汽車?yán)淠鞯膬?yōu)化設(shè)計(jì)策略研究

摘要：冷凝器是汽車空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)質(zhì)量會(huì)直接影響空調(diào)的制冷效果。隨著技術(shù)的進(jìn)步，用戶對(duì)于汽車的空調(diào)制冷效果也提出了更高要求，這就需要通過對(duì)冷凝器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來滿足用戶需求。據(jù)此，闡述了汽車空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展以及汽車?yán)淠鞯南嚓P(guān)理論，并從汽車?yán)淠鞯妮p量化設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)以及其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面分析了汽車?yán)淠鞯膬?yōu)化設(shè)計(jì)策略。

關(guān)鍵詞：汽車?yán)淠?；?yōu)化設(shè)計(jì)；輕量化；散熱

中圖分類號(hào)：U462收稿日期：2024-10-31

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.01.010

1前言

冷凝器是汽車的重要子系統(tǒng)之一。在汽車空調(diào)中，冷凝器主要有管片式結(jié)構(gòu)、管帶式結(jié)構(gòu)、平行流式幾種結(jié)構(gòu)。其中，平行流式冷凝器結(jié)構(gòu)緊湊，制冷劑的充注量少，傳熱系數(shù)高，采用全鋁釬焊制成，具有安裝便利、價(jià)格低廉、質(zhì)量輕、運(yùn)行可靠、堅(jiān)固耐用的優(yōu)點(diǎn)，因此，在目前的車輛空調(diào)設(shè)計(jì)中，此類冷凝器最為常見［1］。

汽車工業(yè)的迅速發(fā)展對(duì)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的質(zhì)量提出了更高要求，由于車輛的造型風(fēng)格各具差異，在冷凝器的設(shè)計(jì)上不能單一依靠原有的經(jīng)驗(yàn)，過度依賴經(jīng)驗(yàn)會(huì)影響冷凝器作用的發(fā)揮，出現(xiàn)能力不足或者能力過剩等問題，因此針對(duì)汽車?yán)淠鞯脑O(shè)計(jì)必須要充分考量到多種因素。

2汽車空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展

汽車空調(diào)系統(tǒng)的功能主要有調(diào)濕、制冷和加熱，調(diào)濕和加熱可以采用其他方法來實(shí)現(xiàn)，因此，在汽車空調(diào)系統(tǒng)中人們最為關(guān)注的就是其制冷效果。在1940年，蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)首次應(yīng)用在車輛空調(diào)系統(tǒng)中，近年來，在汽車工業(yè)的發(fā)展下，汽車空調(diào)行業(yè)也日新月異，目前的汽車空調(diào)是以蒸汽壓縮式制冷為主。

除了需要滿足空調(diào)系統(tǒng)的核心功能之外，還需要額外關(guān)注節(jié)能、環(huán)保需求，而當(dāng)前采用的制冷劑主要為R134a，這類制冷劑的價(jià)格偏高，也會(huì)產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”，因此科研人員也在持續(xù)研究替代這一制冷劑的產(chǎn)品。

隨著設(shè)計(jì)理念的優(yōu)化，汽車空調(diào)設(shè)計(jì)技術(shù)和方法與以往相比也出現(xiàn)了明顯差異。隨著制冷系統(tǒng)熱動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，仿真設(shè)計(jì)技術(shù)也日益成熟，被廣泛應(yīng)用在汽車空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中［2］。

3汽車?yán)淠鞯南嚓P(guān)理論

冷凝器是汽車空調(diào)的組成之一，空調(diào)系統(tǒng)主要包括冷凝器、膨脹閥、壓縮機(jī)、儲(chǔ)液干燥器、鼓風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)器組成，相互之間使用鋁管或者銅管與橡膠管連接，從而組成密閉系統(tǒng)。

在啟動(dòng)制冷系統(tǒng)之后，制冷劑會(huì)在密閉系統(tǒng)中循環(huán)產(chǎn)生制冷效果。這一循環(huán)主要包括四個(gè)流程：a.壓縮：壓縮機(jī)將吸入的制冷劑氣體壓縮為高溫高壓氣體，將其排出；b.散熱：高溫高壓氣體隨后會(huì)進(jìn)入冷凝器，由冷凝器將其凝結(jié)，冷凝為液體，排出熱量；c.節(jié)流：制冷劑液體在經(jīng)過膨脹裝置之后其體積會(huì)變大，溫度迅速下降，會(huì)以霧狀形式排出膨脹裝置；d.吸熱：霧狀制冷劑液體進(jìn)入到蒸發(fā)器中，由于制冷劑的沸點(diǎn)較低，這時(shí)制冷劑液體就會(huì)蒸發(fā)為氣體，蒸發(fā)過程中會(huì)吸收周圍熱量，從而起到制冷效果。上述幾個(gè)流程會(huì)循環(huán)往復(fù)的進(jìn)行。

冷凝器屬于空調(diào)系統(tǒng)的核心部件，能夠?qū)⒐艿乐械臒崃垦杆賯髦粮浇諝?，并將制冷劑從氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，在大多數(shù)的車輛中，冷凝器是安裝在車頭位置。冷凝器作為車輛的換熱部件，必須要滿足幾個(gè)要求：a.質(zhì)量輕，能夠留出較大的安裝空間；b.換熱效率高；c.空氣側(cè)與制冷劑側(cè)的阻力??；d.抗震性能好。

根據(jù)冷凝器的原理，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要從三個(gè)角度來進(jìn)行考量：a.如何增加換熱面積，提高換熱量。由于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)位置的空間十分有限，并不支持?jǐn)U大冷凝器的體積，因此需要在既有空間中進(jìn)行改造，使之朝著輕量化、小型化的方向發(fā)展；b.提高冷凝器內(nèi)部工質(zhì)流體的溫度，使流量的分配變得更加均勻，如果溫度的差異較大，會(huì)影響工質(zhì)的黏性和密度，進(jìn)而影響流速；c.減小制冷劑的壓力損失，這可以有效降低壓縮機(jī)功耗，要滿足這一需求，就需要減少冷凝器通道阻力，增加通道截面積［3］。

4汽車?yán)淠鞯妮p量化設(shè)計(jì)

4.1上支架輕量化設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的車輛中，冷凝器主要是安裝在下護(hù)板和集流管上，在輕量化設(shè)計(jì)上，不能改變原有冷凝器距離護(hù)板與集流管之間的距離，只能夠減小芯體厚度，這可以通過優(yōu)化制冷劑流程、調(diào)整翅片波距來達(dá)成目標(biāo)。

在傳統(tǒng)車輛的冷凝器設(shè)計(jì)上，支架主要是采用“鋁型材+鋼鈑金”相結(jié)合的方式，將兩者采用螺栓連接起來，其中，鋼鈑金的重量較大。因此，在冷凝器的輕量化設(shè)計(jì)上即可考慮將鋼鈑金支架更換為鋁合金材料。與鋼材相比，鋁合金的質(zhì)量大大減輕，只有鋼材的1/3左右，并且具有更好的耐腐蝕性能、物理和機(jī)械性能。

在支架的連接位置也需要使用鋁型材，可以直接將鋁支架與冷凝器芯體融為一體，后續(xù)不需要進(jìn)行打螺栓，也使得整個(gè)結(jié)構(gòu)更加牢固。

考慮到鋁支架、集流管焊接位置扭矩較大，因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須要關(guān)注可靠性，要求優(yōu)化鋁合金板的厚度；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來看，如果只需要起到保護(hù)作用，那么厚度選擇1mm即可；如果需要加裝支架，就需要增加厚度，以1.5～2mm為宜；如果支架屬于主要受力件，就需要繼續(xù)增加鋁合金板的厚度，宜選擇3mm厚的鋁合金板，強(qiáng)化支架的強(qiáng)度。

4.2下支架輕量化設(shè)計(jì)

在車輛的下支架中一般使用鋼鈑金件，再使用焊接螺母進(jìn)行點(diǎn)焊，這一位置并沒有鋁制芯體焊接，因此，為了進(jìn)一步降低重量，可以嘗試使用工程塑料，與鋁合金相比，工程塑料的質(zhì)量更輕。

考慮到冷凝器的位置特殊，在行車過程中會(huì)受到震動(dòng)、沖擊的影響，因此還需要保障工程塑料具有良好的抗振動(dòng)和抗沖擊性能，綜合考慮各項(xiàng)要求，可以使用尼龍PA材料，這類材料耐疲勞性能和抗沖擊性能均較好，還具有良好的耐高溫性能，其中最為常用的是PA66系列。

為了增加其機(jī)械性能，還可以在其中置入鋼纖維、玻璃纖維等改性劑。針對(duì)塑料支架的設(shè)計(jì)，宜采用注塑成形工藝，在設(shè)計(jì)時(shí)需要尤其關(guān)注壁厚的設(shè)計(jì)，如果壁厚過薄，那么就會(huì)影響支架的強(qiáng)度，一般情況下，以2.5～3.5mm為宜。在兩臂相交位置需要設(shè)置好過渡圓角，防止出現(xiàn)局部應(yīng)力，否則后續(xù)隨著車輛的顛簸，很容易導(dǎo)致冷凝器變形［4］。

5汽車?yán)淠鞯纳嵩O(shè)計(jì)

在汽車?yán)淠鞯脑O(shè)計(jì)中，發(fā)熱問題也是必須要關(guān)注的重點(diǎn)，冷凝器在運(yùn)行過程中會(huì)受到陽光輻射、氣溫因素的影響，其周圍的空調(diào)管路、水箱也會(huì)散發(fā)出大量的熱量，因此，目前的冷凝器設(shè)計(jì)一般是選擇制冷量兩倍作為散熱量參考，如果不能滿足這一要求，就會(huì)大大影響空調(diào)的制冷效果。

為了提高散熱能力，可以通過加大風(fēng)量、增加散熱面積兩個(gè)方式來達(dá)成，但是冷凝器所處的位置特殊，很難增大面積，在冷凝器上側(cè)和下側(cè)位置均分布著橫梁，面積的增加空間有限，而左右兩側(cè)雖然有一定的空間，但是會(huì)受到車內(nèi)零部件的制約。

當(dāng)前汽車行業(yè)的競爭日趨加劇，各個(gè)車企都在想方設(shè)法的控制零部件成本，因此，并不適合通過增加冷凝器的散熱面積來提高散熱效果，如果要增加風(fēng)扇的風(fēng)量，不僅會(huì)增加成本，對(duì)于空間布置也提出了更高要求，風(fēng)量過大也會(huì)增加車內(nèi)的噪音，影響行車舒適性。

對(duì)此，可以針對(duì)冷凝器周邊風(fēng)的流動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，根據(jù)風(fēng)的流向規(guī)律來設(shè)計(jì)導(dǎo)流擋風(fēng)設(shè)施，這可以有效規(guī)避上述兩個(gè)方案的不足，也具有良好的散熱效果。

5.1計(jì)算車輛空調(diào)熱負(fù)荷

在炎熱的假期，車外溫度較高，受到太陽輻射的影響，熱量會(huì)通過玻璃、車身傳入到車輛內(nèi)部，還有一些熱空氣會(huì)通過地板縫隙、門窗等進(jìn)入車內(nèi)，導(dǎo)致車內(nèi)溫度迅速升高。另外，人體散發(fā)出的熱量也會(huì)提高車內(nèi)溫度，車廂內(nèi)的儀表盤、座椅會(huì)吸收太陽能輻射，朝著車內(nèi)散發(fā)，這就組成了車身熱負(fù)荷。

針對(duì)熱負(fù)荷的計(jì)算可以參考穩(wěn)態(tài)熱平衡，根據(jù)日照強(qiáng)度、玻璃面積下的投影總和進(jìn)行計(jì)算，得出車輛空調(diào)熱負(fù)荷之后即可將其輸入計(jì)算程序，得出在車內(nèi)不同溫度下車輛內(nèi)部的熱負(fù)荷，繪制出溫度變化曲線。在設(shè)計(jì)時(shí)可以參考40km/h的空調(diào)制冷量作為標(biāo)準(zhǔn)，得出空調(diào)額定的制冷量，同時(shí)，還需要考慮到車輛的實(shí)際運(yùn)行工況以及車輛的密封性，留出一定的富余。

5.2其他考量因素

同時(shí)，需要針對(duì)冷凝器周邊的發(fā)動(dòng)機(jī)前圍板、前保險(xiǎn)杠、水箱、線束等零件進(jìn)行分析，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，得出周邊風(fēng)的流動(dòng)軌跡，進(jìn)行模擬分析。根據(jù)分析結(jié)果來看，有幾種因素會(huì)影響冷凝器的散熱：a.發(fā)動(dòng)機(jī)艙的風(fēng)回流；b.冷凝器位置進(jìn)風(fēng)測風(fēng)速問題；c.冷凝器兩側(cè)的風(fēng)無法起到冷卻作用。對(duì)此，可以在冷凝器左右兩側(cè)迎風(fēng)面下部位置設(shè)置導(dǎo)流板，并在導(dǎo)流板位置粘貼密封海綿，以保證密封效果。接著即可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，分別針對(duì)車輛冷凝器加裝導(dǎo)流板、不加裝導(dǎo)流板時(shí)的散熱情況進(jìn)行分析，再根據(jù)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

6冷凝器性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)

6.1翅片性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

在翅片性能的分析上，需要在保證各項(xiàng)參數(shù)不變的前提下修改翅片的寬度、百葉窗角度以及間距，再開展CFD仿真計(jì)算，此時(shí)即可獲取到優(yōu)化模型。針對(duì)翅片性能的設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注三個(gè)方面：

a.翅片間距。翅片間距會(huì)影響換熱系數(shù)、換熱量，在翅片間距減小之后，空氣溫度也會(huì)降低，但是翅片的間距與換熱面積息息相關(guān)，隨著翅片間距的擴(kuò)大，換熱面積就會(huì)隨之減小。另外，在翅片間距的增大下，風(fēng)速也會(huì)減小，單位面積換熱量增大，兩者為一次線性關(guān)系，對(duì)此，需要在滿足風(fēng)阻的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)臏p小翅片間距，這能夠有效提高換熱量。但是在設(shè)計(jì)時(shí)還需要計(jì)算到成本問題，間距越小，成本就越高，這需要從成本價(jià)格和換熱性能之間選擇一個(gè)折中點(diǎn)。

b.百葉窗角度的設(shè)計(jì)優(yōu)化。百葉窗角度對(duì)于空氣會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)效果，隨著百葉窗角度的增加，翅片與空氣之間的換熱量就會(huì)增大，因此，百葉窗角度越大，就越容易對(duì)流動(dòng)空氣產(chǎn)生擾動(dòng)作用和阻擋作用。在百葉窗角度較大時(shí)，空氣流速就會(huì)變大，換熱系數(shù)也會(huì)增加，因此，對(duì)于百葉窗角度的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要在關(guān)注角度的同時(shí)考慮到壓差值的變化問題。從目前冷凝器設(shè)計(jì)領(lǐng)域來看，百葉窗角度一般以26°為宜，這個(gè)角度既能夠保證風(fēng)阻的合理性，也可以有效優(yōu)化換熱性能。

c.翅片寬度的設(shè)計(jì)優(yōu)化。在芯體厚度增加之后，百葉窗的數(shù)量也會(huì)增多，換熱空氣的流動(dòng)區(qū)域會(huì)變大，此時(shí)，出口位置的空氣溫度會(huì)持續(xù)升高。也就是說，隨著翅片寬度的加大，就會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱變得越加不充分，但是增加寬度可以增加換熱面積。綜合各類因素來看，在設(shè)計(jì)時(shí)一般不建議為了增大換熱量而增加翅片寬度。

6.2冷凝器扁管孔數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

冷媒主要是在冷凝器的扁管中移動(dòng)，隨著其溫度的降低，扁管溫度也會(huì)隨之降低，扁管孔數(shù)不同，溫度差值的變化也各有差異，孔數(shù)越多，溫度下降速度也會(huì)更快，而扁管會(huì)與翅片接觸，接觸熱量就能夠從扁管傳遞到翅片上，因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮通過合理方式增加微通道孔數(shù)，孔數(shù)越多，散熱效果就越好。但是在微通道孔數(shù)增加到一定的數(shù)量時(shí)，換熱量幾乎不會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生變化，這也說明孔數(shù)對(duì)于換熱量的影響是存在制約性的，具體需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)仿真來選擇適合的孔數(shù)取值。

6.3冷凝器流程分布的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在冷凝器的流程分布上，需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求出具不同的設(shè)計(jì)方案，再利用CFD仿真來獲取數(shù)據(jù)結(jié)果與圖像結(jié)果。在冷凝器的進(jìn)口端有明顯的壓力梯度和速度梯度，隨著流動(dòng)方向的變化，速度梯度會(huì)不斷地發(fā)生變化，慢慢增大，相反，壓力梯度就會(huì)逐漸減小，在微管毛細(xì)作用的影響下，速度的分布是不均的。因此，在冷凝器的局部位置，某些地方會(huì)出現(xiàn)較大的速度變化，如果速度過大，會(huì)造成一定的局部阻力，形成大尺寸渦流，這就會(huì)增加能量的消耗。

從出口端速度的分布方面來看，其基本與內(nèi)部流體的速度保持一致，也是均勻分布的，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要觀察方案的流體沖擊情況，通過分析其壓力梯度和速度梯度的變化來得出最佳結(jié)果。接著即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將所有制冷管道連接好，確保傳感器設(shè)置與連接的正確性，密封也要滿足要求，不得出現(xiàn)工質(zhì)泄漏現(xiàn)象，最終根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來確定最佳方案［5］。

7結(jié)語

冷凝器是汽車空調(diào)的換熱部件，也是空調(diào)的核心部件之一，其整體的模型復(fù)雜龐大，通過優(yōu)化空調(diào)冷凝器的設(shè)計(jì)，能夠降低熱量損失，提高制冷效果。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，冷凝器設(shè)計(jì)領(lǐng)域也日新月異，取得了良好的發(fā)展成果。當(dāng)前，新能源汽車慢慢普及，在汽車?yán)淠鞯脑O(shè)計(jì)上還需要考慮到不同車輛的運(yùn)行特點(diǎn)，綜合根據(jù)各類因素來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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作者簡介：

黃小梅，女，1979年生，汽車工程師，研究方向?yàn)檎嚰傲悴考_發(fā)。