回油

0 引言

隨著世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)與環(huán)境危機(jī)的出現(xiàn)，電動(dòng)汽車作為以電能為動(dòng)力且無(wú)尾氣排放問(wèn)題的清潔能源型產(chǎn)品，保有量在逐年上升[1]。在電動(dòng)汽車上，由于動(dòng)力電池能量密度與成本的限制，對(duì)各個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能需求相比傳統(tǒng)燃油車會(huì)更高[2]。電動(dòng)汽車乘員艙制冷可由電動(dòng)壓縮機(jī)替換傳統(tǒng)的以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源的離合器式壓縮機(jī)，而對(duì)于制熱，因無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)余熱可以利用，現(xiàn)行的電動(dòng)車空調(diào)制熱系統(tǒng)有兩種主要方案，一種為利用PTC電加熱裝置為乘員艙提供熱量，另一種為熱泵空調(diào)系統(tǒng)[3]，熱泵空調(diào)系統(tǒng)因其具有高的效率，從能耗的角度節(jié)約能源，國(guó)內(nèi)外很多研發(fā)機(jī)構(gòu)、整車廠家都在積極進(jìn)行熱泵空調(diào)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[4]。電動(dòng)壓縮機(jī)作為實(shí)現(xiàn)制冷和制熱的核心部件，也成為了重點(diǎn)研究對(duì)象。而電動(dòng)渦旋式壓縮機(jī)因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪音低、體積小、重量輕、運(yùn)行平穩(wěn)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在已上市的搭載有熱泵空調(diào)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車中被大量應(yīng)用[5,6]。因?yàn)殡妱?dòng)渦旋式壓縮機(jī)固有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)時(shí)需要關(guān)注的回油問(wèn)題[7]，在應(yīng)用于熱泵空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，因?yàn)榈蜏叵聺?rùn)滑油特性的改變及系統(tǒng)中質(zhì)量流量的降低，回油問(wèn)題需要被重點(diǎn)關(guān)注。本文要重點(diǎn)討論的即是電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)時(shí)從設(shè)計(jì)角度即需要重視的潤(rùn)滑與回油問(wèn)題。

1 電動(dòng)渦旋式壓縮機(jī)簡(jiǎn)介

電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)整機(jī)共有7處摩擦副[8]。壓縮過(guò)程中，所有的摩擦副都需要潤(rùn)滑，此時(shí)潤(rùn)滑油起到導(dǎo)熱，降低摩擦，減少磨損，減小噪聲的作用；潤(rùn)滑油的另一作用，是在壓縮過(guò)程中，形成薄油膜在不同的壓縮腔的分界面處（即動(dòng)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(jī)內(nèi)潤(rùn)滑油不足，將會(huì)導(dǎo)致摩擦副的摩擦損失和動(dòng)靜盤之間的密封不良，壓縮機(jī)的可靠性和性能都將下降。圖1為機(jī)內(nèi)潤(rùn)滑油不足導(dǎo)致的磨耗圖。

圖1 壓縮機(jī)磨耗圖

對(duì)于渦旋壓縮機(jī)從整機(jī)結(jié)構(gòu)上分通常為兩類：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(jī)內(nèi)部的壓差實(shí)現(xiàn)供油；在汽車空調(diào)上常用的低壓腔結(jié)構(gòu)，潤(rùn)滑油是通過(guò)主軸的動(dòng)力來(lái)提供離心力，到達(dá)軸承表面和其他需要潤(rùn)滑的表面。

盡管潤(rùn)滑油對(duì)于渦旋壓縮機(jī)的潤(rùn)滑、導(dǎo)熱及密封至關(guān)重要，但油隨排氣離開(kāi)壓縮機(jī)時(shí)，就是對(duì)氣體的一種污染。制冷劑中含油，一方面會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)有效的吸氣容積降低，惡化壓縮機(jī)本身的性能；另一方面，會(huì)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(yùn)行的過(guò)程中，油液必然會(huì)隨著制冷劑而流動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)油液分離，一些壓縮機(jī)在后蓋上，設(shè)計(jì)有相應(yīng)的油氣分離結(jié)構(gòu)，利用離心力實(shí)現(xiàn)油分離。

無(wú)論如何，油氣不可能徹底分離。而對(duì)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。所以，汽車空調(diào)相較于系統(tǒng)含油率相對(duì)會(huì)較高。

2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)

圖2為基本的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，在常規(guī)制冷空調(diào)的基礎(chǔ)上，增加了兩三通電磁閥/電子膨脹閥/室內(nèi)冷凝器芯體及相應(yīng)的連接管路。對(duì)壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，應(yīng)用于熱泵空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，與應(yīng)用于常規(guī)制冷系統(tǒng)有以下幾點(diǎn)差別：首先，熱泵系統(tǒng)需要壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍較大（600～8000rpm/min），為保證在如此高的轉(zhuǎn)速下壓縮機(jī)都能潤(rùn)滑良好，潤(rùn)滑油與制冷工質(zhì)之比往往達(dá)到了10%（一般制冷空調(diào)壓縮機(jī)低于2%）。第二，熱泵系統(tǒng)使用的環(huán)境溫度較低，可能低至-10℃以下，在此溫度下，潤(rùn)滑油與冷媒的溶解度降低，冷媒的比容增大，有效吸氣質(zhì)量降低，有效潤(rùn)滑油質(zhì)量降低，而此時(shí)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速較高需要的潤(rùn)滑油量更多。第三，相對(duì)于制冷工況，制熱工況的吸氣壓力更低，壓縮機(jī)的壓比增大，所以壓縮機(jī)的排氣溫度也將增高，這就可能導(dǎo)致潤(rùn)滑油炭化失效，嚴(yán)重時(shí)損壞壓縮機(jī)。下面將一一論述為解決這些問(wèn)題，熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需注意的問(wèn)題。

在制冷回路中，壓縮機(jī)1排氣進(jìn)入室外冷凝器6，經(jīng)全開(kāi)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(jìn)入室內(nèi)蒸發(fā)器9，經(jīng)吸氣管進(jìn)入氣液分離器8后回到壓縮機(jī)。在這一回路中，壓縮機(jī)排氣管路/冷凝器出液管路中流體流速較高，潤(rùn)滑油不易累積；冷凝器中，因?yàn)檐囉美淠憾酁槲⑼ǖ澜Y(jié)構(gòu)，截面尺寸較小，油液會(huì)有一定程度的附著，所以冷凝器中實(shí)現(xiàn)流程分配的隔板上宜設(shè)置回油孔，利用冷凝器進(jìn)出口的壓差作用，實(shí)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(jìn)入蒸發(fā)器中，制冷劑以氣液兩相態(tài)的形式存在，而潤(rùn)滑油仍為液態(tài)，特別是制冷劑過(guò)熱段，油氣分離更明顯。所以，蒸發(fā)器后的壓縮機(jī)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(jī)排氣1進(jìn)入室內(nèi)冷凝器3，此冷凝器的設(shè)計(jì)可遵循與室外冷凝器相同的設(shè)計(jì)要求，當(dāng)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(duì)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(jìn)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(jī)吸氣管路的回油設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)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(huì)高于制冷時(shí)的充注量，此時(shí)就需要在系統(tǒng)中設(shè)置氣液分離器。氣液分離器一方面保證系統(tǒng)不出現(xiàn)大量的液體進(jìn)入壓縮機(jī)，一方面內(nèi)部可設(shè)計(jì)合理的回油結(jié)構(gòu)。合理的設(shè)計(jì)包含進(jìn)出氣管的相對(duì)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)的回到壓縮機(jī)的吸氣管路上，應(yīng)注意，此時(shí)制冷劑處于低溫、低壓、低速的氣態(tài)，潤(rùn)滑油易析出，所以此段管路不宜過(guò)長(zhǎng)。而當(dāng)系統(tǒng)中配置了氣液分離器時(shí)，通常的干式蒸發(fā)器可以考慮一定程度的滿液使用，此時(shí)蒸發(fā)器內(nèi)部可以通過(guò)設(shè)置適宜的孔板，用以提高制冷劑流速而減小集油。

由以上描述可見(jiàn)，室外換熱器在制冷工況時(shí)為冷凝器在制熱工況時(shí)為蒸發(fā)器，為同時(shí)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(jì)可能異于傳統(tǒng)的冷凝器或者蒸發(fā)器，此時(shí)更應(yīng)兼顧換熱器內(nèi)部的回油問(wèn)題。

圖2 熱泵系統(tǒng)框圖

3 低溫下潤(rùn)滑油性質(zhì)的變化

圖3 潤(rùn)滑油與制冷劑的溶解曲線

下圖為通常的潤(rùn)滑油與制冷劑的溶解規(guī)律曲線，由圖可見(jiàn)，低溫下，潤(rùn)滑油的溶解度下降，壓縮腔中動(dòng)靜盤的潤(rùn)滑/冷卻及密封可能存在問(wèn)題。而當(dāng)制冷劑與潤(rùn)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)溫為-20℃）時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)的冷媒蒸發(fā)不完全，潤(rùn)滑油分離更為嚴(yán)重，此時(shí)蒸發(fā)器后吸氣管、氣液分離器等的回油設(shè)計(jì)尤為重要。

4 總結(jié)

綜上，在電動(dòng)渦旋式壓縮機(jī)應(yīng)用于汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，較傳統(tǒng)的制冷空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)回油問(wèn)題尤為重要，從壓縮機(jī)自身、系統(tǒng)管路、芯體、氣液分離器等各零部件在設(shè)計(jì)之初就需重點(diǎn)考慮回油問(wèn)題。首先，壓縮機(jī)自身在充分潤(rùn)滑后，排氣前應(yīng)能夠進(jìn)行一定量的油氣分離，已保證較低的油循環(huán)率；第二，冷凝器中為保證回油，流程隔板中應(yīng)設(shè)置適當(dāng)?shù)幕赜涂?；第三，冷凝器出液管制冷劑流速較高，可不特殊考慮；第四，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(jì)孔板以提高制冷劑流速以減少集油；第五，氣液分離器中應(yīng)設(shè)計(jì)合理的回油孔位置與尺寸；最后，壓縮機(jī)吸氣管不易設(shè)置過(guò)長(zhǎng)，應(yīng)有適當(dāng)?shù)幕赜蛷潯?/p>

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The Application of Electric Scroll Compressor in Electric Vehicle Heat Pump Air Conditioning System

Cao Lanbao Xu Xiujuan Liu Zhonggang Cui Ya Deng Longsheng Lei Lin

( Zhejiang Jizhi New Energy Automobile Technology Co., Ltd, Hangzhou, 310000 )

he application of electric scroll compressor in electric vehicle heat pump air conditioning system is developing rapidly, as one of the most important parts in the system, the requirement of it should be considered from the very beginning. The lubrication and oil return means a lot to the system. The paper analyzes lubrication and oil return to improve the compressor reliability and system performance.

electric scroll compressor; heat pump system; lubrication; oil return

TB69

A

1671-6612（2019）05-521-03

徐秀娟（1986-），女，碩士，中級(jí)工程師，E-mail：xiujuan.xu@geely.com

2018-11-16