汽车空调制冷系统的结构和原理

1.制冷基本原理

制冷的基本思路。

人们在游泳后，会有冷的感觉，在手臂上涂抹酒精时也有凉爽的感觉，这是因为液体的蒸发带走了热量。

从制冷装置的运作情况来看，制冷过程中热量的转移是靠液体的状态变化实现的，我们将这种液体称为制冷剂。

根据物质沸点与压强的关系，降低压强可以使物质的沸点降低，使其更加容易蒸发而吸收热量；提高压强可以使物质的沸点升高，使其更加容易转化为液体而放出热量。物质物理状态的变化如图6-1所示。

图6-1　物质物理状态的变化

2.制冷系统的分类、组成及工作过程

（1）制冷系统的分类。

汽车空调制冷系统多采用以R12 （氟利昂）或R134a （新型无氟环保型制冷剂）为制冷剂的蒸气压缩式制冷循环系统，目前车辆上主要采用膨胀阀式或膨胀管式制冷循环系统。

①膨胀阀式制冷循环系统。

图6-2所示为膨胀阀式制冷循环系统，其主要由压缩机、冷凝器、储液干燥器、冷凝器风扇、膨胀阀和蒸发器等部件组成。各部件用耐压金属管或特制的耐压橡胶软管依次连接形成一个封闭的系统，系统内充有一定量的制冷剂和压缩机机油。

②膨胀管式制冷循环系统。

图6-3所示为膨胀管式制冷循环系统，其主要由压缩机、冷凝器、集液器、冷凝器风扇、膨胀管和蒸发器等部件组成。

（2）制冷系统的工作过程。

汽车空调制冷系统的工作过程如图6-4所示。

①压缩过程：压缩机由发动机曲轴皮带轮驱动旋转，将蒸发器中因吸热而汽化的低温低压制冷剂蒸气吸入后压缩成温度为70 ℃左右、压力为1.3～1.5 MPa 的高温高压制冷剂气体，经高压管送入冷凝器。

图6-2　膨胀阀式制冷循环系统

1—压缩机；2—低压侧；3—高压侧；4—膨胀阀；5—进入车内的冷空气；6—蒸发器；7—暖空气；8—储液干燥器；9—冷凝器；10—车外冷空气

图6-3　膨胀管式制冷循环系统

1—高压开关；2—集液器；3—低压维修阀；4—低压开关；5—蒸发器；6—膨胀阀；7—高压维修阀；8—冷凝器；9—压缩机

图6-4　汽车空调制冷系统的工作过程

②放热过程：经冷凝器及风扇冷却，将高温高压的制冷剂气体冷凝成温度为50 ℃左右、压力为1.1～1.4 MPa 的液态制冷剂，释放出热量，再送入储液干燥器。

③干燥过程：在储液干燥器中，将中温、高压的液态制冷剂过滤，除去制冷剂中的水分和杂质，然后经高压管送入膨胀阀。

④节流过程：制冷剂液体经过膨胀阀的小孔喷出，节流降压。经过膨胀阀的制冷剂变为压力为0.15～0.13 MPa、温度为-5 ℃左右的低温低压湿蒸气，然后进入蒸发器。膨胀阀能够根据制冷负荷的大小调节制冷剂的流量。

⑤吸热过程：在蒸发器内，由于容积增大、压力降低，制冷剂汽化，吸收大量的热量，从而使制冷剂温度变为0 ℃～5 ℃，使蒸发器表面及其周围空气的温度降低。

当鼓风机将车外或车内空气强制吹过蒸发器表面时，便将空气冷却并送进车厢内。在蒸发器内吸热汽化后的制冷剂蒸气再次被压缩机吸入，然后重复上述过程。

6-1　汽车空调系统及组成部件的结构原理（1）

6-2　汽车空调系统及组成部件的结构原理（2）

3.制冷剂

在制冷系统中用于转换热量并循环流动的物质称为制冷剂。目前，汽车空调系统中使用的制冷剂有R134a，如图6-5所示，其中字母“R”是Refrigerant （制冷剂）的简称。

R134a 在一个标准大气压下，沸点为-26.18 ℃，具有无色、无味、无毒、渗透性强等特性。但它能腐蚀某些塑料，与聚烷乙二醇润滑油混合后会腐蚀钢件，在液态时能吸收少量的水分，到了气态时能吸收大量水分。

4.冷冻润滑油

空调系统中的压缩机润滑油是一种在高、低温工况下均能正常工作的特殊润滑油，如图6-6所示。

（1）作用。

①润滑作用：润滑压缩机轴承、活塞、活塞环、连杆、曲轴等零部件表面，减少阻力和磨损，降低功耗，延长使用寿命。

②冷却作用：及时带走运动表面摩擦产生的热量，防止压缩机温度过高。

③密封作用：润滑油渗入各摩擦件的密封面形成油封，可阻止制冷剂的泄漏。

④降低压缩机磨损：润滑油不断冲洗摩擦表面，带走磨屑，可减少摩擦件的磨损。

图6-5　制冷剂

图6-6　冷冻润滑油

（2）特性。

压缩机冷冻润滑油在空调制冷系统中完全溶解于制冷剂中，并随制冷剂一起在制冷系统中循环，它工作在高温与低温交替的环境之中，为保证其正常工作，冷冻润滑油需具有以下特殊性能：

①凝固点要低，在低温下具有良好的流动性。

②应具有一定的黏度，且受温度的影响要小。

③与制冷剂的溶解性能要好。在制冷系统中，制冷剂与冷冻润滑油混合在一起循环流动，因此，要求制冷剂与冷冻润滑油能够互溶。

④应具有较高的热稳定性，即在高温下不氧化、不分解、不结胶、不积炭。

⑤挥发性要差，即在制冷系统中不应有结晶状的石蜡析出，以保持良好的低温流动性。

⑥化学性质要稳定，即与制冷剂和其他材料不起化学反应。

⑦不含水分。若冷冻润滑油中水分过多，则会在膨胀阀的节流口处结冰，造成冰堵，影响制冷剂的流动，同时，油中的水分会造成镀铜现象及某些材料的腐蚀。

（3）型号。

国产的压缩机冷冻润滑油有13、18、25、30 四种牌号；进口压缩机冷冻润滑油中SUNISO 系列有3GS、4GS、5GS 等。R134a 空调系统中使用的压缩机润滑油代号有PAG （聚烃乙二醇）及ESTER （聚酯类冷冻油）等。

5.制冷系统的主要部件

汽车空调制冷系统主要由制冷压缩机、冷凝器、储液干燥器（集液器）、膨胀阀（膨胀管）、蒸发器、鼓风机及制冷管道等组成。

（1）制冷压缩机。

①作用。制冷压缩机是汽车空调制冷系统的心脏，其作用是吸入来自蒸发器的低温、低压的气态制冷剂，压缩为高温、高压的气态制冷剂，并将制冷剂送往冷凝器。

②类型。汽车空调制冷压缩机常见的类型有斜盘式压缩机、旋叶式压缩机、滚动活塞式压缩机、涡旋式压缩机、摆盘式压缩机、曲轴连杆式压缩机等。

斜盘式压缩机的组成和结构如图6-7所示。当主轴旋转时，斜盘也随着旋转，斜盘边缘推动活塞做轴向往复运动。如果斜盘转动一周，则前后两个活塞各完成压缩、排气、膨胀、吸气循环，即相当于两个气缸作用。

图6-7　斜盘式压缩机的组成和结构

1—后盖；2—油泵齿轮；3，15—主轴；4，12—活塞；5—旋转斜盘；6—吸气阀；7—前排气阀；8—前盖；9—前缸半部；10—后缸半部；11—油底壳；13，16—推力轴承；14—斜盘

3 缸斜盘式的3 个活塞等间隔（两两间隔120°）分布，为了使机器受力合理、结构紧凑，通常将活塞制成双头活塞，轴向6 缸，3 缸在压缩机前部，另外3 缸在压缩机后部；5 缸斜盘式的5 个活塞等间隔（两两间隔72°）分布，轴向10 缸，5 缸在压缩机前部，另外5 缸在压缩机后部。双头活塞的两活塞各自在相对的气缸（一前一后）中，活塞一头在前缸中压缩制冷剂蒸气时，活塞的另一头就在后缸中吸入制冷剂蒸气，反向时互相对调。各缸均备有高低压气阀，另有一根高压管，用于连接前后高压腔。斜盘与压缩机主轴固定在一起，斜盘的边缘装合在活塞中部的槽中，活塞槽与斜盘边缘通过钢球轴承支承在一起。

这种压缩机结构紧凑、转动扭矩小、运动平稳性较高，并且效率高、性能可靠，最适合小型高速车辆使用。

（2）冷凝器。

①作用。空调系统的冷凝器一般安装在发动机散热器的前面，其作用是将压缩机排出的高温、高压气态制冷剂冷凝成高温（50 ℃～55 ℃）、高压（1 100 ～1 400 kPa）的液态制冷剂，制冷剂在冷凝器中散热而发生状态的改变，冷凝器将热量散发到大气中。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，常在冷凝器前装设电控风扇，风扇有高速和低速两个挡位。

②类型。冷凝器常见类型有管片式、管带式和平流式，如图6-8所示。

图6-8　冷凝器

（a）管片式；（b）管带式；（c）平流式

a.管片式冷凝器。

管片式冷凝器是最早采用的一种冷凝器结构，它用胀管法将铝翅片胀紧在圆铜管上，铜管的端部用U 形弯头焊接起来。此种冷凝器清理焊接氧化比较麻烦，而且散热效率较低。

b.管带式冷凝器。

管带式冷凝器采用一根扁形管弯成蛇形，管内用隔肋隔成若干孔道，管外用0.2mm 铝片焊在上下两管外皮处，铝片折成波纹状以增大散热面积。

桑塔纳2000 系列轿车使用了R134a 制冷剂后，系统压力升高，为提高冷凝效果，将管片式冷凝器改为全铝管带式冷凝器。

6-3　冷凝器的作用、组成与结构

c.平流式冷凝器。

平流式冷凝器由输入端接头进入圆柱形主管中，再分别同时流入多个扁管中，并平行地流至对面的主管，然后集中经过跨接管流至冷凝器输出端接头。

（3）蒸发器。

①作用。空调系统的蒸发器和冷凝器一样，都是一种热交换器，一般安装在前排乘员座位一侧杂物箱下方。其作用是将来自膨胀阀的低温、低压湿气状制冷剂在其管道中蒸发，汽化成为气态制冷剂，吸收大量热量，使蒸发器及周围空气温度降低，同时对空气起除湿作用。

②类型。蒸发器的类型有管片式、管带式和层叠式三种，如图6-9所示。管片式结构简单、加工方便，但换热效率较差；管带式比管片式工艺复杂，效率可提高10%左右；层叠式加工难度较大，但其换热效率较高，结构较紧凑。

图6-9　蒸发器

6-4　蒸发器的分类、组成与结构

（4）储液干燥器。

①作用。储液干燥器用于膨胀阀式制冷循环系统中，安装在冷凝器和膨胀阀之间，其作用如下：

a.暂时储存制冷剂，使制冷剂的流量与制冷负荷相适应。当含有蒸气的液态制冷剂进入储液器后，液态和气态的制冷剂分离。液态制冷剂通过膨胀阀进入蒸发器，多余的制冷剂可暂时储存在储液罐中。在制冷负荷变动时，及时补充和调整供给膨胀阀的液态制冷剂量，保证制冷剂流动的连续性和稳定性。

b.吸收制冷剂中的水分及过滤制冷剂中的杂质。若制冷剂中含有杂质和水分，则制冷系统管路会发生脏堵和冰塞现象，制冷系统将不能正常工作。

c.在储液器上部出口端装有一个玻璃视液镜，用于观察制冷剂在工作时的流动情况，由此可判断制冷剂量是否合适。

d.有些储液器出口端旁边装有一只安全熔塞，也称易熔螺塞，它是制冷系统的一种安全保护装置，其中心有一轴向通孔，孔内装填有焊锡之类的易熔材料，这些易熔材料的熔点一般为85 ℃～95 ℃。当冷凝器因通风不良或冷气负荷过大而冷却不够时，冷凝器与储液器内的制冷剂温度和压力将会异常升高。当压力达到3 MPa 左右时，温度超过易熔材料的熔点，此时，安全熔塞中心孔内的易熔材料便会熔化，使制冷剂通过安全熔塞的中心孔逸出散发到大气中去，从而避免系统的其他部件因压力过高而损坏。

e.有些储液器上装有维修阀，可安装压力表和加注制冷剂。

f.有些储液器上装有压力开关，可在系统压力不正常时，终止压缩机的工作。

②组成结构。储液干燥器的结构如图6-10所示，它主要由外壳、干燥剂、过滤器、视液镜、安全熔塞和管接头等组成。制冷剂在储液器中的流动情况如图6-10中箭头所示。

图6-10　储液干燥器的结构

1—干燥剂；2—气态制冷剂；3—过滤器；4—液态制冷剂；5—视液镜

6-5　储液干燥器的作用、组成与结构

直立式储液器在安装使用前，不得过早将其进、出管口的包装打开，以免湿空气侵入储液器和系统内部，使之失去除湿的作用。安装时，先弄清楚储液器的进、出口端，在储液器的进、出口端一般打有记号，如进口端用英文字母IN、出口端用英文字母OUT 表示，或直接打上箭头以表示进、出口端，且安装角度一定要垂直，倾斜度不得超过15°。

（5）集液器。

集液器用于膨胀管式的制冷循环系统中，其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，因此从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，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，当制冷剂进入集液器后，液体部分沉积在集液器底部，气体部分从上部的管路进入压缩机；另一方面起到与储液干燥器相同的作用。集液器的结构如图6-11所示。

图6-11　集液器的结构

1—过滤器；2—来自蒸发器；3—气态制冷剂入口；4—塑料盖；5—到压缩机；6—干燥剂；7—U 形管；8—制冷剂孔

（6）膨胀阀。

①作用。膨胀阀也称节流阀，是一个感压和感温阀，是汽车空调制冷系统中的一个主要部件。它安装在蒸发器的入口处，作用是将从储液干燥器来的高温、高压液态制冷剂经膨胀阀的小孔喷出，使其降压，体积膨胀，转化为雾状制冷剂，并在蒸发器中吸热变为气态制冷剂。同时还可根据制冷负荷的大小调节制冷剂的流量，确保蒸发器出口处的制冷剂全部转化为气体。

②类型。膨胀阀的结构形式有三种，分别为外平衡式膨胀阀、内平衡式膨胀阀、H 形膨胀阀，如图6-12所示。

图6-12　膨胀阀

（a）外平衡式膨胀阀；（b）内平衡式膨胀阀；（c）H 形膨胀阀

a.内、外平衡式膨胀阀。

6-6　外平衡式、内平衡式膨胀阀的结构与原理

b.H 形膨胀阀。

H 形膨胀阀因其内部通道形同H 而得名，如图6-13所示。它取消了外平衡式膨胀阀的外平衡管和感温包，直接与蒸发器进、出口相连。它有四个接口通往空调系统，其中两个接口和普通膨胀阀一样，一个接储液干燥器出口，一个接蒸发器入口；另外两个接口，一个接蒸发器出口，一个接压缩机进口。感温元件处在进入压缩机的制冷剂气流中。H 形膨胀阀具有结构紧凑、使用可靠、维修简单等优点，符合汽车空调的要求。

图6-13　H 形膨胀阀的结构

1—感温器；2—接压缩机入口；3—接储液干燥器出口；4—压力弹簧；5—阀座；6—针阀；7—接蒸发器入口；8—接蒸发器出口

6-7　热力膨胀阀的分类结构与原理

这种膨胀阀安装在蒸发器的进、出管之间，感应温度不受环境影响，也无须通过毛细管而造成时间滞后，调节灵敏度较高。由于无感温包、毛细管和外平衡管，不会因汽车颠簸使充注系统断裂外漏以及感温包包扎松动而影响膨胀阀的正常工作。

（7）膨胀节流管（孔管）。

膨胀节流管直接安装在冷凝器出口和蒸发器进口之间，用于将液态制冷剂节流降压。

膨胀节流管的结构如图6-14所示。它是一根细铜管，装在一根塑料套管内。在塑料套管外环形槽内，装有密封圈。有的还有两个外环形槽，每槽各装一个密封圈。把塑料套管连同膨胀节流管一起插入蒸发器进口管中，密封圈用于密封塑料套管外径和蒸发器进口管内径间的配合间隙。膨胀节流管两端都装有滤网，以防止系统堵塞。

由于膨胀节流管不能调节流量，液体制冷剂很可能流出蒸发器而进入压缩机，造成压缩机液击。因此，装有膨胀节流管的制冷系统必须同时在蒸发器出口和压缩机进口之间安装一个集液器，实行气液分离，避免压缩机发生液击。

由于膨胀节流管没有运动部件，结构简单，可靠性高，同时节省能耗，故很多高级轿车都采用这种方式。其缺点是制冷剂流量不能根据工况变化而进行调节。

图6-14　膨胀节流管的结构

1—到蒸发器；2—制冷剂滤网；3—定直径孔管；4—灰尘滤网；5—O 形密封圈（将高压与低压侧隔开）；6—制冷剂流向

图6-15　电磁离合器的结构

1—带轮；2—压缩机壳体；3—线圈；4—摩擦盘；5—驱动盘；6—弹簧爪

（8）电磁离合器。

①作用。电磁离合器安装在压缩机上，其作用是控制发动机与压缩机的动力传递。空调制冷系统工作时，使发动机驱动压缩机运转，制冷系统停止运行时，切断发动机到压缩机的动力传递。

②组成结构。电磁离合器的结构如图6-15所示，主要由三大部件组成：带轮组件、衔铁组件、线圈组件。带轮由轴承支承，可以绕主轴自由转动，其侧面平整，开有条形槽孔，表面粗糙，以便衔铁吸合后有较大的摩擦力。带槽有单槽、双槽和齿形槽等。带轮以冲压件居多，以使它的另一侧有一定空间嵌入线圈绕组。线圈绕组是用于产生电磁场的，有固定式和转动式两种。固定式线圈绕组被固定在压缩机壳体上，有引线引出供接电源使用。衔铁组件由驱动盘、摩擦盘、复位弹簧等组成，整个组件靠花键与压缩机主轴连接。

③工作过程。

a.当接通空调开关使制冷系统进入工作状态时，电磁离合器的定子线圈通电产生磁力，将驱动盘吸向皮带轮，使两者结合在一起，发动机的动力便通过皮带轮传递到驱动盘，带动压缩机运转。

b.当空调制冷系统停止工作时，电磁离合器的定子线圈断电，磁力消失，驱动盘与皮带轮分离，此时皮带轮通过轴承在压缩机的壳体上空转，压缩机停止运转。