汽車空調

汽車空調系統，是汽車上安裝的一套車內環境控制系統，有通風、製冷、採暖、過濾空氣、除霜、除霧等功能。該系統主要由壓縮機、冷凝器、貯液乾燥器、膨脹閥、蒸發器、連接管路、通風系統和控制系統所組成。

## 歷史

1933年，美國紐約市的一家公司首次開始為汽車提供安裝冷氣（空調）的服務。他們的大多數客戶都是豪華轎車和高級房車的車主。

1935年10月7日，紐約州水牛城侯德工程公司（Houde Engineering）的拉爾夫·皮奧（Ralph Peo）申請了一項「汽車空氣冷卻裝置」的專利。該申請於 1937 年11月16日獲得批准，專利號為美國專利第2,099,227號。

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1939年，帕卡德（Packard）汽車公司成為第一家在1940年車款中提供「選配」冷氣裝置的汽車製造商。這些體積龐大的冷氣系統是由俄亥俄州克里夫蘭的畢曉普與巴布科克公司（Bishop and Babcock，簡稱B&B）所製造，當時大約有2,000輛車訂購了這項配置。這款名為「畢曉普與巴布科克氣候調節系統」的裝置同時也整合了暖氣功能。當時訂購這項選配的車輛，會先從帕卡德位於東大林蔭大道（East Grand Boulevard）的工廠出廠，運送到 B&B 的工廠進行冷氣安裝。安裝完成後，車輛才會被運送到當地的經銷商，最終交付給客戶。

帕卡德為這項改裝提供了保修與技術支持。然而，它在商業上並未取得成功，原因如下：

· 主蒸發器和鼓風機系統佔用了高達一半的行李箱空間（儘管隨著戰後時期行李箱空間的增大，這個問題變得沒那麼嚴重了）。

· 它在戰後幾年被更高效的系統所取代。

· 除了關閉鼓風機外，它沒有溫控器（恆溫器）或任何關閉機制。（由於傳動皮帶與壓縮機是持續連接的，只要車輛行駛，冷空氣有時仍會進入車內——後來的系統採用了電控離合器來避免這種情況）。

· 在發動機艙與行李箱之間來回延伸數英尺長的管路，在實際使用中被證明不夠可靠。

· 其售價高達274美元（相當於2025年的6,342美元），對於大蕭條及二戰前時期的多數美國人來說是無法負擔的。

· 該選配項目在1941年後停產。

### 克萊斯勒艾爾坦普

繼帕卡德在1940年以及凱迪拉克在1941年進行了嘗試性實驗之後，1953年的克萊斯勒帝王成為十二年來首批將現代汽車空調作為選配項目的量產車之一。沃爾特·克萊斯勒曾在20世紀30年代為克萊斯勒大廈發明瞭艾爾坦普空調系統，並曾於1941至1942年間在汽車上提供該配置，隨後在1951至1952年間再次推出。

到1953年，艾爾坦普已經比競爭對手的汽車空調更加先進。它僅由儀錶盤上一個標有低、中和高檔位的單一開關來控制。作為當時製冷量最高的汽車空調，該系統能夠迅速冷卻車廂，同時還能降低濕度、減少灰塵、花粉和菸草煙霧。與同時代的系統相比，該系統能引入更多的外部新鮮空氣，從而減少了當時汽車空調常有的沉悶感。它沒有像通用汽車那樣在後車窗置物架上安裝塑料風管，而是通過微型管道將冷空氣導向車頂，使冷氣在乘客周圍緩慢沉降，而不是直接對著人吹——這項優秀的設計在現代汽車上已經失傳了。

1953年，凱迪拉克、別克和奧茲摩比都將空調作為其部分車型的選配項目。所有這些由富及第（Frigidaire）製造的空調系統，都採用了發動機艙與行李艙分離安裝的部件結構。

### 納什整合式系統

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1954年，納什大使（Nash Ambassador）成為第一輛配備前置、全整合式暖通空調系統的美國汽車。納什-凱文奈特公司利用其在製冷領域的豐富經驗，為其納什車型推出了汽車工業首款緊湊且經濟實惠的單體式暖通空調選配系統。這是第一款配備儀錶盤控制鍵和電控離合器的大眾市場空調系統。該系統同時具備緊湊與易於維修的特點，其所有部件均安裝在引擎蓋下方或擋風玻璃下側的前圍板區域。

新款納什汽車的空調系統集暖氣、製冷與通風於一體，被命名為全氣候之眼。該命名沿襲了納什自1938年開始啟用的汽車暖通空調系統的營銷名稱—氣象之眼。憑藉單一的恆溫控制鍵，這款納什車廂選配的空調系統成為了一套「優秀且極其廉價」的系統。系統產生的冷氣會通過安裝在儀錶盤上的出風口進入車廂。納什的「顯著進步」不僅在於這套「先進的」一體化系統，更在於其345美元的售價，這一價格擊敗了當時所有其他的空調系統。

大多數競爭對手的系統都採用獨立的暖氣系統和安裝在發動機上的壓縮機（由發動機曲軸通過皮帶驅動），並將蒸發器安裝在汽車後備箱中，通過後座置物板和車頂出風口輸送冷氣。通用汽車在1954年款搭載直列八缸發動機的龐蒂克（Pontiac）汽車上，推出了由其夏利遜部門（Harrison Division）製造的前置式空調系統。該系統價格非常昂貴，且並非完全與供暖一體化的系統，具有單獨的控制鍵和分配空氣的風管。供暖系統仍為獨立的座椅通風系統或前排座椅下方系統，並配有自己的控制鍵。而由納什首創的一體化交替使用佈局則「成為了行業慣例，並繼續構成現代先進汽車自動氣候控制系統的基礎」。

### 應用增長

這項創新技術迅速得到普及。到1960年，美國約有20%的汽車配備了空調，而在氣候炎熱的西南部地區，這一比例更是高達80%。

凱迪拉克在1964年款車型上推出了業界首款「舒適控制系統」，這是一個完全自動化的暖氣與冷氣系統，使用者只需通過刻度盤式恆溫控制器即可進行設定。

美國汽車公司( AMC)從1964年款車型開始，將空調列為所有AMC大使車型的標準配置，這在當時大眾汽車市場是一項創新舉措。在那個時期，空調僅在凱迪拉克豪華轎車和勞斯萊斯上才是標準配置。

到1969年，高達54%的美國本土生產的汽車都配備了空調。這一配置不僅是為了乘客的舒適體驗，同時也是為了提升汽車的二手轉售價值。

汽車空調自1980年代開始在美國廣泛投入使用，而在其他地區的普及速度則相對較慢。到1990年，在歐洲售出的汽車中，配備空調的車輛還不足8%。

### 蒸發式冷卻

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車用冷卻器是一種汽車蒸發式冷卻器，有時也被稱為「濕簾式冷卻器」。大多數這類設備都是價格相對低廉的售後加裝配件，其結構通常為一個安裝在車窗外部、不含活動部件的金屬圓筒；不過，市場上也有提供安裝在儀表盤下方或車地板中央、帶有電風扇的車內機型。它是早期汽車空調的一種類型，而如今依賴製冷劑系統（壓縮機製冷）來冷卻車內空間的現代汽車已不再使用這種設備。

它利用潛熱（換句話說，即通過水蒸發來冷卻）來降低空氣溫度。冷卻器內部的液態水蒸發時，會在該過程中吸收並轉移周圍空氣的熱量。隨後，這種涼爽且富含水分的空氣會被導入汽車內部。這種蒸發「冷卻」的效果會隨著環境相對濕度的增加而減弱。因此，環境濕度越低（例如在乾燥的沙漠地區），該系統的運作效果就越好。車用冷卻器曾非常受歡迎，特別是在夏季前往或穿越美國西南部各州（包括加利福尼亞州、亞利桑那州、德克薩斯州、新墨西哥州和內華達州）的遊客當中。

## 運行原理

在製冷循環中，熱量會從車廂內被輸送到外部環境中，這與冰箱將熱量從內部移出並排放到周圍環境中的原理是類似的。

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從蒸發器流出的製冷劑氣體（在流經整個系統時，也會一併帶走壓縮機的潤滑油）會進入通常位於發動機艙內的製冷壓縮機。這裡通常採用軸向活塞泵式壓縮機，它會將製冷劑氣體壓縮至更高的壓力，從而也導致其溫度升高。這種高溫、高壓的製冷劑蒸氣此時已達到了可以被冷凝的溫度和壓力，隨後會被導入冷凝器中。冷凝器通常安裝在汽車散熱水箱的前方，作為首要的排熱部件，並充分利用汽車行駛時的車速。在這裡，流經冷凝器表面的空氣（這些空氣源於車輛的行進，或來自風扇——如果冷凝器安裝在散熱水箱上，通常會共用冷卻水箱的風扇，並在車輛靜止或低速行駛時自動開啟）會為製冷劑降溫，使其冷凝成液體。這樣循環運行的製冷劑便將車廂內部的熱量排出，並由經過冷凝器的空氣將這些熱量帶走、釋放到外部環境中。

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在熱力膨脹閥空調系統中，高壓液態冷媒接下來會被輸送到儲液乾燥器，也就是一個單向的乾燥過濾筒，它既能為冷媒與潤滑油的混合物進行脫水，以去除系統中殘留的任何水分（這些水分若未在充注過程前的抽真空作業中成功清除，會在膨脹閥內部結冰並進而導致堵塞），又能對其進行過濾以去除混合物所攜帶的任何固體微粒；此外儲液乾燥器在低負荷期間還能充當多餘冷媒的儲存容器。然後冷媒流經熱力膨脹閥，在此經歷壓力的驟降。該壓力降低會導致部分液態冷媒發生閃蒸，從而降低其溫度。隨後，低溫冷媒會被導向車廂內的蒸發器盤管。

當膨脹裝置為簡單的固定孔板時，儲液乾燥器會改為設置在蒸發器出口與壓縮機之間，在此情況下，它被稱為低壓儲液罐。在這種汽車空調系統中，儲液罐還能在低製冷需求期間，防止液態冷媒流入壓縮機。

經過汽車冷氣濾網後的空氣，會由一個可調速的鼓風機吹向蒸發器。這使得低溫冷媒蒸發，進一步降低了蒸發器的溫度。因此，熱空氣會被冷卻，同時去除其中的濕氣，水分會凝結在蒸發器盤管上並排出車外。隨後，這股冷空氣會通過熱交換器（內有發動機冷卻循環液），在此處空氣可以被重新加熱到某個程度，甚至達到使用者所設定的特定溫度，最後通過一組可調式出風口送入車廂內。另一種調節空氣溫度的方法是通過影響系統的製冷能力來達成，就是精確調節離心風扇的轉速，讓蒸發器只冷卻必要的空氣流量。此外，使用者還可以選擇開啟內循環模式來關閉車輛的新風擋板，將車內已經冷卻的空氣重新送回蒸發器進行循環，從而達到更快、更強的冷卻效果。最後，只要壓縮機具備可變排量的功能，系統也能透過調整壓縮機的排量，來達到控制出風口溫度的目的。

蒸發器結冰會導致空氣無法流過蒸發器散熱片，可以通過不同的方法來防止這一現象。可以利用溫度開關或熱敏電阻來監控蒸發器盤管的表面溫度。也可以利用壓力開關或感溫元件來監控吸氣壓力（該壓力與製冷劑的蒸發溫度直接相關）。這兩種控制手段都可以作用於壓縮機離合器的接合狀態；或者在採用可變排量壓縮機的情況下，改變其排量。此外，位於吸氣側的輔助閥也可以對製冷劑流量進行節流，從而確保系統運行期間蒸發器的出口壓力不會低於某一特定值。

為了完成製冷循環，氣態製冷劑會被輸送回壓縮機中。到達蒸發器的空氣溫度越高，從中排出的氣液混合物的壓力就越高，因此壓縮機為了維持製冷劑在系統中的循環所承受的負荷就越大，進而導致發動機的負荷也隨之增大。此外，壓縮機負荷與冷凝溫度也成正比。

壓縮機可以由汽車發動機驅動（例如通過皮帶，通常是蛇形皮帶，並配合電磁離合器進行驅動；此外，電控變排量壓縮機也可以始終由皮帶直接驅動，完全不需要任何離合器和電磁鐵），或者由電動機驅動。

為了確保製冷循環的正常運行，有多種不同的管道連接修復與維護方法。傳統的焊接或釺焊方法不僅耗時，還會帶來破壞性的污垢問題。而基於壓接接頭的洛克環連接技術操作簡便，因此更加高效省時。

## 保養、衛生與清潔

### 製冷劑

汽車空調系統需要特殊的維護。通常情況下，製冷劑的自然損耗量很小，不會產生影響。但每隔二到四年，就應該對系統進行一次全面檢查，看是否存在洩漏或損耗；至少在發現製冷效果下降時，必須進行檢查。

### 衛生控制

汽車空調系統中的生物滋生只能在有限的時間內被抑制，因此必須定期採取衛生防護措施。德國工程師協會（VDI）的VDI 6032標準針對車載空調系統的最新衛生保養技術提供了全面概述。一次定期且專業的汽車空調系統衛生檢查包括：檢查冷凝水排水管路、每年清洗一次空調蒸發器，以及更換車內空氣濾清器（空調濾芯/花粉濾清器）。特別是必須確保空調蒸發器的冷凝水能夠順暢排出，否則水分會滯留在系統內部，從而為微生物的滋生提供了溫床。

由於其物理結構特性，汽車空調蒸發器所具有的冷凝水強制分離功能在健康與衛生方面發揮著極其重要的作用。因此，必須定期對空調蒸發器進行清潔，以確保其中斷蒸發器表面的生物繁殖，並安全去除積聚在翅片上的細菌分解產物（內毒素）以及黴菌代謝產物（黴菌毒素）。

### 衛生級空調清潔

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定期對車輛通風系統進行衛生清潔，不僅在邏輯上完全合理，也是德國工程師協會在VDI 6032技術指南與標準中所明文規範的。灰塵、（動物）毛髮和/或黴菌、皮屑等微粒會殘留在濾網及周圍的壁面上。這會使空調系統迅速變成髒污與病菌的散播源。在定期保養中僅更換空調系統的空氣濾網是遠遠不夠的。最遲每 24 個月，必須對濾網盒進行專業清潔，並使用不含香精（過敏原）的清潔劑對空調系統蒸發器進行衛生且有效的沖洗。通過符合現行最新技術的專業空調系統清潔，黴菌、病菌、細菌以及其他會產生異味的物質或沉積物，都能在源頭處被徹底沖洗乾淨。這是確保車內達到所需室內空氣衛生標準的唯一方法。此外，選擇經過認證的清潔劑和方法也至關重要。VDI在修訂的VDI 6032空調系統清潔標準中，對此也有明確的說明。採用此方法時，會通過探針注入清潔液，對空調蒸發器進行全面的沖洗。沖洗後的蒸發器將如同新零件般乾淨，且完全沒有任何會形成培養基的沉積物或物質。唯有結合「機械式清潔」與「清潔劑」，才能確保清潔效果。與此同時，若未妥善清潔,駕駛員與所有乘客都將暴露於隱形的健康風險之中。「為了達到有益健康的送風品質，必須定期對空調系統進行……專業的……清潔。」

### 空氣濾網面臨的挑戰

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若沒有定期更換（每年一到兩次）空氣濾網，其外觀通常就會像圖中所示，會成為滋生病菌的溫床，尤其是黴菌。花粉在濾網中停留達 12 週內便會開始分解，而這個分解過程會釋放出其核心的過敏原。這些過敏原的微粒尺寸非常小，是花粉濾網無法有效阻擋的。當氣流通過花粉濾網時，會導致車內空氣品質變得越來越差。特別是那些長期使用且嚴重超載的濾網，會產生小於濾網過濾效能的微粒。這些微生物、花粉、病菌和細菌的微粒會穿透濾網的乾淨空氣側，直接釋放到汽車冷氣系統蒸發器的潮濕表面環境中。因此，冷氣蒸發器每年也應該安排一次專業的清洗。

### 汽車冷氣蒸發器面臨的挑戰

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同樣的道理也適用於未定期接受專業清洗的冷氣蒸發器。細菌同樣會在蒸發器表面沉積，並由於該部件持續保持潮濕，進而導致生物不斷滋生。如果對蒸發器清洗不當或使用不合適的清潔劑，也會引發衛生問題。過於強烈的清潔劑會損害蒸發器翅片的保護塗層，這可能會改變冷凝水的滴落角度，並增加蒸發器上的排水量。其結果會導致帶有細菌污染的冷凝水流向錯誤，並積聚在冷氣系統內意想不到的地方。

車主必須親自確保，車廠在進行保養檢查或即將更換空氣濾網時，有沒有採用德國工程師協會（VDI）所推薦的化學機械工法，對冷氣系統進行衛生清潔。由於上述方法在日常修車廠實務中尚未普及，目前所謂的「一鍵式噴霧罐」（快乾式冷氣抗菌除臭劑）正大受歡迎。這不僅僅是因為瓶身印有「冷氣清潔劑」的字樣。這類噴霧罐的噴出物質只會隨機散佈在車廂內並沉積於各處。而那些真正能通過循環空氣進入空調系統的部分，最終也只會停留在冷氣濾網上。使用這種方法，根本沒有任何清潔成分能到達蒸發器。一鍵式噴霧罐實際上只是在車內散播香精和香氣而已。唯有將機械式壓力沖洗與合適的清潔劑直接作用於蒸發器上，才能達到預期的清潔效果。

## 能耗

儘管冷氣本身會消耗顯著的電力，汽車在關閉車窗並開啟冷氣時的風阻，其實小於打開車窗讓乘客吹風散熱時的風阻。

這裡有許多關於安裝汽車冷氣及其在使用時對車輛燃油效率影響的辯論。若要在估算實際油耗時找出使用與不使用冷氣系統之間的真實差異，必須考慮諸多因素，例如：增加的風阻、導致引擎運行效率降低的引擎動力負載、因引擎動力負載增加而導入車廂的額外熱負載，以及增加的重量。其他因素也可能會影響引擎，而引擎整體的溫度升高則會進一步影響車輛的冷卻系統。

在現代汽車中，空調系統會消耗大約4匹馬力（3.0kW）的引擎動力，來排除計算出的車廂冷負荷，進而增加了車輛的燃油消耗。