民用航空器蒸发循环制冷系统及其维护

赵继超 字锦烽

摘要：凭借其独特的优势，蒸发循环制冷系统在民用航空器上的应用越来越广泛。但该系统容易出现泄漏，在可靠性方面存在不足，维护也较为复杂。本文在对该系统各部件特点深入了解的基础上，对各个工作环节提出有针对性的维护建议，可以切实提高系统的维护质量，增加其運行可靠性。

关键词：制冷；蒸发循环制冷系统；制冷剂；压缩机

Keywords：cooling；vapor cycle cooling system；refrigerant；compressor

0 引言

与大中型民航客机上常见的空气循环制冷系统相比，蒸发循环制冷系统的应用并不广泛，但蒸发循环制冷系统具有地面制冷效果好、对发动机功率影响小、温度调节精度高等优点。因此在通航飞机中广泛应用，在某些军用飞机及客机的电子设备舱中也有其踪影。

1 蒸发循环制冷系统的基本原理及组成

1.1 基本原理

早期蒸发循环制冷系统使用的制冷剂是R12（二氟二氯甲烷），会破坏臭氧分子。现在普遍使用的是对臭氧没有破坏、不可燃、化学稳定性更好的R134a（四氟乙烷）制冷剂。蒸发循环制冷主要是通过液态制冷剂的相变来吸收环境中的热量，从而达到降低温度的目的。主要涉及蒸发和冷凝这两个作用相反的物理学过程，蒸发是指物质从液态转化为气态的相变过程，冷凝是使热物体的温度降低而发生相变的过程，通常指物质从气态变成液态的过程。常见的蒸发循环制冷系统一般由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀和干燥过滤器组成（见图1）。

1.2 系统组成

1）压缩机

压缩机是蒸发循环制冷系统的心脏，是制冷剂流动的动力来源。压缩机一般为斜盘式，带有多个气缸，并配有铝制外壳以减轻重量。工作时，电机输出的扭矩通过皮带传递给压缩机的主轴，由主轴带动斜盘转动，推动活塞做轴向往复运动，从而完成压缩机的吸气、压缩、排气过程。其中，可以通过改变压缩机斜盘的角度对制冷功率进行控制。当需要提高制冷功率时，压缩机的控制阀会增加内部压差，使斜盘角度变大，压缩量也随之增大。反之，当系统不需要制冷时，控制阀将斜盘两端的压力卸荷并维持制冷剂流动的最低压力，以保证压缩机能得到正常润滑。压缩机在运行时，其活塞和气缸壁、斜盘和活塞、主轴和轴承等运动部件之间都存在摩擦，因此需要对这些运动部件进行润滑。

2）冷凝器

冷凝器的作用是完成系统的热交换。在冷凝器中，除了通过热传导性能优异的铜制绕管来加大散热面积外，还通过一个风扇抽吸外界空气来加快空气的对流，加速散热将热量带走。系统工作时，高温高压的气态制冷剂从压缩机流出进入到冷凝器的铜制绕管中，与外界冲压空气进行对流换热。随着压缩机开始运转，冷凝器中就会产生高温、高压的气体，因此离不开外界冲压空气对其进行散热，所以冷凝器的风扇都是与压缩机一起启动，但不与压缩机同时停止运转。

3）蒸发器

蒸发器是负责吸收座舱内空气热量的设备，主要由铜管、铝管及散热铝片组成。散热铝片套在铜管或铝管上，再采用胀管工艺增大管子直径，以最大限度地贴近散热铝片，减小两者间隙。制冷剂在管子内部流动，外界空气则通过散热片将自身的热量间接传递给制冷剂。具体的传递过程为：空气流过蒸发器散热片，由于空气温度高，散热铝片温度低，空气将热量以对流换热的方式传递给散热铝片；铝片在得到热量之后，将热量热传导给温度更低的铜管，热量又以对流换热的方式从铜管传递给制冷剂。为了让蒸发器能充分地进行对流换热，还配有鼓风机，将座舱内的空气吸入蒸发器，鼓风机可根据不同的制冷温度改变转速。另外，在蒸发器工作时，客舱内空气中的水分会在蒸发器的管路上冷凝成液态水，从而起到除去空气中水分的作用。利用这个特点，蒸发循环制冷系统也可用于飞机驾驶舱风挡的除雾。

4）膨胀阀

膨胀阀是制冷系统中高低压制冷剂的分界点，从冷凝器出来的低温、高压液体经过膨胀阀后，变为低温、低压雾状液体，再进入蒸发器中。在制冷系统工作时，由于制冷剂的热负荷以及压缩机的转速一直在变化，为了保持座舱内温度稳定及有效地制冷，膨胀阀需要自动调节制冷剂的流量，从而完成制冷循环（见图2）。膨胀阀通过内部的感温包来感受蒸发器出口制冷剂的温度，感温包和毛细管内部制冷剂随着不同的温度而热胀冷缩，从而改变其压力。制冷剂的压力通过膜片间接作用在节流阀的阀芯上，通过与作用在节流阀阀芯下部的热力弹簧的弹力进行比较，控制节流阀的开度，实现对制冷剂流量的精准控制。

5）干燥过滤器

干燥过滤器的作用是干燥和过滤系统中存在的水分及杂质，保证制冷剂的干燥与清洁。干燥过滤器安装在冷凝器的后面，处于系统的高压管路中，因此一般选用结构强度较高的钢制壳体，其内部装有竖管、过滤器和干燥装置。为了方便观察制冷剂的添加量，还会安装透明的观察窗。在制冷系统中，不可避免地存在水分，水分会导致润滑油和制冷剂发生化学反应，制冷剂分解出酸，腐蚀压缩机部件；当系统内温度较低时，水会在系统内部结冰，阻碍制冷剂在系统内部的循环流动。除此之外，制冷系统在生产制造过程中，其内部管路还存在一些微量碎屑或由于填充的制冷剂不干净而带入一些异物。当这些杂质在制冷剂的循环流动下被聚集到一起时，会造成系统脏堵，影响制冷效率。因此，干燥过滤器中都会安装过滤装置，以过滤系统中的杂质。由于制冷负荷以及压缩机转速经常发生变化，干燥过滤器就起到了临时存放液态制冷剂、调节系统制冷剂供给的作用。通常，系统在工作初始，受到的热负荷比较大，需要制冷剂的量较多，此时干燥过滤器中的液态制冷剂就能及时补充进系统中并参加制冷循环；系统工作一段时间，热负荷降低，需要的制冷制也相应减少，多余的制冷剂暂时以液态形式存放在干燥过滤器中。此外，当系统中的制冷器有少许泄漏时，干燥过滤器也能起到给系统补充制冷剂的作用，以保证系统的正常工作。

2 日常维护及注意事项

由于蒸发循环制冷系统对整体密封性的要求很高，加上飞机座舱内高温、密闭等极端环境会对其造成额外负载，容易出现制冷剂泄漏、部件磨损等状况，因此需要对其进行日常的维护检查。

2.1 日常维护

蒸发循环制冷系统的日常维护工作主要包括：对蒸发器滤网的清洁、压缩机电机的检查、皮带张力的调整等。另外，干燥过滤器也需要定期更换，这是由于制冷剂R134a溶水性较高，即使遇到少量水分，在润滑油的作用下，也会产生酸、二氧化碳或一氧化碳，对金属产生腐蚀或镀铜。压缩机工作时，其部件之间会因磨损产生碎屑，在干燥过滤器的过滤装置性能变差后，会有一些杂质流入系统中，堵塞膨胀阀的节流口。节流口相对较细小，容易被堵塞，堵塞后将导致感温包对内部制冷剂的热胀冷缩过程不敏感，造成膨胀阀对制冷剂流量的控制不精确、不及时，使空调系统制冷效果变差。

2.2 制冷剂的填充

在进行上述日常维护时，还涉及制冷剂的放泄和填充，因此制冷剂的填充质量也是蒸发循环制冷系统高效、可靠运行的重要保障。制冷剂的填充分为放泄、抽真空及填充三个阶段。

1）制冷剂放泄

将系统的高、低压接头与充氟设备相连接，打开接头将制冷剂放泄到充氟设备中，过滤收集后循环利用，避免对环境造成污染。在制冷剂放泄过程中，通常会有压缩机滑油流出，可通过设备对回收的滑油和氟进行分离并计量，以便在填充制冷剂时向系统补充同体积的滑油。

2）系统的抽真空

完成制冷剂的放泄后，还要将整个系统抽真空，目的是为了抽出系统中多余的制冷剂、水分及其他杂质。抽真空时，应尽可能地延长抽真空的时间，这样能更多地抽出水分或气体，防止残存的气体造成系统压力异常上升以及水分结冰后堵塞膨胀阀。完成抽真空后，可以在一定時间内观察真空度的变化，以此来判断有无渗漏。

3）制冷剂的填充

在确认系统没有泄漏后才可以进行制冷剂的填充。由于制冷剂对温度极其敏感，因此在不同的环境温度下需要填充的制冷剂的量是不同的。如果制冷剂添加过多，将增加压缩机和电机的负载，对设备造成损坏；如果添加过少，会影响系统的制冷效果。因此，需对照实时的环境温度，确定相应的制冷剂的量进行填充。填充制冷剂前还需补充压缩机滑油，滑油过少也会对压缩机的性能造成影响。填充时，可以通过观察窗观察干燥过滤器来判断制冷剂的量是否充足，如果还有气泡，便需要继续填充制冷剂。

2.3 系统的冲洗

由于压缩机工作时其内部不可避免地会产生碎屑，混合系统中的滑油、制冷剂后便会堵塞干燥过滤器、膨胀阀，影响制冷效果。因此，定期对系统进行冲洗在一定程度上能恢复空调系统的性能。冲洗时，一般使用干燥的氮气或专用的管路清洗剂，包括对系统管路、冷凝器和蒸发器绕管的冲洗。进行冲洗时，需要注意保护隔离膨胀阀，以免冲洗出来的杂质将膨胀阀节流口堵塞。

3 总结

虽然应用在飞机上的蒸发循环制冷系统在原理及工作方式上与家用空调基本一致，但是由于其使用环境及工作负载不同，对整个制冷系统性能和维护的要求会更高。因此，只有有的放矢地对蒸发循环制冷系统每个部件及阶段进行维护，才能提高维护质量。

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作者简介

赵继超，工程师，主要从事航空器适航维修与工程研究。

字锦烽，助理工程师，主要从事航空器适航维修与工程研究。

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