曹兰宝 徐秀娟 刘忠刚 崔亚 陈琳

（浙江吉智新能源汽车科技有限公司）

在电动汽车上，由于动力电池能量密度与成本的限制，对各个系统的节能需求相比传统燃油车会更高[1]。电动汽车乘员舱的制冷可由电动压缩机替换传统的以发动机为动力源的离合器式压缩机来完成，而对于制热，因无发动机余热可以利用，现行的电动车空调制热系统有2 种主要方案，一种为利用PTC 电加热装置为乘员舱提供热量，另一种为利用热泵空调系统[2]。热泵空调系统因具有高效且节能的特点，国内外很多研发机构、整车厂家都在积极对其进行开发[3]。电动压缩机作为实现制冷和制热的核心部件，也成为了重点研究对象。而电动涡旋式压缩机因其具有结构简单、噪声低、体积小、质量轻、运行平稳及效率高等优点，在已上市的搭载有热泵空调系统的电动汽车中被大量应用[4-5]。因为电动涡旋式压缩机固有的结构特点，在应用于热泵空调系统时，因为低温下润滑油特性的改变及系统中质量流量的降低，回油问题需要被重点关注[6]。文章重点讨论电动涡旋压缩机应用于电动汽车热泵空调系统时，从设计角度需要重视的润滑与回油问题。

1 电动涡旋式压缩机简介

电动涡旋压缩机整机共有7 处摩擦副[7]，在压缩过程中，所有的摩擦副都需要润滑。一方面，润滑油起到导热、降低摩擦、减少磨损、减小噪声的作用；另一方面，润滑油形成的薄油膜在不同压缩腔的分界面处（即动静盘径向最小间隙处）隔断不同压力的气体，起到径向密封的作用。由此，如果压缩机内润滑油不足，将会导致摩擦副的摩擦损失和动静盘之间的密封不良，压缩机的可靠性和性能都将下降。机内润滑油不足导致的压缩机磨耗，如图1所示。

图1 压缩机磨耗图

涡旋压缩机从整机结构上通常分为高压腔结构和低压腔结构。高压腔结构依靠压缩机内部的压差实现供油；对于在汽车空调上常用的低压腔结构，润滑油是通过主轴的动力来提供离心力，到达轴承表面和其他需要润滑的表面。

尽管润滑油对于涡旋压缩机的润滑、导热及密封至关重要，但油随排气离开压缩机时，就是对气体的一种污染。制冷剂中含油，一方面会导致压缩机有效的吸气容积降低，恶化压缩机本身的性能；另一方面，会在制冷系统的其他零部件中产生集油，增大热阻，恶化换热器性能。鉴于制冷剂与油良好的互溶性，在系统运行的过程中，油液必然会随着制冷剂而流动。为实现油液分离，一些压缩机在后盖上设计有相应的油气分离结构，利用离心力实现油气分离。

无论如何，油气不可能彻底分离。而对于汽车空调，由于布置空间的限制，很少能装配有气液分离器。因此，相较于系统，汽车空调的含油率相对较高。

2 热泵空调系统

图2 示出基本的热泵空调系统结构。

图2 汽车热泵空调系统结构示意图

该结构在常规制冷空调的基础上，增加了两通电磁阀、三通电磁阀、电子膨胀阀、室内冷凝器芯体及相应的连接管路。对压缩机来说，应用于热泵空调系统时，与应用于常规制冷系统相比有以下3 点差别：1）热泵系统需要压缩机的转速范围较大（600～8 000 r/min），为保证高转速下压缩机的良好润滑，润滑油与制冷工质之比往往达到了10%（一般制冷空调压缩机低于2%）；2）热泵系统使用的环境温度较低，可能低于-10 ℃，在此温度下，润滑油与冷媒的溶解度降低，冷媒的比容增大，有效吸气及有效润滑油质量降低，而此时压缩机的转速较高，需要的润滑油量更多；3）相对于制冷工况，制热工况的吸气压力更低，压缩机的压比增大，所以压缩机的排气温度也将增高，这就可能导致润滑油炭化失效，严重时损坏压缩机。为解决这些问题，热泵系统设计时需注意以下问题。

在制冷回路中，压缩机1 排气进入室外冷凝器6，经全开的大口径电子膨胀阀5，再经电子膨胀阀10 节流降压后进入室内蒸发器9，经吸气管进入气液分离器8 后回到压缩机。在这一回路中，压缩机排气管路/冷凝器出液管路中流体流速较高，润滑油不易累积；冷凝器中，因为车用冷凝液多为微通道结构，截面尺寸较小，油液会有一定程度的附着，所以冷凝器中实现流程分配的隔板上宜设置回油孔，利用冷凝器进出口的压差作用，实现油液的顺利排出；制冷剂经电子膨胀阀10节流降压后流速下降，进入蒸发器中，制冷剂以气液两相态的形式存在，而润滑油仍为液态，特别是制冷剂过热段，油气分离更明显。所以，对蒸发器后的压缩机吸气管就需要采取相应的回油措施。常用的吸气管道包括水平管、上升立管和回油弯，且各段管路都有一定的流速要求。

在制热工况中，压缩机排气1 进入室内冷凝器3，此冷凝器的设计可遵循与室外冷凝器相同的设计要求，当然，因通常室内情况下室内冷凝器整体尺寸较小，集油不明显，考虑到回油孔存在可能产生的对系统性能的影响，可以不做处理；再经电磁阀4，流入电子膨胀阀5，节流降压后，进入室外蒸发器6，此蒸发器整体尺寸往往较大，而且工作在低的蒸发温度下，油气分离更明显，所以蒸发器及其后压缩机吸气管路的回油设计需要重点关注。在热泵空调系统中，因制热/制冷工况下不同的换热量需求及管路总量的增加，制热工况下，所需的制冷剂充注量会高于制冷时的充注量，此时就需要在系统中设置气液分离器。气液分离器一方面能够保证系统不出现大量的液体进入压缩机，一方面内部可设计合理的回油结构。合理的设计包含进出气管的相对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证少量的液态制冷剂及油液连续地回到压缩机的吸气管路上。应注意，此时制冷剂处于低温、低压、低速的气态，润滑油易析出，所以此段管路不宜过长。而当系统中配置了气液分离器时，通常的干式蒸发器可以考虑一定程度的满液使用，此时蒸发器内部可以设置适宜的孔板，用以提高制冷剂流速而减少集油。

综上，室外换热器在制冷工况时为冷凝器，在制热工况时为蒸发器，为同时兼顾制冷和制热的换热性能，换热器的结构/流程设计可能异于传统的冷凝器或者蒸发器，此时更应兼顾换热器内部的回油问题。

3 低温下润滑油性质的变化

图3 示出通常的润滑油与制冷剂的溶解规律曲线。

图3 润滑油与制冷剂的溶解曲线

由图3 可见，低温下，润滑油的溶解度下降，压缩腔中动静盘的润滑、冷却及密封可能存在问题。而当制冷剂与润滑油的混合物排入系统后，系统工作在低蒸发温度（环境温度为-20 ℃）时，蒸发器内的冷媒蒸发不完全，润滑油分离更为严重，此时蒸发器后吸气管、气液分离器等的回油设计尤为重要。

4 结论

综上，在电动涡旋式压缩机应用于汽车热泵空调系统时，较传统的制冷空调系统，解决系统回油问题尤为重要。压缩机自身、系统管路、芯体、气液分离器等各零部件在设计之初就需重点考虑回油问题。1）压缩机自身在充分润滑后，排气前应能够进行一定量的油气分离，以保证较低的油循环率；2）冷凝器中为保证回油，流程隔板中应设置适当的回油孔；3）冷凝器出液管制冷剂流速较高，可不特殊考虑；4）对于蒸发器中因制冷剂蒸发而产生的油气分离，在热泵工况下，应考虑设计孔板以提高制冷剂流速从而减少集油；5）气液分离器中应设计合理的回油孔位置与尺寸；6）压缩机吸气管不宜设置过长，应有适当的回油弯。