汽车制冷循环部件及其工作原理

1.3.1 压缩机

压缩机是制冷循环系统的动力源，安装在发动机前部，由发动机曲轴上的驱动轮经皮带轮驱动旋转。其功用是将从蒸发器出来的低温(约0℃)、低压(约150kPa)的气态制冷剂通过压缩转变为高温(约65℃)、高压(1300kPa)的气态制冷剂，并将其送入冷凝器。目前汽车空调系统中常见的压缩机型式主要有曲柄连杆式、斜盘式、摇板式、叶片式、涡旋式等，此外，压缩机还可分为定排量和变排量的两种型式，变排量压缩机可根据空调系统的制冷负荷自动改变排量，使空调系统运行更加经济。

1.斜盘式压缩机

旋转斜盘式压缩机通常在机体圆周方向上布置有6个或者10个气缸，每个气缸中安装一个双向活塞形成6缸机或10缸机，每个气缸两头都有进气阀和排气阀。活塞由斜盘驱动在气缸中往复运动，活塞的一侧压缩时，另一侧则为进气。结构如图1-7所示。斜盘式压缩机的工作原理如图1-8所示。

图1-7　斜盘式压缩机的结构

旋转斜盘式压缩机的工作过程如图1-8所示，压缩机轴旋转时，轴上的斜盘同时驱动所有的活塞运动，部分活塞向左运动，部分活塞向右运动。图中的活塞在向左运动中，活塞左侧的空间缩小，制冷剂被压缩，压力升高，打开排气阀，向外排出，与此同时，活塞右侧空间增大，压力减小，进气阀开启，制冷剂进入气缸。由于进、排气阀均为单向阀结构，所以保证制冷剂不会倒流。

图1-8　斜盘式压缩机的工作原理

2.摇板式压缩机

摇板式压缩机是一种变排量的压缩机，其结构如图1-9所示，它的结构与旋转斜盘式压缩机类似，通过斜盘驱动周向分布的活塞，只是将双向活塞变为单向活塞，并可通过改变斜盘的角度改变活塞的行程，从而改变压缩机的排量。压缩机旋转时，压缩机轴驱动与其连接的凸缘盘，凸缘盘上的导向销钉再带动斜盘转动，斜盘最后驱动活塞往复运动。

3.叶片式压缩机

叶片式压缩机在叶轮上安装有若干叶片，与机体形成几个密封的空间，在机体上安装有吸气孔、排气孔和排气阀，在叶轮旋转时，密封的空间的体积会发生变化，从而完成进气、压缩和排气的过程。结构如图1-10所示，工作原理如图1-11所示。

图1-9　摇板式压缩机结构

图1-10　叶片式压缩机结构

图1-11　叶片式压缩机工作原理

4.涡旋式压缩机

涡旋式压缩机的关键部件是涡旋定子和涡旋转子，定子安装在机体上，转子通过轴承装在轴上，转子与轴有一定的偏心，定子与转子安装好后，可形成月牙形的密封空间，排气口位于定子的中心部位，进气口位于定子的边缘。结构如图1-12所示。

图1-12　涡旋式压缩机结构图

当压缩机旋转时，转子相对于定子运动，使两者之间的月牙形空间的体积和位置都在发生变化，体积在外部进气口处大，在中心排气口处小，进气口体积增大使制冷剂吸入，当到达中心排口部位时，体积缩小，制冷剂被压缩排出。工作原理如图1-13所示。

图1-13　涡旋式压缩机工作原理

5.变容量压缩机

由于空调压缩机转速随发动机转速而变化，从节约能源等方面考虑，出现了变容量压缩机，能够根据蒸发器制冷负荷的变化自动调节排量。变容量压缩机的种类有容量固定变化式和连续变化式两种。

(1)两级变容量空调压缩机

日本丰田佳美20系列轿车采用的变容量压缩机，是在10缸旋转斜盘压缩机的基础上增加了一套可变排量机构，能使压缩机在全容量(100%)或半容量(50%)两种状态下工作。可变排量机构主要由柱塞、电磁阀、电磁线圈、单向阀和排出阀组成。如图1-14所示，压缩机在全容量工作时，电磁线圈不通电，电磁阀在弹簧弹力的作用下，将a孔打开，b孔关闭，高压制冷剂经过旁通回路，从a孔进入电磁阀，压向电磁阀后端。因此，柱塞克服弹簧弹力，向左移动，排出阀挤压在阀盘上。于是，压缩机的10个气缸都工作，此时在压缩机后部产生的高压将单向阀向上推起，来自压缩机后部的高压气体与来自压缩机前部的高压气体一起流至冷凝器。如图1-15所示，可变排量压缩机半容量工作时，电磁线圈通电，电磁阀阀芯在磁场力的作用下上移，将a孔关闭，b孔打开。高压制冷剂不能经过旁通回路进入电磁阀，作用于电磁阀后端的压力降低，柱塞在弹簧弹力的作用下回到右侧，排出阀离开阀盘，使压缩机后部的5个气缸停止工作。此时单向阀被前后压差吸出，关闭后部高压气体的排出通道，防止压缩机前部的高压气体回流。当压缩机停止工作时，高压端和低压端内部压力逐渐平衡，柱塞被弹簧弹力推回右侧。单向阀随高压端压力下降而落下，关闭在后部的高压制冷剂排出通道，排出阀和单向阀以半容量工作。当压缩机起动时，以半容量工作，从而减小压缩机起动时的振动。

图1-14　压缩机全容量工作

图1-15　压缩机半容量工作

(2)连续变容量空调压缩机

大众系列轿车常见的变容量压缩机为连续变化式，其结构如图1-16所示。它通过改变单向工作斜盘的倾斜度(活塞的工作行程)来改变排量，调节范围在5%～100%。斜盘的倾斜度取决于每个活塞两侧的压力差，活塞右侧的压力受压力箱内压力的影响，压力箱内压力由调节阀和节流管道控制，压缩机的调节阀通过波纹管2的伸缩具有输出稳压作用。

注意:处于压缩行程上止点的活塞对斜盘的倾斜度影响较小，因为该活塞的力作用在斜盘转动支点附近。

如图1-17所示，压缩机大排量输出时，输出压力较高，通过节流管道作用使压力箱内压力升高。压力箱内压力升高到某一值时，调节阀开启，使压力箱与进气低压接通，压力箱内的压力不再升高。此时，活塞两侧的压力差增大，活塞左侧的压力相对增加，从而使斜盘的倾斜度增大，活塞行程变长。

图1-16　大众系列轿车变容量压缩机结构

图1-17　压缩机大排量输出

如图1-18所示，压缩机小排量输出时，输出压力较低，通过节流管道作用使压力箱内压力不断升高，但调节阀处于关闭状态。此时，活塞右侧的压力相对增加，从而使斜盘的倾斜度减小，活塞行程变短。

1.3.2　冷凝器

汽车空调冷凝器的作用是把压缩机排出的高温、高压制冷剂气体，通过冷凝器将热量散发到车外空气中，从而使高温、高压的制冷剂气体冷凝成较高温度的高压液体。从压缩机压出高温约80℃、高压约1.5MPa的气态制冷剂流入冷凝器芯管中，在风扇转动或车辆行驶时空气吹过冷凝器，冷却芯管中的制冷剂变为中温约40℃、高压约1.1MPa的液态制冷剂。与发动机的冷却水散热器相比较，承受的压力比发动机的冷却水散热器高。冷凝器由铜管或铝管制成芯管，并在芯管周围焊接散热片，多数车辆的冷凝器安装在发动机水箱的前方，也有的装在车顶上。

冷凝器的散热面积通常比蒸发器大1倍，冷凝器的散热面积越大，冷却效果越好。为了保证更好的冷却效果，提高制冷能力，常在冷凝器前装有电控辅助风扇，增强冷凝器的散热效率。安装冷凝器时，注意从压缩机排出的制冷剂必须由冷凝器的上端入口进入，其出口必须在下方，否则会引起制冷系统压力升高，导致冷凝器胀裂的危险。冷凝器一般采用平行流式，如图1-19所示。

图1-18　压缩机小排量输出

平行流冷凝器由圆筒集管、铝制内肋扁管、波形散热翅片及连接管组成，是为适应新介质R134a而研制的新结构冷凝器。平行流冷凝器工作原理如图1-20所示。

图1-19　平行流冷凝器

1—圆筒集管；2—铝制内肋扁管；3—波形散热翘片；4—连接管；5—接头

图1-20　平行流冷凝器工作原理

平行流冷凝器在两条集流管间用多条扁管相连，将几条扁管隔成一组，形成进入处管道多，逐渐减少每组管道数，实现了冷凝器内制冷剂温度及流量分配均匀，提高了换热效率，降低了制冷剂在冷凝器中的压力损耗，这样就可减少压缩机功耗。由于管道内散热面积得到充分利用，对于同样的迎风面积，平行流散热器的换热量得到了提高。

1.3.3　储液干燥过滤器

储液干燥器用于膨胀阀式的制冷循环，安装在冷凝器和膨胀阀之间。其作用是临时储存从冷凝器流出的液态制冷剂，以便制冷负荷变动和系统中有微漏时，能及时补充和调整供给热力膨胀间的液态制冷剂量，以保证制冷剂流动的连续和稳定性。同时，可防止过多的液态制冷剂储存在冷凝器里，使冷凝器的传热面积减少而使散热效率降低。而且，还可滤除制冷剂中的杂质，吸收制冷剂中的水分，以防止制冷系统管路脏堵和冰堵，保护设备部件不受侵蚀，从而保证制冷系统的正常工作。如图1-21所示。

图1-21　储液干燥过滤器(www.xing528.com)

1—玻璃观察窗及易熔塞；2—吸取管；3—粗过滤器；4—干燥剂；5—过滤器；6—壳体

有的储液干燥过滤器的上方有观察玻璃，在空调工作过程中通过观察玻璃就可以知道制冷剂的量，如图1-22所示。

图1-22　储液干燥器观察玻璃示意图

需要注意的是:使用R134a制冷剂的制冷系统的储液干燥器不能与使用R12制冷剂的制冷系统中储液干燥器互换，两种储液干燥器中的干燥剂不同，R134a制冷剂使用沸石作为干燥剂，R12制冷剂使用硅胶(酸性)作为干燥剂。

1.3.4　膨胀阀

膨胀阀也称节流阀，是膨胀阀式制冷系统的主要部件，安装在蒸发器入口处，是汽车空调制冷系统的高压与低压的分界点。其功用是:把来自储液干燥过滤器的高压液态制冷剂节流减压，调节和控制进入蒸发器中的液态制冷剂量，使之适应制冷负荷的变化，同时可防止压缩机发生液击现象(即未蒸发的液态制冷剂进入压缩机后被压缩，极易引起压缩机阀片的损坏)和蒸发器出口蒸气异常过热。

汽车空调的节流膨胀装置主要是热力膨胀阀，另外，还有组合式阀、电子膨胀阀等。(1)热力膨胀阀的作用

热力膨胀阀是一种膨胀节流装置，它是制冷系统中自动调节制冷剂流量的元件，广泛应用于各种空调制冷系统中。热力膨胀阀的工作特性好坏，直接影响整个制冷系统能否正常工作。热力膨胀阀以蒸发器出口的过热度为信号，自动调节制冷系统的制冷剂流量，因此，它是以发信器、调节器和执行器组合成一体的自动调节器。具体地说，热力膨胀阀一般有3个作用。

①节流降压。使从冷凝器来的高温、高压液态制冷剂节流降压成为容易蒸发的低温、低压雾状制冷剂进入蒸发器，将制冷剂分成高压侧和低压侧。

②自动调节制冷剂流量。由于制冷负荷的改变以及压缩机转速的改变，要求流量作相应调节，以保持车内温度稳定。膨胀阀能自动调节进入蒸发器的流量，以满足制冷循环要求。

③控制制冷剂流量，防止液击和异常过热发生。膨胀时以感温包作为感温元件控制流量大小，保证蒸发器尾部有一定量的过热度，从而保证蒸发器容积的有效利用，避免液态制冷剂进入压缩机而造成液击现象，同时又能控制过热度在一定范围内。

大多数汽车空调制冷系统在运行过程中，其冷负荷是变化的。如系统刚开始降温时，车内的温度较高，这时就要求蒸发器的制冷剂流量增大，而当车内温度较低时，冷负荷减少了，这时要求蒸发器的制冷剂流量减小。因此，热力膨胀阀的作用就是根据系统冷负荷需要调节制冷剂流量，使制冷系统能正常地工作。

(2)热力膨胀阀的结构

热力膨胀阀有内平衡和外平衡两种形式，下面以外平衡式膨胀阀为例说明热力膨胀阀的结构。

外平衡式热力膨胀阀的结构如图1-23所示，它主要由上阀体、下阀体、阀针、弹簧、薄膜、感温包、外平衡管接头等组成。

外平衡式膨胀阀的工作原理如图1-24所示。

图1-24中P为感温包感受到的蒸发器出口温度相对应的饱和压力，P′为蒸发器出口蒸发压力，W为过热调整弹簧的压力。当车室内温度处在某一工况时，膨胀阀处在一定开度，P、P′和W应处在平衡状态，即P＝P′+W。如果车室内温度升高，蒸发器出口过热度增大，则感受温度上升，相应的感应压力P也增大，这时P＞P′+W，因此，波纹膜片向下移，推动传动杆使膨胀阀孔开度增大，制冷剂流量增加，制冷量也增大，蒸发器出口热度相应下降。相反，如果蒸发器出口处过热度降低，则感受温度下降，相应的饱和压力也减小，这时P＜P′+W，使波纹膜片上移，传动杆也随之上移，膨胀阀的阀孔开度减小，制冷剂流量减小，制冷量也减小，蒸发器出口过热度也相应上升，满足了蒸发器变化的需要。由于在蒸发器出口处和膨胀阀波纹膜片下方引有一个外部均压管，所以称此膨胀阀为外平衡式热力膨胀阀。

图1-23　外平衡式热力膨胀阀的结构

1—阀针；2—下阀体；3—垫；
4—调节齿轮；5—弹簧；6—上阀体；7—薄膜；8—感温包；9—平衡管接头

图1-24　外平衡式膨胀阀的工作原理

1—蒸发器；2—感温包；3—外部均压管；4—毛细管；5—膨胀阀；6—波纹膜片；7—过热调整弹簧；8—调整螺管

(3)H型膨胀阀

H型膨胀阀是一种整体型膨胀阀，它取消了外平衡式膨胀阀的外平衡管和感温包，使其直接与蒸发器进出口相连。H型膨胀阀结构如图1-25所示。

H型膨胀阀有4个接口通往汽车空调系统，其中，两个接口和普通膨胀阀一样，一个接储液干燥器出口，另一个接蒸发器进口；另外两个接口，一个接蒸发器出口，另一个接压缩机进口。H型膨胀阀中也有一个膜片，膜片的左方有一个热敏杆(感温包)，热敏杆的周围是蒸发器出口处的制冷剂，制冷剂的温度的变化(制冷负荷变化)可通过热敏杆使膜片右方的气体的压力发生变化，从而使阀门的开度变化，调节制冷剂的流量以适应制冷负荷的变化。如图1-26所示。其工作原理如图1-27所示。

图1-25　H型膨胀阀结构

1—阀体；2—灌充管；3—动力头；4—热敏杆(兼感温包)；5—膜片；6—传动杆；7—球阀；8—弹簧；9—弹簧座

图1-26　H型膨胀阀结构原理图

图1-27　H型膨胀阀原理

(a)热负荷较小时的开度；(b)热负荷较大时的开度

1.3.5　膨胀管(CCOT膨胀节流阀)

目前，汽车空调制冷系统按照制冷剂被膨胀时使用的装置不同可以分为膨胀阀式制冷循环系统和膨胀管式制冷系统，如图1-28所示膨胀管式制冷循环系统。

膨胀管的作用与膨胀阀的作用基本相同，只是将调节制冷剂流量的功能取消了。膨胀管的节流孔径是固定的，入口和出口都有滤网。由于节流管没有运动部件，具有结构简单、成本低、可靠性高、节能的优点，因此美、日、德等国有许多高级轿车采用膨胀管式制冷循环。其结构如图1-29所示。

图1-28　膨胀管式制冷循环系统

图1-29　膨胀管的结构

1.3.6　集液器

集液器用于膨胀管式的制冷系统，安装在蒸发器出口处的管路中。由于膨胀管无法调节制冷剂的流量，因此蒸发器出来的制冷剂不一定全部是气体，可能有部分液体，为防止压缩机损坏，故在蒸发器出口处安装集液器，一方面将制冷剂进行气液分离，另一方面起到与储液干燥器相同的作用，其结构如图1-30所示。

1.3.7　蒸发器

蒸发器也是一个热交换器，膨胀阀喷出的雾状制冷剂在蒸发器中蒸发，吸收通过蒸发器空气中的热量，使其降温，达到制冷的目的，在降温的同时，溶解在空气中的水分也会由于温度降低凝结出来，蒸发器还要将凝结的水分排出车外。蒸发器安装在驾驶室仪表台的后面，其结构如图1-31所示，主要由管路和散热片组成，在蒸发器的下方还有接水盘和排水管。

图1-30　集液器结构图

图1-31　蒸发器结构图

蒸发器有管片式、管带式和层叠式3种结构。管片式蒸发器结构简单、加工方便，但换热效率比较差。管带式蒸发器工艺复杂，但换热效率比管片式蒸发器高。层叠式蒸发器由冲压成复杂形状的铝板叠在一起组成制冷剂通道，每两片通道之间夹有蛇形散热铝带，加工难度最大，换热效率也最高。管片式蒸发器与管带式蒸发器的结构如图1-32所示。

层叠式蒸发器的结构如图1-33所示。

图1-32　管片式蒸发器与管带式蒸发器的结构

(a)管片型；(b)管带型

图1-33　层叠式蒸发器的结构

1.3.8　管路

管路把制冷系统各元件连成一个封闭系统。由于发动机在工作时会产生抖动，安装在发动机上的压缩机也会随之抖动，因此汽车空调装置中与压缩机进、排气接头相连的管路都采用橡胶软管。此外，走向复杂地方的金属管不容易满足要求，也使用橡胶软管，因为橡胶软管具有很好的随和性。但橡胶软管最大的缺点是容易泄漏，所以应尽量少用或不用，而多用金属管。