4 汽车空调应用的制冷剂和冷冻润滑油

在汽车空调制冷系统中，由制冷剂流动实现制冷工质的循环。制冷剂在蒸发器内吸收被冷却对象的热量而蒸发，在冷凝器内将热量传递给周围空气而被冷凝成液体，从而利用制冷剂的状态变化来达到制冷的目的。

目前汽车空调制冷均采用蒸气压缩式制冷方式，其是利用制冷剂的状态变化来转移热量的，因此对制冷剂提出了一些要求。

4.1 制冷剂

4.1.1 对制冷剂的要求

1.对制冷剂物理性质的要求

1）制冷剂应有低的凝固点，能在低温下工作。

2）制冷剂应有高的临界温度。

3）制冷剂的密度和粘度要小，以减少在制冷系统中的流动阻力。

4）制冷剂应有一定的吸水性，以防止制冷系统的“冰堵”现象。

5）制冷剂的热导率和放热系数要大，以提高换热器的换热能力。

2.对制冷剂化学性质的要求

1）制冷剂应无毒、无刺激性，对人体健康无损害。

2）制冷剂应不易燃烧、不易爆炸。

3）制冷剂对金属的腐蚀作用要小。

4）制冷剂在高温下应不分解，化学性质稳定。

5）制冷剂与冷冻润滑油应互溶，不起化学反应，不改变冷冻润滑油的特性。

3.对制冷剂热力学性质的要求

1）制冷剂在蒸发器内蒸发温度要低，这样相应的蒸发压力也低。但蒸发压力应稍高于大气压力，以防止因制冷系统产生负压而吸进空气，使制冷能力下降。

2）制冷剂的冷凝压力不宜过高，一般应为1.2～1.5MPa。冷凝压力太高，对制冷设备的强度要求也相应提高，而且会引起压缩机功耗增加。

3）等熵指数要小，以便使压缩机功耗减小，并且在压缩终了时气体的温度不会过高。

4）液体比热容要小，以便使节流过程的损失减小。

5）制冷剂蒸气的比体积要小，汽化热和单位容积制冷量要大，以减少制冷剂循环量。

6）循环的热力完善度尽可能大。

4.对制冷剂经济性的要求

要求制冷剂价格便宜，易于得到。

4.1.2 常用制冷剂的种类和汽车空调制冷剂的选择

1.制冷剂的种类

制冷剂的种类很多，一般常用的有氨、烃类和氟里昂类，常用制冷剂的主要性质如表1-1所示，表中R为英文“REFRIGERANT（制冷剂）”的首字母。

表1-1 常用制冷剂的主要性质

2.制冷剂R—12

R—12对大气臭氧层有破坏作用，因此它是蒙特利尔议定书中的第一批禁用工质，发达国家已从1996年1月1日起停止使用，发展中国家到2006年也完全禁止使用。

3.制冷剂R—22

R—22对大气臭氧层的破坏作用比R—12弱一些，属于蒙特利尔议定书中规定的第二批禁用工质，发达国家到2030年要完全禁止使用R—22。

4.制冷剂R—717（氨）

氨有较好的热力学性质和热物理性质，在常温和普通低温范围内压力较适中。单位容积制冷量大，粘性小、流动阻力小，传热性能好。

氨能以任意比例与水相互溶解，组成氨水溶液，在低温时水也不会从溶液中析出而冻结成冰，所以氨制冷系统内不必设置干燥器。但氨系统中有水分时会加剧对金属的腐蚀，同时使制冷量减少，所以一般限制氨中的含水量不超过0.2%（质量分数）。

氨在冷冻润滑油中的溶解度很小，因此氨制冷剂管道及换热器的传热表面上会积有油膜，影响传热效果。在氨制冷系统中，一般都设有油分离器，定期分离出沉积在下部的冷冻润滑油。

氨对钢铁不起腐蚀作用，但当含有水分时要腐蚀锌、铜、青铜及其他铜合金，只有磷青铜不被腐蚀，因此在氨制冷机中不使用铜及铜合金材料。

氨蒸气无色，具有强烈的刺激性臭味，对人体有较大的毒性。它刺激人的眼睛及呼吸器官，溅到皮肤上容易导致冻伤。

氨可以引起燃烧和爆炸，当空气中氨的含量达到16%～25%（体积分数）时可引起爆炸，因此在工作区内氨蒸气的浓度不得超过0.02mg/L。

4.1.3 汽车空调用环保型R—134a制冷剂

目前汽车空调中使用的制冷剂R—12，由于其分子中含有氯原子，当其排放到大气中并升入大气同温层后，在太阳光的强烈照射下会分离出氯离子，氯离子与臭氧层发生化学反应，从而导致大气臭氧层的破坏。大气臭氧层可以吸收太阳紫外线，若大量的紫外线直接照射到地球表面，将会使人类患皮肤癌的概率大大增加，同时对地球上其他生物的生长也会造成严重的危害。

自1987年保护臭氧层的蒙特利尔议定书签订以来，世界各国，特别是工业发达国家对制冷剂替代做了大量工作。近几年来，经过科研人员的不断探索和实验，一致公认制冷剂R—134a是汽车空调的首选替代工质。这主要是由于R—134a不含氯原子，对臭氧层无破坏作用，温室效应影响小，其热力学性质稳定并与R—12相近。表1-2为制冷剂R—134a与R—12的特性比较。

表1-2 制冷剂R—134a与R—12特性比较

（续）

1.R—134a基本特性

1）R—134a无色、无臭、不燃烧、不爆炸，基本无毒性（长期影响还在试验之中），化学性质稳定。

2）不破坏大气臭氧层，在大气层停留寿命短，温室效应影响也很小。

3）粘度较低，流动阻力较小。

4）分子直径比R—12略小，易通过橡胶向外泄漏，也较易被分子筛吸收。

5）与矿物油不相溶，与氟橡胶不相容。

6）吸水性和水溶解性比R—12高。

7）汽化热高，比定压热容大，具有较好的制冷能力，但质量流量小，所以R—134a的制冷系数与R—12相当或较之略小。

8）饱和蒸气压与R—12接近，在18℃左右两者具有相同的饱和压力值。在低于18℃的温度范围内，R—134a的饱和压力略低于R—12；在高于18℃的温度范围内，R—134a的饱和压力高于R—12。

2.R—134a的传热性能及循环特性

试验表明，R—134a的传热性能优于R—12。在蒸发温度为5～15℃，冷凝温度为30～45℃，质量流量为125～400kg/s的范围内，水平圆管中R—134a的蒸发放热系数比R—12高25%～30%，冷凝时则高出30%～40%。

若将R—134a用于R—12换热器进行测试，则在相同冷量下，蒸发器传热系数比R—12高5%～15%，而对于相同热量情况下，冷凝器的传热系数比R—12高10%～20%。

根据制冷剂R—134a的特性值，我们比较了在理想循环时工质的性能，如表1-3所示，上述循环是假设压缩为等熵过程，膨胀节流为等焓过程，表中压缩功为压缩机进、出口之间的焓差，制冷量为蒸发器进、出口之间的焓差。

表1-3 R—134a与R—12制冷循环性能比较

（续）

由表1-3可知，R—134a在与R—12相同工况下制冷系数小于R—12，而在二者制冷系数相同时，R—134a的冷凝温度要降低约7℃。也就是说，要使冷凝温度降低约7℃，就要使冷凝器传热性能或传热面积增加36%，而增大冷凝器传热面积受到汽车安装空间的限制，因此只能从冷凝器的结构上进行改进，如采用新型平行流冷凝器。

3.R—134a与冷冻润滑油相溶性

由于R—134a与现有的冷冻润滑油不相溶，因此必须开发出与之相溶的新型冷冻润滑油。在R—134a分子中不含氯原子而含有两个氢原子，它与矿物油几乎不相溶，因而从制冷压缩机排出的冷冻润滑油将滞留在热交换器和配管中而不能回到压缩机中，压缩机润滑不良会造成压缩机轴承和其他摩擦副烧损。根据现有研究，可在R—134a汽车空调系统中使用的冷冻润滑油最有希望的是聚烃基乙二醇（PAG）和聚酯油（ESTER）。

4.R—134a与金属及橡胶相容性

实验表明，R—134a与钢和铝是相容的，而对铜则会产生镀铜现象。目前的汽车空调系统中，许多部位用铜做原材料，铜的导热性能比钢和铝好，但镀铜现象限制了这种材料的使用，因此R—134a汽车空调系统各部件应以钢、铝材料为主，如全铝蒸发器、全铝冷凝器等。

由于汽车空调振动性较大，其软管和接头都用橡胶材料，而现有的一些橡胶材料与R—134a不相容。经实验筛选，有三种橡胶与R—134a相容，它们是H—丁腈橡胶（HBR）、三聚乙丙橡胶（EPDM）和氯丁橡胶（GR）。

5.R—134a与干燥剂相容性

R—134a具有很强的吸水性，含水量大大超过空调制冷系统的承受能力，因此需要高效新型的干燥剂。目前可供选择的干燥剂主要是一些铝的硅酸盐，如4A—XH—5、4A—XH—6及4A—XH—7型，其中4A—XH—5型与R—134a不相容，因为R—134a的分子直径比R—12小，若使用4A型分子筛，R—134a分子比较容易被分子筛吸收，被吸收的R—134a分子会被4A型分子筛的化学组成成分催化分解，且由于R—134a与水的亲合力较大，吸水性强，脱水比R—12困难。分子筛吸水多了，机械强度就要变差，因此4A—XH—5型分子筛不宜作为R—134a的干燥剂，而两种新型分子筛XH—7和XH—9比较适合于R—134a。

6.R—134a对现存汽车空调系统影响

尽管R—134a的热力学性质与R—12相似，但由于两者之间存在一些差别，使之在用于专门为R—12设计的汽车空调系统时需作相应的改动，以达到或超过原R—12制冷系统的运行效果，并确定空调制冷系统的可靠性。根据R—134a的热力学性质可知，R—134a制冷系统运行压力高、制冷系数小，制冷性能不如R—12系统好，改进的措施如下：

1）增加压缩机容量，或提高压缩机转速。另外，还需要加大压缩机主轴、主轴承，加强缸壁刚性，改善内部润滑。进、排气阀应为不锈钢材料。

2）换热器采用新型高效的平流式冷凝器和层叠式蒸发器。实验表明，在相同制冷剂的情况下，平流式冷凝器制冷剂侧压降只有管带式的20%，而换热性能提高75%。

3）膨胀阀等部件也应随所用工质的不同而作相应的调整。

4.2 冷冻润滑油

4.2.1 冷冻润滑油的作用和对冷冻润滑油的要求

1.冷冻润滑油的作用

空调压缩机使用的润滑油被称为冷冻润滑油或冷冻机油。它是一种在高、低温工况下均能正常工作的特殊润滑油，其作用如下：

1）润滑作用。它可以润滑压缩机轴承、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。它能及时带走运动表面摩擦产生的热量，防止压缩机温升过高或压缩机被烧坏。

3）密封作用。润滑油渗入各摩擦件密封面而形成油封，起到阻止制冷剂泄漏的作用。

4）降低压缩机噪声。润滑油不断冲洗摩擦表面，带走磨屑，可减少摩擦件的磨损。

2.对冷冻润滑油的要求

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，因此，冷冻润滑油的油温有时会超过120℃，而制冷剂的蒸发温度范围为-30～+10℃，所以它的工作环境是在高温与低温交替的条件下进行的。为保证其正常工作，对冷冻润滑油提出了以下性能要求。

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，其粘度值随之变小或增大。与冷冻润滑油完全互溶的制冷剂会使冷冻润滑油变稀，如R—12与冷冻润滑油相互溶解，使冷冻润滑油变稀，因此R—12应选用粘度较高的冷冻润滑油，但粘度也不宜过高，否则，压缩机起动时会产生更多的泡沫。另外，冷冻润滑油的粘度越大，压缩机克服阻力而消耗的功增多，需要的起动力矩增大，压缩机起动越困难；粘度过小，则使压缩机轴承不能建立起所需要的油膜。所以，冷冻润滑油的粘度要选得适当。

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，润滑油也随之流动，这就要求制冷剂与润滑油能够互溶。若二者不互溶，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。由于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。

5）冷冻润滑油的挥发性要差。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）冷冻润滑油的化学性质要稳定。与制冷剂和其他材料不起化学反应。

7）冷冻润滑油应无水分。若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，油中的水分会造成镀铜现象及某些材料的腐蚀、变质。

4.2.2 冷冻润滑油性能指标

冷冻润滑油的性能指标主要有粘度、凝固点、闪点、燃点、浊点、水分、酸碱性、机械杂质等。

1.粘度

制冷压缩机用的冷冻润滑油的粘度用来衡量润滑油的粘性大小。温度上升时其粘度减小，温度下降时其粘度增大，因此表示润滑油的粘度时，应同时指出其温度值。

粘度的大小可用各种粘度单位来表示，如动力粘度、运动粘度、相对粘度、雷氏粘度和塞氏粘度。冷冻润滑油常用运动粘度来表示，它表示润滑油在重力作用下流动时内摩擦力的度量。

2.凝固点

冷冻润滑油在温度降低时，随着粘度的增大，流动性会变差，当冷却到一定温度时便停止流动，此时的温度称为冷冻润滑油的凝固点。凝固点比浊点要低。

3.闪点

将润滑油加热，直至所产生的油蒸气与火焰接触时能发生闪火，此时的温度称为润滑油的闪点。

润滑油的闪点必须比排气温度高15～30℃，以免引起润滑油的燃烧和结炭，通常要求冷冻润滑油闪点在160℃以上。

4.燃点

润滑油的燃点比闪点高，当测得润滑油的闪点后，若还需测定其燃点，则应对油继续加热，直至所产生的蒸气能被接触的火焰点着，并燃烧不少于5s时的最低温度，称为该冷冻润滑油的燃点。

5.浊点

当润滑油温度降到一定值时，油中开始析出小块石蜡，并出现絮状物，这时的温度称为润滑油的浊点。

由于油中析出固体石蜡，使冷冻润滑油变得浑浊，并堵塞过滤器，引起制冷机不正常工作。冷冻润滑油的浊点，应低于制冷剂的蒸发温度，否则有石蜡析出时，会出现石蜡积存在膨胀阀节流孔处造成堵塞现象，或积存在蒸发器表面而影响传热。

6.酸值

它是指中和1g油中的酸性物质所需的氢氧化钾的毫克数，用[mg（KOH）/g（油）]来表示。

7.抗氧化性

表示润滑油有良好的抗氧化性和化学稳定性，它的酸性和碱性也很小。

8.水分

润滑油中不允许含有水分。其可用测定微量水分方法来测定。

9.机械杂质

润滑油中不允许含有机械杂质。新油中是无机械杂质的。来自系统内的脏物在油内形成的机械杂质，将会引起油路堵塞，加速运动部件的磨损。

10.灰分

它是指在规定条件下，油品被炭化后的残留物经燃烧所得的无机物，用质量分数表示。

4.2.3 冷冻润滑油的种类和汽车空调用冷冻润滑油的选择

1.冷冻润滑油的种类

我国冷冻润滑油的牌号有四个，即13号、18号、25号和30号。牌号越大，其粘度也越大。它们的性能如表1-4所示。

表1-4 国产冷冻润滑油性能指标

进口的润滑油一般有SUNISO 3GS～SUNISO 5GS牌号的润滑油，其性能如表1-5所示。

表1-5 进口SUNISO冷冻润滑油性能指标

2.汽车空调用冷冻润滑油的选择

冷冻润滑油的选择原则是，要充分考虑空调压缩机内部润滑油的工作状态，如吸气、排气温度等。根据冷冻润滑油的特性，在实际选用时，应以低温性能为主来选择，但也要适当考虑对热稳定性能的影响。

汽车空调制冷系统一般选择国产的18号、25号冷冻润滑油，或进口的SUNISO 5GS润滑油。

4.2.4 冷冻润滑油的使用注意事项和质量检查

1.冷冻润滑油的使用注意事项

1）冷冻润滑油易吸水，加注后应马上将盖拧紧。

2）不能使用变质浑浊的冷冻润滑油，否则会影响压缩机的正常运转。

3）不允许向系统添加过量的冷冻润滑油，否则会影响汽车空调制冷系统的制冷量。

4）不同牌号的冷冻润滑油不能混用，否则会变质。

5）在排放制冷剂时要缓慢进行，以免冷冻润滑油和制冷剂一起喷出。

6）更换制冷系统部件时，应适当补充一定量的润滑油，表1-6为更换轿车空调制冷系统部件需补加的冷冻润滑油量。

表1-6 轿车空调更换部件时需补加的冷冻润滑油量

7）在加注制冷剂时，应先加润滑油，然后再加注制冷剂。

2.冷冻润滑油质量检查

冷冻润滑油的质量，可以通过化学分析和物理分析，判断出质量好坏。在使用过程中，还可从外观的颜色、气味直观地判断出质量好坏。常用的方法有对比法和滴纸法。

1）对比法。取干净标准的冷冻润滑油放入一试管内作为标准油，再把待查的油取出也放入同样大小的试管内进行比较，若被检查的油的颜色为浅黄色或桔黄色，则还可使用；若已变为红褐色的混浊液，就不能再使用。

2）滴纸法。将待查的冷冻润滑油取出一滴，滴在一张干净的白纸上，片刻后观察油滴的颜色，若其颜色很浅，且分布均匀，就表明油内无杂质，可以使用。

这两种方法可以观察到冷冻润滑油中是否混入了较多的水分和杂质，但不能确切地掌握润滑油变质的程度和原因。因此，要准确判断润滑油的质量，必须对它进行定性和定量分析，定期抽样，进行化验分析。

4.2.5 与R—134a相容的冷冻润滑油

制冷剂R—12、R—22都以矿物油作为润滑剂，但矿物油与R—134a不相容，目前能与R—134a相容的冷冻润滑油只有聚烃基乙二醇（PAG）和聚脂油（ESTER）两类。

1.聚烃基乙二醇（PAG）润滑油

PAG润滑油与R—134a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，有可能造成压缩机镀铜现象。PAG与矿物油、R—12、R—22不相容，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容，吸水性也很强，其饱和吸水量可超过10%。

PAG润滑油主要用在R—134a制冷剂的初期。由于PAG的一些不利性能，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，由多元醇酯基础油和添加剂配制而成。其主要成分是季戊四醇、三甲基丙酮和各种直链或支链型酯酸。

聚酯油与R—134a互溶性好，与R—12、R—22等制冷剂也互溶，不会出现低温沉积现象。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容性较好，与绝缘材料也有比较好的相容性。

表1-7、表1-8为PAG油与ESTER油性能比较，从表中可以看出，ESTER油与R—134a的相容性比PAG油与R—134a的相容性好。

表1-7 PAG油与ESTER油性质比较

表1-8 用于R—134a汽车空调的冷冻润滑油的特性比较