R410A新冷媒家用空调压缩机的设计与试验.pdf

R410AR410A 新冷媒家用空调压缩机的设计与试验新冷媒家用空调压缩机的设计与试验 文章加入时间 2001 9 10 16 24 04 谢利昌 徐剑 高永红 王清霞 邓永辉 1 引言 空调器及热泵机组目前广泛使用的 HCFC 22 属氢氟氯烷烃制冷剂 根据 1992 年 蒙特利尔议 定书 的规定 工业发达国家到 2020 年 发展中国家到 2030 年要全部淘汰 其中瑞典 德国将于 2000 年禁用 日本将于 2004 年前禁用 美国将于 2010 年前禁用 随着禁止时间的迫近 有关 HCFC 22 替代物以及相适应的冷冻机油的研究正在加紧进行 目前国际上呼声最高的 HFC 氢氟化 烷烃 类替代物有 R407C 和 R410A 所使用的冷冻机油有聚酯合成油 简称 POE 油 和烷基苯油 简称 AB 油 我们珠海凌达压缩机有限公司作为一家专业化生产空调压缩机的企业 为了配合绿色空调器 的开发 到目前为止 已经成功地开发出了 R407C R410A 新冷媒压缩机 冷冻机油用 POE 油或 AB 油 及空调器 其中 R407C 压缩机已开始批量供货 本文主要介绍 R410A 压缩机的设计以及试验情况 并对 R410A 压缩机在空调器中的应用提出 了几点建议 压缩机的试验主要包括 R410A POE 油 AB 油与电机绝缘材料相容性试验 与化工材 料的兼容性试验 压缩机性能测试 压缩机耐久性能试验 2 R410A 的基本特性 热工性能以及家用空调采用 R410A 新冷媒的优点 R410A 属二元亚共沸混合制冷剂 其成分由 R32 二氟甲烷 R125 五氟乙烷 并按质量百分 比 50 50wt 组成 与 HCFC 22 有较大差异的温度 压力曲线 R410A 的压力约为 HCFC 22 的 1 5 倍 容积制冷量约为 HCFC 22 的 1 4 倍 R410A 和 R407C 替代工质与 HCFC 22 性能比较见表 1 表 1 HCFC 22 替代工质性能对比 性能 HCFC 22 R407C R410A 环保性 ODP 0 55 0 0 GWP 相对于 CO2 1700 1600 1900 安全性 毒性 无 无 无 可燃性 不可燃 不可燃 不可燃 热物性 Tb 沸点 40 8 43 6 51 4 Tc 临界温度 96 2 86 7 72 1 制冷性能 Pc 冷凝压力 2 17Mpa 2 31Mpa 3 38Mpa Pe 蒸发压力 0 62Mpa 0 64Mpa 1 00Mpa 压比 3 50 3 59 3 38 T2 排气温度 97 2 86 7 95 1 Qv 制冷量 100 101 141 COP 100 97 92 5 T 滑移温度 0 4 90 0 07 组分 纯工质 R32 R125 R134a 23 25 52 R32 R125 50 50 由表 1 可知 R407C 和 HCFC 22 有较为相似的热物性和理化 制冷性能 COP 比 HCFC 22 略低 3 但 R410A 与 HCFC 22 的热物性和理化 制冷性能差异较大 压力和制冷量均比 HCFC 22 大 因此 R410A 不能象 R407C 可以直接充灌 除将矿物润滑油换为 POE 油或 AB 油外 必需对压缩机 结构进行重新设计 材料应选用强度较高的耐磨材料 空调系统也有较大改动 才能满足 R410A 制 冷剂的特性 R410A 的优点是亚共沸混合物 传热性能好 压力损失小 滑移温度非常小 即便在使用过程中制冷 剂发生泄漏 成分的变化对性能和维修不会产生影响 可以直接补加 R410A 制冷剂 不必象 R407C 要抽空剩余组分再重新加注 R407C 制冷剂 另外 采用 R410A 的空调器的热交换器 特别是蒸发器 体积可以缩小 降低材料成本 因此 在美国 日本的家用空调倾向采用 R410A 制冷剂替代 HCFC 22 在我国也有几家空调器厂直接上 R410A 空调器生产线 将 R410A 空调器做为工质替代的主要 研究方向 3 R410A 制冷剂相应的冷冻机油 由于 R410A 等 HFC 制冷剂分子中不含有亲油性基氯原子的氢氟化碳构成的物质 因此 它不能 与以往使用的矿物油亲和 容易产生沉淀堵塞毛细管 所以 要保证冷冻机油与制冷剂良好的相容 性 人们大多采用 POE 油 但经过实践证明 虽然与 HFC 类制冷剂不相容的 AB 油 也可使用在 HFC 类新冷媒空体器系统中 而且具有良好的润滑性 化学稳定性和耐磨性 1 我们经过长期试 验后证明 POE 油和 AB 油均可用于 R407C R410A 新冷媒空调器 2 3 例如在日本 日立 松下 东芝就采用 POE 油 三菱电机采用 AB 油 三洋 大金甚至采用 PVE 油 POE 油和 AB 油特性 对比如表 2 表 2 几种冷冻机油的特性对比 制冷剂 HCFC HFC 冷冻机油 相溶油 非相溶油 矿物油 POE 油 AB 油 耐水分解性 吸湿性 酸化稳定 润滑性 相溶性 价格 注 好 较好 差 我们经过严格地试验 最终选定了日本三菱石油公司商品名为 Ze GLES RB68EP 的 POE 油 而 且也可以采用三菱专利技术商品名为 Ze NIUS22E 的 AB 油 并与三菱商品名为 ATMOS 60G 的 MO 油进行了可靠性试验对比 4 4 R410A 新冷媒压缩机的设计 由于 R410A 新冷媒的蒸发压力 Pe 和冷凝压力 Pc 较大 以及单位制冷量的增大 所以 为了适 用 R410A 新冷媒 压缩机必须重新进行设计 主要设计变更如下 4 1 壳体耐压的提高 因为 R410A 的 Pe 和 Pc 明显高于 HCFC 22 或 R407C 制冷剂 所以 为了提高压缩机的可靠性及 安全性 必须增加压缩机上盖 下盖 壳体的钢板厚度 厚度从 1 5mm 增大到 2 3mm 另外 也可改 变上盖的形状 平盖改变为球盖 提高耐压强度 而且也必须提高焊接强度 压缩机壳体的气密试 验压力从 2 8Mpa 增大到 4 3Mpa 壳体的耐压强度试验从 4 5Mpa 增大到 9 0Mpa 4 2 电机与泵体重新匹配设计 由于 R410A 制冷剂的单位制冷量比 HCFC 22 或 R407C 制冷剂大约 1 4 倍 所以对应 HCFC 22 或 R407C 制冷剂相同的名义工作容积的压缩机制冷量也会提高 1 4 倍 将造成电机的功耗增大 因 而电机必须重新设计匹配 另外 R410A 压缩机的 COP 系数较低 有必要设计出高性能的电机 4 3 排气阀片重新设计 因为排气压力增大 使用原 HCFC 22 排气压力的阀片的跟随性发生变化 所以必须重新设计排 气阀片 4 4 压缩机滚子 滑片 曲轴材质的改变及表面处理 由于压缩腔压力的增大 所以各摩擦副之间的磨损增加 为了保证压缩机的可靠性 一方面采 用带抗磨添加剂的 POE 油或润滑性耐磨性更加优良的 AB 油以外 另一方面要提高压缩机各运动部 件材质的耐磨性 我们将曲轴由原来灰铸铁变为球墨铸铁 滑片采用耐磨高速工具钢或不锈钢材 质 而且表面进行氮化处理或 C N S 共渗处理 滚子由灰铸铁变为含 Cr Ni Mo 的耐磨合金铸 铁 从而保证了 R410A 压缩机的可靠性 5 压缩机材料及化工材料的兼容性试验 5 1 电机绝缘材料的兼容性试验 由于制冷剂 冷冻机油和压缩机材料的相容性直接影响着制冷系统的可靠性和耐久性 因此 要研究替代工质 新冷冻机油和 HCFC 22 制冷剂使用的电机材料是否相容 根据参考文献 5 介 绍 由于 HFC 类制冷剂不含氯原子 氯原子的极性较强 HCFC 22 制冷剂中含有的氯原子与一般的树 脂溶解性增加 HFC 类制冷剂的 R410A 对电机漆包线绝缘材料的化学作用要比 HCFC 22 小很多 因 此 能够使用在 HCFC 22 制冷剂的漆包线一定能够良好地使用在 HFC 类制冷剂中 我们对凌达压缩机公司现用的压缩机电机绝缘材料 漆包线 聚酯薄膜 聚酯套管 聚四氟 乙烯套管 电机引出线组件及聚酯绑扎绳等进行了高压釜耐氟试验 试验结果 试验后测试 各试验件的电气及机械性能符合公司内控标准 试验合格 具体见 表 3 表 3 R410A 冷冻机油与电机材料耐氟试验的结果 材料样品 R410A Ze GLES RB68EP R410A Ze NIUS22E HCFC 22 ATMOS 60G 冷冻机油 电机材料样品 漆包线 清澈 透明 无沉淀 扭绞未见漆膜破裂 电压击穿试验合格 聚酯薄膜 清澈 透明 无沉淀 有弹性 未脆化 耐压试验合格 聚酯套管 清澈 透明 无沉淀 正常 未硬化 耐压试验合格 聚酯绑扎绳 清澈 透明 无沉淀 未脆化 抗拉强度合格 引出线组件 清澈 透明 无沉淀 未变色 耐压试验合格 聚四氟乙烯套管 清澈 透明 无沉淀 未脆化 耐压试验合格 但是 由于采用新工质的 POE 油吸湿性高 而象以前的漆包线那样采用涂冷冻机油工艺 就会 有问题 目前 关于 HCFC 22 替代工质压缩机漆包线有两个发展方向 一是涂一种与替代工质 冷 冻机油兼容 而且吸水性不强的润滑油 二是漆包线采用无油化 如果压缩机电机定子自动生产线 采用无油漆包线 则要求漆包线自润滑性能较好 否则可能会造成线伤 我们采用日本石油公司专 门研制的与 HCFC 22 替代工质兼容而且吸水性很小的漆包线涂油 Ze pros 32 装配冷冻机油 6 该油已通过了批量工艺试验和压缩机加速寿命试验 证明效果非常好 5 2 化工材料的兼容性试验 压缩机生产过程中使用的化工产品种类较多 与制冷剂 冷冻机油兼容还是不兼容 对压缩机 的使用性能有密切关系 兼容性试验包括低温析出性和高温密封管试验两部分 低温析出性试验 是为了确认油类化工材料在制冷剂和冷冻机油共存下 低温时加工油是否有析出现象 高温密封管 试验是为了确认工艺用化工材料进入制冷系统时是否会影响到冷冻机油的化学稳定性 压缩机所 使用的化工产品按用途分为五大系列 清洗系列 水溶性清洗剂和溶剂型清洗液 制冷剂与 冷冻机油系列 防锈系列 切削液 油 系列 表面处理 铁系磷化 锰系磷化 系列 我们 对正在使用的化工产品与 R22 矿物油 MO 油 R410A R407C POE 油 AB 油的兼容性分别送 北京石油化工研究院 日本三菱石油公司 日本太阳石油公司进行了多次确认试验 并与 R410A POE 油的压缩机进行兼容性评价 更换了与 POE 油不兼容的化工材料 实现了所使用的化工 产品与矿物油 POE 油 AB 油均兼容 使用完全兼容的化工产品的新工质压缩机批量生产工艺试 验证明 不会造成毛细管的堵塞 保证空调器运行的可靠性 7 6 R410A 压缩机性能试验 根据 GB T15765 1995 房间空气调节器用全封闭电动机 压缩机 规定的标准工况 蒸发温 度 7 2 冷凝温度 54 4 环境温度 35 我们在压缩机性能试验台上对两种机型 R410A 压 缩机进行了性能测试 测试结果如表 4 表 4 制冷剂为 R410A 压缩机性能测试 项目 QXA 16 G10140004 QXA 17 G04160004 制冷量 W 3849 8 4121 4 输入功率 W 1397 3 1491 6 电流 A 6 65 7 10 性能系数 W W 2 755 2 763 注 测试 R410A 压缩机时 排气表压为 3 376Mpa 测试 HCFC 22 压缩机旱 排气表压为 2 144Mpa 以上 2 台压缩机性能测试结果说明 R410A 压缩机的制冷量比 HCFC 22 高 1 43 倍 排气表压 高 1 57 倍 性能系数略低于 HCFC 22 4 6 7 R410A 压缩机可靠性能试验 7 1 R410A 压缩机在日本三菱石油公司的加速寿命试验 我们在对 R410A 压缩机进行多台加速寿命试验的同时 将 3 台压缩机送到日本三菱石油公司 进行 R410A POE 油 R410A AB 油 R22 MO 油压缩机加速寿命试验 并将试验结果进行了对比分 析 R410A 试验压缩机的有关参数如下 压缩机型号 QXA 16 制冷量 3 850W 额定电流 6 6A 输入功率 1 380W 冷冻机油封入量 440ml 试验压缩机运转条件见表 5 表 5 试验压缩机运转条件 样品油 Ze GLES RB68EP 油 Ze NIUS22E 油 ATMOS 60G 制冷剂 R410A R22 输出压力 Mpa 4 04 0 19 3 06 0 19 输入压力 Mpa 0 96 0 07 0 60 0 05 排气温度 125 以下 125 以下 吸气温度 25 30 25 30 电流 A 9 以下 9 以下 电压 频率 V Hz 220 50 220 50 运转时间 hrs 1000 1000 压缩机解剖后 各个零件的表面粗糙度以及滑片端部磨损部位的测定结果见表 6 表 6 加速寿命试验后零件精度的结果 测试点 制冷剂 R410A R22 冷冻机油 Ze GLES RB68EP Ze NIUS22E ATMOS 60G A 滑片端部磨损带 mm 1 06 1 46 1 84 B 滑片端部粗糙度 Ra m 0 05 0 06 0 14 C 滚子外园表面粗糙 Ra m 0 09 0 09 0 16 D 曲轴表面粗糙度 Ra m 与上法兰接触部位 1 0 37 0 20 0 35 E 曲轴表面粗糙度 Ra m 与上法兰接触部位 2 0 31 0 20 0 33 F 曲轴表面粗糙度 Ra m 与滚子接触部位 0 40 0 27 0 24 G 曲轴表面粗糙度 Ra m 下下法兰接触部位 0 27 0 47 0 17 压缩机试验完成后 对 3 台压缩机的冷冻机油进行了分析 并与加速寿命试验后的矿物油进行 了比较 结果见表 7 表 7 试验后冷冻机油的分析 冷冻机油 Ze GLES RB68EP Ze NIUS22E ATMOS 60G 制冷机 R410A R410A 颜色 ASTM L0 5 L1 0 动粘度 40 mm2 s 67 7 21 5 动粘度 100 mm2 s 8 23 3 53 粘度指数 87 0 总酸值 mgKOH g 0 13 0 01 油中含水量 ppm 20 Fe Cu P S Fe Cu Fe P 从试验后冷冻机油的颜色 动粘度 粘度指数 总酸值 油中水分量数值与新油基本一样 唯有区分的是 3 台压缩机试验后油中的金属和非金属杂质含量及成分不同 R410A POE 油和 R410A AB 油压缩机试验后杂质含量分别为 R22 MO 油压缩机的 13 95 和 20 93 远远小于 R22 MO 油压缩机 其实 ATMOS 60G 油的抗磨性较好 压缩机磨损量已经非常小了 说明磨损量较 小 7 2 R410A 压缩机在凌达公司的加速寿命试验 我们对 QXA 系列压缩机进行了加速寿命试验 现以 QXA 16 和 QXA 17 两个机种为代表说明加 速寿命试验的情况 1 台型号为 QXA 17 G07071223 的 R410A AB 油压缩机进行了 1003 小时加速寿命试验无异 常 试验后对压缩机进行了解剖分析 情况如下 试验后的 AB 油 Ze NIUS22E 干净呈浅黄色 定 转子高度差 定转子间隙 曲轴定位合格 滚子与气缸的最小间隙 0 03mm 标准为 0 06 mm 滑片 槽间隙合格 零件几乎无磨损 无镀铜 另外 1 台 QXA 16 G10140004 的 R410A POE 油压缩机 试验时将排气压力提高到 4 5Mpa 进行了 1000 小时加速寿命试验无异常 试验后对压缩机进行了解剖分析 情况如下 试验后的 POE 油 Ze GLES RB68EP 干净无杂质 颜色无明显变化 滚子与气缸的最小间隙为 0 04 mm 装配 时为 0 02 mm 小于加速寿命试验后标准要求值 0 06 mm 的要求 加速寿命试验后的制冷量下 降小于 5 符合国家标准 7 3 加速寿命试验的结论 滑片 滚子转动部位的情况如下 磨损量少 R410A Ze GLES RB68EP 曲轴 滚子接触部位的磨损情况如下 磨损情况良 R410A Ze GLES RB68EP R410A Ze NIUS22E R22 ATMOS 60G R410A POE 和 R410A AB 压缩机相对 HCFC 22 MO 压缩机不易发生镀铜现象 Ze GLES RB68EP Ze NIUS22E ATMOS 60G 冷冻机油未发现有明显的劣化征兆 加速寿命试验后 压缩机的制冷量 性能系数下降均小于 5 因此 我们可得出 R410A 压缩机加速寿命试验合格 8 R410A 压缩机在空调器中的应用 由于 R410A 新冷媒的热工性能与 HCFC 22 不同 所以 R410A 压缩机在空调器中的应用和以 往的系统有所不同 因为 R410A 的制冷量大 因此蒸发器的体积可以缩小 减少了室内机的体积 R410A 新冷媒用于冷暖两用空调器时 以往 HCFC 22 的电磁式四通阀 截止阀不能使用 必 须使用专门的 R410A 新冷媒用电磁式四通阀 截止阀 主要是适应压力 清洁度 清洗用材料和 密封材料的不同 空调系统的耐压强度应提高 应根据试验决定铜管的壁厚是否要加厚 空调器系统水分的控制 新冷媒压缩机的冷冻机油如果采用 POE 油 因其吸水性强 因此 除需要特别控制压缩机零件和冷冻机油的水分含量以外 消除空调系统的水分也特别重要 如果 采用 AB 油 水分的控制与 HCFC 22 的空调系统相同 化工产品的兼容性试验 空调部件 两器 铜管 四通阀 节流阀等 生产过程中使用的清 洗液 装配油必须作 R410A POE 油 R410A AB 油兼容性试验 试验结果如果不相容 新冷媒空调 长期运行 可能会产生沉淀物堵塞毛细管 清洗液必须为无氯清洗液 装配油我们推荐使用日本三 菱石油公司的 Ze pr