冷媒散熱在家用變頻空調中的應用

王 敏

格力電器股份有限公司 廣東 珠海 519070

1 冷媒散熱變頻空調制冷系統原理

1.1 單項節流閥原理

如圖1所示，為單向節流閥的具體結構。在采用冷媒散熱方案的家用變頻空調中，其單向節流閥的工作原理是通過內部的一個能夠自由活動的節流閥芯實現節流。當冷媒沿著箭頭方向流經閥門時，會產生節流效果。當冷媒逆著箭頭方向流經閥門時，則會直接通過，不會產生節流效果。

圖1 單向節流閥結構

1.2 冷媒散熱的制冷系統原理

如圖2所示，為家用變頻空調的冷媒散熱制冷系統原理圖。該系統和普通變頻空調制冷系統的區別主要表現在室外機的高壓閥部件上。當前階段，廣大家庭常用的變頻空調中，其室外機電控和高壓閥部件之間并不存在接觸，冷媒散熱變頻空調則正好與之相反。后者在制冷運行的過程中，從空調壓縮機中排出的高溫高壓氣體在經由冷凝器冷凝處理后形成的制冷劑液體會流向高壓閥部件，由于制冷劑液體的溫度比空調室外電控模塊的溫度要低，因此可以通過室外電控接觸的銅管將后者的熱量帶走，以此達到降低室外電控模塊溫度的效果。制冷劑液體在經過電控模塊后，會經由單向節流閥進行節流降壓，轉化為低溫低壓液體輸送到蒸發器，在其中經過換熱轉變為氣體形態，轉回空調的壓縮機內，完成整個循環過程。

圖2 冷媒散熱變頻空調制冷系統原理圖

2 高壓閥部件對比

2.1 常規變頻空調的高壓閥部件

如下圖所示，為常規家用變頻空調的高壓閥部件結構，由于空調的室外電控模塊和該部件不存在接觸，因此在空調制冷系統運行的過程中，只能通過電控模塊自身配備的片狀散熱鋁片進行散熱，并借助空氣實現對流。結合實際情況來看，散熱效果不理想。

圖3 常規家用變頻空調高壓閥部件結構

2.2 冷媒散熱方案變頻空調的高壓閥部件

通過上文的原理分析我們已經知道，采用冷媒散熱方案的變頻空調在進行室外電控模塊散熱時，主要是通過高壓閥部件銅管內部的冷媒來實現的。因此高壓閥部件必須和電控模塊中配置的散熱鋁片相接觸，如此才能達到散熱的效果。如下圖所示為冷媒散熱變頻空調的高壓閥部件。冷媒散熱變頻空調的制冷和制熱節流需要在散熱模塊兩邊分別設置獨立的節流閥進行控制，以確保經過變頻器的冷媒冷凝液未經節流閥節流降溫，冷凝液進入散熱模塊前溫度始終高于環境溫度但遠低于電控模塊溫度，從而有效避免因冷凝液溫度低于環境溫度引起散熱模塊表面冷凝結露產生水漬，威脅到外機電控模塊運行的可靠性。

此外，可以在變頻器上設置IPM驅動帶，將散熱器的一側面和該驅動帶相連接。驅動帶上設有溫度傳感器，其與控制器相連。控制器內部的存儲器上預設散熱器目標溫度值和極限溫度值。在空調運行的過程中，驅動帶對散熱器表面的溫度信號進行監測，并傳送給控制器，將實際溫度和預設散熱器目標溫度值以及極限溫度值進行對比，根據比較結果可調整壓縮機運行頻率參數。例如，散熱器溫度低，則壓縮機頻率允許提高，相反則壓縮機運行頻率不能增加或需要調低，以保護變頻器電控模塊。

3 常規與冷媒散熱變頻空調的性能實測對比

為了更加全面的了解采用冷媒散熱變頻空調的實際性能，本文分別采用了一套2匹和3匹變頻家用空調柜機對常規和冷媒散熱的性能進行了對比分析。通過對不同室外環境溫度下制冷效果和電控模塊溫度控制情況的實際測量來看，2匹機運行中，在室內溫度為32/23時，若室外溫度為43、48以及55的情況下，冷媒散熱變頻空調的運行效率要均稍高于常規變頻空調，同時排氣溫度也相對較高。而電控模塊溫度方面，冷媒散熱空調的整流橋堆溫度和IGBT表面溫度都相對偏低，平均溫差在1℃以上。而根據制冷能力的效果來看，隨著溫度的不斷增加，常規和冷媒散熱變頻空調的運行效率都會出現下降，在相較而言，冷媒散熱變頻空調的運行效率始終高于常規空調。而在制冷能力方面，冷媒散熱變頻空調也始終優于常規空調。使用3匹機進行實測時，在同樣的實驗工況下，對比分析結果和2匹機基本相同，不論是運行發熱結果還是制冷能力結果，冷媒散熱變頻空調所所表現出的綜合性能都要優于常規空調。具體運行數據見下表所示。

表1 空調制冷運行發熱結果

經過綜合分析之后可知，對于2匹或是3匹變頻空調而言，采用常規散熱方案時，想要避免電控模塊出現溫度過高而損壞的情況，在高溫環境條件下，必須要降低制冷運行效率。與之相對，采用冷媒散熱方案時，則能夠在保障電控模塊溫度有效控制的基礎上，兼顧制冷運行效率。根據實測結果，在工況相同的情況下，冷媒散熱變頻空調的制冷運行頻率要高出常規空調2～6Hz。造成這種現象的主要原因即冷媒散熱采用的是傳導換熱的方式，相較于傳統的鋁片散熱效率更高，使得電控模塊溫度可以下降1～2℃。變頻空調電控模塊的溫度越低，其運行的穩定性越高，相應的其使用壽命也就越長。由此可見，冷媒散熱方案在變頻空調領域具有較高的推廣價值。

結束語：

綜上所述，相對于常規家用變頻空調所采用的散熱鋁片，冷媒散熱方案所采用的高壓閥部件和鋁片接觸，利用冷媒換熱的方式具有更為顯著的優越性，不僅有利于電控模塊溫度的控制，提高模塊運行可靠性和使用壽命，同時也可以保障空調的制冷效果。因此，在未來的變頻空調產品研發生產中，可以考慮使用冷媒換熱方案。