摘　要:本文介紹了二氧化碳作為天然環(huán)保制冷劑在汽車(chē)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(yōu)缺點(diǎn)以及超臨界循環(huán)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(gè)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(shí)，本文針對CO2空調系統高壓運行所帶來(lái)的安全問(wèn)題給予了很明確的詮釋。

　　1.概述：CO2是天然冷媒，它無(wú)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(yōu)良的熱物理性質(zhì)。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(fā)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(huán)的CO2系統以其優(yōu)良的環(huán)保特性、較低的流動(dòng)阻力及相當大的單位容積制冷量，重新在制冷領(lǐng)域得到了青睞。美、日、歐都已相繼研制成功了二氧化碳汽車(chē)空調系統并裝車(chē)試運行，DANFOSS、DENSO、ZEXEL等已進(jìn)入二氧化碳壓縮機小批量生產(chǎn)階段[1]。

　　2.超臨界循環(huán)的CO2制冷系統原理

　　90年代初，挪威技術(shù)大學(xué)Lorentzen教授開(kāi)發(fā)了采用跨臨界制冷循環(huán)的汽車(chē)空調樣機[3]，并申請獲得了國際專(zhuān)利?？缗R界制冷循環(huán)的流程圖和壓焓圖見(jiàn)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(lèi)似的系統，只不過(guò)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(fā)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(fā)器E與儲液器A組成封閉回路。氣體工質(zhì)在壓縮機中升壓至超臨界壓力P2，在p-h圖上為過(guò)程f-a，然后進(jìn)入氣體冷卻器中，被冷卻介質(zhì)(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(jìn)一步冷卻。它是用壓縮機回氣管前面的低溫低壓蒸汽過(guò)熱這一回熱原理實(shí)現的，此即過(guò)程b-c。理想情況下，焓降hb-hc=hf-he。然后用節流閥減壓，經(jīng)節流后的氣體被冷卻，且部分氣體液化，濕蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器E內汽化，吸收周?chē)橘|(zhì)的熱量。蒸發(fā)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(tài)a將在兩相區內，這對提高蒸發(fā)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(zhuān)用回油管道如圖上虛線(xiàn)所示)。儲液器出來(lái)的低壓飽和蒸汽進(jìn)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(guò)熱蒸汽進(jìn)入壓縮機升壓。如此周而復始完成循環(huán)。

　　3.系統結構及部件實(shí)現

　　CO2跨臨界系統的工作壓力遠遠超過(guò)亞臨界循環(huán)，蒸發(fā)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(lái)一些特殊的問(wèn)題，需要進(jìn)行較大改進(jìn)。CO2具有相當大的單位容積制冷量(0℃時(shí)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(zhù)減小，這樣使得壓縮機的尺寸，閥門(mén)與管道的流通面積比一般制冷系統小得多。同時(shí)CO2良好的熱力性質(zhì)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(huì )產(chǎn)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(huì )象氨系統那樣需要對壓縮機本身進(jìn)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(jīng)過(guò)實(shí)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(dòng)密封，成為CO2系統的s*選。因此迄今為止，汽車(chē)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(pán)式壓縮機、Bock研制的兩缸立式活塞式客車(chē)空調壓縮機和電裝的變排量壓縮機。

　　a 轎車(chē)空調壓縮機三缸斜盤(pán)式，排量26cm3，缸徑18.5mm, 行程31.9mm

　　b 客車(chē)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(chē)空調系統熱交換器包括蒸發(fā)器、氣體冷卻器和內部氣體換熱器，占有整個(gè)系統質(zhì)量的一半及大部分體積，應有高效、緊湊、重量輕的特點(diǎn)，以滿(mǎn)足汽車(chē)空調的特殊要求。

　　制冷循環(huán)中的散熱由空氣冷卻器完成，其作用相當于傳統制冷循環(huán)中的冷凝器。在空氣冷卻器中，二氧化碳工作在超臨界狀態(tài)下，始終處于氣態(tài)，并不發(fā)生一般冷凝器中的冷凝液化過(guò)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(tài)，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(shí)，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(xiàn)如圖4： CO2的冷卻曲線(xiàn)特性使采用小迎風(fēng)面積、長(cháng)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(jiàn)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(chē)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(chē)前部，有利于汽車(chē)設計整體優(yōu)化，也避免了增加散熱器的負荷以及車(chē)底熱空氣進(jìn)入冷卻器中。

　　4.實(shí)用化研究現狀

　　二氧化碳超臨界循環(huán)理論由挪威技術(shù)學(xué)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(zhù)名公司發(fā)起了名為“RACE”的聯(lián)合項目，聯(lián)合歐洲著(zhù)名高校、汽車(chē)空調制造商等研制CO2汽車(chē)空調系統，并計劃在2003年歐洲生產(chǎn)的汽車(chē)有一半裝備CO2汽車(chē)空調系統。BENZ公司現已有裝備二氧化碳汽車(chē)空調的轎車(chē)生產(chǎn)。DANFOSS、奧地利的Obrist均已研制出二氧化碳車(chē)用壓縮機。日本的DENSO、ZEXEL的二氧化碳壓縮機已進(jìn)入小批量生產(chǎn)階段。

　　5.小結

　　1. CO2跨臨界循環(huán)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(diǎn)，適合于汽車(chē)空調。

　　2. 在CO2跨臨界循環(huán)系統研究的理論和實(shí)驗方面已經(jīng)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(yōu)良環(huán)保性能，從安全方面考慮，汽車(chē)空調中CO2雖然壓力高，但其體積很小，即使在部件破裂著(zhù)一不太可能發(fā)生的情況下，例如制冷劑側容積不到2L的CO2汽車(chē)空調機所釋放出來(lái)的潛在能量還趕不上一個(gè)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(chē)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(huán)參數對系統COP影響顯著(zhù)，必須對系統熱力循環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設計。

　　5. 以CO2作為工質(zhì)的汽車(chē)空調系統，無(wú)論在理論方面，還是在部件實(shí)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(chē)空調系統研究進(jìn)展。交通運輸制冷空調，2000(1)：2

　　[2].方貴銀.我國汽車(chē)空調的現狀及展望.上海汽車(chē)，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