電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)超疏水換熱器抑制結(jié)霜性能研究*

孔祥潼 劉濤 王樹義 李龍男 李煒

（1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，微納光子學(xué)與材料國(guó)際實(shí)驗(yàn)室 發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 101408；3.中國(guó)第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130013；4.富奧汽車零部件股份有限公司熱系統(tǒng)事業(yè)部，長(zhǎng)春 130000）

主題詞：超疏水換熱器 抑制結(jié)霜 液滴合并自彈跳

1 前言

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車以發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱作為熱源向乘員艙供暖，而電動(dòng)汽車需要消耗動(dòng)力電池的能量來(lái)維持乘員艙內(nèi)部的溫度。目前，電動(dòng)汽車普遍采用正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient，PTC）熱敏電阻的電加熱方式向乘員艙提供熱量。PTC 熱敏電阻雖然具有適應(yīng)低溫環(huán)境、成本低、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、易于在電動(dòng)汽車上集成等優(yōu)點(diǎn)，然而其能效比（Coefficient Of Performance，COP）最大值不超過(guò)1[1]。因此，在以我國(guó)東北地區(qū)為代表的高緯度地區(qū)，PTC熱敏電阻的高耗能特性嚴(yán)重限制了電動(dòng)汽車在冬季的續(xù)航里程[2-3]。

相比于PTC熱敏電阻的制熱模式，車載熱泵系統(tǒng)具有更高的COP，是一種更高效、節(jié)能的冬季制熱方式[1]。車載熱泵系統(tǒng)根據(jù)不同工作溫度使用不同的冷媒工質(zhì)，如四氟乙烷（C2H2F4，R134a）和二氧化碳（CO2）等[4-5]。車載空氣源熱泵系統(tǒng)在冬季制熱模式工況下，室外換熱器作為蒸發(fā)器，通過(guò)換熱器微通道內(nèi)部冷媒工質(zhì)的蒸發(fā)過(guò)程吸收外界環(huán)境的熱量，車內(nèi)冷凝器通過(guò)冷媒工質(zhì)的冷凝過(guò)程向車內(nèi)釋放熱量實(shí)現(xiàn)供暖。然而，由于系統(tǒng)中冷媒工質(zhì)的相變溫度通常低于0°C，當(dāng)室外蒸發(fā)器扁管及翅片表面溫度降至水的冰點(diǎn)溫度時(shí)，引起蒸發(fā)器表面結(jié)霜，進(jìn)而增大換熱器表面熱阻、提高換熱器的壓降[6-7]，極大地減弱換熱器的換熱效率[8]。為了維持熱泵系統(tǒng)的換熱性能，需要通過(guò)熱泵系統(tǒng)的逆循環(huán)、熱氣旁通或電加熱等方式進(jìn)行除霜[9]，消耗動(dòng)力電池的電能，影響電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。為了解決上述問(wèn)題，近年來(lái)，以超疏水表面為代表的被動(dòng)式抑霜技術(shù)受到了廣泛關(guān)注，并被視為一種有效降低空氣源熱泵系統(tǒng)除霜能耗的方法[9-13]。

本文通過(guò)研究鋁基超疏水表面在低溫條件下抑制冷凝與結(jié)霜的微觀過(guò)程，驗(yàn)證超疏水表面應(yīng)用于車載熱泵系統(tǒng)空氣源換熱器抑制結(jié)霜的可行性，通過(guò)開發(fā)大型電動(dòng)汽車換熱器表面超疏水處理工藝制備超疏水換熱器樣品，分析超疏水換熱器的抑制結(jié)霜機(jī)理，并對(duì)制熱模式下的換熱器結(jié)霜性能進(jìn)行測(cè)試，以期為新型純電動(dòng)汽車熱泵型空調(diào)系統(tǒng)的換熱器被動(dòng)式抑制結(jié)霜提供全新的解決思路。

2 試驗(yàn)方法及裝置

2.1 試驗(yàn)方法

在微觀冷凝/結(jié)霜試驗(yàn)中，以光滑鋁合金作為基底材料，對(duì)樣品表面分別進(jìn)行了“未處理”“疏水處理”以及“超疏水處理”，以研究不同表面浸潤(rùn)性對(duì)冷凝和結(jié)霜過(guò)程的影響。未處理樣品的主要制備過(guò)程是將鋁合金樣品（2.5 cm×2.5 cm）放入乙醇中超聲清洗5 min，清除表面雜質(zhì)，清洗后取出吹干。疏水處理樣品的制備過(guò)程是將經(jīng)過(guò)上述清洗吹干后的鋁合金樣品放入密閉腔室內(nèi)進(jìn)行低表面能改性處理，具體是在85 ℃加熱條件下，利用化學(xué)氣相沉積方法將全氟癸基三乙氧基硅烷（Heptadecafluorodecyl-TriMethoxy-Silane，HTMS）沉積到鋁合金樣品表面上，沉積3 h。超疏水處理樣品的制備過(guò)程是將清洗后的鋁合金樣品放入90 ℃去離子水中加熱10 min，水熱處理后取出吹干，然后放入密閉腔室內(nèi)進(jìn)行低表面能處理[14]。

制備后的樣品分別利用掃描電子顯微鏡觀察表面微觀形貌，并通過(guò)表面靜態(tài)接觸角來(lái)表征表面的浸潤(rùn)性。如圖1 所示，未處理的樣品表面光滑平整，只有原始的拋光打磨紋路，其接觸角（Contact Angle，CA）約為60°，表現(xiàn)出親水性。經(jīng)過(guò)低表面能處理的疏水處理樣品表現(xiàn)出一定的疏水性，接觸角增加到104°。而超疏水處理樣品由于經(jīng)過(guò)水熱處理，表面生長(zhǎng)出百納米尺度的片狀納米結(jié)構(gòu)（見圖1b），能有效增加表面粗糙度，結(jié)合低表面能處理后，接觸角達(dá)到165°。

圖1 表面微觀形貌及接觸角

2.2 試驗(yàn)裝置/平臺(tái)

為表征不同浸潤(rùn)性表面的冷凝/結(jié)霜微觀過(guò)程，搭建了微觀尺度表征平臺(tái)，樣品采用導(dǎo)熱硅脂固定在溫度可控制的冷臺(tái)（PE-120，Linkam）上以減少傳熱熱阻。冷凝/結(jié)霜過(guò)程主要通過(guò)配備高倍物鏡（TU Plan Fluor EPI，20×，Nikon）和相機(jī)（DS-Qi2，Nikon）的顯微鏡平臺(tái)進(jìn)行觀察和記錄。液滴合并自彈跳過(guò)程由高速相機(jī)（Phantom v711，Vision Research）記錄，并用傳感器（HX93BDV0，Omega）對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的環(huán)境溫度及濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 超疏水表面液滴合并自彈跳現(xiàn)象

在微觀尺度下表征超疏水表面液滴合并自彈跳過(guò)程中，使用壓電分配器在超疏水表面放置2個(gè)半徑約為260 μm的大小相等的液滴，使它們能夠聚在一起，并用高速攝像機(jī)從側(cè)面觀察合并自彈跳過(guò)程，如圖2所示。當(dāng)2個(gè)液滴觸碰到一起時(shí)發(fā)生合并，由于水熱法處理后的鋁合金表面形成了均勻致密的片狀納米結(jié)構(gòu)，使液滴表面粘附力降低，在Cassie-Baxter潤(rùn)濕狀態(tài)下通過(guò)2個(gè)微液滴之間形成的液橋與超疏水表面的相互作用，將表面能轉(zhuǎn)化為合并液滴的動(dòng)能，最終實(shí)現(xiàn)了液滴合并自彈跳，脫離表面[15]。

圖2 超疏水表面液滴合并自彈跳過(guò)程

3.2 冷凝及結(jié)霜過(guò)程微觀表征

如圖3所示，不同浸潤(rùn)性表面的冷凝過(guò)程表現(xiàn)出不同的特征。在試驗(yàn)條件為冷臺(tái)溫度-15 ℃，環(huán)境溫度20 ℃，濕度60%的情況下，表面上不斷有液滴形成和長(zhǎng)大。未經(jīng)處理的樣品表面具有較小的接觸角，水汽逐漸在表面上冷凝形成微小不規(guī)則形狀的液滴，這些液滴會(huì)逐漸合并并最終形成較大的形狀不規(guī)則的大液膜。相比之下，經(jīng)過(guò)疏水處理的樣品表面具有一定的疏水性和較大的接觸角，在冷凝過(guò)程中，液滴的分布較為獨(dú)立，且液滴邊緣形狀多為較規(guī)整的圓形。而經(jīng)過(guò)超疏水處理的樣品表面，多數(shù)形成邊緣規(guī)整的球形液滴。在相同時(shí)間下，可以明顯觀察到超疏水表面上的液滴覆蓋面積更少。在圖3c 中，表面上2 個(gè)相鄰的液滴合并后離開表面，實(shí)現(xiàn)表面液滴的合并自彈跳（自排離），減少液滴在表面的覆蓋面積，而未處理及疏水處理的樣品表面上，2個(gè)相鄰液滴合并后形成更大的液滴仍留在表面上，最終增加形成結(jié)霜層的可能性，并增加換熱器表面的熱阻（見圖3a、圖3b）。

圖3 表面冷凝過(guò)程

圖4 展示了樣品表面的結(jié)霜過(guò)程。當(dāng)視野內(nèi)四周的液滴開始出現(xiàn)少量?jī)鼋Y(jié)時(shí)，未處理表面上視野內(nèi)的液滴在8 s內(nèi)完全凍結(jié)。疏水處理表面上的液滴在45 s內(nèi)完全凍結(jié)。而超疏水處理表面上的液滴完全凍結(jié)的時(shí)間約為240 s，同時(shí)可以看到，表面仍有大部分區(qū)域未結(jié)霜。通過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)量，統(tǒng)計(jì)了3種不同表面的結(jié)霜速度性能，結(jié)果如圖5 所示，超疏水表面的結(jié)霜速度最緩慢，約為0.003 mm2/s。

圖4 表面結(jié)霜過(guò)程

圖5 結(jié)霜速度性能對(duì)比

超疏水表面抑制霜層形成的主要原因有：

a.相比于其他表面，超疏水表面的表面能更低，液滴冷凝成核密度也相應(yīng)更小。同時(shí)，因?yàn)樵诔杷砻嫔洗嬖谝旱巫詮椞F(xiàn)象，2 個(gè)未凍結(jié)的液滴長(zhǎng)大觸碰時(shí)，會(huì)合并形成更大的液滴并彈跳離開表面，減少了超疏水表面液滴的覆蓋面積，從而有效減少了霜層在超疏水表面的覆蓋面積[14,16-17]。

b.相比未經(jīng)處理的表面，超疏水表面具有更大的接觸角，形成球狀液滴，液滴底部與冷表面的接觸面積更小，因此更少的熱量從液滴傳遞到表面，從而使得超疏水表面上的液滴冷凍速度更為緩慢[17-18]。

c.考慮大面積的結(jié)霜過(guò)程，其表面結(jié)霜過(guò)程由邊緣區(qū)域的冷點(diǎn)優(yōu)先冷凍液滴，再向中間的液滴擴(kuò)散。液滴間的結(jié)霜過(guò)程由霜晶枝生長(zhǎng)，并接觸到附近液滴形成冷橋，發(fā)生冷凍轉(zhuǎn)移。由于超疏水表面液滴具有更大的接觸角，相比未經(jīng)處理的表面，相同體積的液滴在表面上的投影面積更小，液滴間的冷橋形成更為緩慢。同時(shí)，由于超疏水表面液滴在冷凝過(guò)程中會(huì)合并自彈跳，減少液滴的覆蓋面積，在結(jié)霜過(guò)程中，可以有效抑制冷橋形成及霜層的擴(kuò)散[10-11,19]。

3.3 超疏水換熱器的制備及結(jié)霜測(cè)試

超疏水表面上的冷凝及結(jié)霜微觀表征結(jié)果說(shuō)明優(yōu)化設(shè)計(jì)的表面納米結(jié)構(gòu)和低表面能改性方法可以使超疏水表面具有抑制結(jié)霜、強(qiáng)化換熱的特性。為了把該設(shè)想與微尺度試驗(yàn)結(jié)果在全尺寸車載熱泵換熱器上進(jìn)行驗(yàn)證，本文開發(fā)了一種大型換熱器超疏水處理工藝。如圖6a 所示，試驗(yàn)中采用某型號(hào)全尺寸車載微通道換熱器（尺寸為70 cm×50 cm×5 cm）作為測(cè)試樣品，其具體表面超疏水處理所使用設(shè)備及制備流程如圖6b和圖6c所示，其制備過(guò)程中所使用的方法與上述超疏水樣品的制備流程相近。

圖6 超疏水換熱器制備流程及試驗(yàn)裝置

為了研究超疏水表面處理方法對(duì)換熱器結(jié)霜性能的影響，利用標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞測(cè)試平臺(tái)對(duì)制熱模式工況下的換熱器抑制結(jié)霜性能進(jìn)行了研究。試驗(yàn)工況如圖7所示，在約1 500 s 后，風(fēng)洞系統(tǒng)以及換熱器內(nèi)部制冷冷媒的運(yùn)行工況保持相對(duì)穩(wěn)定，并在試驗(yàn)過(guò)程中保持75%±5%的相對(duì)濕度以及2 ℃的干球溫度。在啟動(dòng)制冷劑循環(huán)后，換熱器表面逐漸開始有液滴冷凝生成，并在換熱器表面溫度進(jìn)一步降低的過(guò)程中產(chǎn)生結(jié)霜，導(dǎo)致壓降增大。如圖8 所示，在2 500 s 的測(cè)試后，未處理?yè)Q熱器表面和超疏水換熱器表面的結(jié)霜覆蓋面積展示出明顯的區(qū)別，超疏水換熱器表面上的霜層覆蓋面積更小，該結(jié)果說(shuō)明超疏水換熱器與未處理的換熱器相比具有更好的抑制結(jié)霜性能。

圖7 壓降試驗(yàn)工況

圖8 未處理?yè)Q熱器與超疏水換熱器表面結(jié)霜效果比較

為了定量比較未處理?yè)Q熱器與超疏水換熱器的抑制結(jié)霜性能，圖9a給出了2個(gè)換熱器結(jié)霜過(guò)程中壓降隨時(shí)間變化的關(guān)系。從工況穩(wěn)定后開始計(jì)算：當(dāng)壓降由45 Pa 提高至55 Pa 時(shí)，2 種換熱器所需的時(shí)間分別為230 s和390 s，與未處理?yè)Q熱器相比，超疏水換熱器的結(jié)霜時(shí)間延長(zhǎng)了160 s，約為70%；當(dāng)壓降由45 Pa 提高至62 Pa時(shí)，2種換熱器所需的時(shí)間分別為470 s和1 190 s，與未處理?yè)Q熱器相比，超疏水換熱器的結(jié)霜時(shí)間延長(zhǎng)了720 s，約為153%。該結(jié)果表明，車載熱泵系統(tǒng)在制熱工況下運(yùn)行時(shí)，超疏水換熱器具有優(yōu)異的延遲結(jié)霜效果。在不同的環(huán)境溫度、濕度工況下，超疏水換熱器表面的冷凝和結(jié)霜過(guò)程會(huì)受到影響，超疏水換熱器的延緩結(jié)霜特性也會(huì)隨工況相應(yīng)改變，相比于未處理的換熱器，超疏水換熱器仍具有較好的抑制結(jié)霜性能[11]。圖9b對(duì)比了2種換熱器在單位時(shí)間內(nèi)（1 h）所需的化霜次數(shù)。當(dāng)壓降由45 Pa提高至55 Pa時(shí)進(jìn)行化霜，相比于未處理?yè)Q熱器，超疏水換熱器所需化霜次數(shù)減少約40%；當(dāng)壓降由45 Pa 提高至62 Pa 時(shí)進(jìn)行化霜，相比于未處理?yè)Q熱器，超疏水換熱器所需化霜次數(shù)減少約57%。

圖9 超疏水換熱器結(jié)霜性能

3.4 超疏水換熱器含水率試驗(yàn)

為了研究超疏水處理對(duì)換熱器冷凝水排出性能的影響，利用天平對(duì)換熱器進(jìn)行含水率測(cè)試。試驗(yàn)裝置如圖10 所示，將換熱器插入水槽中浸泡1 min 后取出，測(cè)量初始含水率，然后將換熱器掛起，測(cè)量換熱器的排水性能，圖11比較了2種換熱器含水率在15 min排水試驗(yàn)過(guò)程中的變化情況。在浸泡1 min 后，超疏水換熱器表面大部分未被浸潤(rùn)，殘留的水分較少，超疏水換熱器的含水率約為9.4%。而未處理的換熱器表面表現(xiàn)為親水狀態(tài)，在浸泡過(guò)程中完全被浸潤(rùn)，取出后殘留有大量的水分，含水率約為58.7%。在15 min 內(nèi)，水在重力作用下排出，未處理的換熱器含水率在最初的1 min 內(nèi)快速下降，隨后緩慢下降至30.2%，而超疏水換熱器因本身具有超疏水特性，表現(xiàn)出較低的含水率，在15 min 排水試驗(yàn)過(guò)程中含水率變化不大，但含水率依然較未處理的換熱器低。試驗(yàn)結(jié)果表明，在車載熱泵系統(tǒng)制熱模式中，超疏水換熱器在化霜條件下可以快速排出融霜，保持換熱器翅片的高效換熱性能。

圖10 含水率試驗(yàn)裝置

圖11 超疏水換熱器含水率測(cè)試結(jié)果

3.5 超疏水換熱器耐久性及使用壽命

根據(jù)經(jīng)典Cassie-Baxter 模型對(duì)表面超疏水性能的描述，超疏水表面的浸潤(rùn)性由表面的粗糙度和表面吉布斯自由能共同決定，超疏水換熱器主要采用水熱法制備表面納米結(jié)構(gòu)，并利用硅烷（HTMS）對(duì)納米結(jié)構(gòu)表面的浸潤(rùn)性進(jìn)行改性，降低其表面能，獲得了鋁基超疏水納米結(jié)構(gòu)表面。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)表面處理獲得超疏水性能的方法形成的表面微納結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分會(huì)受到外部環(huán)境的影響，出現(xiàn)被破壞的現(xiàn)象，進(jìn)而影響表面浸潤(rùn)性和超疏水表面器件在應(yīng)用中的壽命。為此，對(duì)超疏水換熱器表面微納結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分的使用壽命進(jìn)行分析。

首先，在超疏水換熱器表面上形成的納米結(jié)構(gòu)，是通過(guò)水熱法在翅片鋁基表面形成的致密的納米尺度結(jié)構(gòu)，與翅片間存在較好的結(jié)合，因此，在無(wú)外部沖擊（如人為觸碰）的情況下，表面納米結(jié)構(gòu)不會(huì)受到大規(guī)模破壞。超疏水換熱器在自身的結(jié)霜/化霜過(guò)程中，對(duì)表面納米結(jié)構(gòu)的破壞較少，因此，在超疏水換熱器的安裝、維修以及拆卸過(guò)程中，減少對(duì)翅片表面的觸碰，可以很好地保護(hù)翅片表面的納米結(jié)構(gòu)。

其次，結(jié)霜/化霜過(guò)程對(duì)HTMS 表面改性疏水材料與納米結(jié)構(gòu)的粘附性具有一定影響。為此，對(duì)超疏水換熱器涂層的耐久性及使用壽命進(jìn)行簡(jiǎn)單估算。假設(shè)電動(dòng)汽車每天行駛60 km，平均車速為20 km/h，汽車每天運(yùn)行時(shí)間約為3 h，如圖9a 中，未結(jié)霜時(shí)原始?jí)航禐?1.8 Pa（第500 s 處），2 690 s 后壓降為62 Pa，當(dāng)換熱器結(jié)霜后壓降提高2.5 倍時(shí)為最佳除霜時(shí)刻[20]，按照正比例函數(shù)擬合，預(yù)測(cè)所需要的時(shí)間，則通過(guò)超疏水換熱器的壓降由未結(jié)霜時(shí)31.8 Pa提高至111.3 Pa時(shí)進(jìn)行除霜，通過(guò)擬合，所需時(shí)間為5 765 s，超疏水換熱器的化霜頻率為每1.6 h化霜一次，每天化霜約2次。電動(dòng)汽車在冬季低溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，需要進(jìn)行熱泵換熱器的除霜化霜，以冬季時(shí)間較長(zhǎng)的中國(guó)東北地區(qū)為例，假設(shè)一年中有6個(gè)月的寒冷季節(jié)需要進(jìn)行化霜工作，則一年所需化霜次數(shù)為360次。前期研究結(jié)果表明，利用HTMS 表面改性方法制備的疏水表面在結(jié)霜/化霜過(guò)程中，具有良好的耐久性，結(jié)霜/化霜過(guò)程對(duì)表面的疏水性能影響較小，在1 000次結(jié)霜/化霜循環(huán)后表面疏水性能（接觸角）未產(chǎn)生明顯變化[21]。因此，通過(guò)類比分析，預(yù)估通過(guò)HTMS 疏水材料進(jìn)行改性的超疏水換熱器的使用壽命在2年以上。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)純電動(dòng)汽車熱泵型空調(diào)冬季制熱循環(huán)中易出現(xiàn)的車外換熱器結(jié)霜導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低及除霜能耗問(wèn)題，本文對(duì)換熱器進(jìn)行表面微納結(jié)構(gòu)制備及低表面能處理，成功制備了一種超疏水換熱器，并試驗(yàn)研究了其延緩結(jié)霜機(jī)理及性能。在低溫條件下，冷凝液滴在超疏水換熱器表面能夠自發(fā)合并導(dǎo)致液滴自彈跳現(xiàn)象，有效抑制冷凝液滴的粘附，進(jìn)而延緩換熱器表面結(jié)霜。通過(guò)超疏水處理可以有效減少換熱器的含水率，在化霜條件下可以快速排出融霜，保持換熱器翅片的高效換熱性能。利用水熱法和HTMS 表面改性方法制備的疏水表面在結(jié)霜/化霜過(guò)程中，具有良好的耐久性，預(yù)估超疏水換熱器的使用壽命約為2年以上。本文的主要結(jié)論如下：

a.在微觀尺度下表征超疏水表面冷凝液滴的合并自彈跳現(xiàn)象，是延緩結(jié)霜的重要原因。

b.通過(guò)水熱法和HTMS 化學(xué)氣相沉積方法實(shí)現(xiàn)超疏水換熱器的制備，制熱模式下?lián)Q熱器的風(fēng)洞壓降試驗(yàn)結(jié)果表明，相比于未經(jīng)處理的換熱器，超疏水換熱器結(jié)霜時(shí)間延長(zhǎng)70%以上，可以有效抑制電動(dòng)汽車換熱器結(jié)霜。

c.與未經(jīng)處理?yè)Q熱器對(duì)比，超疏水換熱器單位時(shí)間內(nèi)所需化霜次數(shù)減少約40%以上。

d.通過(guò)含水率測(cè)試，超疏水換熱器的含水率始終低于未經(jīng)處理?yè)Q熱器的含水率，約為9.4%，可以保持換熱器翅片的高效換熱性能。