G1-06 CO₂ 与 R290 压缩机的特殊设计要点

课程代码 G1-06 · 板块 G 总成级产品专题 / G1 电动压缩机 时长 约 4 小时（5 讲 + 1 次双路线对照实操） 适合对象 结构 / 系统 / 安全工程师；做天然工质压缩机与新工质架构的人（专家选修） 前置 G1-01 涡旋结构与原理；H7-03 制冷剂演进（R134a→R1234yf→R744→R290） 本讲义定位 讲师授课蓝本 / 学员自学讲义，是 G1-06 大纲的完整展开版

引言：两条低 GWP 路，各有各的命门

R1234yf 的时代还没完全展开，产业已经在往它后面看了。低 GWP 是大势，但"低 GWP"这三个字底下，藏着两条完全不同的技术路线：CO₂（R744）和R290（丙烷）。这两个都是天然工质，环保账都很漂亮，但它们对压缩机提出的要求，几乎是两个方向——一个是"扛得住"的问题，一个是"点不着"的问题。

CO₂ 的麻烦在物理特性：它的临界温度低，车用空调的工况下，高压侧大概率跑到超临界区，压力量级上到十兆帕以上，这是 R1234yf 压缩机想都不用想的量级。R290 的麻烦不在物理特性——它的热力学表现其实相当友好，麻烦在安全分类：它是 A3 高可燃工质，一旦泄漏遇到点火源，后果不是"制冷效果差"，是"起火"。

如果你只学过 R1234yf（A2L，微可燃）压缩机的设计套路，直接照搬到这两条路线上，大概率会栽两个不同的跟头：CO₂ 那边结构强度扛不住压差，R290 那边埋下点燃隐患。这门课要讲清楚的，就是这两条路线各自"特殊"在哪里，以及为什么不能用同一把尺子去量。

第 1 讲　CO₂ 跨临界循环基础

在讲压缩机结构之前，必须先讲清楚 CO₂ 循环本身的特殊之处——结构设计的每一条特殊要求，都是从循环特性反推出来的，不理解循环，就理解不了为什么壳体要重新做。

1.1 高压侧超临界、无冷凝：gas cooler 而不是冷凝器

常规亚临界系统（R1234yf、R134a）的高压侧，工质在冷凝器里发生等温相变——气体放热变成液体，压力和温度在相变过程中基本不变（饱和态）。CO₂ 系统在车用空调常见工况下，高压侧压力已经超过了临界压力，工质处于超临界态，不存在气液两相共存的相变过程。

这意味着 CO₂ 高压侧的换热器不再是"冷凝器"，而是 gas cooler（气体冷却器）——工质在里面是变温放热，进口温度高、出口温度低，但整个过程中压力基本不变、温度连续下降，没有一段"温度不变、只脱热"的相变平台。这个差异看似是换热器侧的事，但它直接决定了系统的压力等级：既然不能靠"维持饱和压力"来控制高压侧状态，CO₂ 系统的高压侧压力会跟着环境温度和排气量走得更高更猛烈，这就引出下一条。

1.2 压力量级十兆帕以上、而压比不大

CO₂ 系统的高压侧压力量级在十兆帕以上，这比亚临界系统的工作压力高出一个数量级还不止。但有意思的是，CO₂ 系统的压比（排气压力/吸气压力）并不大——甚至比亚临界系统还要小。

这是本讲最容易被直觉误导的一点：多数工程师看到"CO₂ 高压这么猛"，第一反应是"压缩机的压缩比一定很吓人"，恰恰相反。压力绝对值高，不等于压比大。压比小，意味着单级压缩的做功负担相对较轻；但压力绝对值高，意味着整个壳体、密封、管路要在一个高得多的基准压力上工作。这两件事必须分开看，第 2 讲会讲这一点对压缩机结构设计的具体含义。

1.3 大压差、小排量：吸气密度高换来的空间

CO₂ 的吸气密度远高于常规工质，这带来一个直接的工程后果：体积制冷量大。同样制冷量需求下，CO₂ 压缩机的排量可以做得比常规工质压缩机小很多——这是 CO₂ 系统的一个"甜头"：压缩机可以更紧凑。

但天下没有免费的午餐。排量小换来的，是压缩机必须在更高的压力等级、更大的压差下工作——大压差、小排量是 CO₂ 压缩机的典型画像。压差大，直接体现为壳体承压需求高、轴向力大（第 2 讲展开）。理解这个"小身材、扛大压差"的组合，是理解 CO₂ 压缩机结构设计一切特殊之处的钥匙。

1.4 跨临界循环在 log p-h 图上的走法

在 log p-h 图（压焓图）上，亚临界循环的高压侧是一条贴着饱和线的水平线段（等压等温冷凝）；CO₂ 跨临界循环的高压侧，则是一条斜穿超临界区、既不贴饱和线也不等温的曲线——压力基本不变，但焓值（对应温度）连续下降，整条线在临界点右上方，完全脱离了两相区。

这个图形上的差异，正是"跨临界"这个名字的来源：循环的高压侧跨过了临界点所在的压力，低压侧仍然在饱和区蒸发（这一点和亚临界系统一样）。理解这张图，你才能理解为什么 CO₂ 系统不能简单套用亚临界系统的"过冷度""冷凝温度"这些概念去描述高压侧状态——这部分内容与 A1-04（制冷循环基础）、H7-04（CO₂ 跨临界系统工程要点）是配套的，本课不重复展开循环本身，聚焦压缩机怎么响应这些特性。

本讲小结：CO₂ 跨临界循环的三个关键事实——高压侧超临界无冷凝（走 gas cooler 变温放热）、压力量级十兆帕以上但压比不大、吸气密度高带来体积制冷量大（排量可小但要扛高压差）。这三条共同决定了第 2 讲要讲的压缩机结构特殊要求。