发布于 10-16 10:27:08
一、制冷剂
1.制冷剂的定义
在制冷系统中，能循环流动且实现热量转移的介质称为制冷剂。
汽车空调是利用蒸气压缩制冷装置驱动其循环流动实现制冷的。液体制冷剂在蒸发器中低温下吸取被冷却对象的热量而汽化，使被冷却对象得到降温。然后，又在高温下把热量传给周围介质而冷凝成液体。如此不断循环，借助于制冷剂的状态变化，达到制冷目的。
目前汽车空调系统使用的制冷剂，通常有R12、R134a，英文字母R是Refrigerant（制冷剂）的简称，其数字代号使用的是美国制冷工程师协会（ASRE）编制的代号系统。
制冷剂的种类很多，理论上只要能进行气液两相转换的物质，均可作为蒸发制冷系统的制冷剂。但寻找制冷效率高，且对环境没有污染的制冷剂却很困难，目前使用的R134a只是R12的替代品，其排放物产生的温室效应仍然对环境有较大的危害。
2.对制冷剂的要求
制冷剂又称制冷工质，是制冷循环的工作介质。汽车空调是由制冷剂循环流动来实现制冷的。液态制冷剂在空调蒸发器中吸收冷却对象的热量而汽化，使被冷却对象降温；然后气态制冷剂又将热量在冷凝器中传递给周围介质而液化。如此不断循环，借助于制冷剂的状态变化，达到制冷的目的。如果没有制冷剂，制冷装置就无法实现制冷。
学习提示：
对制冷剂的要求如下：
①与冷冻机油互溶，不起化学反应，不改变润滑油的特性。
②不易燃烧，不易爆炸；无毒、无刺激性；不腐蚀金属和橡胶件。
③在蒸发器内容易蒸发，蒸发温度低。蒸发压力应该稍高于大气压力，防止制冷系统产生负压而吸进空气，使制冷能力下降。
④冷凝压力不宜太高，如果冷凝压力太高，对制冷设备、管路的要求也会提高，并且引起压缩机功耗增加。
⑤制冷剂在高温下不易分解，化学性质稳定。
在压缩式制冷剂中广泛使用的制冷剂是氨、氟利昂和烃类。按照化学成分，制冷剂可分为五类，无机化合物制冷剂、氟利昂、饱和碳氢化合物制冷剂、不饱和碳氢化合物制冷剂和共沸混合物制冷剂。根据冷凝压力，制冷剂可分为三类：高温（低压）制冷剂、中温（中压）制冷剂和低温（高压）制冷剂。目前，我国汽车空调中的制冷剂主要使用的是氟利昂类，常用的主要有R12和R134a两种。随着人们对环境保护意识的增强，不含氟利昂的环保节能型碳氢类制冷剂正在推广和应用之中。
3.制冷剂的命名方法
蒸气压缩制冷机使用的制冷剂，绝大部分都是氟利昂，国际上用英文字母R来表示（取英文制冷剂Refrigerant的第一个字母），字母R是美国杜邦公司的专用代号。氟利昂是饱和碳氢化合物的卤族元素的衍生物，即卤族元素的氟、氯，有时加入溴原子取代饱和碳氢化合物，如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的氢原子所得的化合物，因而氟利昂的品种繁多。氟利昂的性质与所含氟、氯、溴、氢、碳元素的原子多少有密切关系。R后面的数字表示氟利昂的分子通式CmHnFpClsBr。R后面是两位数的，表示甲烷衍生的氟利昂。甲烷的分子式为CH4，其中R后面的首位数字表示碳原子数（m=1）加氢原子数n，故氢原子数n等于首位数减去1，第二位数字表示氟原子数p，氯原子数s=4-p-n。例如：R12表示甲烷衍生的氟利昂制冷剂，其分子通式中的碳原子数m=1，氢原子数n=1-1=0，氟原子数p=2，氯原子数为s=4-n-p=2。R12的分子式为CF2Cl2，化学名称为二氟二氯甲烷。
又如R22表示甲烷衍生的氟利昂制冷剂，其中碳原子数m=1，氢原子数n=2-1=1，氟原子数p=2，氯原子数s=4-1-2=1。R22的分子式为CHF2Cl，化学名称为二氟一氯甲烷。
如果用溴原子来代替氟利昂中的某些氯原子，则分子式多一个Br，其原子数用r来表示。例如，R12Br2，则为CF2Br2。R后面是三位数的，则表示为乙烷、丙烷、丁烷系列的氟利昂衍生物。其中，乙烷衍生的氟利昂，R后面首位数用1表示，丙烷衍生的氟利昂，则R后面用2表示，丁烷衍生的氟利昂，R后面用3表示……很明显，其碳原子数m等于首位数加1；氢原子数n等于R后面的第二位数字减去1；R后面的第三位数表示氟原子数p；氯原子数，对乙烷衍生物为s=6-n-p，对丙烷衍生物为s=8-n-p，对于丁烷衍生物为，s=10-n-p。例如R142，表示乙烷衍生的氟利昂，乙烷分子式为C2H6，则m=2，n=4-1=3，p=2，s=6-3-2=1。R142的分子式为C2H3F2 Cl，化学名称为二氟一氯乙烷。同样，R134的分子式为C2H2F4，R123的分子式为C2HF2Cl2，R216的分子式为C2F6C12等。
4.制冷剂CFC12（二氟二氯甲烷）
R12是一种CFC（氯氟化碳，氟利昂）。此制冷剂由氯、氟和碳组成，其化学式为CCl2F2。原有的汽车空调系统基本上都采用R12作为制冷剂，一般包装如图1-39所示。
图1-39 制冷剂R12
a）大罐装 b）小罐装
学习提示：
R12的特性如下：
①能溶于矿物油，可与任何冷冻机油任意比例混合。
②对密封件有特殊要求。它对天然橡胶和塑料有膨润作用，使之膨胀、变软、起泡而失去密封性能。故在制冷系统中采用耐腐蚀的丁腈橡胶和氯醇橡胶制作密封件。
③对一般金属无腐蚀作用，但对镁及含镁量超过2%的铝镁合金有腐蚀作用。
④一般与水不相溶。空调制冷系统中若有水分存在，当温度低于0℃时，水会在膨胀阀处形成冰塞，堵塞膨胀阀，使制冷无法进行。水可以和R12产生化学反应，产生盐酸、氢氟酸，对系统有腐蚀作用。水与管路中的酸、氧反应，在压缩机的机件表面生成三氧化二铁和二氧化铜，反过来使R12分解，降低制冷能力。同时，水还能使冷冻机油老化，降低润滑性能。因此，在加注制冷剂时必须对空调系统抽真空，将管路中的水分和空气全部排出。
⑤不会爆炸、无异味（浓度低于20%）、无臭味。
5.制冷剂HFC134a（四氟乙烷）
R134a（图1-40）是一种著名的替代R12的制冷剂，它是一种HFC（氢氟化碳）。该制冷剂的组成有氢、氟和碳，其化学式为CH2FCF3，其分子结构如图1-41所示。由于该制冷剂没有氯，因而不会破坏臭氧。R134a无毒、无腐蚀，也会导致全球变暖。R134a与矿物冷冻油不相容，因此，开发了称为PAG（聚烯甘醇）的合成冷冻油。PAG冷冻油具有吸湿性，能快速吸附水汽。这就意味着在使用时，必须确保容器尽可能地快速密封。R134a不能与R12混合，在高压和高温时效率也不如R12。R134a可以提纯后重复使用。R12和R134a的分子大小不同，前者分子较大。这就是说，R134a系统所需要的制冷剂数量要大于R12系统。如果需要从R12系统改造成R134a系统，还需要用与R134a匹配的零部件来替换软管、密封件（包括冷冻油）。R134a会加速全球变暖，并最终被其他的对环境破坏更小的冷却介质所替代。
图1-40 不同规格和品牌的R134a制冷剂
切记：R12系统和R134a系统的制冷剂一定不能混用，如图1-42所示。
图1-41 R134a的分子结构
图1-42 R12系统和R134a系统的制冷剂不能混用
R134a的特性如下：
（1）热物理性能 R134a的热物理性能包括分子量、沸点、临界参数、饱和蒸气压和汽化潜热等，均与R12相近，如表1-5所示。
（2）传热性能 R134a制冷剂的传热性能优于R12。当冷凝温度为40～60℃、质量流量为45～200kg/s时，R134a蒸发和冷凝传热系数比R12系统要高出25%以上。因此，在换热器表面积不变的情况下，可减少传热温差，降低传热损失；当制冷量或放热时间相等时，可减少换热器表面积。
（3）相溶性
1）与润滑油的相溶性。R134a中不含有氯原子，不能像R12一样在压缩机运动部件之间生成润滑性好的氯化物薄层。而且R134a与矿物油几乎完全不相溶，不能使用矿物油，必须使用合成润滑油来取代，如PAG类和ESTER类等。
2）与干燥剂的相容性。R134a的分子直径比R12要小，若使用R12系统中的硅胶型干燥剂，则R134a的分子容易被吸收而产生催化分解，并且由于R134a与水的亲和力较大，吸水性强，脱水困难，故应采用新型的沸石干燥剂。
表1-5 R134a与R12的热物理性对比表
3）与塑料及橡胶的相容性。R134a对除苯乙烯以外的塑料基本没有影响，但对现在常用的一些橡胶材料不相容。当R134a与氟橡胶或丁腈橡胶（NBR）共存时，会使橡胶产生变质膨胀而引起制冷剂的泄漏。故R134a制冷系统中的O形圈和连接软管采用与R134a相容性较好的氢化丁腈橡胶（HNBR）来制作。
4）渗透性。空调系统中，各个总成之间常用软管相连。由于R134a的分子较小，且对橡胶的溶胀性比R12大，故R134a分子的穿透性较强，在软管中的渗透量较大。
6.R134a制冷剂的特性及压力与温度关系
R134a在大气压力下的沸腾点为-26.9℃，在98kPa的压力下沸腾点为-10.6℃。在常温常压的情况下，如果将其释放，R134a便会立即吸收热量开始沸腾并转化为气体，对R134a加压后，它也很容易转化为液体。R134a的特性如图1-43所示。该曲线上方为气态（蒸气），下方为液态。曲线表示不同压力与温度条件下的制冷剂沸点。
①如果温度保持恒定，提高压力，那么气态制冷剂就会冷凝成液体。
②如果压力保持恒定，降低温度，那么气态制冷剂就会冷凝成液体。
③如果温度保持恒定，降低压力，那么制冷剂就会蒸发成气体。
④如果压力保持恒定，提高温度，那么制冷剂就会蒸发成气体。
A/C系统的设计就是要控制这些关系，使制冷剂将热量从驾驶室内散出。如果要使R134a从气态转变为液态，可以降低温度，也可以提高压力，反之亦然。
图1-43 R134a蒸气-压力曲线
7.制冷剂的加注量
不同车型的制冷剂的加注量不同，在SGM（上海通用汽车）的所有车型中，制冷系统均使用R134a制冷剂，各车型的加注量分别为：别克君威，850g；别克GL8，1340g；别克赛欧，680g；别克凯越，640g。
8.替代制冷循环
欧盟对更加环保的A/C系统的要求使制造厂家努力寻求用于HVAC装置的替代制冷剂或替代技术。至于欧盟、美国的汽车工业想要采用哪一种技术来废除R134a或者是仅仅将当前的R134a改进成无泄漏系统，还存在着大量的争论。R134a从2011年将逐渐退出欧盟，并在2014～2017年完全停止其使用。CO2空调系统替代目前使用的R134a系统似乎是必然的事。
二、冷冻润滑油
在空调制冷系统中，相对运动的部件需要润滑。由于制冷系统中的工作条件比较特殊，所以需要专门的润滑油——冷冻润滑油。冷冻润滑油除了起到润滑作用以外，还可以起到冷却、密封和降低机械噪声的作用。在制冷系统中的润滑油还有一个特殊的要求，就是要与制冷剂相溶，并且随着制冷剂一起循环。因此，一定要注意正确选用冷冻润滑油的型号，切不可乱用，否则将造成严重后果。
1.冷冻润滑油的作用
冷冻润滑油是制冷压缩机的专用润滑油，它是一种在高、低温情况下均能正常工作的特殊润滑油。
学习提示：
冷冻润滑油在空调制冷系统中的作用如下：
①润滑作用。压缩机是高速运动的机器，轴承、活塞、活塞环、曲轴、连杆等机件表面需要润滑，以减少阻力和磨损，延长使用寿命，降低功耗，提高制冷系数。
②密封作用。汽车使用的压缩机传动轴需要油封来密封，防止制冷剂泄漏。有冷冻润滑油，油封才起密封作用。同时，活塞环上的润滑油，不仅起减摩作用，而且起密封压缩机蒸气的作用。
③冷却作用。运动的摩擦表面会产生高温，需要用冷冻润滑油来冷却。冷冻润滑油冷却不足，会引起压缩机温度过热、排气压力过高、降低制冷系数，甚至烧坏压缩机。
④降低压缩机噪声。在制冷系统中，冷冻润滑油与制冷剂混合，并随制冷剂一起循环于制冷系统各部分。它不仅降低了压缩机的噪声，而且可以保证压缩机正常运转和延长其使用寿命。
2.对冷冻润滑油的性能要求
冷冻润滑油在空调制冷系统中完全溶于制冷剂中，并随制冷剂一起在制冷系统中循环。因此，冷冻润滑油的温度有时会超过120℃，而制冷剂的蒸发温度范围为-30～10℃，使冷冻润滑油工作在高温与低温交替的条件下。为保证其工作正常，对冷冻润滑油提出以下性能要求。
①冷冻润滑油的凝固点要低，在低温下具有良好的流动性。若低温流动性差，则冷冻润滑油会沉积在蒸发器内影响制冷能力，或凝结在压缩机底部，失去润滑作用而损坏运动部件。
②冷冻润滑油应具有一定的粘度，且受温度的影响要小。温度升高或降低时，其粘度不随之变小或增大。与冷冻润滑油完全互溶的制冷剂会使冷冻润滑油变稀，因此应选用粘度较高的冷冻润滑油；但粘度也不宜过高，否则，需要的起动转矩增大，压缩机起动困难。所以，冷冻润滑油的粘度要选择适当。
③冷冻润滑油与制冷剂的溶解性能要好。在汽车空调制冷系统中，制冷剂与冷冻润滑油是混合在一起的。当制冷剂流动时，冷冻润滑油也随之流动，这就要求制冷剂与冷冻润滑油能够互溶。若两者不互溶，冷冻润滑油就会聚集在冷凝器和蒸发器的底部，阻碍制冷剂流动，降低换热能力。如果冷冻润滑油不能随制冷剂返回压缩机，压缩机将会因缺油而加剧磨损。
④冷冻润滑油的闪点温度要高，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。所谓闪点温度是指在规定条件下，加热油品所逸出的蒸气和空气组成的混合物与火焰接触发生瞬间闪火时的最低温度，以℃为单位。
⑤冷冻润滑油应无水分。若冷冻润滑油中的水分过多，则会在膨胀阀节流口处结冰，造成冰堵，影响系统制冷剂的流动。同时，水分会使冷冻润滑油变质分解，腐蚀压缩机材料。
3.与R134a匹配的冷冻润滑油
制冷剂R12以矿物油作为润滑剂，但矿物油与R134a不相溶，目前能与R134a相溶的润滑油只有聚烃基乙二醇（PAG）和聚酯油（ESTER）两类。
（1）聚烃基乙二醇（PAG）润滑油 PAG润滑油与R134a不能完全互溶，低粘度时互溶性较好，高粘度时互溶性降低。PAG在高温的情况下可分解成水、酸、一氧化碳和二氧化碳，有可能造成压缩机腐蚀现象。PAG与矿物油、R12不相溶，若原系统内存在有少量该物质时，将使PAG润滑性能降低。PAG与有些弹性材料不相溶，吸水性也很强，其饱和吸水量可超过10%。PAG润滑油主要用在R134a推广的初期。针对上述情况，实际应用的PAG油都经过了改性处理。
（2）聚酯类润滑油（ESTER） 聚酯类润滑油是一种合成多元酸酯，由多元醇酸基础油和添加剂配制而成。主要成分是季戊四醇、三甲基丙酮和各种直链或支链型酸酯。
聚酯油与R134a互溶性好，与R12也互溶，不会出现低湿沉积现象。其吸水性比矿物油强，但水分与油是牢固结合的，在膨胀阀处不会结冰。原系统内残留的矿物油等物质对其性能影响不明显。由于在聚酯油中加了添加剂，故其耐磨性能良好。它与聚丁腈橡胶、氯丁橡胶等弹性材料相溶性较好，与绝缘材料也有比较好的相溶性。
表1-6和表1-7所示为PAG油与ESTER油性质比较，可见ESTER油与R134a的相溶性比PAG油与R134a的相溶性好。
4.制冷系统中冷冻润滑油的分布及加注量
以SGM（上海通用汽车）为例，冷冻润滑油分布在制冷系统各个元件中，在各元件中冷冻润滑油的分布如图1-44所示。系统内冷冻润滑油必须定量加注，若加注过多，会积聚在冷凝器或蒸发器内，阻碍制冷剂流动，影响散热和吸热效果，使制冷系统工作不良。如别克君威，250mL；赛欧，220mL；凯越，220mL。
表1-6 PAG油与ESTER油性质比较
表1-7 用于R134a汽车空调的冷冻润滑油特性
图1-44 制冷剂回路中冷冻润滑油量的分布
