關鍵字：天然制冷劑,二氧化碳,汽車空調,特性
Automotive Air Conditioner System Using Carbon Dioxide as Refrigerant
Luo Mengbo Shen Weixin
(Department of Automobile Engineering, Hebei Jiaotong Vocational and Technical College, Shijiazhuang 050091)
Abstract: This paper introduces the characteristics of CO2 refrigerant and the principle of CO2 refrigerant system under super critical circulation. The structure properties of CO2 air conditioner system of automobile are analyzed.
Key words: natural refrigerant; CO2; automotive air condition; property
0 引言
依其來源的不同，制冷劑可分為天然制冷劑和人工合成制冷劑兩大類。天然制冷劑是指在大自然中天然存在的可用于制冷工程工作介質的物質，它的優(yōu)點是不污染環(huán)境，價格低廉。二氧化碳就是一種天然制冷劑。
１ 二氧化碳（CO2）制冷劑的特性
CO2在制冷空調上已有百年以上的使用歷史。CO2制冷劑主要是由于其在高溫環(huán)境運轉時的容積效率損失大、系統(tǒng)效率低、操作壓力高等技術原因在使用上受到限制，但隨著現(xiàn)代材料和制造技術的發(fā)展，上述問題都得到了解決，挪威的G·Lorentzen和J·Pettersen在1993年首先提出了將CO2制冷劑應用在汽車空調制冷系統(tǒng)上，并進行了一系列試驗研究?，F(xiàn)有的研究證明，二氧化碳制冷劑具有如下特性：
⑴ CO2的臨界溫度低（31.1℃），接近環(huán)境溫度，因此，用CO2為制冷劑進行壓縮，則其放熱區(qū)將超過臨界溫度以上，而處在超臨界點的區(qū)域中工作。
⑵ CO2的臨界點壓力高（7.38MPa），約為R12的1.8倍，但是，因其臨界點溫度低，在進行壓縮時，其工作壓力將更高。
⑶ 在0℃時CO2的飽和壓力是其他制冷劑的8～10倍，CO2相對高的壓力可以認為是作為制冷劑的優(yōu)勢。
CO2作為制冷劑與鹵代烴相比具有明顯的優(yōu)點：與各種潤滑油和常用機器零部件材料都相容；容易獲取，不受供應限制；運行維護方便，無須回收再生，且價格低廉。
CO2壓縮機具有如下熱力特性：高工作壓力，最高壓力可達15MPa；小排氣量，排氣量為：20～25cm3；低壓縮比：2.5～3.5；大壓力差：低壓為3.5～4.0MPa，高壓為8.0～11.0MPa；工作運轉速度低：640～1600r/min。
圖２ 超臨界制冷循環(huán)的 圖
２ 超臨界循環(huán)的二氧化碳制冷系統(tǒng)原理
圖１ 二氧化碳制冷循環(huán)原理
C-壓縮機 G-氣體冷卻器 I-內部熱交換器 V-節(jié)流閥 E-蒸發(fā)器 A-貯液器
收稿日期：2005-01-14
作者簡介：駱孟波，男，1962～，副教授。長期從事汽車維修教學及實踐工作。
20世紀90年代初，挪威Lorentzen教授開發(fā)了采用超臨界制冷循環(huán)的汽車空調樣機，其原理如圖１所示，圖２為超臨界循環(huán)的壓焓（ ）圖。它是一種與深度冷凍裝置中的高壓（林德）流程氣體液化和分離裝置類似的系統(tǒng)，但在這里的目的是利用氣體液化后可以蒸發(fā)吸收氣化潛熱的特性以達到制冷的目的，而不是為了氣體液化和分離。
超臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)由壓縮機C、氣體冷卻器G、內部熱交換器I、節(jié)流閥V、蒸發(fā)器E與貯液器A組成封閉回路。氣體工質由壓縮機升壓至超臨界壓力，其在 圖上為過程 ，然后進入氣體冷卻器中，被冷卻介質（空氣或冷卻水）所冷卻。為了提高制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)COP（coefficient of performance），自氣體冷卻器出來的高壓氣體在內部熱交換器中進一步冷卻，它是利用從蒸發(fā)器出來的低溫低壓蒸氣進行熱交換的原理實現(xiàn)的，這一過程即 。這也促使從蒸發(fā)器出來的低溫低壓蒸氣進一步氣化，防止了壓縮機液擊現(xiàn)象的發(fā)生。理想狀況下，焓降hb—hc=hf—he。然后利用節(jié)流閥減壓，經(jīng)節(jié)流后的氣體降溫冷卻，且部分氣體液化（在節(jié)流減壓前不發(fā)生液化），濕蒸氣進入蒸發(fā)器內氣化，吸收周圍介質的熱量，使空氣降溫。蒸發(fā)器內的液體并不全部氣化，因此出口工質的狀態(tài)處于兩相區(qū)，即氣液并存，這對提高蒸發(fā)器的傳熱效率十分有利。正因為如此，蒸發(fā)器出口處需配置貯液器（在汽車空調系統(tǒng)中常被稱為集液器或積累器），以防止壓縮機液擊和便于壓縮機回油（圖上虛線為回油管道）。貯液器出來的低壓飽和蒸氣進入熱交換器的低壓側管道，吸收高溫高壓的超臨界氣體的熱量后，成為過熱蒸氣進入壓縮機并升壓。制冷系統(tǒng)如此周而復始完成循環(huán)。
３ 二氧化碳汽車空調系統(tǒng)部件結構特點
CO2超臨界系統(tǒng)的工作壓力遠遠高于亞臨界循環(huán)，蒸發(fā)壓力為3～4MPa，冷凝壓力為10～11MPa，高的工作壓力給壓縮機及管路的設計與密封帶來一系列的問題，需要進行較大的改進。與傳統(tǒng)制冷劑相比，CO2具有更大的單位容積制冷量，0℃時CO2的單位容積制冷量分別為NH3的1.58倍、R12的8.5倍、R22的5.12倍，因此，CO2制冷系統(tǒng)中的容積流量可明顯減少，這樣使得壓縮機的尺寸、閥門與管道的流通面積比一般制冷系統(tǒng)要小得多。同時良好的熱力性質也為選擇結構緊湊、高效的熱交換器提供了可能性。
３.1．壓縮機結構特點
CO2和氨一樣，具有較高的等熵指數(shù)k，達1.30，高的等熵指數(shù)會引起壓縮機排氣溫度偏高的顧慮，但由于CO2的具有較高的低壓工作壓力p0，因而壓縮機的壓比π=pH/p0卻比其他制冷劑系統(tǒng)低得多，因此不會像氨系統(tǒng)那樣需要對壓縮機本身進行冷卻。高的等熵指數(shù)k、小的壓比，可減小壓縮機余隙容積的再膨脹損失 , 提高壓縮機的容積效率。同時 , 因為CO2壓縮機的吸排氣壓力均比 R134a 壓縮機的大得多 , 因而在CO2壓縮機類型選擇及設計上應給于充分考慮。
經(jīng)過實驗和理論研究 ,一般認為往復式壓縮機較適合于CO2空調制冷系統(tǒng), 主要原因是柱塞和軸塞式壓縮機憑借油潤滑, 在氣缸壁和活塞之間存在良好的油膜滑動密封, 因此成為 CO2制冷系統(tǒng)的首選。迄今為止 , 汽車空調系統(tǒng)中使用的二氧化碳壓縮機多采用往復式結構 , DANFOSS 公司研制了三缸斜盤式壓縮機、 Bock 公司研制了兩缸立式活塞式客車空調壓縮機。
應用于CO2汽車空調系統(tǒng)的壓縮機氣缸體積小, 吸排氣壓力高，存在潛在的高沖擊速度，因此，對傳統(tǒng)使用的簧片閥提出了挑戰(zhàn), 為滿足系統(tǒng)工作壓力的要求，必須對閥門進行改進。Bock公司將壓縮機排氣閥改良后發(fā)現(xiàn)壓縮機效率提高了7%。
３.2. 熱交換器
CO2汽車空調系統(tǒng)熱交換器包括蒸發(fā)器、氣體冷卻器和內部氣體換熱器, 占整個系統(tǒng)質量的一半及大部分體積, 為滿足汽車空調的特殊要求, 必須具備高效、緊湊、重量輕的特點。
氣體冷卻器要完成制冷循環(huán)中散熱工作。其作用相當于傳統(tǒng)制冷循環(huán)中的冷凝器。 在氣體冷卻器中, 二氧化碳工作在超臨界狀態(tài)下, 始終處于氣態(tài), 并不發(fā)生一般冷凝器中的冷凝液化過程。受二氧化碳熱物性的制約,氣體冷卻器中制冷劑側壓力很高,達10～11MPa, 另外, 由于二氧化碳處于超臨界狀態(tài), 出口溫度獨立于出口壓力, 使它可以有較大的壓降。因此, 制冷劑側可以設計成較大的流量密度 (600～1200kg/s·m2) 和較小的管徑。同時 , 小管徑也有助于承受較高的壓力。
CO2的冷卻特性使采用小迎風面積、長空氣流道、低空氣流速的逆流式換熱器成為可能。采用逆流式的氣體冷卻器接近方形，緊湊的結構和較小的空氣流量可以使汽車空調中的空氣冷卻器不一定放在散熱器前, 也可不放在汽車前部, 有利于汽車設計的整體優(yōu)化, 也避免了增加散熱器的負荷以及車底熱空氣進入氣體冷卻器中。
最初的空氣冷卻器由 Lorntzen 和 Pettersen 于 1990～1991 年推出, 為傳統(tǒng)的管片式。進一步的模型計算表明, 采用更小的管徑有助于提高換熱強度。同時, 由于對最小爆炸壓力的考慮, 也要求縮小管徑。因此, Lorentzen 和 Pettersen 在 1994 年對氣體冷卻器進行了改進設計, 使管徑減小到2.Omm。但過小的管徑帶來制造上的困難, 增加了成本。在這種情況下 ,開發(fā)了“平行流”氣體冷卻器: 一組平行的小直徑換熱管構成一個整體以便于制造。“平行流”氣體冷卻器增加了換熱面積，提高了空氣側和制冷劑側的換熱量；提高了氣體冷卻器內工質流體的溫度和流量分配的均勻度，提高了換熱效率；減小了制冷劑的流動阻力，降低了制冷劑在冷卻器中的壓力損失，減少壓縮機功耗。“平行流”氣體冷卻器的
