民用航空器蒸發循環制冷系統及其維護

趙繼超 字錦烽

摘要：憑借其獨特的優勢，蒸發循環制冷系統在民用航空器上的應用越來越廣泛。但該系統容易出現泄漏，在可靠性方面存在不足，維護也較為復雜。本文在對該系統各部件特點深入了解的基礎上，對各個工作環節提出有針對性的維護建議，可以切實提高系統的維護質量，增加其運行可靠性。

關鍵詞：制冷；蒸發循環制冷系統；制冷劑；壓縮機

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

0 引言

與大中型民航客機上常見的空氣循環制冷系統相比，蒸發循環制冷系統的應用并不廣泛，但蒸發循環制冷系統具有地面制冷效果好、對發動機功率影響小、溫度調節精度高等優點。因此在通航飛機中廣泛應用，在某些軍用飛機及客機的電子設備艙中也有其蹤影。

1 蒸發循環制冷系統的基本原理及組成

1.1 基本原理

早期蒸發循環制冷系統使用的制冷劑是R12（二氟二氯甲烷），會破壞臭氧分子。現在普遍使用的是對臭氧沒有破壞、不可燃、化學穩定性更好的R134a（四氟乙烷）制冷劑。蒸發循環制冷主要是通過液態制冷劑的相變來吸收環境中的熱量，從而達到降低溫度的目的。主要涉及蒸發和冷凝這兩個作用相反的物理學過程，蒸發是指物質從液態轉化為氣態的相變過程，冷凝是使熱物體的溫度降低而發生相變的過程，通常指物質從氣態變成液態的過程。常見的蒸發循環制冷系統一般由壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥和干燥過濾器組成（見圖1）。

1.2 系統組成

1）壓縮機

壓縮機是蒸發循環制冷系統的心臟，是制冷劑流動的動力來源。壓縮機一般為斜盤式，帶有多個氣缸，并配有鋁制外殼以減輕重量。工作時，電機輸出的扭矩通過皮帶傳遞給壓縮機的主軸，由主軸帶動斜盤轉動，推動活塞做軸向往復運動，從而完成壓縮機的吸氣、壓縮、排氣過程。其中，可以通過改變壓縮機斜盤的角度對制冷功率進行控制。當需要提高制冷功率時，壓縮機的控制閥會增加內部壓差，使斜盤角度變大，壓縮量也隨之增大。反之，當系統不需要制冷時，控制閥將斜盤兩端的壓力卸荷并維持制冷劑流動的最低壓力，以保證壓縮機能得到正常潤滑。壓縮機在運行時，其活塞和氣缸壁、斜盤和活塞、主軸和軸承等運動部件之間都存在摩擦，因此需要對這些運動部件進行潤滑。

2）冷凝器

冷凝器的作用是完成系統的熱交換。在冷凝器中，除了通過熱傳導性能優異的銅制繞管來加大散熱面積外，還通過一個風扇抽吸外界空氣來加快空氣的對流，加速散熱將熱量帶走。系統工作時，高溫高壓的氣態制冷劑從壓縮機流出進入到冷凝器的銅制繞管中，與外界沖壓空氣進行對流換熱。隨著壓縮機開始運轉，冷凝器中就會產生高溫、高壓的氣體，因此離不開外界沖壓空氣對其進行散熱，所以冷凝器的風扇都是與壓縮機一起啟動，但不與壓縮機同時停止運轉。

3）蒸發器

蒸發器是負責吸收座艙內空氣熱量的設備，主要由銅管、鋁管及散熱鋁片組成。散熱鋁片套在銅管或鋁管上，再采用脹管工藝增大管子直徑，以最大限度地貼近散熱鋁片，減小兩者間隙。制冷劑在管子內部流動，外界空氣則通過散熱片將自身的熱量間接傳遞給制冷劑。具體的傳遞過程為：空氣流過蒸發器散熱片，由于空氣溫度高，散熱鋁片溫度低，空氣將熱量以對流換熱的方式傳遞給散熱鋁片；鋁片在得到熱量之后，將熱量熱傳導給溫度更低的銅管，熱量又以對流換熱的方式從銅管傳遞給制冷劑。為了讓蒸發器能充分地進行對流換熱，還配有鼓風機，將座艙內的空氣吸入蒸發器，鼓風機可根據不同的制冷溫度改變轉速。另外，在蒸發器工作時，客艙內空氣中的水分會在蒸發器的管路上冷凝成液態水，從而起到除去空氣中水分的作用。利用這個特點，蒸發循環制冷系統也可用于飛機駕駛艙風擋的除霧。

4）膨脹閥

膨脹閥是制冷系統中高低壓制冷劑的分界點，從冷凝器出來的低溫、高壓液體經過膨脹閥后，變為低溫、低壓霧狀液體，再進入蒸發器中。在制冷系統工作時，由于制冷劑的熱負荷以及壓縮機的轉速一直在變化，為了保持座艙內溫度穩定及有效地制冷，膨脹閥需要自動調節制冷劑的流量，從而完成制冷循環（見圖2）。膨脹閥通過內部的感溫包來感受蒸發器出口制冷劑的溫度，感溫包和毛細管內部制冷劑隨著不同的溫度而熱脹冷縮，從而改變其壓力。制冷劑的壓力通過膜片間接作用在節流閥的閥芯上，通過與作用在節流閥閥芯下部的熱力彈簧的彈力進行比較，控制節流閥的開度，實現對制冷劑流量的精準控制。

5）干燥過濾器

干燥過濾器的作用是干燥和過濾系統中存在的水分及雜質，保證制冷劑的干燥與清潔。干燥過濾器安裝在冷凝器的后面，處于系統的高壓管路中，因此一般選用結構強度較高的鋼制殼體，其內部裝有豎管、過濾器和干燥裝置。為了方便觀察制冷劑的添加量，還會安裝透明的觀察窗。在制冷系統中，不可避免地存在水分，水分會導致潤滑油和制冷劑發生化學反應，制冷劑分解出酸，腐蝕壓縮機部件；當系統內溫度較低時，水會在系統內部結冰，阻礙制冷劑在系統內部的循環流動。除此之外，制冷系統在生產制造過程中，其內部管路還存在一些微量碎屑或由于填充的制冷劑不干凈而帶入一些異物。當這些雜質在制冷劑的循環流動下被聚集到一起時，會造成系統臟堵，影響制冷效率。因此，干燥過濾器中都會安裝過濾裝置，以過濾系統中的雜質。由于制冷負荷以及壓縮機轉速經常發生變化，干燥過濾器就起到了臨時存放液態制冷劑、調節系統制冷劑供給的作用。通常，系統在工作初始，受到的熱負荷比較大，需要制冷劑的量較多，此時干燥過濾器中的液態制冷劑就能及時補充進系統中并參加制冷循環；系統工作一段時間，熱負荷降低，需要的制冷制也相應減少，多余的制冷劑暫時以液態形式存放在干燥過濾器中。此外，當系統中的制冷器有少許泄漏時，干燥過濾器也能起到給系統補充制冷劑的作用，以保證系統的正常工作。

2 日常維護及注意事項

由于蒸發循環制冷系統對整體密封性的要求很高，加上飛機座艙內高溫、密閉等極端環境會對其造成額外負載，容易出現制冷劑泄漏、部件磨損等狀況，因此需要對其進行日常的維護檢查。

2.1 日常維護

蒸發循環制冷系統的日常維護工作主要包括：對蒸發器濾網的清潔、壓縮機電機的檢查、皮帶張力的調整等。另外，干燥過濾器也需要定期更換，這是由于制冷劑R134a溶水性較高，即使遇到少量水分，在潤滑油的作用下，也會產生酸、二氧化碳或一氧化碳，對金屬產生腐蝕或鍍銅。壓縮機工作時，其部件之間會因磨損產生碎屑，在干燥過濾器的過濾裝置性能變差后，會有一些雜質流入系統中，堵塞膨脹閥的節流口。節流口相對較細小，容易被堵塞，堵塞后將導致感溫包對內部制冷劑的熱脹冷縮過程不敏感，造成膨脹閥對制冷劑流量的控制不精確、不及時，使空調系統制冷效果變差。

2.2 制冷劑的填充

在進行上述日常維護時，還涉及制冷劑的放泄和填充，因此制冷劑的填充質量也是蒸發循環制冷系統高效、可靠運行的重要保障。制冷劑的填充分為放泄、抽真空及填充三個階段。

1）制冷劑放泄

將系統的高、低壓接頭與充氟設備相連接，打開接頭將制冷劑放泄到充氟設備中，過濾收集后循環利用，避免對環境造成污染。在制冷劑放泄過程中，通常會有壓縮機滑油流出，可通過設備對回收的滑油和氟進行分離并計量，以便在填充制冷劑時向系統補充同體積的滑油。

2）系統的抽真空

完成制冷劑的放泄后，還要將整個系統抽真空，目的是為了抽出系統中多余的制冷劑、水分及其他雜質。抽真空時，應盡可能地延長抽真空的時間，這樣能更多地抽出水分或氣體，防止殘存的氣體造成系統壓力異常上升以及水分結冰后堵塞膨脹閥。完成抽真空后，可以在一定時間內觀察真空度的變化，以此來判斷有無滲漏。

3）制冷劑的填充

在確認系統沒有泄漏后才可以進行制冷劑的填充。由于制冷劑對溫度極其敏感，因此在不同的環境溫度下需要填充的制冷劑的量是不同的。如果制冷劑添加過多，將增加壓縮機和電機的負載，對設備造成損壞；如果添加過少，會影響系統的制冷效果。因此，需對照實時的環境溫度，確定相應的制冷劑的量進行填充。填充制冷劑前還需補充壓縮機滑油，滑油過少也會對壓縮機的性能造成影響。填充時，可以通過觀察窗觀察干燥過濾器來判斷制冷劑的量是否充足，如果還有氣泡，便需要繼續填充制冷劑。

2.3 系統的沖洗

由于壓縮機工作時其內部不可避免地會產生碎屑，混合系統中的滑油、制冷劑后便會堵塞干燥過濾器、膨脹閥，影響制冷效果。因此，定期對系統進行沖洗在一定程度上能恢復空調系統的性能。沖洗時，一般使用干燥的氮氣或專用的管路清洗劑，包括對系統管路、冷凝器和蒸發器繞管的沖洗。進行沖洗時，需要注意保護隔離膨脹閥，以免沖洗出來的雜質將膨脹閥節流口堵塞。

3 總結

雖然應用在飛機上的蒸發循環制冷系統在原理及工作方式上與家用空調基本一致，但是由于其使用環境及工作負載不同，對整個制冷系統性能和維護的要求會更高。因此，只有有的放矢地對蒸發循環制冷系統每個部件及階段進行維護，才能提高維護質量。

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作者簡介

趙繼超，工程師，主要從事航空器適航維修與工程研究。

字錦烽，助理工程師，主要從事航空器適航維修與工程研究。

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