定頻空調器缺冷媒保護程序的可靠性分析

譚秋暉 宋月平

南京天加環境科技有限公司

0 引言

空調器在實際安裝過程中，由于安裝不規范，存在幾類問題：①采用室外機自帶冷媒對連接管及室內機排空行為，導致冷媒缺失。②連接管喇叭口螺紋密封處裝配不到位，導致冷媒泄露。③連接管穿墻時未做好密封進入異物，導致系統堵塞低冷媒量運行。④安裝調試時未打開截止閥，導致系統堵塞無冷媒循環運行等。隨著制冷系統的缺失或泄露或堵塞，造成冷媒循環量的減少，使壓縮機排氣溫度變高，使壓縮機內部持續高溫并降低潤滑油的潤滑能力，最終導致汽缸部件嚴重磨損卡死[1]。

在現有壓縮機缺冷媒保護方案中，多數是在制冷系統上增加壓力傳感器來進行判斷。比如在制冷系統上增加高低壓壓力傳感器，對制冷系統運行壓力參數進行逐時監控，從而判斷系統是否存在泄漏[2]，因空調器產品價格競爭激烈，空調器室外機并沒有電控主板，一些主要的保護元器件如排氣溫度傳感器、低壓壓力開關也被省去，故增加壓力傳感器會帶來成本大幅上漲。主要依靠壓縮機內置保護器進行自我保護，壓縮機內置保護器采用雙金屬彈片結構，壓縮機電機和排氣溫度共同影響內置保護器的動作狀態。當壓縮機電流和排溫同時達到一定條件時才能使內置保護器動作[3]，而在低冷媒循環量下，壓縮機排氣溫度在 140 ℃以上才會觸發內置保護器動作，此時壓縮機潤滑油會出現碳化影響壓縮機運行[4]，故該方案的可靠性大大降低。因此在現有技術條件下，沒有室外機排氣溫度或低壓壓力等參數難以判斷空調器是否在低冷媒循環量下超負荷運行。

為避免壓縮機在低冷媒循環量下運行，防止壓縮機的損壞，在空調器現有配置前提下，提供一種經濟有效的缺冷媒保護方案顯得非常重要。

1 對象說明

以天加 1.5 匹定頻風管機 TSA/R15KRDC 為例，制冷系統主要零部件如圖 1 所示，有壓縮機-1，四通閥-2，氣分-3，室外換熱器-4，節流毛細管-5，室內換熱器-6，其中室外機接節流毛細管和四通閥分別有2個截止閥-7，通過2 根連接銅管-8 與室內機2 個銅管接頭連接成完整的制冷系統。在室內機回風處安裝溫度傳感器-9 檢測回風溫度T1，在室內機換熱器上安裝溫度傳感器-10 檢測盤管溫度T2。

圖1 制冷系統主要零部件

2 控制方案

空調器在制冷運行中，當冷媒缺少到一定程度時才會導致壓縮機潤滑油碳化，本文根據在在制冷運行模式下，通過檢測室內回風溫度Th、蒸發器盤管溫度Ti、壓縮機運行時間t，計算系統冷媒保有量是否滿足需求，進行缺冷媒故障判斷。缺冷媒故障主要有兩種情況：

第一種，當系統完全堵塞，如室外機截止閥沒有打開，此時系統無冷媒循環，判斷壓縮機啟動后，Th與Ti溫差很小時，則缺冷媒故障條件成立。或當系統冷媒完全沒有時，此時系統無冷媒循環，判斷Th與Ti溫差很小時，則缺冷媒故障條件成立。

第二種，當系統保有冷媒量很少時，制冷模式下壓縮機啟動后，室內換熱器的氣態冷媒會迅速被吸回壓縮機，此時室內換熱器中冷媒壓力降低，迫使液態冷媒蒸發成氣態，冷媒相變迅速吸熱使Ti降低，隨著冷媒被壓縮機壓縮后經過冷凝過程和膨脹過程后，低溫低壓的冷媒進入室內換熱器換熱，因冷媒循環量不足，使冷媒在蒸發器前段就已經過熱，使Ti升高并維持在一個相對穩定狀態。判斷Th與Ti溫差出現先變大后變小時，則缺冷媒故障條件成立。

控制方案包含以下步驟[5]：

1）空調器制冷運行，壓縮機啟動。

2）通過盤管溫度傳感器檢測室內換熱器中部溫度Ti；通過環境溫度傳感器檢測室內機回風溫度Th；空調控制器記錄壓縮機累計運行時間t。

3）若Th-Ti≤T2，持續時間≥t4，轉步驟 8）；否則，轉步驟 2）；其中：T2為第二溫度預設閥值；t4為第四壓縮機累計運行時間預設閥值。

4）若t≤t5，轉步驟5）；否則，轉步驟 2）；其中：t5為第五壓縮機累計運行時間預設閥值。

5）若 (Th-Ti)max-(Th-Ti)min≥T1，轉步驟 6）；否則，轉步驟2）；其中：T1為第一溫度預設閥值。

6）若 0＜tmin-tmax≤t3，轉步驟 7）；否則，轉步驟 2）；其中：tmax為Th與Ti溫差最大值發生時的壓縮機累計運行時間；tmin為Th與Ti溫差最小值發生時的壓縮機累計運行時間；t3為第三壓縮機累計運行時間預設的閥值。

7）若tmax≥t1，且tmin≤t2，轉步驟 8）；否則，轉步驟2）；其中：t1為第一壓縮機累計運行時間預設閥值；t2為第二壓縮機累計運行時間預設閥值。

8）空調控制器顯示故障，代碼為缺冷媒保護；同時，壓縮機關機。

所述T1為 0.5～10 ℃；T2為 0.5～5 ℃；t1為 1～180s；t2為 10～300s；t3為 1～180s；t4為 5～360s；t5為 1～20min。所述t1＜t2。

3 試驗方法

通過參考 GB/T 18836-2017《風管送風式空調（熱泵）機組》，制冷試驗特征工況表如表1 所示，以名義制冷工況、最大制冷工況為特征試驗工況，增加室內干球32 ℃濕球30.5 ℃，室外46 ℃的極限環溫工況。

表1 制冷試驗特征工況表

系統無冷媒循環試驗采用表 1 中的名義制冷試驗條件，通過堵塞室外機截止閥、將室外機冷媒全部排空兩種試驗方法來進行，分別記錄有缺冷媒保護和無缺冷媒保護下的排氣溫度，壓縮機底部溫度，室內回風溫度，室內盤管溫度，壓縮機累計運行時間參數。

系統少冷媒循環試驗采用表 1 中三種試驗條件，通過調節系統保有冷媒量百分比至 100%、80%、60%、50%、40%、30%、20%進行測試，分別記錄有缺冷媒保護和無缺冷媒保護下的排氣溫度、壓縮機底部溫度、室內回風溫度、室內盤管溫度、壓縮機累計運行時間參數。

4 試驗結果及分析

系統無冷媒循環試驗結果如表 2 所示，當系統無冷媒循環時，排氣溫度與壓縮機底部溫度因無冷媒將熱量帶走，溫度持續升高，在無缺冷媒保護的機組中，壓縮機累計運行 349s 時，壓縮機底部溫度會達到140 ℃，潤滑油會開始碳化導致壓縮機磨損加劇以至損壞。通過室內回風溫度與室內盤管溫度的溫差及壓縮機累計運行時間判斷，在壓縮機后溫差幾乎無變化，符合Th-Ti溫差很小的特征，累計運行120s 時可辨別出來，提高壓縮機可靠性。

表2 系統無冷媒循環試驗結果

系統變冷媒量循環試驗結果如表3 所示，通過不增加缺冷媒保護的系統在不同冷媒循環量下和不同環境工況下運行 30 分鐘，隨著冷媒量降低，壓縮機排氣溫度和底部溫度逐漸升高，當冷媒保有量低于 50%時，壓縮機排氣溫度超過140 ℃，潤滑油會開始碳化導致壓縮機磨損加劇以至損壞，壓縮機內置保護時間最快需要壓縮機累計運行813 秒才能觸發，而壓縮機排氣溫度超過140 ℃最快551 秒就會出現，期間超負荷運行會造成壓縮機嚴重磨損，因此需進行程序上的保護，通過壓縮機短時間運行能辨別系統缺冷媒，來提高壓縮機壽命。

表3 系統低冷媒循環試驗結果

通過表3 的數據分析，在極限環溫制冷條件下壓縮機排氣溫度和底部溫度上升速率最快，因此在極限環溫制冷試驗工況條件增加缺冷媒保護控制，調節冷媒保有量至 50%、40%、30%、20%進行測試，50%冷媒保有量參數曲線如圖2 所示，壓縮機啟動后 30 秒，室內環境溫度和室內盤管溫度出現最大差值為 5 ℃，而后溫差逐漸上升，至 120s 時溫差為 3.8 ℃，符合Th-Ti溫差先變大再變小特征，從而觸發缺冷媒保護停機。40%冷媒、30%冷媒、20%冷媒保有量參數曲線如圖 3、4、5 所示，40%冷媒保有量下符合Th-Ti溫差先變大再變小的特征，30%以下符合Th-Ti溫差很小的特征，均在壓縮機啟動后120s 觸發缺冷媒保護。

圖2 冷媒保有量50%系統狀態曲線

圖3 冷媒保有量40%系統狀態曲線

圖4 冷媒保有量30%系統狀態曲線

圖5 冷媒保有量20%系統狀態曲線

通過試驗結果圖2～5 的匯總分析，冷媒保有量在40%～50%時，可通過室內環境溫度和室內盤管溫度先變大再變小的趨勢來判斷系統缺冷媒，冷媒保有量在30%以下時，可通過室內環境溫度和室內盤管溫度溫差很小的特征，持續120s 來判斷系統缺冷媒。

5 結束語

1）當定頻空調器在冷媒保有量30%以下運行時，蒸發器盤管溫度幾乎不會變化。

2）當定頻空調器在冷媒保有量 30%至 50%之間時，蒸發器盤管溫度會先降低后升高。

3）當定頻空調器在冷媒保有量 60%時，壓縮機處于高溫易損壞的臨界狀態點。

4）當定頻空調器在冷媒保有量 80%以上時，壓縮機可以正常運行狀態。

5）在不同的空調系統中，冷媒充注量和空調系統容積都不一樣，出現該上述特征的冷媒保有量會不同，設定保護參數值也會發生變化，本文旨在提供一種采用室內環境溫度，室內盤管溫度，壓縮機累計運行時間參數，在不增加額外成本的前提下，針對定頻空調器提供一種及時的缺冷媒保護功能，該功能可以縮短壓縮機在低冷媒循環量下運行時間，提高壓縮機使用壽命。