Сквозь жару: рождение автокондиционера

За два десятка лет работы в инженерном отделе нескольких марок регулярно сталкиваюсь с жалобами на перегрев салона. Когда температура асфальта уходит за сорок, любое шасси превращается в духовку. Подобные условия стимулировали поиск охлаждающего контура ещё при рождении автопрома.

В дореволюционных экипажах открытые кузова допускали сквозняк, однако пыль и копоть прилипали к одежде. Герметичный кузов исправил проблему грязи, а воздух внутри перестал двигаться. Инженеры начали подбирать решения: от примитивных форточек до пористых сосудов с испаряемой водой.

Первая искра идеи

Первым патентом, прямо называющимся автомобильным кондиционером, стала заявка инженера Уильямса в 1917-м. Он предложил заполнять термосифон хлористым кальцием, абсорбирующим влагу и тепло. Конструкция оказалась громоздкой, реагент вступал в реакцию с воздухом, выпуск не начался.

Опыты продолжались на автобусах и лимузинах. В 1933 году фирма «Кникербокер» установила испаритель над задней осью. Резервуар со льдом работал два часа, потом шофёр отыскивал заправку со свежими блоками замёрзшей воды. Такой подход устраивал таксистов на северо-востоке США, но производители легковушек стремились к автономному хладагенту.

Сердце системы

В 1939 модельном году Packard представил первый серийный вариант. Компрессор с кривошипно-поршневой группой, приводимый ремнём коленвала, перекачивал дихлордифторметан R12. Конденсор занимал фасад радиаторного короба, ресивер-осушитель прятался в нише крыла, испаритель с вентилятором скрывался в багажном отделении. Тёплый воздух уходил наружу через щели фонарей, охлажденныйй поступал в салон по алюминиевым трубкам под сиденьями.

Собственная масса агрегата достигала 113 килограммов, а цена равнялась половине стоимости базового восьмицилиндрового двигателя. Роскошная конструкция при таком уровне затрат задала основу нынешнего контура: компрессор → конденсор → дросселирующее устройство → испаритель → компрессор. Принцип основан на свойстве хладагента поглощать скрытую теплоту испарения при низком давлении и отдавать её при конденсации под высоким давлением.

По мере развития моторов инженеры боролись с паразитным моментом. Появились компрессоры с наклонным диском (swash plate) и переменным эксцентриситетом. Отбор мощности снижался пропорционально тепловой нагрузке. Параллельно менялся хладагент. R-12 содержал хлор, разрушающий стратосферный озон. С 1994 года легковушкам предписали переход на R-134a. Он не сжижался при –20 °C так же охотно, зато не атаковал озон. Многие фирмы ввели микро роторные компрессоры, уплотнённые тефлоновым кольцом, чтобы компенсировать иные вязкостные свойства жидкости.

Эра электроники

К началу двухтысячных механический термостат сменился контроллером с термисторами и датчиком энтальпии. Клапан расширения получил соленоид, управляемый широтно-импульсным сигналом. Добиться равновесия между расходом хладагента и температурой испарителя теперь удавалось без рывков компрессора, что понизило расход топлива на два-три процента.

Электромобили ввели новый архетип. Двигатель-компрессор переместился внутрь герметичного корпуса с высоковольтным инвертором, избавив коленвал от лишнего шкива. Контур одновременно охлаждает аккумуляторторный термоблок, салон и силовую электронику, перераспределяя поток через трёхходовой вентиль. Для такого режима выбран диоксид углерода R744, работающий при сверхкритическом давлении 100 бар. Плотность хладагента выше, поэтому трубки тоньше, а вес системы ниже на шесть-семь килограммов.

Отдельного упоминания заслуживает абсорбционный вариант на этиленгликолевом растворе бромида лития. Тепло от выхлопной трубы питало генератор абсорбера, снижая нагрузку на мотор. Однако прогрев занимал слишком долгое время в городском цикле, поэтому эксперимент не вышел за рамки лаборатории.

Подытоживая вехи эволюции, отмечу: ключевую роль сыграла не одна гениальная идея, а последовательность небольших находок. Лекало бронзового компрессорного поршня, графитовый сальник, микрокапилляр в дроссельной трубке, цифровой шунт, поглощающий радиопомехи — в цифровом архиве завода каждый штрих напоминает о людях, ковавших климатический комфорт.

Наблюдая за прототипами водородных силовых установок, уже вижу интеграцию кондиционера в термопетлю топливного элемента. Аммиачный сублимат, проходя через алюминиевую решётку, подбирает теплоту пересыщенного водяного пара, а затем катализатор разлагает NH₃, освобождая холод. Подобная схема избавлена от углекислого следа и одновременно осушает водород.

Кондиционер перестал быть роскошью, которую демонстрировали только хозяева Packard. На инженерном жаргоне он называется HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning) узел. Без продуманной регулировки потока люди чувствуют усталость, снижая время реакции на дорожную обстановку. Чем точнее стабилизирована температура, тем выше шансы уйти от заноса на последнем повороте раллийного допа.

Дальнейшие исследования касаются твёрдофазных хладагентов, использующих эффект Мшаника-Колорика: феррит-гадолиниевый порошок меняет энтропию под влиянием магнитного поля и выделяет холод без летучих газов. Прототип, построенный в научно-исследовательском центре в Акури, выдаёт 3 кВт при массе 45 кг. Множество задач ещё впереди, но принципиальная возможность доказана.

Каждая инженерная школа вносила собственный штрих, напоминая оркестр, где трубы высокого давления перекликаются с флейтами капиллярных трубок. Гармония звучит лишь при точной настройке всех клапанов, и именно она дарит прохладу в разгар июльского зноя.