制冷剂导电特性研究

制冷剂导电特性研究

蔡正永 钟权 赵桓

珠海格力电器股份有限公司制冷技术研究院

摘 要：制冷剂作为制冷设备中必不可少的一部分，其电阻率是影响电气安全的重要因素。不同制冷剂电阻率之间的差异，将作为制冷剂选用必须考虑的因素。但是行业对制冷剂导电性的研究，远远落后于对制冷剂热力学性质的研究。本文首先介绍了制冷剂电阻率的测试原理以及测试装置，然后测试并计算了R410A、R134a 、R407C的电阻率，以及润滑油对电阻率影响，最后总结测试时间，电压和润滑油对电阻率的影响。

关键词：制冷剂 电阻率 电阻测量装置 润滑油

The Research of Refrigerant Conductivity

Cai Zhengyong Zhong Quan Zhao Huan^★

Abstract: The refrigerant is an necessary part of refrigeration equipment, and its conductivity becomes an important factor and thus affecting the electric safety. The difference of refrigerant conductivity will be as one of the criteria for refrigerant selection. However, the research of the refrigerant conductivity lags far behind the research of thermodynamic properties. In this paper the test principle and installation were introduced firstly. Secondly, the resistivity of R410A、R134a and R407C were tested and calculated, including the impact of Lubricant on resistivity. Finally, summarized the impact factors of resistivity, such as test time, test voltage and lubricant.

Keywords：Refrigerant, Electrical Resistivity, Resistance Measuring Device, Lubricant

★Refrigeration Institute of GREE Electric Appliances .Inc .of ZhuHai

1 引言

电阻率作为制冷剂自身的电学特性以及材料属性，是影响电气安全的重要因素，而电气安全关乎产品的用户体验，甚至威胁到消费者的生命。不同制冷剂之间电阻率的差异，应该作为制冷剂选型必须考虑的因素之一。

Eiseman和pers^[2]于20世纪50年代从事过全面地CFCs导电特性的研究，Fellows^[3]等人则对不同的HFC制冷剂相关电特性进行全面研究，探讨了温度和压力对不同HFC流体的电特性依赖关系。C. Meurer^[4]对几种气相状态下混合制冷剂的电特性进行研究，但对于液态的制冷剂研究较少。

本文旨在研究液态制冷剂电阻率，从测试原理和测试装置开始，然后逐步测试R410A、R134a 和R407C三种制冷剂的电阻率，最后总结影响电阻率的主要因素。

2 制冷剂电阻率测量原理

制冷剂作为一种液态导体，其电阻与横截面积、长度及自身电阻率有关^[5]，即

（1）

根据欧姆定律，导体的电阻为：

（2）

其中，

l为导体的长度，单位cm；

A为导体的横截面面积，单位cm²；

ρ为电阻率，跟材料和材料所处的环境有关，是导体的固有属性，单位Ω·cm。

根据式（1）、（2）可得导体的电阻率计算公式：

（3）

由式（3）可知，电阻率可以通过测量其电阻R、长度l以及横截面积A计算得出。

3 制冷剂电阻率测量装置

制冷剂电阻率测试装置如图1所示，主要由测试端子、压力传感器、导线底座、电极测试缸、制冷剂存储缸、过线管等七部分组成。

压力传感器

电极测试缸

测试端子

底座

阴极过线管

截止阀

制冷剂存储缸

导线

阳极过线

图1 电阻率测试装置示意图

3.1 电极测试装置

测试缸由法兰视液镜、电极支架、测试电极、电极接线、密封圈和、金属缸体和过线管8部分组成，缸体竖直方向均布9个测试电极，如图2所示。

电极H

电极A

电极G

电极E

电极C

制冷剂液面

电极F

电极D

电极B

图2 电极测试装置

测试缸每个电极与接线板上对应的测试端子相连，为便于电阻率计算，设计电极有效接触面积A=1cm²，电极间隙1cm和0.5cm，根据电阻率计算公式可得ρ=2R。

3.2 制冷剂存储缸

制冷剂存储缸如图3所示，缸体上设置类似与压缩机缸体绝缘的接线端子，并内侧端子与测试电极相连，外侧端子与对应的测试端子相连。存储缸还包括截止阀，用于灌注或释放制冷剂。设置与过线管连接的管路接口，与过线管连接后可以通过电极接线，同时还可以调整测试缸内液面高度。

图3 制冷剂存储缸意图

3.3 测量方法

将1500g制冷剂灌注到测试装置后静置约半小时，液面稳定后观察测试缸体液面位置。为便于测试，通过倾斜制冷剂存储缸体，使制冷剂液面位于测试电极EF之间，这样电极E以下的电极位于液态制冷剂中，电极F、G、H位于气态制冷剂中。

使用绝缘电阻测试仪测试接线板上各电极所对应的接线端子，可测出相邻两个电极之间的电阻值。然后根据公式（3），计算出气态制冷剂和液态制冷剂的电阻率。

3.4 电阻率测量装置特点

该电阻率测量装置有以下特点: 1）测试范围广，能够测试不与装置反应的所有流体的电阻率；2）测试效率高，通过测试缸竖直方向均布的电极可测试不同位置的电阻值；3）测量值准确有效，通过测试电极间隙分别为0.5cm，1cm和2cm之间阻值，使测试结果互检。

4 制冷剂电阻率测量

实验前先用欧姆表测试各端子的电阻，结果绝缘性能良好，证明实验装置可用。测量前静置30分钟，保证液位不变后，使用绝缘电阻测试仪EXTECH 7452测试，如图4所示。

绝缘电阻测试仪

制冷剂液面

图4 制冷剂电阻率测量装置

测试过程中发现：同种制冷剂电阻值不是固定的，受测试时间影响较大，在测试过程中阻值以增大趋势变化，而且测试电压不同，测试电阻值也不同，因此测出的阻值是相对的，而不是绝对的，在一定范围内波动。

实验分别对液态制冷剂和气态制冷剂做测试，为便于比较，每种制冷剂相同环境下各测试300秒，每10秒采集一组数据，测试电压都是500V。对比300秒制冷剂阻值的变化趋势，并将测到的30组数据的平均值作为这种制冷剂的阻值，与其他制冷剂对比。

4.1 R410A、R134a和R407C测试数据

500V电压下液态制冷剂电阻率在300秒内变化趋势如图5所示。R134a相较于R410A、R407C电阻率较大，R407C与R410A电阻率相近。

每10秒采集一组数据，取30组数据平均值为每种制冷剂的电阻率，则电阻率结果如表1所示。

图5 三种制冷剂电阻率随时间变化曲线

表1 R410A、R407C和R134a电阻率

4.2 润滑油电阻率测量

为了研究润滑油的电阻率，使用绝缘电阻测试仪测量了FVC68D、V50S、RB68EP和FVC68EP几种润滑油的电阻率。如表2所示，可知润滑油电阻率大于1000MΩ·cm，是绝缘的。

4.3 润滑油与制冷剂混合后电阻率变化

实验发现混合后制冷剂与润滑油互溶体的电阻率明显高于液态制冷剂的电阻率，如图6所示，其值介于液态制冷剂与润滑油之间。

表2 润滑油电阻率

图6 润滑油与制冷剂混合后电阻率变化曲线

测试混合体电阻值具体实验方法先将润滑油灌注到测试装置，灌注后效果如图7左所示；然后对装置进行抽真空，灌注对应制冷剂约1500g，当液态制冷剂与润滑油接触后，有短暂的分层现象，如图7中所示；很快制冷剂完全溶解到润滑油中，如图7右所示。由于制冷剂与润滑油溶解度很大，互溶体的电阻值与润滑油比例有关。润滑油比例越高，电阻值越大；润滑油比例越低，阻值越接近纯液态制冷剂电阻。

润滑油

混合互溶体

制冷剂层

润滑油层

图7 润滑油与制冷剂混合前后

5 制冷剂电阻影响因素原因分析

在测试制冷剂阻值程中发现，同种制冷剂的导电率不是固定的，在测试过程中阻值以增大趋势变化，而且测试电压不同，测试电阻值也不同。因此，描述制冷剂这种高电阻介质的电阻率，必须首先明确测试电压、测试时间和测试数据获取方式。

为增加测试数据可比性，每组数据测试时间取300秒，每10秒采集一次数据。测试电压都是500V，环境温度29℃。对比300秒制冷剂阻值的变化趋势，并将测到的30组数据的平均值作为这种制冷剂的阻值，与其他制冷剂对比。

5.1 制冷剂电阻率与外加电压关系

外加测试电压越高，材料的电阻率越低，原因是导体材料电阻值变化的决定因素是电场强度。介质材料的电阻值一般不能在很宽的电压范围内保持不变，即欧姆定律对此并不适用^[6]。常温条件下，在较低的电压范围内，材料电阻值基本保持不变。超过一定电压后，由于离子化运动加剧，导体电流的增加远比导体电压的增加快，材料电阻值降低，R407C在500V和750V电压对应电阻率如图8所示。

5.2 制冷剂电阻率与测试时间的关系

测试时间越久，电阻值越大。测试电阻时，被测材料上的电流不是瞬时达到稳定值，而是有一定衰减过程，表现为电阻值逐渐增大。且被测电阻值越大，达到稳定时间越长，R410A制冷剂电阻率随测试时间变化如图9所示。

6 结论

制冷剂作为空调循环系统重要工质，其电阻率将直接影响空调的安全性能。本文通过对三种制冷剂R410A、R134a和R407C及其与润滑油混合导电性能实验数据对比分析，发现制冷剂这种高电阻介质材料导电特性。

测试制冷剂电阻时，被测材料上的电流不是瞬时达到稳定值，而是有一定衰减过程，表现为电阻值随时间逐渐增大。外加测试电压越高，制冷剂的电阻率越低。

测试结果表明，上述三种制冷剂在气相状态下的电阻率均超过500 MΩ•cm ，可认为是绝缘性良好；在纯液相状态下，R407C的电阻率相对最小，为23.3MΩ•cm，R410A的电阻率为27.6 MΩ•cm，R134a电阻率最大，为43.2MΩ•cm；压缩机润滑油的电阻率超过10000 MΩ•cm，并且润滑油与制冷剂混合后，将使混合液体电阻率增大。

图8 电阻率随测试电压的变化曲线

图9 R410A电阻率随测试时间的变化曲线

基金项目

珠海市基础与应用基础课题研究项目（编号：ZH22017003200005PWC）

参考文献

1. Eiseman BJ. How electrical properties of Freon com-pounds affect hermetic system's insulation. Refrigerating Engineering, 1955.

2. Beacham EA, pers RT. Some practical aspects of the dielectric properties of refrigerants. Refrigeration Engineering National Meeting, 1955.

3. Fellows BF, Richard RG, Shankland IR. Electrical char-acterisation of alternate refrigerants. Actes Congr. Int. Froid, 18th Saint-Hyacinthe: Quebec, 1991.

4. C. Meurer, G. Pietsch, M. Haacke. Electrical properties of CFC- and HCFC-substitutes. International Journal of Refrigeration, 2001.

5. 刘豹，张宏. 液体电阻率测定电路的设计. 2010，33（11）:57-60.

6. 雷清泉 高电场下电解质电导[J] 电机与控制学报 1981 （2）:4-17

基金项目 珠海市基础与应用基础课题研究项目（编号：ZH22017003200005PWC）