汽车空调制冷系统工作原理，快速入门30天

学习目标

1.了解空调制冷系统的一些基础知识和基本原理。

2.掌握空调系统制冷循环工作过程和制冷原理。

3.了解空调制冷剂和冷冻油的特点。

基础知识

一、基本工作原理

1.热能

普通人感到舒适的温度大约为21～28℃，相对湿度为45％～50％。在这一温度和湿度范围内，我们会感到最为舒服。如果温度超过或低于这一范围，乘客就会感到不舒服。空调系统的作用就是对热能的控制。

热是能量的一种形式，能量不能消灭，但可以转化为另一种形式。空调系统利用来自汽车发动机的能量来去除车内多余的热量。用火加热装有水的容器是能量转换的一个例子。火的热量使水温升高，导致水沸腾。沸水膨胀的气体即蒸汽可以用来产生机械运动，这又是一种能量形态。与热及热能概念相关的还有冷的概念。

2.温度与热量

利用温度计可以测量温度或热强度，但温度计的读数告诉我们的是物质的热强度而非热的实际数量。热量的计量单位是cal（卡）（1cal=4.1868J），使1g水的温度升高1℃所需的热量为1cal，1L汽油大约含有2800万cal热量。热能可以通过发动机转变为机械能来驱动汽车。HVAC系统也须将热量转变为其他形式的能量在车内外进行传送。HVAC系统的容量也用卡来表示。设计人员在设计HVAC系统时需要考虑汽车的大小、乘客数量和可能的热源等因素。

3.湿度

湿度是空气中所含水汽的量度。空气湿度可以有不同的值，从很干燥的0％到很潮湿的100％。在较低的温度下，如果湿度大，会让人感到更冷。如果空气又湿又热，人体通过出汗蒸发自我冷却的能力就会大打折扣。与温度一样，湿度过大也会使人感到不舒服。过大的湿度还会增加空调系统的负荷。汽车空调在运行时不仅要冷却汽车内部，还要除去进入车厢的空气中的水分。

4.热量的传递

热量总是从热的物质移动到冷的物质上，HVAC系统可以把热量从不需要它的地方转移的需要它的地方。冷就是缺少热量，热量转移的速率主要取决于热部位与冷部位的温差。温差大时，热量转移的速度比温差小时快。热流倾向于让热的地方变冷，冷的地方变热。如果不加干预，最终两处会变为同一温度。在冷却很热的车辆时，蒸发器在车内形成一个冷区，让多余的热量可以转移到这里来。热量移到冷区后便被除掉，排入车外的大气。

热量的传递有三种途径：热传导、热对流与热辐射。

（1）热传导 传导是最简单的传热方式。加热铁丝的一端是热传导的一个例子。加在铁丝一端的热量通过铁丝传到另一端，直至两端都变热为止。钢、铜与铝等材料都是热的良导体。木材、塑料之类都是不良导热体，称为隔热体。

（2）热对流 对流是另一种传热形式。当发动机之类的物体将热量传给汽车的冷却系统时便发生了对流现象。发动机通过燃烧过程将燃料的化学能转变为机械能与热能后，必须将热量排走。冷却系统中的液体在水泵的作用下流经发动机，发动机的热量通过对流过程传给液体。冷却系统随后将经过加热的冷却液送至散热器。金属散热器利用传导的方式将冷却液所带的热量传至散热片，散热片随后将散热器的热量传给流经散热器的气流。

（3）热辐射 辐射也是一种热量传递的形式。当热射线由一个位置进到另一个位置的同时并未加热途中所经过的材料或空气时即发生了热辐射现象。如图4-1所示，当一

图4-1 汽车室内所受热辐射示意图

辆汽车在太阳下行驶或停靠的时候，来自许多热源的热量都可能进入车内，这些热源包括：周围空气、阳光、发动机热量、路面热量和排气系统等，所有这些热源都增加了车内的空气温度。如果车辆周围的温度很高（如夏天气温达到36℃以上），且车辆暴露在太阳底下，在车窗关闭的情况下，车内温度可能达到惊人的65～70℃。这是由于日光穿过空气照射到汽车的外表和内部，此时光能变为热能使汽车升温。

5.物质的三种状态

我们知道许多物质都具有三态：固态、液态、气态，其转变过程如图4-2所示。一种物质在三态变化时，将伴随着吸收或释放热量。液态变为气态（蒸发）时吸收热量；气态变为液态（冷凝）时释放热量。汽车空调系统的基本制冷原理就是利用制冷剂由液态转变为气态或气态转变为液态的过程，吸收或释放热量。

图4-2 物质的三态转变

6.潜热

潜热指液体改变物态所需增加或去掉的热量。之所以叫做潜热是因为不能拿温度计来测量它。例如，在海平面将453g水加热至100℃后，还需至少加237000cal的热量才能将它转变为蒸汽。当你给水补充这些热量时，水的温度并无变化。所补充的热量叫做潜热，是使物质由液态变为气态所需的热量。

在空调系统中，蒸发潜热发生在蒸发器内部。当制冷剂通过蒸发器时，它吸收车内热量开始沸腾。随着热量的进一步吸收，制冷剂从低压液体变成低压蒸汽；凝结潜热发生在冷凝器内部。冷凝器将制冷剂的热量放入大气。随着温度下降，制冷剂从蒸汽变为液体。

7.压力与沸点的关系

改变液体的压力可以改变沸点：增加压力会使沸点提高，降低压力会使沸点下降。空调系统排出车内热量时也利用了这一原理。在海平面上，水的沸点为100℃；而在高山上，气压较低，水可能在86℃就会沸腾。制冷剂的沸点必须很低，以便于完全蒸发吸热。有些空调系统的制冷剂在有压力的情况下沸点可能低至-22℃。

二、空调制冷循环工作原理

空调系统制冷循环的工作原理如图4-3所示。

图4-3 空调制冷循环工作原理示意图

（1）压缩过程 在发动机的驱动下，压缩机将蒸发器低压侧的低温低压气态制冷剂增压成高温高压的气态制冷剂。高压高温的过热制冷剂气体被送往冷凝器冷却降温。(www.xing528.com)

（2）冷凝过程 过热气态制冷剂进入冷凝器，经散热后冷凝为液态制冷剂，使制冷剂的状态发生变化。

（3）膨胀过程 冷凝后的液态制冷剂经过膨胀阀后体积变大，其压力和温度急剧下降，变成低温、低压的湿蒸气，以便进入蒸发器中迅速吸热蒸发。在膨胀过程中同时进行节流控制，以便供给蒸发器所需制冷剂，从而达到控制温度的目的。

（4）蒸发过程 液态制冷剂通过膨胀阀变为低温低压的湿蒸气，流经蒸发器不断吸热汽化转变成低温、低压的气态制冷剂，吸收车内空气的热量。从蒸发器流出的气态制冷剂又被吸入压缩机，增压后泵入冷凝器冷凝，进行制冷循环。

这样，制冷剂就经压缩、冷凝、节流膨胀、蒸发而完成一个制冷循环。

三、空调制冷剂

长期以来含氯的氟利昂R12一直是汽车空调的唯一制冷剂，后来发现R12会破坏地球上空的臭氧层，从而使太阳光中更多的紫外线能辐射到地球，危害人体健康。于是，科学家开发了一种称为R134a的替代制冷剂，现在的汽车大多使用R134a空调环保制冷剂（图4-4）。与R12一样，R134a也具有适于作制冷剂的化学性质。因此，汽车驾驶人和维修人员必须了解和熟悉新制冷剂R134a的特点，以便能够熟练、正确地使用。R134a的特点包括：

1）R134a不含氯原子，对大气臭氧层不起破坏作用。

2）R134a具有良好的安全性能（不易燃、不爆炸、无毒、无刺激性、无腐蚀性）。

3）它只能与合成冷冻油PAG（聚烯甘醇）相溶，不能与矿物冷冻油相溶。

4）不会腐蚀金属。

5）对某些塑料有破坏作用，因此只能使用适合于R134a的专用密封件。

6）容易吸收水汽。

7）气态时比空气重，因此，积聚在地面附近，有造成窒息的危险。

R134a与R12制冷系统的主要区别是：

1）存放R134a的容器为浅蓝色，而存放R12的容器为白色。

2）R134a制冷系统连接软管是用橡胶和尼龙特制的，并且在其外部标有汽车工程学会的印记；而R12制冷系统连接软管常用一般橡胶管。

3）R134a制冷系统连接管有颜色标记（低压管是蓝色带黑色条纹，高压管是红色带黑色条纹，普通管是黄色带黑色条纹），而R12制冷系统连接管则无标记。

图4-4 R134a环保制冷剂

4）R134a制冷剂入口处使用的是快速接头，而R12制冷系统使用的是螺纹接口。

四、制冷系统润滑油

空调制冷系统的运行也离不开润滑油，我们把它称为冷冻机油。冷冻机油润滑空调系统的运动件与密封件。冷冻机油随制冷剂流经整个系统。冷冻油与发动机机油是不同的，空调系统中切不可使用发动机机油。

1.矿物油与PAG机油

空调系统所用的冷冻机油类型取决于制冷剂的类型，研发人员在开发一种制冷剂的同时也开发了配合使用的润滑油。R12空调系统使用矿物油型润滑油，R134a系统使用聚二醇型润滑油，一般称为PAG机油，如图4-5所示。PAG机油与矿物油完全不相溶，一定不要混用。

2.冷冻机油的特性

冷冻机油，无论是矿物型还是PAG合成型，都是高度精炼油，没有一般发动机机油中所加的添加剂和去污剂。冷冻机油在很低的温度下仍可自由流动，其中含有防止空调系统起泡沫的添加剂。冷冻机油易吸收水分，如保存不当，可能无法再用。例如，一罐开启的PAG油在潮湿天气下放置5天就会含有2％的水分。如果在空调系统中使用这种饱含水分的润滑油，就会形成酸性物，损坏密封和其他机件。冷冻机油用后一定要封好，从运行的空调系统中放出的油不可再用。

图4-5 R134a系统冷冻机油（PAG）

你学会了吗？

1.热量的传递方式有哪几种？空调制冷系统是怎样利用热传递的？

2.物质具有哪几种状态？空调制冷系统工作时制冷剂有哪些状态的转变？

3.空调系统制冷循环的工作过程是怎样的？

4.R134a制冷剂有什么特点？空调制冷系统为什么要使用冷冻机油？

5.空调制冷系统常采用哪种冷冻机油？它有什么特点？