二氧化碳汽車空調的研究與應用前景

　　摘　要:本文介紹了二氧化碳作為天然環保制冷劑在汽車空調的研究與運用;闡述了相比較于其它制冷劑所具有的一些優缺點以及超臨界循環的CO2制冷系統原理;另外由于CO2自身的特性，使得在系統各個部件如壓縮機、換熱器、管路等的制造與使用傳統制冷劑部件相差較大,對此也做了較為詳細的介紹;同時，本文針對CO2空調系統高壓運行所帶來的安全問題給予了很明確的詮釋。

　　1.概述：CO2是天然冷媒，它無毒、不可燃，消耗臭氧潛能值為零，q*變暖潛能值為1。CO2還具有優良的熱物理性質。如：CO2的容積制冷量是R12的8倍左右，這可使設備更緊湊。20世紀70年代，CFC及HCFC被發現破壞大氣臭氧層及溫室效應指數較高而面臨全面禁用。在此背景下，采用超臨界循環的CO2系統以其優良的環保特性、較低的流動阻力及相當大的單位容積制冷量，重新在制冷領域得到了青睞。美、日、歐都已相繼研制成功了二氧化碳汽車空調系統并裝車試運行，DANFOSS、DENSO、ZEXEL等已進入二氧化碳壓縮機小批量生產階段[1]。

　　2.超臨界循環的CO2制冷系統原理

　　90年代初，挪威技術大學Lorentzen教授開發了采用跨臨界制冷循環的汽車空調樣機[3]，并申請獲得了國際專利。跨臨界制冷循環的流程圖和壓焓圖見上圖1、圖2所示，它是一種和深度冷凍裝置中的高壓(林德)流程氣體液化與分離裝置類似的系統，只不過其目的不是為了氣體液化和分離，而是利用氣體液化后可以蒸發吸收汽化潛熱的特性以達到制冷的目的。

　　跨臨界系統由壓縮機C、氣體冷卻器G、內部熱交換器I、節流閥V、蒸發器E與儲液器A組成封閉回路。氣體工質在壓縮機中升壓至超臨界壓力P2，在p-h圖上為過程f-a，然后進入氣體冷卻器中，被冷卻介質(空氣或冷卻水)所冷卻。為了提高系統的性能系數COP，出氣體冷卻器后的高壓氣體在內部熱交換器中進一步冷卻。它是用壓縮機回氣管前面的低溫低壓蒸汽過熱這一回熱原理實現的，此即過程b-c。理想情況下，焓降hb-hc=hf-he。然后用節流閥減壓，經節流后的氣體被冷卻，且部分氣體液化，濕蒸汽進入蒸發器E內汽化，吸收周圍介質的熱量。蒸發器中的液體并不全部汽化，而是設計成有少量液體盈余，因此其出口狀態a將在兩相區內，這對提高蒸發器的傳熱效率十分有利。正因為如此，E出口須配置儲液器，以防止壓縮機液擊和便于壓縮機回油(專用回油管道如圖上虛線所示)。儲液器出來的低壓飽和蒸汽進入內部熱交換器的低壓側通道，吸收高溫高壓的超臨界氣體的熱量后，成為過熱蒸汽進入壓縮機升壓。如此周而復始完成循環。

　　3.系統結構及部件實現

　　CO2跨臨界系統的工作壓力遠遠超過亞臨界循環，蒸發壓力為30-40bar，冷卻壓力為100-110bar，這給壓縮機及管路的機械設計與密封帶來一些特殊的問題，需要進行較大改進。CO2具有相當大的單位容積制冷量(0℃時單位容積制冷量分別為R12和R22的8.25倍與5.12倍)，故而與傳統系統相比，CO2制冷系統的容積流量可顯著減小，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小得多。同時CO2良好的熱力性質也為設計結構緊湊，高效的熱交換器提供了可能性。

　　1)、壓縮機

　　CO2其絕熱指數(K)值較高，達1.30，這可能會產生壓縮機排氣溫度偏高的顧慮，但由于CO2的低壓工作壓力P0很高，因而壓縮機的壓比π=PH/P0卻比其他制冷劑系統的低得多，因此不會象氨系統那樣需要對壓縮機本身進行冷卻。正因為絕熱指數K值高，壓比小，可減小壓縮機余隙容積的再膨脹損失，使壓縮機的容積效率較高。經過實驗和理論研究，Jurgen SUB和Horst Kruse[4]認為往復式壓縮機，主要是柱塞和軸塞式壓縮機憑借油潤滑，在汽缸壁和活塞之間存在良好的油膜滑動密封，成為CO2系統的s*選。因此迄今為止，汽車空調系統中使用的二氧化碳壓縮機采用往復式結構，圖3為DANFOSS研制三缸斜盤式壓縮機、Bock研制的兩缸立式活塞式客車空調壓縮機和電裝的變排量壓縮機。

　　a 轎車空調壓縮機三缸斜盤式，排量26cm3，缸徑18.5mm, 行程31.9mm

　　b 客車空調壓縮機兩缸直列式，排量120cm3，缸徑28mm, 行程49.0mm

　　2)、熱交換器

　　CO2汽車空調系統熱交換器包括蒸發器、氣體冷卻器和內部氣體換熱器，占有整個系統質量的一半及大部分體積，應有高效、緊湊、重量輕的特點，以滿足汽車空調的特殊要求。

　　制冷循環中的散熱由空氣冷卻器完成，其作用相當于傳統制冷循環中的冷凝器。在空氣冷卻器中，二氧化碳工作在超臨界狀態下，始終處于氣態，并不發生一般冷凝器中的冷凝液化過程。受二氧化碳物性的制約，空氣冷卻器中制冷劑側壓力很高，達110bar左右。另外，由于二氧化碳處于超臨界狀態，出口溫度獨立于出口壓力，使它可以有較大的壓降。因此，制冷劑側往往設計成較大的流量密度()和較小的管徑()。同時，小管徑也有助于承受較高的壓力。同樣的平均溫差下，二氧化碳和R-22的冷卻曲線如圖4： CO2的冷卻曲線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。相同換熱量下，逆流式與叉流式的比較見下表2。采用逆流式設計的氣冷器接近方形，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必一定放在散熱器前，也可不放在汽車前部，有利于汽車設計整體優化，也避免了增加散熱器的負荷以及車底熱空氣進入冷卻器中。

　　4.實用化研究現狀

　　二氧化碳超臨界循環理論由挪威技術學院的Lorentzen教授提出，在歐洲z*先得到響應。 1994年起BMW、DAIMLERBENZ、VOLVO、德國大眾、Danfoss、Valeo等歐洲著名公司發起了名為“RACE”的聯合項目，聯合歐洲著名高校、汽車空調制造商等研制CO2汽車空調系統，并計劃在2003年歐洲生產的汽車有一半裝備CO2汽車空調系統。BENZ公司現已有裝備二氧化碳汽車空調的轎車生產。DANFOSS、奧地利的Obrist均已研制出二氧化碳車用壓縮機。日本的DENSO、ZEXEL的二氧化碳壓縮機已進入小批量生產階段。

　　5.小結

　　1. CO2跨臨界循環系統，充分利用了CO2高飽和壓力，良好熱力性能及相當大單位容積制 冷量，具有高效緊湊等特點，適合于汽車空調。

　　2. 在CO2跨臨界循環系統研究的理論和實驗方面已經取得了不小的成就，CO2系統日趨成熟，商用化指日可待。

　　3. CO2具有優良環保性能，從安全方面考慮，汽車空調中CO2雖然壓力高，但其體積很小，即使在部件破裂著一不太可能發生的情況下，例如制冷劑側容積不到2L的CO2汽車空調機所釋放出來的潛在能量還趕不上一個典型的CO2滅火器釋放的多，何況有保護系統予以監控與保護，因而機械系統的安全性是完全可靠的。

　　4. CO2系統結構與原車用空調系統有明顯不同，高壓側壓力、回熱換熱量等系統循環參數對系統COP影響顯著，必須對系統熱力循環進行優化設計。

　　5. 以CO2作為工質的汽車空調系統，無論在理論方面，還是在部件實現方面，都完全具備了可能性。

　　參考文獻

　　[1].陳江平.二氧化碳汽車空調系統研究進展。交通運輸制冷空調，2000(1)：2

　　[2].方貴銀.我國汽車空調的現狀及展望.上海汽車，1998(3)：27～31

　　[3].Pettersen J，Lorentzen G. A new efficient and environmentally benign system for automobile air conditioning。SAE Trans，1993，102(5)：pp. 135-145

　　[4]Jurgen SuB and Horst Kruse. Efficiency of the indicated process of CO2-compresser. Int. J. of Refrig.，1998. Vol. 21，No. 3，pp1944-01