CO2制冷剂的空调系统介绍

1.臭氧层的破坏和全球变暖问题

臭氧层的破坏和全球变暖已成为严重的全球性环境问题。汽车空调系统使用的气体氟利昂是造成这两个问题共同的原因之一。

（1）臭氧层破坏的机理 汽车空调系统采用的制冷剂CFC12（含氯氟烃）是导致臭氧层破坏的原因之一。它是一种特别稳定的物质，在地面或对流层不能分解。到达平流层时被紫外线分解（光分解）并放射氯元素。这些氯元素变成催化剂，继续破坏平流层的臭氧。臭氧层破坏的机理如图7-81所示。

（2）全球变暖 全球变暖的机理如图7-82所示，阳光照射到地球上，被地球表面吸收并转化为热。大气中的温室气体防止热量释放到太空。结果地球保持适当的热量。但是，当特别有效的温室气体CFC等散发之后，地面保持过多的热量使地球温度上升。

地球的温度与过去的20～30年相比急剧升高，预计到21世纪末，地球的平均温度将升高约2℃。

全球变暖预测：不正常气候情况的增加，对生态系统、食物生产、水资源等产生有害影响。

1kgR12的温室效应相当于4000吨CO₂的温室效应。

为停止使用特殊氟利昂如CFC，作为替代品HFC（含氢氟烃）正被使用。汽车空调系统采用HFC134a作为替代品。但是，尽管这些氟利昂不会危害臭氧层，它们是非常有效的温室气体。它们的使用在所有发达国家被禁止，并且这些限制正在接受审查。

图7-81 臭氧层破坏机理

图7-82 全球变暖机理

2.使用CO₂（R744）作为制冷剂的空调系统

制冷剂R134a产生温室效应的能力是CO₂的1300倍，即释放到大气中1kgR134a时产生的温室效应相当于1300kgCO₂产生的温室效应。由于车辆空调系统使用天然资源时以及工业过程中肯定会产生CO₂，因此将其用作制冷剂对环境没有太大的影响。

而且CO₂（R744）空调系统的效率高于现在的R134a系统，制冷功率相同时它所需的燃油较少（最高车外温度小于35℃），因而减少了尾气排放。因此按照欧洲年平均值来看，可在耗油量较低的情况下达到较高的效率。CO₂空调系统的另一个优点是：处于热力泵的反向运行模式时，可将其用作高效加热器。

（1）CO₂制冷剂循环回路 CO₂制冷剂循环回路由蒸发器、膨胀机构、收集器/分离器、内部热交换器、压缩机和气体冷却器组成，其示意图如图7-83所示。在压缩机内将气态CO₂由3.5MPa抽吸压力压缩至13.3MPa。在此过程中气体加热至最高165℃。

气体冷却器将所吸收的部分热量释放到车外空气中。只有当制冷剂温度低于CO₂临界温度31℃时，才能变为液态形式。但由于气体冷却器的技术效率小于1（“理想的”气体冷却器功率为1），因此只有当车外温度低于27℃时气体冷却器内才能发生上述变化（因此使用术语“气体冷却器”代替“冷凝器”）。

在内部热交换器内，来自气体冷却器的CO₂通过来自蒸发器内大约0℃的CO₂继续进行冷却。随后通过一个膨胀机构将气体喷入蒸发器内，气体压力由12MPa降至3.5MPa并蒸发。

图7-83 R744制冷剂循环回路（示意图）(https://www.xing528.com)

1—膨胀机构 2—蒸发器 3—低压加注阀 4—组合部件 5—低压安全片 6—蓄能器 7—内部热交换器 8—高压加注阀 9—气体冷却器 10—传感器 11—带有高压安全片的压缩机

根据温度情况，制冷剂循环回路分为三个区域：低压区域（ND）为蓝色，高压区域（HD）为红色和橙色。其中红色区域是制冷剂侧温度最高165℃（短时间内最高为180℃）时的系统热气区域。

蒸发所需热量来自进气或乘客区内的空气。空调处于循环空气模式时，空气在通过蒸发器鳍片的同时得到冷却。经过气体冷却器后的液态制冷剂温度越低，它可以从蒸发器内吸收环境空气的热量就越多。

制冷剂蒸发后首先经过收集器并在此处分离出液态CO₂部分，随后经过内部热交换器。最后，已完全变成气态形式的CO₂进入压缩机，整个流程从头开始。

由于与R134a相比，CO₂密度更大，因此与R134a空调器的制冷效果相同时所需CO₂体积流量较少。

（2）CO₂（R744）制冷系统说明 制冷剂CO₂按其分子量被业内命名为R744，制冷剂加注量比加注R134a时低10%～15%。除个别情况外，空调系统组件与使用R134a时的组件相似。

根据系统环境温度的情况，处于静止状态时的压力水平最大9.5MPa（高压和低压），处于运行状态时高压侧最大13.3MPa。

（3）CO₂（R744）制冷系统的新组件 一个带有集成式内部热交换器的蓄电池具有4个接口。使用CO₂系统时，将冷凝器称为气体冷却器。气体冷却器进气口处的传感器除测量压力外，还测量热气制冷剂温度，压力为（12±1）MPa时，蒸发器与膨胀阀之间的安全片破裂，压力为（16±1）MPa时，压缩机出气口处的安全片破裂。

R744制冷剂循环回路内的温度和压力明显高于R134a系统。空调系统在制冷剂侧使用一个组合式压力温度传感器进行调节。该传感器在高压区域内位于气体冷却器进气口前方。

系统调节运行情况时使高压区域内的最大压力达到13.3MPa。如果无法通过调节功能确保该压力水平，则从压力达到14MPa时开始将压缩机调为零行程。

除调节功能外，空调系统可通过机械方式对高压做出反应。如果无法进行调节干预，则通过排放机构即安全片降低系统压力。

最迟在压力为13MPa时，低压区域（由蓄电池和内部热交换器组合而成）内的安全片就会破裂；最迟在压力为17MPa时，高压区域（压缩机出气口处）内的安全片就会破裂。

只有系统压力处于2.5～9.5MPa时，才会接通空调系统。压力低于2.5MPa时，系统明显加注不足。压力高于9.5MPa时，系统肯定加注过量或环境温度明显高于54℃。

R744制冷系统使用了另外一种制冷剂油，用适用于R744的POE油（POE是Polyol Es-ter的缩写，又称聚酯油，它是一类合成的多元醇酯类油）取代了适用于R134a的PAG油（PAG是PolyAlkylene Glycol的缩写，是一种合成的聚（乙）二醇类润滑油），绝对不能加注PAG油。

此外还需要带有加注适配器的新型加注和抽吸设备和新型测漏仪器，不能用R134a加注和抽吸设备进行加注。

制冷剂就是CO₂（R744），在通风条件较好的室内可直接排放到环境空气中。

[1]BEAN是Body Electronics Area Network（车身电子区域网）的略称，是丰田汽车公司专利的双向多路通信网络。

[2]AVC-LAN是Audio Visual Communication-Local Area Network（音响和可视通信-区域网）的略称，用于音频和视频设备中的通信网络，被各个设备制造商所共用。

[3]CAN是Controller Area Network（控制器区域网）的略称，指符合ISO（国际标准化组织）标准的串行通信网络。