制冷与空调系统中毛细管流量的测试方法研究

　　分析了目前制冷工业生产中对毛细管进行检测的现状，指出了现有检测方法存在的缺陷，提出了一种新的方法———等效对比代换法。根据此新方法，设计了一种新的毛细管流量检测装置。同时，在研究分析的基础上，对毛细管实验方法的国家标准GB/T 23683—2009 提出了新的建议和补充。

1、引言

　　毛细管作为重要的节流器件，被广泛应用于冰箱、冰柜、除湿机、空调器等制冷行业。毛细管节流性能参数按照实际的节流工况测量十分复杂，因而在生产实践中，毛细管的节流参数一般采用限定条件下(定温定出、入口压力) 的氮气流量来确定，它与毛细管自身的节流效果有很好的对应关系。显然，毛细管参数的一致性直接影响到产品质量。从理论上讲，毛细管采用相同内径的材料，截取同样长度即可。问题在于： 毛细管流量对内孔尺寸非常敏感，同样内径不同批次的产品性能都有较明显的流量偏差，另外毛细管在绕制成形过程中，内孔截面形状会受到影响，绕制完成后，参数必然存在离散性，有必要重新测量、调试和校正。

2、目前工业生产中毛细管测量的现状

　　生产企业毛细管氮气流量的测试标准是依据“制冷剂毛细管流量的试验方法”国家标准：GB/T23683 - 2009 来进行的。该标准给出的实验方法(传统方法)如图1 所示。

图1 测定毛细管氮气流量的试验装置(传统方法)

　　通过在等温、等压条件下的测试，达到与标准值比较的目的。由于此方法耗时很长(测量一只元件需几分钟)，在大规模生产过程中难以按此方法进行实测。因此，为了能够较快测量，GB/T 23683-2009 给出测试的替代方法，其原理如图2所示。

图2 测定毛细管氮气流量的试验装置( 替代方法)

　　替代方法省去了调温装置，减少了温度调节和检测，很显然也增加了测量误差。GB/T 23683- 2009 规定的试验方法的误差为3% 左右，GB/T 23683 - 2009 给出的测试替代方法的误差肯定还会更大。替代方法对出口为非标准大气压时，还须进行误差修正计算，并给出了计算公式，但在大规模实测时，计算每一元件误差并不现实。而且从工业测试的角度看，测试速度本身也不够快，由于每次测量需要调整入口压强到标准值，进入稳态后才有测量结果。单次测量需要20 ～ 30s，再加以修正调校，实际时间更长。仅以2011年冰箱、空调生产为例，国内电冰箱产量为7000 ～8000 万台、空调器为10500万台左右，其中多数节流器件采用毛细管，可见其测试工作量多么大。考虑到测试的难度，而且测试后的误差也较大，不少工厂目前的做法是：毛细管绕制前抽检(跟国标的规定有关，后面将讨论这一点)，成形后不再检测，就直接作为合格元件使用。这使得终端产品质量的一致性存在不小的不确定因素，对产品质量是有影响的。因此，研究有一种快速、准确、经济的测量方法，对相关制冷行业的产品质量及生产效率的提高都很有必要。

3、新的测量方法

　　GB/T 23683-2009 的测量是采用直接测量方法。在毛细管气体流量测量中其实可以有不只一种快速、准确的测量方法存在，当然是间接测量。作者经过分析比较，认为更为可行的是图3所示的方法，即生产过程中的测量并不需要知道氮气的标准流量是多少，最重要的是产品的毛细管和研发调试出来的标准毛细管是否流量一致。也就是说，只需要与给定的标准毛细管在完全相同的条件下进行比较，所生产的毛细管的性能即可获得。

图3 测定毛细管氮气流量的试验装置(等效对比法)

　　图3 中从左到右依次为与氮气连通的主电磁阀、过滤器、减压阀和接管分配器，所述接管分配器的两个输出端分别通过平衡毛细管连接第一接管连接器和第二接管连接器，所述第一接管连接器和第二接管连接器之间设置有微压差显示装置(此装置可以是微压差电子传感显示组件，也可以是水或其它液柱通过柔性隔膜来测量显示。该第一接管连接器连接标准毛细管，第二接管连接器连接样本毛细管，所述平衡毛细管和标准毛细管为等阻力特性毛细管，所述标准毛细管和样本毛细管均与大气连通。这是一个等臂桥式毛细管流量检测装置，采用4 根等阻力毛细管构成的等臂桥式回路的检测方式，通过等效对比代换法直接对比检测样本毛细管和标准毛细管的流量( 流量相同时微压差检测显示为0) ，完全避免了现有技术因温度变化、大气压强变化、气源压强变化、检测仪表精度等对制冷剂毛细管流量测量产生的误差( 因为两条对比的支路前后端工作环境条件完全相同) ，大大提高了毛细管流量的检测精度，可以将毛细管的流量偏差控制在1% 以内或更小，以桥件两端的压强200kPa 为例，则待测单一毛细管两端压强为100kPa，水柱高可达9.8m 左右，1%差值也能反映出9.8cm，如果按采用高精度电子微压差传感器，也完全能达到理想要求。

　　平衡毛细管的制备： 在检测状态下左右平衡毛细管位置对换并读取微压差显示器的数据，不管标准毛细管和样本毛细管是否有偏差，只要读数相等则平衡毛细管合格。为保证平衡毛细管的精度，在制备平衡毛细管时将氮气源的压力调高至1MPa，可保证平衡毛细管的偏差在0.1% 以内。

　　本检测方法有点像桥式电路在毛细管检测方面的延伸。由于电桥测电阻肯定比万用表精度高得多，本文介绍的毛细管测量方式就是一个毛细管桥，与电桥测电阻在检测原理上高度相似，因此它的精度会更高。

　　采用这种测试方法，可提高毛细管流量的一致性，从而提升制冷产品的质量。该方法的其它优势包括：

　　(1) 检测时入口氮气并不需要太高压强( 如200kPa 左右) ，出口也不需标准大气压，测量结果无需修正，消耗氮气更少，成本更低;

　　(2) 检测时间更短(约3s) ，效率更高。如果配套调校修正，在10s 内完成一次检测操作是可行的。2种方法比较结果见表1。

表1 两种测试方法的比较

　　这一装置的测试原理来源于笔者的专利，经过必要的实验，并对具体应用的很多工艺细节进行了必要的完善。

4、对毛细管试验方法国家标准GB/T 23683 -2009 的建议和补充

　　GB/T 23683 - 2009 在试验方法的规定中有非常严格的限定条件，也只有这样，才能保证测量精度及确定的误差范围，但笔者觉得，还是有值得商榷的内容：

　　(1) “5.1……毛细管应尽量呈直管状接入系统进行试验”，或“弯曲的最小曲率半径不得小于300mm”的规定，这就是前面提到的绕制前抽检的规定。规定的出发点显然考虑到直管无形变，数更具一致性，但与产品毛细管绕制后的形状明显背离，按规定只能在绕制前测量，这对毛细管绕制成形后带来的参数偏离没有可能再检和校正;

　　(2) GB/T 23683-2009 只提供了唯一替代方法，作为直接测量在原理上不会有任何问题，但至少有不止一种以上的间接测量方法可以采用。本文提供了一种间接测量方法，与“替代方法”相比，相关指标更先进。

　　国家标准是企业产品检测的依据，作者提出的方法也在国标规定范围。考虑实践中遇到的具体问题，建议国标对毛细管测量的形状不做规定，以最终产品形式进入检测，并且对“替代方法”只作建议替代，在保证更好的测量效果的条件下，可采用其它替代方法。

5、结语

　　本文针对毛细管产品的检测现状，分析了制冷剂毛细管流量的试验方法，指出了国家现行标准《制冷剂毛细管流量的试验方法国家标准，GB/T23683-2009》在实际执行过程遇到的问题，提出了改进建议。采用等效对比代换法原理，介绍了一种新的测量方法，该方法具有测量速度快、精度高、成本低等特点，对制冷剂毛细管流量测试技术的发展及相关标准的改进有参考作用。