二氧化碳汽车空调技术探究

赵旭森+浮燕+王辉

摘要：针对R134a的GWP值为1300，远高于欧盟“GDP值不得高于150”的规定，本文分析了CO2作为制冷剂的特性，笔者提出了用CO2替代R134a的可行性，并详细阐述了二氧化碳汽车空调系统的原理和系统的主要组成器件。

关键词：CO2；相关特性；系统原理；主要器件

一、前言

2014年，中国汽车产量达到3400万辆，其中乘用车2100万辆，几乎所有乘用车都安装有空调器。汽车空调制冷剂的泄漏，造成环境大气中CO2含量增大，引起温室效应，使全球气侯变暖。根据“蒙特利尔协定”，制冷剂R12成为首批受禁的制冷工质。目前，R134a广泛应用于汽车空调系统。该制冷剂ODP值为零，但GWP（即全球变暖潜能值）数值为1300，远高于欧盟提出的“GWP不得超过150”的限值。随着对环境的日益重视及可持续发展考虑，其替代的任务更为迫切，天然制冷剂替代合成工质成为了必然。近年来，有人提出采用CO2作为汽车空调制冷剂，彻底解决大气温室效应的问题。

二、二氧化碳的相关特性

CO2是我们熟悉的天然制冷剂，临界温度31.1℃，临界压力7.38 MPa。ODP值为零，不燃烧、不爆炸，无毒，无已知的致癌、致突变或其他有毒的危害影响，对环境产生的温室效应很小，GWP只有1，即只有R134a的1300分之一。

三、二氧化碳空调系统原理

CO2汽车空调系统主要由压缩机、气体冷却器、膨胀阀、蒸发器、储液器、回热器等组成，如图1所示。CO2汽车空调系统制冷循环原理与普通蒸汽压缩制冷循环基本相同，主要利用相变即气体液化放热，液体蒸发吸热的原理实现制冷的目。如p-h图的B-A过程，在压缩机中气体工质升压至超临界压力状态，进入到气体冷却器中，气体工质被冷却介质所冷却。如p-h图F-E过程，为了系统性能系数COP的提高，利用压缩机回气管前面的低温低压蒸汽过热原理，从气体冷却器出来的高压气体在内部热交换器中进一步冷却，接着用节流阀减压，经节流减压后的气体被冷却，而且有部分气体被液化，湿蒸汽进入到蒸发器内汽化，周围介质的热量被吸收。为了蒸发器传热效率的提高而设计成有少量液体盈余，所以，蒸发器中的液体并不完全汽化。正因为如此，以防止压缩机液击和便于压缩机回油（回油管道见图1），故在蒸发器出口配置了储液器。低压饱和蒸汽从储液器出来后进入内部热交换器的低压侧通道，吸收高温高压的超临界气体的热量后成为过热蒸汽，进而进入压缩机升压，进行下一循环。

四、二氧化碳空调系统主要部件

（一）压缩机

汽车空调压缩机是制冷系统的心脏，压缩机对整个制冷系统工作性能的影响最大，容积效率和指示效率是衡量压缩机工作性能的主要指标，压缩过程的容积效率和指示效率主要与汽缸泄露、气体与汽缸传热、气阀和气腔的压力损失等因素有关。由于CO2跨临界系统的高低压差大，不易密封，所以，CO2汽车空调的压缩机主要有开启活塞式压缩机、涡旋式压缩机和变排量式压缩机。压缩机容积效率较大，因为CO2压缩机压比小以及气缸内余隙容积的再膨胀行程较短，阀打开较早。活塞间隙的泄露是影响压缩过程中最大的因素，泄漏损失对指示效率影响最大，必须减小泄漏间隙的长度，减少间隙大小可以使CO2压缩机具有与R134a压缩机相同的效率，用油润滑的活塞环密封，为了控制泄漏，可将一定量的润滑油混进吸入气体中。与常用系统相比，吸排气阀损失对指示效率的影响很小，因为CO2压缩机吸排气压差很大，克服流动阻力需要的压差相对很小。

（二）换热器

汽车空调对结构紧凑和重量轻有严格的要求。因为它的安装空间小，同时它的重量直接关系到汽车行驶时的油耗量。结构紧凑性的指标是每单位换热器体积的空气侧换热表面积（m2/m3）。通常汽车空调换热器的特征如表1所示。因此要求采用强化传热的高效、轻型换热器，通常用铝和铝合金作材料，而不使用铜。二氧化碳的热物性具有低粘度、高导热性、高蒸气密度的优点。这些优良的性能使蒸发器，回热器，气体冷却器中传热效果好。为了使CO2在管内流动时有一定的流速，要求使用小管径的换热管。因此，微通道换热器很适合在CO2汽车空调中使用。

（三）气体冷却器

在CO2超临界循环系统中，高压侧是从气体直接冷却成为液体，主要的传热部分是气体的冷却，采用气体冷却器，其作用相当于传统制冷循环中的冷凝器。在气体冷却器中CO2的温度变化较大，使得气体冷却器进口空气温度和出口制冷剂温度非常接近，这自然可减少高压侧不可逆传热引起的损失。同时为了减轻重量、缩小尺寸及增加安全性，所以，气体冷却器是在传统制冷循环中冷凝器的进一步优化。

（四）膨胀阀

CO2汽车空调系统对膨胀阀的要求较高，因为汽车空调系统是在动态环境条件下工作的。一般情况下，CO2汽车空调系统的膨胀阀由高压调节阀和手动节流阀或背压阀两个阀组成，高压调节阀是可以进行高压侧压力控制。膨胀阀跨临界制冷循环节流前的高压制冷剂不是冷凝液体，环境温度对系统性能的影响较小，正是由于CO2流体节流前是处于超临界状态，压力高，节流后流体处于两相区，压力低，节流前后压差大，因此，系统性能基本上由高压侧压力所决定，为了达到调节系统制冷量的目的，可以通过控制膨胀阀的大小调节高压侧压力。系统中一般采用电子膨胀阀，因为系统压力较高，传统的热力膨胀阀的结构很难适应。

（五）蒸发器

蒸发器结构与气体冷却器类似，其结构由管片式发展为平行流微通道式。CO2蒸发器的工作压力在3.4-7.2MPa左右，是传统制冷剂压力的10倍左右。

（六）回热器

系统中的回热器大多采用简单热流体在管内流动，冷流体在管外流动的套管式结构，回热器的结构比较简单，但系统性能可以得到有效提高。有关的试验研究表明，增设回热器后，系统的COP值最大可以提高15%-20%，制冷量将改善10%，回热器的管长和管径尺寸由换热量和设计工况确定。

（七）储液器

储液器的作用是防止压缩机液击和便于压缩机回油。为了满足不同工况要求，储液器容量的设计比较大。在储液器中设置干燥器，以防止水与CO2反应产生腐蚀。

五、结论

CO2汽车空调由于环境方面的优越性和优良的热物理特性，越来越被人们重视，CO2汽车空调替代现有的汽车空调系统比较乐观。CO2汽车空调技术具有重要的意义和广阔的发展前景。