張萬杰，黎善友

（柳州五菱寶馬利汽車空調(diào)有限公司，廣西 柳州545002）

0 前言

此項(xiàng)目校車空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器屬于直接風(fēng)冷式換熱器，冷媒通過蒸發(fā)器的膨脹閥，高溫高壓的液態(tài)冷媒，轉(zhuǎn)化為低溫低壓的氣液兩相的冷媒，經(jīng)過蒸發(fā)器芯體，轉(zhuǎn)化為低溫低壓的氣態(tài)冷媒。冷媒由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，蒸發(fā)吸熱，帶走車?yán)锟諝獾牡臒崃浚捎诶淇諝饷芏却笥跓峥諝?，所以把空調(diào)系統(tǒng)安裝在車后頂，可實(shí)現(xiàn)空氣的自然循環(huán)過程，從而達(dá)到降溫的目的。

1 開發(fā)背景、開發(fā)目標(biāo)

1.1開發(fā)背景

此款小學(xué)生校車是在上一款后底置空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上重新開發(fā)的。后底置空調(diào)系統(tǒng)在使用的過程中存在一些問題。①后底置空調(diào)系統(tǒng)采用雙蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，兩個(gè)蒸發(fā)器總成安裝在車的后尾箱內(nèi)底部，芯體結(jié)構(gòu)為平行流式，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21361-2008汽車用空調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)[1]，如表1所示，進(jìn)行名義工況下的臺(tái)架試驗(yàn)，名義制冷量需達(dá)到6 500 W.由于車內(nèi)空間較大，玻璃輻射面積較大且整車密封性不佳，因此車子在使用過程中大量外部熱量進(jìn)入車內(nèi)，所以空調(diào)系統(tǒng)制冷量需加以提高。②其次由于回風(fēng)柵的回風(fēng)位置位于校車后底處，灰塵較多，長期的運(yùn)動(dòng)過程中，容易造成回風(fēng)柵積灰，影響回風(fēng)的通暢性，灰塵吸附于蒸發(fā)器總成芯體表面處，堵塞芯體翅片開窗角度，從而影響制冷效果。③后底置空調(diào)系統(tǒng)管路由于空間限制，高壓充注閥被車前格柵遮擋，造成只能從低壓側(cè)充冷媒，不方便高壓充注使用。因此開發(fā)此套小學(xué)生校車空調(diào)系統(tǒng)，需要在提高產(chǎn)品性能及在保證產(chǎn)品可靠性的前提下，重新設(shè)計(jì)蒸發(fā)器總成及管路布置走向。

表1 名義制冷工況[1]

1.2開發(fā)目標(biāo)

此款小學(xué)生校車開發(fā)目標(biāo)為：①按照J(rèn)T/T 216-2006《客車空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)條件》[2]的要求，按額定乘員數(shù)12人計(jì)算，所需空調(diào)制基本冷量為1 900～2 000 kJ/h*12=24 000 kJ/h=6 500～6 700 W.目前車型設(shè)計(jì)制冷量為額定6 500 W，處于標(biāo)準(zhǔn)下限。結(jié)合市場反饋，以及相比其他主機(jī)廠同系列車型，玻璃面積大10%以上考慮，對(duì)此系列空調(diào)系統(tǒng)制冷量升級(jí)——在標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上增加10%，因此得出全車額定制冷量需求為7 400 W.升級(jí)后此系列空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果將有提升，預(yù)計(jì)能達(dá)到同等車型水平。為了提升制冷性能，蒸發(fā)器芯體采用管片式結(jié)構(gòu)。②通過重新設(shè)計(jì)，采用車內(nèi)后頂式布置的形式，使得灰塵量很少，對(duì)蒸發(fā)器性能影響也較小，且避免了回風(fēng)柵在車底容易積灰的現(xiàn)象。③通過重新設(shè)計(jì)，系統(tǒng)管路的高、低壓充注閥分別位于壓縮機(jī)吸、排氣管處，方便充冷媒使用。

2 空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)內(nèi)容

2.1開發(fā)內(nèi)容

（1）空調(diào)系統(tǒng)按照GB/T21361-2008《汽車用空調(diào)器》標(biāo)準(zhǔn)測試，額定制冷量不小于7.5 kW，蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)不少于2個(gè)，總蒸發(fā)風(fēng)量≥900 m3/h，噪音＜75 dBA；壓縮機(jī)制冷量≥7.2 kW；冷凝器尺寸≤880 mm×85 mm×490 mm，散熱能力≥17 kW；蒸發(fā)器風(fēng)道與整車內(nèi)飾風(fēng)道配合對(duì)接順暢。

（2）空調(diào)系統(tǒng)制冷劑采用R134a，作為汽車空調(diào)使用最廣泛的中低溫環(huán)保制冷劑，完全不破壞臭氧層，是當(dāng)前世界絕大多數(shù)國家認(rèn)可并推薦使用的主流環(huán)保制冷劑，其毒性非常低，在空氣中不可燃，安全類別為A1，是很安全的制冷劑。

（3）風(fēng)道需重新設(shè)計(jì)，增加一個(gè)與蒸發(fā)器總成和整車內(nèi)飾風(fēng)道連接的過渡風(fēng)道。

（4）殼體需重新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一種蒸發(fā)器殼體裝配在蒸發(fā)器芯體外部，起到保護(hù)蒸發(fā)器芯體的作用，還要有合理的進(jìn)、出風(fēng)風(fēng)道分布，使得蒸發(fā)器芯體獲得最好的風(fēng)量分配，發(fā)揮出蒸發(fā)器最大的制冷效能。還要有順暢的排水流道及排水孔，使空調(diào)運(yùn)行時(shí)蒸發(fā)器芯體換熱過程中產(chǎn)生的冷凝水迅速排出。

（5）根據(jù)空調(diào)壓縮機(jī)及蒸發(fā)器總成的布置位置，重新設(shè)計(jì)整套空調(diào)系統(tǒng)管路的走向。

2.2布置形式

2.2.1蒸發(fā)器總成布置

蒸發(fā)器總成包含蒸發(fā)器芯體、膨脹閥、殼體、蒸發(fā)風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)風(fēng)機(jī)總成線束、溫度傳感器、固定安裝支架，如圖1所示。在滿足技術(shù)要求的前提下，進(jìn)行以下設(shè)計(jì)。

圖1 蒸發(fā)器總成的布置圖

（1）由于蒸發(fā)器芯體進(jìn)、出口管在車內(nèi)部需要與蒸發(fā)器進(jìn)口管、蒸發(fā)器出口管進(jìn)行連接，所以需要預(yù)留一部分空間，蒸發(fā)器總成安裝時(shí)并不是左右對(duì)稱的。

（2）雖然目前轎車已成熟應(yīng)用了很多新型高效的蒸發(fā)器，如層疊式、平行流式蒸發(fā)器，但由于其生產(chǎn)用工裝夾具前期投入大，時(shí)間長，而客車空調(diào)市場批量不大運(yùn)行環(huán)境差，故此項(xiàng)目空調(diào)蒸發(fā)器采用管片式結(jié)構(gòu)[3]。

此管片式蒸發(fā)器在有限的空間內(nèi)，合理進(jìn)行流道的布置，采用厚度為0.105 mm的鋁散熱片，片間的節(jié)距為1.8 mm，降低芯體重量，圓管采用內(nèi)螺紋式的銅管，增加芯體的換熱量，鋁散熱片采用波紋狀的親水鋁箔，增大其散熱面積，其套在圓型銅管上，用脹管的加工方式將鋁散熱片固定在管子上，達(dá)到與管壁緊密貼合的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)散熱目的。

（3）膨脹閥選用外平衡熱力膨脹閥。根據(jù)設(shè)計(jì)，蒸發(fā)器芯體采用管片式結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)由進(jìn)口分液頭和出口分液頭組成，由于芯體有較長的管程，流動(dòng)阻力大，會(huì)產(chǎn)生一定的壓力降，壓力降過大，會(huì)使盤管出現(xiàn)缺液狀態(tài)，所以采用帶有外平衡管的熱力膨脹閥，這樣才能使膨脹閥向盤管提供適量的制冷劑。熱力膨脹閥的外平衡管主要用于補(bǔ)償，而不是消除蒸發(fā)器進(jìn)出口間的壓力降。連接蒸發(fā)器的出口壓力時(shí)，膨脹閥膜盒下方的壓力小于連接蒸發(fā)器進(jìn)口壓力，壓力的降低，使閉合作用力減小，膨脹閥保持較大的開度，送入更多制冷劑補(bǔ)償蒸發(fā)器造成的壓力降。因此，只有在蒸發(fā)器內(nèi)送入盡可能多的制冷劑液體而又不溢回壓縮機(jī)時(shí)，蒸發(fā)器才能有更高的效率[4]。

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，蒸發(fā)器總成額定制冷量不小于7 500 W，而根據(jù)膨脹閥性能參數(shù)1冷噸等于3 517 W，一般膨脹閥都選擇大一些來匹配蒸發(fā)器，故可選擇額定容量為2.5～4.0 T的膨脹閥，來匹配蒸發(fā)器。后續(xù)的具體的匹配，通過綜合性能臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，對(duì)膨脹閥進(jìn)行微調(diào)，蒸發(fā)器出口過熱度在3°～5°這樣，冷凝器出口過冷度在5°～8°這樣，最終才確定膨脹閥的參數(shù)。

（4）為了增大制冷量，可提高蒸發(fā)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，但風(fēng)量增大，噪音隨之增大，經(jīng)過選型，通過臺(tái)架試驗(yàn)，測得蒸發(fā)風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量可達(dá)到1 200 m3/h以上，在靜音室對(duì)其噪音測試，在保證風(fēng)量的情況下，達(dá)到噪音要求。

2.2.2過渡風(fēng)道布置

由于需要預(yù)留安裝管路空間，所以空調(diào)左、右過渡風(fēng)道采用不對(duì)稱布置，布置如圖2所示。風(fēng)直接引到車左、右兩邊內(nèi)飾風(fēng)道及前頂內(nèi)飾風(fēng)道出風(fēng)口。為了讓最后一排乘客也吹到風(fēng)，增加其舒適性，后頂內(nèi)飾設(shè)計(jì)了出風(fēng)口，經(jīng)過風(fēng)速對(duì)比，在過渡風(fēng)道適合的拐角處開口，并用波紋管引到后頂內(nèi)飾出風(fēng)口處。

圖2 過渡風(fēng)道布置圖

2.2.3空調(diào)管路布置

空調(diào)管路布置，如圖3所示。根據(jù)蒸發(fā)器總成位置、壓縮機(jī)總成位置及考慮優(yōu)化高低壓充注閥位置的要求，重新布置空調(diào)管路走向。

圖3 空調(diào)管路布置圖

（1）壓縮機(jī)吸氣管壓板與管路一體，可限制安裝方向，用于防錯(cuò)，避免管路安裝時(shí)錯(cuò)裝到壓縮機(jī)排氣管接口。

（2）低壓管路包保溫海綿，尤其在車內(nèi)的低壓管，保溫海綿盡量包完整根管路，否則管路外壁會(huì)有冷凝水滴落到車內(nèi)。

（3）為了避免管路被周邊件磨損，在管路布置的時(shí)候應(yīng)該留出合理的間隙，由于汽車是一個(gè)運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)品，因此該間隙要包括靜態(tài)間隙和動(dòng)態(tài)間隙，靜態(tài)間隙是指兩個(gè)振動(dòng)很小的物體之間的間隙，比如前大燈與冷凝器、蒸發(fā)器管路或車身與蒸發(fā)器、冷凝器管路，保持在15 mm以上，如間隙過小，則需要在距離近的管路上包裹海綿，熱縮管或波紋管。由于發(fā)動(dòng)機(jī)在工作的時(shí)候會(huì)振動(dòng)，因此與壓縮機(jī)相連的兩個(gè)管路需考慮動(dòng)態(tài)問題，比如壓塑機(jī)進(jìn)出口的膠管，皮帶的間隙，如果間隙太小，發(fā)動(dòng)機(jī)向前振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致空調(diào)管路和其它部件發(fā)生干涉，所以動(dòng)態(tài)間隙的要求比靜態(tài)間隙的要求嚴(yán)格，一般要求在20 mm以上。

3 項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

3.1冷凝器出液管斷裂問題

在海南路試過程中，發(fā)現(xiàn)冷凝器出液管與冷凝器集流管焊接處斷裂。通過分析故障件，發(fā)現(xiàn)干燥瓶夾折彎處斷裂，冷凝器出液管與干燥瓶相互對(duì)接，分析原因?yàn)楦稍锲繆A先斷裂，致使冷凝器出液管斷裂。干燥瓶夾通過金相分析，與所用材質(zhì)相符，后所用材料厚度從2.0 mm增加到2.5 mm，增強(qiáng)了其強(qiáng)度，且折彎角半徑從R0.5 mm，增大到R1.5 mm，降低了折彎時(shí)的應(yīng)力集中。

3.2蒸發(fā)器總成出風(fēng)口吹水問題

在設(shè)計(jì)的過程中由于過于關(guān)注制冷性能，忽視了一些試驗(yàn)，其中包括按GB/T 21361-2008汽車用空調(diào)器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的凝露試驗(yàn)。凝露試驗(yàn)是在凝露工況下運(yùn)行，空調(diào)器在凝露工況下應(yīng)能正常運(yùn)行，凝結(jié)水不應(yīng)從空調(diào)器中隨風(fēng)吹出，而應(yīng)順利地從排水孔（管）排除，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)4 h.在客戶使用過程中，發(fā)現(xiàn)靠近后頂?shù)某鲲L(fēng)窗有冷凝水滴出。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)由于蒸發(fā)器芯體的波紋片與下殼體之間存在間隙，冷凝水是從蒸發(fā)器芯體下面吹出的，在不檔住排水口的情況下，在蒸發(fā)器下殼體上貼一塊5 mm厚的海綿，不讓風(fēng)從下面吹出，可以解決此問題，如圖4所示。

圖4 蒸發(fā)器下殼體貼海綿

3.3抗結(jié)霜試驗(yàn)

此款空調(diào)系統(tǒng)所用的溫度傳感器為熱敏電阻式溫度傳感器，熱敏電阻式溫度傳感器采用負(fù)溫度特性的熱敏電阻，具有溫度升高電阻值減小、溫度下降電阻值增大的特點(diǎn)，通常安裝在蒸發(fā)器出風(fēng)口一側(cè)，感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出的電信號(hào)，傳遞給自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制汽車空調(diào)壓縮機(jī)的起停，起到調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度及防止蒸發(fā)器結(jié)霜的作用。也就是說，當(dāng)汽車內(nèi)溫度太高時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)開起空調(diào)，當(dāng)汽車內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)關(guān)停空調(diào)[5]。

在蒸發(fā)器芯體出風(fēng)側(cè)上，平均布置3排5列共15個(gè)點(diǎn)，如圖5所示。所用熱電偶為T型熱電偶（銅-銅鎳熱電偶），此款熱電偶測量溫區(qū)為-200～350℃，特別在-200～0℃溫區(qū)內(nèi)使用，穩(wěn)定性更好。

圖5 蒸發(fā)器芯體布點(diǎn)

芯體結(jié)霜必須有兩個(gè)條件，芯體溫度達(dá)到0度以下，芯體翅片有水份殘留濕度大。先進(jìn)行抗結(jié)霜選點(diǎn)試驗(yàn)，用蒸發(fā)器最低檔風(fēng)量運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)下排溫度低與上兩排溫度，不同工況下，最低點(diǎn)會(huì)左右變化，經(jīng)過對(duì)比之后，選擇12點(diǎn)作為溫度傳感器的放置位置。按照GB/T21361-2008中的低溫工況試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[1]，表2所示，空調(diào)器在低溫工況下應(yīng)能正常運(yùn)行，且蒸發(fā)器風(fēng)道不應(yīng)被冰霜堵塞，空調(diào)器出風(fēng)口不應(yīng)有冰屑或水滴吹出，連續(xù)運(yùn)行4 h，壓縮機(jī)可正常跳斷，芯體不結(jié)霜。

表2 低溫試驗(yàn)工況[1]

4 結(jié)束語

此校車空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)，通過重新設(shè)計(jì)蒸發(fā)器芯體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)系統(tǒng)制冷性能的提升，通過重新設(shè)計(jì)布置形式，解決了空調(diào)積灰的問題，通過重新設(shè)計(jì)管路走向，實(shí)現(xiàn)了從高、低壓充注冷媒的問題。并分析解決了開發(fā)過程中遇到的一些問題，經(jīng)過一系列實(shí)車裝配驗(yàn)證、臺(tái)架試驗(yàn)、環(huán)模試驗(yàn)、可靠性路試，最終完成了開發(fā)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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