一種載貨車空調冷凝器的平臺化設計

黃朝斌

（安徽江淮汽車集團股份有限公司輕卡研發(fā)部，安徽 合肥 230000）

前言

汽車空調是汽車空氣調節(jié)的簡稱，即采用人工制冷和采暖的方法，調節(jié)車內的溫度、濕度、空氣速度等參數(shù)指標，從而為人們創(chuàng)造清新舒適的車內環(huán)境。調節(jié)車內溫度是汽車空調的基本功能，多數(shù)汽車空調只具有這種單一功能。汽車空調在冬季，利用其采暖裝置升高車室內的溫度，一般以發(fā)動機冷卻循環(huán)水作為暖風的熱源；在夏季，車內降溫是由制冷裝置完成的。

人們俗稱的空調主要是指制冷裝置，一般在無特別說明時，空調指的就是制冷裝置。制冷裝置主要采用蒸氣壓縮式制冷，即利用液態(tài)制冷劑汽化吸熱產生冷效應。簡而言之，就是冷凝器將壓縮機送來的高溫高壓氣態(tài)制冷劑，在冷凝器內將熱量釋放給車外空氣中，使制冷劑冷凝成液體制冷劑，并送入車內的蒸發(fā)器汽化，吸取空氣中的熱量，使空氣溫度降低，最后由送風機將低溫的空氣吹送到車內各部位。制冷裝置是一個獨立的、密封的工作冷循環(huán)體，主要由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器、送風機等部件組成。

本文以是汽車空調制冷裝置為切入點，介紹空調制冷裝置的組成部件和工作原理，講述了汽車空調冷凝器的功能、工作過程、結構及分類。最后以載貨汽車為實例，重點講解了空調汽車冷凝器的平臺化設計和應用。

1 制冷裝置的部件和制冷原理

1.1 制冷裝置的組成部件

制冷裝置主要由壓縮機、冷凝器總成、蒸發(fā)器總成三大部件，以及三大部件間的連接管路組成，其中冷凝器總成集成了儲液器總成，蒸發(fā)器總成集成了膨脹閥。壓縮機是整個裝置的動力輸出，負責制冷劑的壓縮和輸送；冷凝器的主要功能是制冷劑的冷凝和放熱；蒸發(fā)器主要是制冷劑蒸發(fā)吸熱，達到降溫目的。如下面圖1所示。

圖1 制冷裝置組成部件

1.2 制冷原理

制冷過程分四步完成：

壓縮過程：壓縮機吸入低溫低壓制冷劑氣體，并對低溫低壓制冷劑氣體進行壓縮，變成高溫高壓制冷劑氣體，最后排出壓縮機。

冷凝過程：高溫高壓制冷劑氣體通過高壓軟管被送到冷凝器冷凝，向經過冷凝器的空氣放熱，被冷凝成高壓中溫的液體，流向儲液器，在儲液器中制冷劑被過濾雜質、脫去水分。

節(jié)流過程：制冷劑通過高壓軟管流至膨脹閥，經膨脹閥節(jié)流降壓，變成低壓低溫液氣混合物，準備進入蒸發(fā)器。

蒸發(fā)過程：低壓低溫液氣混合制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，大量吸收車內流經蒸發(fā)器表面空氣的溫度，從而降低了氣溫，達到了制冷目的。

蒸發(fā)后的過熱制冷劑氣體，進入壓縮機并開始下一個制冷循環(huán)，周而復始的進行，達到了制冷目的，同時由于蒸發(fā)器表面的溫度低于空氣露點，空氣中的水汽冷凝成為露水排出車外，從而降低了車內空氣的溫度和濕度?？照{制冷原理如圖2所示。

圖2 空調制冷原理

2 冷凝器的功能和分類

2.1 冷凝器的功能

冷凝器的功能是使由壓縮機排出的高溫高壓制冷劑氣體在冷凝器內通過金屬管壁和翅片的與冷凝器外部的空氣進行熱交換，將高溫高壓氣態(tài)制冷劑轉變?yōu)楦邷馗邏旱囊簯B(tài)制冷劑，并把熱量散發(fā)到車外環(huán)境中。制冷劑的換熱大體上可以分三個階段，即過熱、兩相和過冷。過熱和過冷階段制冷劑處于單相狀態(tài)，發(fā)生的是顯熱交換；而在兩相階段，制冷劑發(fā)生集態(tài)變化，即冷凝，屬于潛熱交換。在冷凝器中，制冷劑的大部分熱量是在凝結階段釋放的。換熱過程如圖3所示。

圖3 冷凝器換熱過程

2.2 冷凝器的要求

在汽車上，冷凝器的布置較為困難，冷卻條件差，以及各部件之間連接管路長造成的能量損失，要求冷凝器要有更大的散熱面積或結構有更高有傳熱效率。

汽車冷凝器大多布置在水箱前面，車頭側面，或車架縱面，經常有地面泥漿濺在冷凝器上，不僅要求冷凝器表面要有防腐措施，同時要考慮冷凝器的清洗問題。

由于汽車是運動物體，對重量有嚴格的要求，同時考慮汽車的調速顛簸性，要求冷凝器重量不能太重，目前汽車用冷凝器均采用鋁，同時結構要牢固、耐震性能好。歸納如下：

1）要有高的傳熱效率。2）耐腐蝕性能好。

3）重量輕，安裝空間小。4）抗震性能好。

5）內外壁的阻力小。

2.3 冷凝器的結構和分類

2.3.1 冷凝器結構

冷凝器總成主要由貯液干燥器、集流管、扁管、翅片、壓力開關、冷凝風扇等組合。其中貯液干燥器可獨立存在，也可集成在芯體上；壓力可集成在干燥器上，也可集成在液體管上。下面圖4為平行流式冷凝器帶風扇總成結構示意圖。

圖4 冷凝器總成結構

圖中：1為干燥器（過冷式）；2和7為集流管；3為扁管；4為翅片；5為連接管；6為壓力開關；8為冷凝風扇；9為風機插件。

2.3.2 冷凝器分類

冷凝器按芯體結構分類有鰭片式（已淘汰）、管片式、管帶式、平行流式；按冷凝器風扇分類有推風式和吸風式兩種。

管片式：將鋁翅片脹緊在紫銅管上，管的端部用U形彎頭焊接起來。管片式冷凝器是汽車空調中早期使用的冷凝器，其制造工藝簡單，加工方便，但換熱效率差。

圖5 管片式冷凝器芯體

管帶式：將扁平管彎成蛇形，并在其中安置散熱帶，然后在真空加熱爐中加熱，焊接好管帶。這種冷凝器的傳熱效率比管片式的可提高 15%-20%。制冷劑在蛇形扁管單通道中流動而進行熱交換，加工工藝較復雜。

圖6 管帶式冷凝器芯體

平行流式：平行流冷凝器是在兩條集流管間用多條扁管相連，制冷劑在同一時間經多條扁管流通而進行熱交換。較高的單位迎風面積和單位體積換熱能力，空氣側和制冷劑側流動阻力小，制冷劑的冷凝溫度和壓力較低，芯體厚度減薄，占用空間小。

圖7 平行流式冷凝器芯體

平行流式冷凝器是目前較流行的結構型式，布置方式決定風扇方式。

表1 冷凝器結構型式的對比

3 冷凝器及其布置的平臺化設計

在載貨車上，冷凝器的布置位置常常受駕駛室平臺、車架軸矩段、冷卻系統(tǒng)、排放系統(tǒng)、供油系統(tǒng)等影響，大多布置在水箱前面、車架左右縱梁前側和中部等，冷凝器的布置較為多樣化，故冷凝器種類也較為多樣化。這不僅增加了整車空調的設計難度和設計周期，也增加了設計成本。

因此，冷凝器及其布置的系列化、平臺化設計的有重大意義。目前載貨車上較為常見的是以軸矩段為平臺，建立冷凝器和布置的平臺化。

3.1 28及28以下軸矩段平臺

3.1.1 布置的平臺化

28軸矩段和28以下軸矩段是指軸矩等于或小于2800mm的短軸距輕型載貨車，此類車型主要負責城內運輸，特點就是小噸位、短軸矩。前后軸間車架縱梁內、外側主要供空氣濾清器、燃油箱、蓄電池、排氣管、儲氣筒、尿素箱等裝置布置。如圖8所示。

圖8 2800軸矩段底盤布置

此類車型采用平行流式冷凝器，獨立式貯液干燥瓶，布置采用臥式，布置在車輛前端，底盤車架總成二號橫梁下方，與地面平行。此布置不會隨發(fā)動機動力變化、駕駛室平臺變化、制動方式（氣、液制動）等變化而變化，系列化、通用化強。如圖9、圖10所示。

圖9 28平臺冷凝器的布置

圖10 冷凝器的布置

3.1.2 冷凝器的平臺化

臥式冷凝器布置的平臺化均可應用在28軸矩段和28以下軸矩段車型上，冷凝器布置的平臺化決定了冷凝器的平臺化，大大減少了冷凝器的品種，因車輛電壓的變化，可拓展出12V和24V電壓兩種冷凝器。

臥式冷凝器由固定支架總成，冷凝器芯體、風扇總成、下防護隔柵、貯液干燥瓶等組成。如圖11所示。

圖11 臥式冷凝器帶風扇總成

圖中：1為固定支架總成；2為冷凝器芯體及風扇總成；3為下防護隔柵；4為貯液干燥瓶；5為液體管。

3.1.3 平臺化的優(yōu)點

平臺化設計有以下優(yōu)點：

1）系列化、通用化強，可減少冷凝器的品種管道，縮短以后產品開發(fā)設計周期，降低開發(fā)成本。

2）空調冷凝器裝置接近發(fā)動機和駕駛室，可縮空調系統(tǒng)管路的布置，減少了空調系統(tǒng)的能耗，降低管路布置成本。

3）在使用過程中，便于空調冷凝器裝置維護、維修，清洗方便。

3.2 33至47軸矩段平臺

3.2.1 布置的平臺化

圖12 3308軸矩段底盤布置

圖13 3815軸矩段底盤布置

33至47軸矩段是指軸矩從3308mm至4700mm的輕、中型載貨車，也是載貨車主流車型，主要負責城鄉(xiāng)間運輸?shù)戎?、短途運輸。此類車型匹配的動力多，產品結構多，底盤上燃油箱、蓄電池、排氣管、儲氣筒、尿素箱等裝置的布置會隨發(fā)動機動力變化而變化。如圖12和圖13所示。

此類車型冷凝器的平臺化布置可從車輛前端入手，采用平行流式冷凝器，集成式貯液干燥瓶（即貯液干燥瓶焊接在芯體上），布置采用立式，布置在車輛前端，車架總成右前側，如圖14所示。平臺化的優(yōu)點在3.1.3里已做過闡述。

圖14 33平臺冷凝器的布置

3.2.2 冷凝器的平臺化

同理，一類車型冷凝器布置的平臺化也促進了冷凝器的平臺化，此類立式冷凝器布置的平臺化均可采用在33至47軸矩段車型上。立式冷凝器由固定支架總成，冷凝器芯體、風扇總成、貯液干燥瓶等組成。如圖15所示。

圖15 冷凝器帶風扇總成

圖中：1為固定支架總成；2為冷凝器芯體及風扇總成；3為集成式貯液干燥瓶。

3.3 47以上軸矩段平臺

3.3.1 布置的平臺化

47以上軸矩段是指軸矩大于4700mm的重型載貨車，此類車型主要負責中、長途運輸。此類車型影響冷凝器布置的因素主要是空間大、軸矩長、水箱大。如圖16所示。

圖16 4700軸矩段底盤布置

此類車型往往因水箱較大，

冷卻能力較強，冷凝器布置在水箱及中冷器前面的方案較優(yōu)。采用平行流式冷凝器，集成式貯液干燥瓶，布置方式為立式，布置在冷卻水箱前面，冷凝器不再自帶風扇，而是與水箱共用一風扇，達到降低能耗的目的。如圖17所示。平臺化的優(yōu)點在上面已闡述，此處不再闡述。

圖17 47平臺冷凝器的布置

3.3.2 冷凝器的平臺化

圖18 冷凝器總成

圖中：1為冷凝器芯體；2為集成式貯液干燥瓶。

此類冷凝器由冷凝器芯體和貯液干燥瓶等組成，均可應該在47及以上軸矩段的重型載貨車。因不自帶風扇，可達到降低能耗的目的。

4 結論

本論文從汽車空調的概念出發(fā)，闡述了空調制冷裝置的組成部件和工作原理，論述了汽車空調冷凝器的功能和工作過程，重點講述了冷凝器的結構與分類。最后以載貨汽車為實例，講解了空調汽車冷凝器的平臺化設計和應用。

本文提出的載貨汽車空調冷凝器及其布置的平臺化設計，雖不能完全應用于商用車行業(yè)，但是本文所體現(xiàn)的平臺化設計思路，對讀者仍有一定的參考價值。

參考文獻

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