一種新型內(nèi)置車(chē)用蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

許海陽(yáng)，孫燁，王鳳琴

一種新型內(nèi)置車(chē)用蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

許海陽(yáng)，孫燁，王鳳琴

（豫新汽車(chē)熱管理科技有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453049）

隨著我國(guó)特種車(chē)輛（醫(yī)療救護(hù)車(chē)、押款車(chē)、押解車(chē)、監(jiān)控車(chē)等）需求的日益增多，這些車(chē)輛駕駛艙和乘員艙隔離設(shè)置，分工明確，乘員艙有時(shí)還要添加許多醫(yī)藥箱、可折疊擔(dān)架、搶救設(shè)備、押款隔離籠等設(shè)備、設(shè)施，空間局限性大，傳統(tǒng)空調(diào)那種駕駛室和乘客區(qū)分別吊裝一臺(tái)蒸發(fā)器制冷的布局形式，已經(jīng)適應(yīng)不了時(shí)代的發(fā)展。文章提出的一種新型內(nèi)置車(chē)用蒸發(fā)器，在保證制冷量需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，雙向出風(fēng)，節(jié)約車(chē)內(nèi)空間。

前后出風(fēng)；風(fēng)量分配；直通式制冷

前言

由于不同車(chē)輛乘員艙的空間各異，適用的蒸發(fā)器換熱量也不盡相同。本文為更好的闡述這種新型內(nèi)置車(chē)用蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，以南京依維柯NJ2046越野救護(hù)車(chē)為載體說(shuō)明。此車(chē)駕駛艙和救護(hù)艙分離且要求救護(hù)艙和駕駛艙都能達(dá)到制冷要求，救護(hù)艙增加了醫(yī)藥箱、氧氣瓶、護(hù)士座位、可折疊擔(dān)架等醫(yī)用裝備，造成車(chē)內(nèi)空間狹小，傳統(tǒng)雙蒸發(fā)器系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。根據(jù)實(shí)際特點(diǎn)和空間尺寸，我們?cè)O(shè)計(jì)出一款“一機(jī)兩用”的前后出風(fēng)蒸發(fā)器。此蒸發(fā)器吊裝在駕駛艙和救護(hù)艙中間藥箱柜上。即節(jié)省了車(chē)內(nèi)空間又實(shí)現(xiàn)了駕駛艙和救護(hù)艙同時(shí)降溫的目的。對(duì)比普通內(nèi)置空調(diào)系統(tǒng)，取消了風(fēng)道，減少風(fēng)量損失，取消了前蒸發(fā)器，大大節(jié)省車(chē)內(nèi)空間。具有制冷量、風(fēng)量更大，系統(tǒng)管路更短、成本更低的特點(diǎn)。

1 蒸發(fā)器工作原理

本系列空調(diào)系統(tǒng)（如圖1）主要由壓縮機(jī)、冷凝器、儲(chǔ)液器、干燥過(guò)濾器、膨脹閥、蒸發(fā)器、管路系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成。冷凝器安裝在車(chē)身裙部，蒸發(fā)器吊裝在車(chē)身內(nèi)部，壓縮機(jī)裝在發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)，空調(diào)操縱器在儀表盤(pán)處。

圖1 系統(tǒng)原理圖

空調(diào)系統(tǒng)為蒸汽壓縮制冷。采用綠色環(huán)保HFC-134a為制冷工質(zhì)。系統(tǒng)工作分四個(gè)過(guò)程：

壓縮過(guò)程：壓縮機(jī)工作后，在蒸發(fā)器中吸收熱量后變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍鈶B(tài)制冷劑，經(jīng)壓縮機(jī)吸入壓縮后，將制冷劑壓縮為高溫高壓氣態(tài)制冷劑，排入冷凝器。

冷凝過(guò)程：高溫高壓的氣態(tài)制冷劑進(jìn)入冷凝器后，在冷凝器風(fēng)機(jī)的作用下，通過(guò)冷凝器散熱器向周?chē)h(huán)境空氣中散熱，同時(shí)冷凝為高溫高壓液態(tài)制冷劑。

節(jié)流過(guò)程：高溫高壓的液態(tài)制冷劑通過(guò)貯液器、干燥過(guò)濾器干燥過(guò)濾后經(jīng)膨脹閥節(jié)流降溫、降壓，變成低溫低壓液態(tài)和氣態(tài)制冷劑的混合物進(jìn)入蒸發(fā)器。

蒸發(fā)過(guò)程：經(jīng)膨脹閥節(jié)流成為低溫低壓液態(tài)和氣態(tài)混合物的制冷劑在蒸發(fā)器中氣化，在蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)的作用下吸收車(chē)廂內(nèi)空氣熱量而使車(chē)廂內(nèi)空氣降溫，同時(shí)析出冷凝水。吸收熱量后的制冷劑蒸發(fā)成低溫低壓氣態(tài)制冷劑，經(jīng)壓縮機(jī)吸入再進(jìn)行壓縮，完成一次制冷循環(huán)。

壓縮機(jī)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，上述制冷過(guò)程連續(xù)不斷地進(jìn)行循環(huán)，車(chē)廂內(nèi)熱量不斷地被蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑帶走，從而完成整車(chē)的降溫除濕。

汽車(chē)蒸發(fā)器的主要作用是利用冷媒蒸發(fā)吸熱的原理，使車(chē)內(nèi)的空氣降溫。

此空調(diào)了為了平衡前后艙的制冷需求，將蒸發(fā)器吊裝在中間隔板上，兩端風(fēng)機(jī)采用吸風(fēng)式，回風(fēng)口設(shè)置在駕駛艙，風(fēng)從駕駛艙經(jīng)過(guò)芯體冷卻吹入醫(yī)療艙；中間風(fēng)機(jī)采用吹風(fēng)式，回風(fēng)口設(shè)置在醫(yī)療艙，風(fēng)從醫(yī)療艙經(jīng)過(guò)芯體冷卻吹入駕駛艙。兩個(gè)獨(dú)立艙室的冷卻，采用一套芯體完成。其工作原理圖如2所示：

圖2 蒸發(fā)器工作原理

2 蒸發(fā)器參數(shù)選擇

2.1 車(chē)廂進(jìn)風(fēng)量的確定

車(chē)廂進(jìn)風(fēng)按車(chē)廂情況按1:2比例分配，根據(jù)該蒸發(fā)器制冷量需求，結(jié)合車(chē)輛坐人情況，選用風(fēng)量為450m3/h的ZFF- 20912蒸發(fā)風(fēng)機(jī)，駕駛艙采用一臺(tái)，總風(fēng)量450 m3/h，醫(yī)療艙采用兩臺(tái)，總風(fēng)量900m3/h。為了最大限度降低蒸發(fā)器的前后寬度，采用風(fēng)機(jī)單面布局形式，中間為吹風(fēng)式，兩端為吸風(fēng)式。風(fēng)機(jī)均采用帶調(diào)速電阻設(shè)計(jì)，可同步實(shí)現(xiàn)三檔調(diào)速。

2.2 熱負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)越野救護(hù)車(chē)實(shí)際狀態(tài)計(jì)算系統(tǒng)總熱負(fù)荷：

ΞQ=7845.6W

根據(jù)空間大小前后艙基本按1:2分配。

2.3 系統(tǒng)冷凝器的確定

制冷系統(tǒng)所需制冷量：

Q=1.1*7845.6=8630.16W

冷凝器換熱量：

Q冷=1.3*8630.16=11219.21W

選取冷凝器換熱量：13000W。

設(shè)計(jì)選用我公司管帶式冷凝器，根據(jù)所需制冷量，我公司現(xiàn)有管帶冷凝器恰好滿(mǎn)足要求，因此不再進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

所選冷凝器規(guī)格為：986*301*44管帶冷凝器，冷凝風(fēng)量為：3200 m3/h。冷凝器芯體結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 管帶冷凝器芯體

2.4 系統(tǒng)蒸發(fā)器的確定

2.4.1 計(jì)算條件

前車(chē)廂所需制冷量：

Q前=8630.16*0.33=2876.72W

后車(chē)廂所需制冷量：

Q后=8630.16*0.66=5753.44W

蒸發(fā)溫度tc=0℃

循環(huán)風(fēng)量450m3/h

進(jìn)風(fēng)溫度36.5℃

相對(duì)濕度75%

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)及物性參數(shù)

根據(jù)蒸發(fā)器的外形，常用的蒸發(fā)器有以下幾類(lèi)：臥式殼管式蒸發(fā)器、套管式蒸發(fā)器、蛇形盤(pán)管蒸發(fā)器、板式蒸發(fā)器、翅片式蒸發(fā)器。

臥式殼管式蒸發(fā)器主要應(yīng)用于制冷量大的制冷場(chǎng)合，又分為滿(mǎn)液式蒸發(fā)器和干式蒸發(fā)器。

蛇形盤(pán)管蒸發(fā)器一般用于小型制冷循環(huán)系統(tǒng)中，蛇形管是用銅管彎制，制冷劑由上部進(jìn)入最后從下部導(dǎo)出，蛇形盤(pán)管蒸發(fā)器整體沉浸在水箱中。

套管式蒸發(fā)器與套管式冷凝器相同，外管為無(wú)縫鋼管或不銹鋼鋼管，內(nèi)管為一根銅管或由多根銅管組合而成，多用于多聯(lián)機(jī)、工業(yè)冷水機(jī)設(shè)備、熱泵熱水器等設(shè)備中。

板式蒸發(fā)器是一種高性能、體積小巧的熱交換器。板式蒸發(fā)器必須垂直安裝，并使制冷劑下進(jìn)上出，否則將導(dǎo)致制冷劑分配不均勻。

目前，板式蒸發(fā)器有釬焊板式蒸發(fā)器和全不銹鋼式蒸發(fā)器兩類(lèi)。全不銹鋼式蒸發(fā)器在換熱效率、機(jī)械強(qiáng)度、耐用性能方面均優(yōu)于釬焊板式蒸發(fā)器。

翅片式蒸發(fā)器一般應(yīng)用于小型制冷空調(diào)中，如普通的家用空調(diào)中，常見(jiàn)的壁掛式空調(diào)的蒸發(fā)器。液體制冷劑不斷地從蒸發(fā)器周?chē)諢崃?，在管?nèi)汽化蒸發(fā)，則周?chē)諝獠粩嘟禍?，從而達(dá)到制冷的目的。

由于考慮耐腐蝕性及壓力安全問(wèn)題，空調(diào)所用蒸發(fā)器的管路一般采用紫銅管制造。為了提高換熱效率，部分高性能的空調(diào)采用內(nèi)螺紋（帶溝槽）的銅管。另外，蒸發(fā)器的表面翅片材料常用的有普通鋁翅片、鍍膜（親水）鋁翅片、納米鋁翅片三類(lèi)。

根據(jù)設(shè)定裝車(chē)情況及我公司實(shí)際情況設(shè)定蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)形式：

傳熱管為紫銅管，外徑為φ7，壁厚0.25，導(dǎo)熱系數(shù)為395W/m.℃。

采用6列8排共48根排列，管間距25.4，等腰三角形錯(cuò)排。

翅片為鋁翅片，壁厚0.15，翅片節(jié)距2.0。

由此可計(jì)算出蒸發(fā)器長(zhǎng)度為961.7mm。

根據(jù)結(jié)構(gòu)和制冷裕度取蒸發(fā)器長(zhǎng)度為1150mm。

蒸發(fā)器芯體結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4 三段式蒸發(fā)器芯體結(jié)構(gòu)

本空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在單一內(nèi)置蒸發(fā)器上實(shí)現(xiàn)空調(diào)前后出風(fēng)，前出風(fēng)供駕駛艙制冷需要，后出風(fēng)供救護(hù)艙制冷，從而節(jié)省了傳統(tǒng)系統(tǒng)中的前蒸發(fā)器，減少了占用空間。蒸發(fā)器融合吹風(fēng)式內(nèi)置蒸發(fā)器和吸風(fēng)式內(nèi)置蒸發(fā)器的特點(diǎn)，將中置蒸發(fā)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)為吹風(fēng)式，從而將單蒸發(fā)芯體分成三個(gè)制冷單元，中單元為吹風(fēng)式結(jié)構(gòu)，供駕駛艙冷風(fēng)；兩邊單元為吸風(fēng)式模式，供救護(hù)艙制冷。其典型結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 前后出風(fēng)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)

4 蒸發(fā)器排水設(shè)計(jì)

內(nèi)置蒸發(fā)器排水設(shè)計(jì)是工作重點(diǎn)，通常采用順著車(chē)身方向的3～5度傾角吊裝。而該前后吹風(fēng)式蒸發(fā)器由于其獨(dú)特的吸吹風(fēng)結(jié)構(gòu)，排水問(wèn)題成為設(shè)計(jì)難點(diǎn)。為解決這一難題，我們采取了如下解決方案：

（1）三個(gè)制冷單元獨(dú)立隔倉(cāng)（圖5所示）。將三個(gè)制冷單元通過(guò)隔板設(shè)計(jì)為獨(dú)立隔倉(cāng)，既保證了前后出風(fēng)效果，同時(shí)杜絕了艙內(nèi)氣流擾動(dòng)造成的冷凝水渦流。

（2）在殼體底面設(shè)計(jì)擋風(fēng)支座，即起到了支撐芯體、密封三個(gè)隔艙的作用，又杜絕氣流吹冷凝水而造成的帶水現(xiàn)象，使冷凝水自然在擋風(fēng)支座下方匯流，由兩端放水管自然排出，如圖6所示。

（3）由于吹風(fēng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量大，極易將冷凝水帶出，在中間吹風(fēng)單元后部設(shè)立導(dǎo)水槽，使中部冷凝水不至于匯集，在風(fēng)壓作用下順利向兩邊流動(dòng)，如圖6所示：

（4）在左右制冷單元內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)連通導(dǎo)管，使左右制冷單元冷凝水形成連通器，平衡左右腔體內(nèi)壓，杜絕單邊放水現(xiàn)象，提高排水效率，如圖6所示。

圖6 殼體結(jié)構(gòu)圖

蒸發(fā)器的實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖7所示，外殼采用鋁殼結(jié)構(gòu)，為了防止冷凝水泄露，在殼體接縫處全部采用密封膠填充，為了防止風(fēng)機(jī)連接護(hù)套遇水短路，將過(guò)線(xiàn)孔開(kāi)至較高的位置。

圖7 前后吹風(fēng)蒸發(fā)器

圖8 整車(chē)吊裝效果

整車(chē)吊裝效果如圖8所示：蒸發(fā)器吊裝在醫(yī)藥箱上方，由內(nèi)飾板包裹。出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口添加導(dǎo)風(fēng)口，既美觀，又實(shí)用，整體不占用車(chē)內(nèi)有限空間。放水管和空調(diào)膠管由隔艙兩端的立柱順下，布局緊湊。

5 膨脹閥選型

熱力膨脹閥安裝在儲(chǔ)液器和蒸發(fā)器之間，常稱(chēng)為膨脹閥，主要作用有節(jié)流和控制制冷劑流量的作用：

熱力膨脹閥的種類(lèi)：

熱力膨脹閥按照平衡方式不同，分為內(nèi)平衡式和外平衡式，而外平衡式熱力膨脹閥分F型和H型膨脹閥兩種結(jié)構(gòu)。H型膨脹閥由于取消了感溫包、毛細(xì)管和外平衡管，結(jié)構(gòu)緊湊，精密度高，抗振性好，所以轎車(chē)的HVAC普遍采用此種結(jié)構(gòu)。F型膨脹閥，制冷劑流量較大，控制域度較寬，適合熱負(fù)荷較大的車(chē)輛降溫使用。

而根據(jù)連接方式不同，可以分為焊接型和螺紋連接型兩種。焊接型制冷劑不易泄露，系統(tǒng)較穩(wěn)定，但維修不變，故普遍采用螺紋連接結(jié)構(gòu)。

根據(jù)所需制冷量和膨脹閥選型規(guī)則，選用GBE-E2534 QEX浙江三花的外平衡F型膨脹閥。其具有熱負(fù)荷大，制冷劑流量大等特點(diǎn)。

6 空調(diào)環(huán)模試驗(yàn)驗(yàn)證

空調(diào)制冷性能滿(mǎn)足整車(chē)降溫要求，如圖9所示：

圖9 整車(chē)降溫曲線(xiàn)

7 結(jié)論

此蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打破傳統(tǒng)空調(diào)蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)與芯體的布局，創(chuàng)造性的提出了前后共用芯體出風(fēng)的理念。不僅節(jié)約車(chē)內(nèi)空間，提高了空調(diào)的出風(fēng)量，增加駕乘人員的舒適性，而且由于減少了一個(gè)蒸發(fā)器的布置，管路、電器都相對(duì)簡(jiǎn)化，降低了車(chē)廠(chǎng)的采購(gòu)成本和裝配工作量。這種新型蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，可隨車(chē)廂空間合理選擇芯體換熱量及風(fēng)機(jī)風(fēng)量，匹配靈活，是新一代特種車(chē)輛（醫(yī)療救護(hù)車(chē)、押款車(chē)、押解車(chē)、監(jiān)控車(chē)等）的首選，運(yùn)用前景廣泛。

[1] 王運(yùn)朋.實(shí)用汽車(chē)空調(diào)技術(shù)[M].廣東科技出版社,1995.

[2] 陳孟湘.汽車(chē)空調(diào)[M].上海交通大學(xué)出版社,2001.

[3] 陳沛霖等.空氣調(diào)節(jié)負(fù)荷計(jì)算理論與方法[M].同濟(jì)大學(xué)出版社, 1987.

Structural Design of a New Type of Internal Vehicle Evaporator

Xu Haiyang, Sun Ye, Wang Fengqin

( Yuxin Automotive Thermal Management Technologies Co., Ltd., Henan Xinxiang 453049 )

With the increasing demand for special vehicles(medical ambulances, money trucks, transport vehicles, surveill -ance vehicles, etc.) in China, the cockpit and crew compartment of these vehicles are segregated and the division of labor is clear. The crew compartment sometimes adds many medical kits, folding stretchers, rescue equipment, and equipment and facilities such as isolation cages. The space is limited, and the layout of the traditional air-conditioning cab and passenger area is suspended with an evaporator refrigeration. The form has not been adapted to the development of the times. In this paper, a new type of built-in vehicle evaporator is proposed, which can be used in one machine and used in both directions to save the space in the car.

Before and after the wind; Wind classification; Direct refrigeration

U462.1

A

1671-7988(2019)13-179-04

U462.1

A

1671-7988(2019)13-179-04

許海陽(yáng)（1973-），男，本科，高級(jí)工程師，就職于豫新汽車(chē)熱管理科技有限公司，主要從事汽車(chē)空調(diào)設(shè)計(jì)及理論研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.059