• 二氧化碳的相關(guān)特性：

CO2（R744）是我們熟悉的天然制冷劑， 臨界溫度 31. 1℃， 臨界壓力 7. 38 MPa。ODP 值為零， 不燃燒、 不爆炸， 無毒， 無已知的致癌、 致突變或其他有毒的危害影響， 對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的溫室效應(yīng)很小， GWP 只有 1， 即只有 R134a 的1300 分之一。２０１ １年歐盟禁用全球變暖指數(shù)（ＧＷＰ）大于１５０制冷劑（包括Ｒ１３４ａ）的法規(guī)即將生效， 制冷劑的替代迫在眉睫。 國際社會(huì)對(duì)自然工質(zhì)， 特別是ＣＯ， 作為制冷劑的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)和重點(diǎn)。汽車空調(diào)制冷劑的泄漏， 造成環(huán)境大氣中 CO2含量增大， 引起溫室效應(yīng)， 使全球氣侯變暖。 根據(jù)“蒙特利爾協(xié)定”， 制冷劑 R12 成為首批受禁的制冷工質(zhì)。 目前， R134a 廣泛應(yīng)用于汽車空調(diào)系統(tǒng)。 該制冷劑 ODP 值為零， 但 GWP（即全球變暖潛能值） 數(shù)值為 1300， 遠(yuǎn)高于歐盟提出的“GWP 不得超過 150” 的限值。 隨著對(duì)環(huán)境的日益重視及可持續(xù)發(fā)展考慮， 其替代的任務(wù)更為迫切， 天然制冷劑替代合成工質(zhì)成為了必然。

目前， CO 2 制冷技術(shù)主要應(yīng)用在以下三方面: 一是在汽車空調(diào)中的應(yīng)用， 二是在各種熱泵中的應(yīng)用， 三是在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用。 自從CO 2 作為環(huán)保制冷劑被再次提出以來， 人們已經(jīng)開發(fā)出應(yīng)用于不同場(chǎng)合的CO 2 壓縮機(jī)。相比其他工質(zhì)的壓縮機(jī)， CO 2壓縮機(jī)的特點(diǎn)是工作壓力高，結(jié)構(gòu)尺寸小， 壓比小以及吸排氣壓差大， 效率比較高。

• 二氧化碳渦旋式制冷壓縮機(jī)的性能特點(diǎn)是：

(1) 效率高。 渦旋式壓縮機(jī)的吸氣、 壓縮、 排氣過程連續(xù)單向進(jìn)行， 因而吸入氣體的有害過熱小， 相鄰兩室的壓差小， 氣體的泄露量小。 沒有余隙容積， 故不存在引起輸氣系數(shù)下降的膨脹過程， 而且容積效率高， 通常達(dá)到 95%以上。

(2) 震動(dòng)小， 噪聲小。 由于吸氣、 壓縮、 排氣過程是同時(shí)連續(xù)進(jìn)行的， 壓力上升較慢， 因此轉(zhuǎn)矩變化幅度小， 震動(dòng)小， 噪聲小。 渦旋式轉(zhuǎn)矩僅為滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式和往復(fù)式的 1/10。

(3) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 體積小， 質(zhì)量輕， 可靠性高。 渦旋式壓縮機(jī)構(gòu)成壓縮室的零件數(shù)目與滾動(dòng)式以及往復(fù)式的零件數(shù)目之比為 1： 3： 7， 所以渦旋式的體積比往復(fù)式小 40%， 質(zhì)量輕 15%。 又由于沒有吸、 排氣閥， 易損零件少， 加之有軸向、徑向間隙可調(diào)的柔性機(jī)構(gòu)， 能避免液擊造成的損失及破壞， 故渦旋式壓縮機(jī)的運(yùn)行可靠性高。 因此， 渦旋式制冷壓縮機(jī)即使在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下也能保持高效率和高可靠性， 其最高轉(zhuǎn)述可達(dá) 13000r/min.

(4) 由于采用氣體支撐機(jī)構(gòu)， 故允許帶液壓縮， 一旦壓縮腔內(nèi)壓力過高， 可使動(dòng)盤和靜盤端面脫離， 壓力立即得以釋放。

(5) 機(jī)殼內(nèi)腔為排氣室， 減少了吸氣預(yù)熱， 提高了壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)。

(6) 渦線體型線加工精度非常高， 必須采用專用的精密加工設(shè)備， 而且密封要求高， 密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

(7) 渦旋式壓縮機(jī)制冷量范圍為 0. 75～15KW（ 不包括特殊型號(hào)）， 并且多數(shù)在 3～5KW 之間， 最多應(yīng)用是在小型家用空調(diào)、 汽車空調(diào)系統(tǒng)中。 此類壓縮機(jī)不用于零下 5 度的制冷工況。

三、二氧化碳空調(diào)系統(tǒng)主要部件

（1） 壓縮機(jī)

汽車空調(diào)壓縮機(jī)是制冷系統(tǒng)的心臟， 壓縮機(jī)對(duì)整個(gè)制冷系統(tǒng)工作性能的影響最大， 容積效率和指示效率是衡量壓縮機(jī)工作性能的主要指標(biāo)， 壓縮過程的容積效率和指示效率主要與汽缸泄露、 氣體與汽缸傳熱、 氣閥和氣腔的壓力損失等因素有關(guān)。 由于 CO2 跨臨界系統(tǒng)的高低壓差大， 不易密封， 所以， CO2 汽車空調(diào)的壓縮機(jī)主要有開啟活塞式壓縮機(jī)、 渦旋式壓縮機(jī)和變排量式壓縮機(jī)。 壓縮機(jī)容積效率較大， 因?yàn)?nbsp;CO2 壓縮機(jī)壓比小以及氣缸內(nèi)余隙容積的再膨脹行程較短， 閥打開較早。 活塞間隙的泄露是影響壓縮過程中最大的因素， 泄漏損失對(duì)指示效率影響最大， 必須減小泄漏間隙的長(zhǎng)度， 減少間隙大小可以使 CO2 壓縮機(jī)具有與 R134a 壓縮機(jī)相同的效率， 用油潤滑的活塞環(huán)密封， 為了控制泄漏， 可將一定量的潤滑油混進(jìn)吸入氣體中。 與常用系統(tǒng)相比， 吸排氣閥損失對(duì)指示效率的影響很小， 因?yàn)镃O2 壓縮機(jī)吸排氣壓差很大， 克服流動(dòng)阻力需要的壓差相對(duì)很小。

（2） 換熱器

汽車空調(diào)對(duì)結(jié)構(gòu)緊湊和重量輕有嚴(yán)格的要求。 因?yàn)樗陌惭b空間小，同時(shí)它的重量直接關(guān)系到汽車行駛時(shí)的油耗量。 結(jié)構(gòu)緊湊性的指標(biāo)是每單位換熱器體積的空氣側(cè)換熱表面積（m2/m3）。 通常汽車空調(diào)換熱器的特征如表 1 所示。 因此要求采用強(qiáng)化傳熱的高效、 輕型換熱器， 通常用鋁和鋁合金作材料， 而不使用銅。 二氧化碳的熱物性具有低粘度、 高導(dǎo)熱性、 高蒸氣密度的優(yōu)點(diǎn)。 這些優(yōu)良的性能使蒸發(fā)器， 回?zé)崞鳎?氣體冷卻器中傳熱效果好。 為了使 CO2 在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)有一定的流速， 要求使用小管徑的換熱管。 因此， 微通道換熱器很適合在 CO2 汽車空調(diào)中使用。

（3） 氣體冷卻器

在 CO2 超臨界循環(huán)系統(tǒng)中， 高壓側(cè)是從氣體直接冷卻成為液體， 主要的傳熱部分是氣體的冷卻， 采用氣體冷卻器， 其作用相當(dāng)于傳統(tǒng)制冷循環(huán)中的冷凝器。 在氣體冷卻器中 CO2 的溫度變化較大， 使得氣體冷卻器進(jìn)口空氣溫度和出口制冷劑溫度非常接近， 這自然可減少高壓側(cè)不可逆?zhèn)鳠嵋鸬膿p失。 同時(shí)為了減輕重量、 縮小尺寸及增加安全性， 所以， 氣體冷卻器是在傳統(tǒng)制冷循環(huán)中冷凝器的進(jìn)一步優(yōu)化。

（4） 膨脹閥

CO2 汽車空調(diào)系統(tǒng)對(duì)膨脹閥的要求較高， 因?yàn)槠嚳照{(diào)系統(tǒng)是在動(dòng)態(tài)環(huán)境條件下工作的。 一般情況下， CO2 汽車空調(diào)系統(tǒng)的膨脹閥由高壓調(diào)節(jié)閥和手動(dòng)節(jié)流閥或背壓閥兩個(gè)閥組成， 高壓調(diào)節(jié)閥是可以進(jìn)行高壓側(cè)壓力控制。 膨脹閥跨臨界制冷循環(huán)節(jié)流前的高壓制冷劑不是冷凝液體， 環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響較小， 正是由于 CO2 流體節(jié)流前是處于超臨界狀態(tài)，壓力高， 節(jié)流后流體處于兩相區(qū)， 壓力低， 節(jié)流前后壓差大， 因此， 系統(tǒng)性能基本上由高壓側(cè)壓力所決定， 為了達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)制冷量的目的， 可以通過控制膨脹閥的大小調(diào)節(jié)高壓側(cè)壓力。 系統(tǒng)中一般采用電子膨脹閥， 因?yàn)橄到y(tǒng)壓力較高， 傳統(tǒng)的熱力膨脹閥的結(jié)構(gòu)很難適應(yīng)。

（5） 蒸發(fā)器

蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)與氣體冷卻器類似， 其結(jié)構(gòu)由管片式發(fā)展為平行流微通道式。 CO2 蒸發(fā)器的工作壓力在 3. 4-7. 2MPa 左右， 是傳統(tǒng)制冷劑壓力的 10倍左右。

（6） 回?zé)崞?/span>

系統(tǒng)中的回?zé)崞鞔蠖嗖捎煤?jiǎn)單熱流體在管內(nèi)流動(dòng)， 冷流體在管外流動(dòng)的套管式結(jié)構(gòu)， 回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單， 但系統(tǒng)性能可以得到有效提高。有關(guān)的試驗(yàn)研究表明， 增設(shè)回?zé)崞骱螅?nbsp;系統(tǒng)的 COP值最大可以提高15%-20%，制冷量將改善 10%， 回?zé)崞鞯墓荛L(zhǎng)和管徑尺寸由換熱量和設(shè)計(jì)工況確定。

（7） 儲(chǔ)液器

儲(chǔ)液器的作用是防止壓縮機(jī)液擊和便于壓縮機(jī)回油。 為了滿足不同工況要求， 儲(chǔ)液器容量的設(shè)計(jì)比較大。 在儲(chǔ)液器中設(shè)置干燥器， 以防止水與CO2 反應(yīng)產(chǎn)生腐蝕。

四、二氧化碳汽車空調(diào)的實(shí)際應(yīng)用：

奔馳車型的二氧化碳制冷劑空調(diào)系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)，大家都已經(jīng)熟悉了R134a制冷劑空調(diào)系統(tǒng)，然而隨著環(huán)保的要求越來越高，市場(chǎng)上出現(xiàn)了R1234yF及二氧化碳制冷劑R744(CO2)空調(diào)系統(tǒng)。使用這種制冷劑的目的是減少地球產(chǎn)生的溫室效應(yīng)。 目前二氧化碳制冷劑主要用于213車型帶581代碼及222/217 帶1U6代碼（除AMG及混合動(dòng)力）車型。通過與R134a系統(tǒng)的比較，重點(diǎn)講述二氧化碳制冷劑R744空調(diào)的特點(diǎn)。

（1）制冷劑的特性：

R744(CO2)   

沸點(diǎn)：-78℃ 

臨界點(diǎn)：31℃

25C靜態(tài)壓力：6370kpa

GWP指數(shù)：1

系統(tǒng)工作壓力：大約100 bar

R134a

沸點(diǎn)：-26℃

臨界點(diǎn)：102℃

25C靜態(tài)壓力：567kpa

GWP指數(shù)：1430

系統(tǒng)工作壓力：大約10bar

CO2 通常為氣態(tài)，在溫度低于31°C時(shí)可將其壓縮成無色液體。在室溫下大約需要60巴的壓力。固態(tài)的CO2可當(dāng)做所謂的干冰使用。由于CO2的物理特性，無法準(zhǔn)確判定制冷劑回路的哪個(gè)區(qū)段的制冷劑是氣態(tài)的以及哪個(gè)區(qū)段的制冷劑是液態(tài)。任何一點(diǎn)的制冷劑可能是氣態(tài)的也可能是液態(tài)的。這本質(zhì)上取決于系統(tǒng)中的壓力和溫度比，也就是載荷情況。

（2）R744 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)的R134a系統(tǒng)相比有兩個(gè)壓力傳感器監(jiān)控，且采用了Y148電子膨脹閥。

（3）液壓回路

管路A處的壓力和溫度30-160C；50-130bar

管路B處的壓力和溫度0-30C；30-50bar

管路C處的壓力和溫度0-15C；30-50bar

管路D處的壓力和溫度5-35C； 50-130bar

管路E處的壓力和溫度5-55C；50-130bar

（4）R744 壓縮機(jī)控制邏輯

制冷壓縮機(jī)負(fù)責(zé)吸入和壓縮制冷劑。電磁離合器集成在制冷壓縮機(jī)的皮帶輪中。電磁離合器可用于將制冷壓縮機(jī)從皮帶驅(qū)動(dòng)動(dòng)力傳輸中完全斷開，從而實(shí)現(xiàn)額外的燃油節(jié)約。智能氣候控制單元直接調(diào)節(jié)制冷壓縮機(jī)電磁離合器。制冷壓縮機(jī)的輸出由智能氣候控制單元連續(xù)調(diào)節(jié)，直至達(dá)到100%?？照{(diào)系統(tǒng)控制單元直接促動(dòng)制冷壓縮機(jī)調(diào)節(jié)。

制冷壓縮機(jī)在以下條件下開啟：

制冷劑壓力高于 26 巴；

制冷劑壓力低于 93 巴；

氣體冷卻器上游的制冷劑溫度低于 160 °C。

制冷壓縮機(jī)在以下條件下不開啟或關(guān)閉：

制冷劑壓力低于24巴(缺少制冷劑時(shí)打開聯(lián)鎖裝置)；

制冷劑壓力高于95巴(靜態(tài)壓力過高時(shí)打開聯(lián)鎖裝置)；

制冷劑壓力高于140巴(過壓時(shí)關(guān)閉)；

氣體冷卻器上游的制冷劑溫度高于170°C(超溫時(shí)關(guān)閉)。

五、 二氧化碳制冷劑與其他制冷劑的比較：

為了方便， 我們現(xiàn)在將二氧化碳制冷劑與其他制冷劑進(jìn)行比較， 具體數(shù)據(jù)見表1.

表1.CO2與其他制冷劑的性質(zhì)比較

注：1、 由于資料有限， 表格中“—” 的數(shù)據(jù)尚未查閱到。

2. 相對(duì)價(jià)格是對(duì)R12而言的， 這里設(shè)R12的價(jià)格為1。

• 總結(jié)：

節(jié)能、 環(huán)保、 低碳是當(dāng)今相關(guān)技術(shù)發(fā)展的方向， 作為自然工質(zhì)的CO 2 由于其環(huán)保， 無毒等優(yōu)點(diǎn)又開始被人們關(guān)注及大范圍使用。 由表2可以得出結(jié)論， 首先，0-10 ℃時(shí)與常用工質(zhì)相比， CO 2 制冷劑的單位容積制冷量是NH3的5. 2倍， R134a的7. 9倍； R410A的5. 4倍， R600a的8. 4倍， R152a的8. 2倍， R290的5. 8倍。 從熱力學(xué)角度來看， CO 2 處于超臨界流體狀態(tài)， 比熱大， 導(dǎo)熱系數(shù)高， 運(yùn)動(dòng)黏度低的性質(zhì)， 使其具有比液體和其他氣體更佳的傳輸性能和傳熱特性， 傳熱效率高。 其次，與其他制冷劑相比， CO 2 的絕熱指數(shù)較高， 跨臨界制冷循環(huán)的壓縮比較小， 約為2～4， 壓縮過程更接近等熵過程， 有利于指示效率的提高。 接著， 從環(huán)保性角度考

慮， CO 2 與其他制冷劑對(duì)臭氧層都幾乎沒有破壞， 但是除了CO 2 和NH 3 ， 其他制冷劑的GWP都較高， R410A更是達(dá)到了CO 2 的2100倍， 而R134a也是CO2的1300倍， 屬于需要減排的溫室氣體， 只能作為替代工質(zhì)， 不能長(zhǎng)久使用。 而CO 2 作為一種在地球生物圈內(nèi)自然存在的氣體， ODP和GWP都處于最低的水平， 分別為0和1。 并且已經(jīng)被證明是對(duì)人類無害的物質(zhì)， 目前受到了制冷學(xué)術(shù)界和相關(guān)行業(yè)界的一致關(guān)注。 最后， 從安全性來考慮， 作為自然工質(zhì)， CO 2 無毒， 不可燃， 安全等級(jí)比較高。 而NH 3 ， R600a， R152a， 以及R290都具有可燃性， 安全等級(jí)不高， 它們導(dǎo)致的安全問題目前尚未攻破。 另外， CO 2 價(jià)格相對(duì)便宜， 具有良好的經(jīng)濟(jì)性。 所以綜上看來， CO 2 制冷劑還是比其他制冷劑有著更好的性質(zhì)， 現(xiàn)在也逐漸被加以應(yīng)用在制冷壓縮機(jī)上。 但是， 嚴(yán)格說來， CO 2 也不是完美無缺的， 它有著較低的臨界溫度(31． 1℃) 和較高的臨界壓力(7． 37MPa) ， 這對(duì)壓縮機(jī)和管道的要求都特別高， 產(chǎn)品的生產(chǎn)成本會(huì)增加。 但是， 目前各大壓縮機(jī)制造商正研究改進(jìn)的方法，比如采用跨臨界的循環(huán)系統(tǒng)等。 相信， CO 2 制冷劑的發(fā)展前景比較好， 并且在今后制冷壓縮機(jī)市場(chǎng)上起著主導(dǎo)作用。 許多相關(guān)業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為， 二氧化碳制冷劑作

為自然工質(zhì)制冷劑中的一份子， 在環(huán)保呼聲高漲的特殊歷史時(shí)期， 雖然歷程或許艱難， 但前景卻是無限美好的。