自適應油位傳感器壓縮機設計

潘瑾

（上海海立電器有限公司，上海 201206）

0 引言

近年來，壓縮機市場越來越重視壓縮機的可靠性問題[1-2]。輕型商用空調壓縮機的一個主要故障原因是缺油[3]，尤其在復雜的多聯機系統中，由于長配管、高落差的特點[4]，造成系統中的油很難回到壓縮機中，特別在低頻、高頻和頻繁啟停的工況下，壓縮機容易缺油而造成堵轉[5-6]。圖1所示為輕商系統的缺油問題原因匯總?？照{廠家目前應對的方法投入時間多或成本高，故希望從源頭上解決這一問題，設計開發一款自適應油位傳感器的新型壓縮機，可實現壓縮機內部油位在線實時報警功能，源頭上給予缺油報警，并且自動適應各種系統場景，報警后的回油操作由系統控制完成，保證壓縮機不會缺油咬死[7]，提高可靠性，提高使用壽命[8]。

圖1 輕商系統的缺油問題原因匯總

1 壓縮機用油位傳感器的設計要求

1.1 成本要求

由于輕型商用空調壓縮機對壓縮機的成本很敏感，故明確本次開發的油位傳感器需要組件價格低的油位傳感器形式。

1.2 工作環境設計要求

劉順利等[9]和胡強等[10]的研究顯示，輕商多聯機會通過合理布局控制各臺壓縮機的高效頻率運行及單臺使用率。故輕商轉子式壓縮機的應用場景并不比其他更惡劣，故油位傳感器需要針對壓縮機本身在運行和制造過程中應對的工作環境進行探討，參考制冷壓縮機的設計要求[11]、應用場景及工藝要求，確定對于油位傳感器的主要設計要求，分成5個部分：

1）溫度，長期工作環境在-20～120 ℃，工藝極端溫度確保半小時可耐150 ℃[12]；

2）壓力，長期工作壓力在0～5 MPa；

3）相容性，要求與冷凍油-制冷劑混合液體有良好的相容性[13]；

4）安裝空間，油位傳感器所占空間越小越好，最優情況是無需改變現有室外機的結構；

5）性能要求，在冷凍油-制冷劑混合物內，可在最小密度或者最大黏度的工況下工作；不受壓縮機內部油面存在的波動及油霧影響；不受壓縮機內部電機的電磁輻射影響；長期可靠。

1.3 形式探討

先后對電容式[14]、磁浮子式等油位傳感器原理[15]進行研究。

如表1所示，磁浮子式油位傳感器從工作溫度、壓力、不受油霧影響及成本多方面考慮，且可靠性滿足設計要求。

表1 各種油位傳感器的參數匯總

2 磁浮球傳感器與壓縮機的連接方式

由于滾動轉子式壓縮機有全封閉的要求，壓縮機上連接的各個部件需要以焊接為連接方式，因此設計了側開孔式、連通器型和內置式的磁浮球傳感器與壓縮機的連接方式。

2.1 側開孔式的連接方式

自適應油位傳感器最先考慮采用的連接方式是將浮球和銅質外殼先組裝好，同時將焊接連接鋼管的一頭先焊接到殼體上，在通過六角連接螺母將油位傳感器與鋼管進行連接，以固定在殼體上。圖2所示為側開孔式的結構。

優點：供方直供組件，場內加工方便，利于檢驗；傳感器核心組件不受焊接影響；傳感器組件可單獨替換。

缺點：體積增加造成客戶外機上預留位置需重新校核；壓縮機內部非全封閉，可靠性無法保證。

圖2 側開孔式的結構

2.2 連通器型的連接方式

連通器形式設計油位傳感器的安裝外殼，外殼與壓縮機通過銅管連接，圖3所示為連通器型的結構。

圖3 連通器型的結構

優點：供方直供組件，場內加工方便，利于檢驗；傳感器組件可替換，替換相對簡便。

缺點：體積增加造成客戶外機上預留位置需重新校核。

2.3 內置式的連接方式

圖4所示為內置式的結構。將傳感器拆分為多個零部件，可耐焊接高溫的金屬部件先焊接在下殼蓋上，在將傳感器組件中的其他部件組裝到該金屬部件上，實現整個傳感器組件成為內置在壓縮機內部的連接方式。

圖4 內置式的結構

優點：對于客戶而言，壓縮機的外形尺寸基本不變。

缺點：壓縮機下腔需要有一定的空間來放置傳感器組件，需下部加長的泵體來配合，會造成整機成本的上升；場內制作工序多，工藝上的難點較多。

工藝難點包括：

1）如何將不能耐高溫的傳感器固定在下殼蓋上；

2）傳感器是否能耐住壓縮機后續生產過程中的圓周焊、烘干等高溫工序；

3）下殼蓋原有的集塵磁鐵較大，是否對我們的磁性傳感器有影響。

以上工藝難點中的2）和3）主要通過實驗來確定，因此本文針對第一點進行研究。選定的油位傳感器主要由浮球、彈簧、鋼管及固定在鋼管中的干簧管組成，由于浮球和干簧管中的雙金屬片不耐高溫，故設計線將鋼管焊接到下殼蓋上，再將浮球固定在鋼管的可運動范圍內。

為配合焊接，需要在下殼蓋上設計一個平面凸臺，需要注意加工可行性和下缸蓋有了平面凸臺后的可靠性能。

根據鋼管座圈的外徑尺寸，確定下殼蓋上的配合孔的尺寸，按該尺寸來設計下殼蓋的凸臺形式，主要有兩個主要的設計方向：凸臺較大型和凸臺較小型。結合注意點二，將大小凸臺方案和原下殼蓋耐壓情況進行結構分析。

從結構仿真的計算結果可見，下殼蓋上的凸臺越小，對殼蓋的耐壓性能越好，故在設計中盡可能在焊接允許的情況下，將下殼蓋的平面凸臺做小。

圖5 22 MPa時殼蓋應力云圖

以上3種油位傳感器的安裝方式各有其優缺點，可根據客戶對于空間和成本等方面的實際需求進行選擇。

3 磁浮球傳感器可靠性

輕商壓縮機的年使用周期較長[16]，每年夏天和冬天均有4個月的使用周期，按目前輕商系統的壓縮機普遍2 h一次回油操作來計算，為保證對壓縮機10年壽命的可靠性需求，需要加速模擬浮球傳感器在其最惡劣的動作工況下，保證所需動作次數的傳感器能可靠工作[17-18]。

故該實驗需要選擇的壽命工況為浮球動作性能最差的工況——黏度最大以及油和制冷劑混合物的密度最小[19]。

從油黏度變化曲線可見，黏度最大的時候是純油且溫度最低時，實測確認浮球能隨油面的上升而上升。

表3所示為R410A對應油的密度隨溫度的變化。表4所示為飽和液態R410A密度隨溫度的變化（汽化溫度為71 ℃）。

表3 R410A對應油的密度隨溫度的變化

表4 飽和液態R410A密度隨溫度的變化 （汽化溫度為71 ℃）

要確認油和制冷劑混合物的密度最小時浮球的運動情況，液態制冷劑在汽化之前，隨著溫度和壓力的逐漸升高，密度不斷減小，混合的比例減少，且制冷劑汽化前的混合物密度最小[20]；制冷劑汽化后，由表3可知，純油的密度隨溫度變化的特性表現為壓縮機腔內溫度越高，則油的密度越小，浮球隨油面運動越可能出現不同步。綜上所述，壽命實驗根據如上兩種極端工況對油位傳感器的長期可靠性進行確認。

4 結論

通過確定自適應油位傳感器的傳感器形式、傳感器與整機的連接方式以及可靠性，實現該壓縮機的量產可行性。該壓縮機有以下3方面的突破：

1）在線監測油面，實現系統及時、自動地補油；壓縮機內部采用智能化的傳感器設備，實現壓縮機缺油時自動發出報警信號，并由系統控制達到個別壓縮機自動單獨補油的功能；

2）避免了大量實驗；智能應對不同缺油現象，不需要同原先一樣，采用大量實驗來確定不同安裝情況下的缺油現象；

3）滿足轉子式壓縮機安裝空間狹小、家用壓力容器耐高壓、壓縮機干燥及高壓運轉下的150 ℃以上耐高溫的要求；可以解決壓縮機實際油面泡沫多且油面晃動等問題。

該壓縮機可以自適應系統實現智能油位報警的功能，油位報警精度達到3 mm，且不受壓縮機內部油面泡沫及油霧的干擾，使用壽命可達到10年以上。采用該壓縮機后不但減小空調廠家的前期投入、規避未模擬到各種情況的可能性、提高壓縮機的可靠性，并且能通過減少系統原模式化地回油，提高人體舒適度，同時達到減少系統進行無用功的能源損耗、減少壓縮機堵轉的概率、進一步提高壓縮機的應用體驗。