二氧化碳汽车空调的研究与应用前景
摘要:本文介绍了二氧化碳作为天然环保制冷剂在汽车空调的研究与运用;阐述了相比较于其它制冷剂所具有的一些优缺点以及超临界循环的CO2制冷系统原理;另外由于CO2自身的特性，使得在系统各个部件如压缩机、换热器、管路等的制造与使用传统制冷剂部件相差较大,对此也做了较为详细的介绍;同时，本文针对CO2空调系统高压运行所带来的安全问题给予了很明确的诠释。
1.概述：CO2是天然冷媒，它无毒、不可燃，消耗臭氧潜能值为零，全球变暖潜能值为1。CO2还具有优良的热物理性质。如：CO2的容积制冷量是R12的8倍左右，这可使设备更紧凑。20世纪70年代，CFC及HCFC被发现破坏大气臭氧层及温室效应指数较高而面临全面禁用。在此背景下，采用超临界循环的CO2系统以其优良的环保特性、较低的流动阻力及相当大的单位容积制冷量，重新在制冷领域得到了青睐。美、日、欧都已相继研制成功了二氧化碳汽车空调系统并装车试运行，DANFOSS、DENSO、ZEXEL等已进入二氧化碳压缩机小批量生产阶段[1]。
2.超临界循环的CO2制冷系统原理
90年代初，挪威技术大学Lorentzen教授开发了采用跨临界制冷循环的汽车空调样机[3]，并申请获得了国际专利。跨临界制冷循环的流程图和压焓图见上图1、图2所示，它是一种和深度冷冻装置中的高压(林德)流程气体液化与分离装置类似的系统，只不过其目的不是为了气体液化和分离，而是利用气体液化后可以蒸发吸收汽化潜热的特性以达到制冷的目的。
跨临界系统由压缩机C、气体冷却器G、内部热交换器I、节流阀V、蒸发器E与储液器A组成封闭回路。气体工质在压缩机中升压至超临界压力P2，在p-h图上为过程f-a，然后进入气体冷却器中，被冷却介质(空气或冷却水)所冷却。为了提高系统的性能系数COP，出气体冷却器后的高压气体在内部热交换器中进一步冷却。它是用压缩机回气管前面的低温低压蒸汽过热这一回热原理实现的，此即过程b-c。理想情况下，焓降hb-hc=hf-he。然后用节流阀减压，经节流后的气体被冷却，且部分气体液化，湿蒸汽进入蒸发器E内汽化，吸收周围介质的热量。蒸发器中的液体并不全部汽化，而是设计成有少量液体盈余，因此其出口状态a将在两相区内，这对提高蒸发器的传热效率十分有利。正因为如此，E出口须配置储液器，以防止压缩机液击和便于压缩机回油(专用回油管道如图上虚线所示)。储液器出来的低压饱和蒸汽进入内部热交换器的低压侧通道，吸收高温高压的超临界气体的热量后，成为过热蒸汽进入压缩机升压。如此周而复始完成循环。
3.系统结构及部件实现
CO2跨临界系统的工作压力远远超过亚临界循环，蒸发压力为30-40bar，冷却压力为100-110bar，这给压缩机及管路的机械设计与密封带来一些特殊的问题，需要进行较大改进。CO2具有相当大的单位容积制冷量(0℃时单位容积制冷量分别为R12和R22的8.25倍与5.12倍)，故而与传统系统相比，CO2制冷系统的容积流量可显著减小，这样使得压缩机的尺寸，阀门与管道的流通面积比一般制冷系统小得多。同时CO2良好的热力性质也为设计结构紧凑，高效的热交换器提供了可能性。
1)、压缩机
CO2其绝热指数(K)值较高，达1.30，这可能会产生压缩机排气温度偏高的顾虑，但由于CO2的低压工作压力P0很高，因而压缩机的压比π=PH/P0却比其他制冷剂系统的低得多，因此不会象氨系统那样需要对压缩机本身进行冷却。正因为绝热指数K值高，压比小，可减小压缩机余隙容积的再膨胀损失，使压缩机的容积效率较高。经过实验和理论研究，Jurgen SUB和Horst Kruse[4]认为往复式压缩机，主要是柱塞和轴塞式压缩机凭借油润滑，在汽缸壁和活塞之间存在良好的油膜滑动密封，成为CO2系统的首选。因此迄今为止，汽车空调系统中使用的二氧化碳压缩机采用往复式结构，图3为DANFOSS研制三缸斜盘式压缩机、Bock研制的两缸立式活塞式客车空调压缩机和电装的变排量压缩机。
a 轿车空调压缩机三缸斜盘式，排量26cm3，缸径18.5mm, 行程31.9mm
b 客车空调压缩机两缸直列式，排量120cm3，缸径28mm, 行程49.0mm
2)、热交换器
CO2汽车空调系统热交换器包括蒸发器、气体冷却器和内部气体换热器，占有整个系统质量的一半及大部分体积，应有高效、紧凑、重量轻的特点，以满足汽车空调的特殊要求。
制冷循环中的散热由空气冷却器完成，其作用相当于传统制冷循环中的冷凝器。在空气冷却器中，二氧化碳工作在超临界状态下，始终处于气态，并不发生一般冷凝器中的冷凝液化过程。受二氧化碳物性的制约，空气冷却器中制冷剂侧压力很高，达110bar左右。另外，由于二氧化碳处于超临界状态，出口温度独立于出口压力，使它可以有较大的压降。因此，制冷剂侧往往设计成较大的流量密度()和较小的管径()。同时，小管径也有助于承受较高的压力。同样的平均温差下，二氧化碳和R-22的冷却曲线如图4： CO2的冷却曲线特性使采用小迎风面积、长空气流道、低空气流速的逆流式换热器成为可能。相同换热量下，逆流式与叉流式的比较见下表2。采用逆流式设计的气冷器接近方形，紧凑的结构和较小的空气流量可以使汽车空调中的空气冷却器不必一定放在散热器前，也可不放在汽车前部，有利于汽车设计整体优化，也避免了增加散热器的负荷以及车底热空气进入冷却器中。
4.实用化研究现状
二氧化碳超临界循环理论由挪威技术学院的Lorentzen教授提出，在欧洲最先得到响应。 1994年起BMW、DAIMLERBENZ、VOLVO、德国大众、Danfoss、Valeo等欧洲著名公司发起了名为“RACE”的联合项目，联合欧洲著名高校、汽车空调制造商等研制CO2汽车空调系统，并计划在2003年欧洲生产的汽车有一半装备CO2汽车空调系统。BENZ公司现已有装备二氧化碳汽车空调的轿车生产。DANFOSS、奥地利的Obrist均已研制出二氧化碳车用压缩机。日本的DENSO、ZEXEL的二氧化碳压缩机已进入小批量生产阶段。
5.小结
1. CO2跨临界循环系统，充分利用了CO2高饱和压力，良好热力性能及相当大单位容积制 冷量，具有高效紧凑等特点，适合于汽车空调。
2. 在CO2跨临界循环系统研究的理论和实验方面已经取得了不小的成就，CO2系统日趋成熟，商用化指日可待。
3. CO2具有优良环保性能，从安全方面考虑，汽车空调中CO2虽然压力高，但其体积很小，即使在部件破裂着一不太可能发生的情况下，例如制冷剂侧容积不到2L的CO2汽车空调机所释放出来的潜在能量还赶不上一个典型的CO2灭火器释放的多，何况有保护系统予以监控与保护，因而机械系统的安全性是完全可靠的。
4. CO2系统结构与原车用空调系统有明显不同，高压侧压力、回热换热量等系统循环参数对系统COP影响显著，必须对系统热力循环进行优化设计。
5. 以CO2作为工质的汽车空调系统，无论在理论方面，还是在部件实现方面，都完全具备了可能性。
参考文献
[1].陈江平.二氧化碳汽车空调系统研究进展。交通运输制冷空调，2000(1)：2
[2].方贵银.我国汽车空调的现状及展望.上海汽车，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
