某后顶式保面小学生校车空调系统开发浅谈

2018-05-21张万杰黎善友

装备制造技术 2018年3期

张万杰，黎善友

（柳州五菱宝马利汽车空调有限公司，广西柳州545002）

0 前言

此项目校车空调系统的蒸发器属于直接风冷式换热器，冷媒通过蒸发器的膨胀阀，高温高压的液态冷媒，转化为低温低压的气液两相的冷媒，经过蒸发器芯体，转化为低温低压的气态冷媒。冷媒由液态变为气态，蒸发吸热，带走车里空气的的热量，由于冷空气密度大于热空气，所以把空调系统安装在车后顶，可实现空气的自然循环过程，从而达到降温的目的。

1 开发背景、开发目标

1.1开发背景

此款小学生校车是在上一款后底置空调系统的基础上重新开发的。后底置空调系统在使用的过程中存在一些问题。①后底置空调系统采用双蒸发器结构，两个蒸发器总成安装在车的后尾箱内底部，芯体结构为平行流式，按照国家标准GB/T21361-2008汽车用空调器标准[1]，如表1所示，进行名义工况下的台架试验，名义制冷量需达到6 500 W.由于车内空间较大，玻璃辐射面积较大且整车密封性不佳，因此车子在使用过程中大量外部热量进入车内，所以空调系统制冷量需加以提高。②其次由于回风栅的回风位置位于校车后底处，灰尘较多，长期的运动过程中，容易造成回风栅积灰，影响回风的通畅性，灰尘吸附于蒸发器总成芯体表面处，堵塞芯体翅片开窗角度，从而影响制冷效果。③后底置空调系统管路由于空间限制，高压充注阀被车前格栅遮挡，造成只能从低压侧充冷媒，不方便高压充注使用。因此开发此套小学生校车空调系统，需要在提高产品性能及在保证产品可靠性的前提下，重新设计蒸发器总成及管路布置走向。

表1 名义制冷工况[1]

1.2开发目标

此款小学生校车开发目标为：①按照JT/T 216-2006《客车空调系统技术条件》[2]的要求，按额定乘员数12人计算，所需空调制基本冷量为1 900～2 000 kJ/h*12=24 000 kJ/h=6 500～6 700 W.目前车型设计制冷量为额定6 500 W，处于标准下限。结合市场反馈，以及相比其他主机厂同系列车型，玻璃面积大10%以上考虑，对此系列空调系统制冷量升级——在标准基础上增加10%，因此得出全车额定制冷量需求为7 400 W.升级后此系列空调系统的制冷效果将有提升，预计能达到同等车型水平。为了提升制冷性能，蒸发器芯体采用管片式结构。②通过重新设计，采用车内后顶式布置的形式，使得灰尘量很少，对蒸发器性能影响也较小，且避免了回风栅在车底容易积灰的现象。③通过重新设计，系统管路的高、低压充注阀分别位于压缩机吸、排气管处，方便充冷媒使用。

2 空调系统开发内容

2.1开发内容

（1）空调系统按照GB/T21361-2008《汽车用空调器》标准测试，额定制冷量不小于7.5 kW，蒸发器风机不少于2个，总蒸发风量≥900 m3/h，噪音＜75 dBA；压缩机制冷量≥7.2 kW；冷凝器尺寸≤880 mm×85 mm×490 mm，散热能力≥17 kW；蒸发器风道与整车内饰风道配合对接顺畅。

（2）空调系统制冷剂采用R134a，作为汽车空调使用最广泛的中低温环保制冷剂，完全不破坏臭氧层，是当前世界绝大多数国家认可并推荐使用的主流环保制冷剂，其毒性非常低，在空气中不可燃，安全类别为A1，是很安全的制冷剂。

（3）风道需重新设计，增加一个与蒸发器总成和整车内饰风道连接的过渡风道。

（4）壳体需重新设计，设计一种蒸发器壳体装配在蒸发器芯体外部，起到保护蒸发器芯体的作用，还要有合理的进、出风风道分布，使得蒸发器芯体获得最好的风量分配，发挥出蒸发器最大的制冷效能。还要有顺畅的排水流道及排水孔，使空调运行时蒸发器芯体换热过程中产生的冷凝水迅速排出。

（5）根据空调压缩机及蒸发器总成的布置位置，重新设计整套空调系统管路的走向。

2.2布置形式

2.2.1蒸发器总成布置

蒸发器总成包含蒸发器芯体、膨胀阀、壳体、蒸发风机、蒸发风机总成线束、温度传感器、固定安装支架，如图1所示。在满足技术要求的前提下，进行以下设计。

图1 蒸发器总成的布置图

（1）由于蒸发器芯体进、出口管在车内部需要与蒸发器进口管、蒸发器出口管进行连接，所以需要预留一部分空间，蒸发器总成安装时并不是左右对称的。

（2）虽然目前轿车已成熟应用了很多新型高效的蒸发器，如层叠式、平行流式蒸发器，但由于其生产用工装夹具前期投入大，时间长，而客车空调市场批量不大运行环境差，故此项目空调蒸发器采用管片式结构[3]。

此管片式蒸发器在有限的空间内，合理进行流道的布置，采用厚度为0.105 mm的铝散热片，片间的节距为1.8 mm，降低芯体重量，圆管采用内螺纹式的铜管，增加芯体的换热量，铝散热片采用波纹状的亲水铝箔，增大其散热面积，其套在圆型铜管上，用胀管的加工方式将铝散热片固定在管子上，达到与管壁紧密贴合的结构实现散热目的。

（3）膨胀阀选用外平衡热力膨胀阀。根据设计，蒸发器芯体采用管片式结构，此结构由进口分液头和出口分液头组成，由于芯体有较长的管程，流动阻力大，会产生一定的压力降，压力降过大，会使盘管出现缺液状态，所以采用带有外平衡管的热力膨胀阀，这样才能使膨胀阀向盘管提供适量的制冷剂。热力膨胀阀的外平衡管主要用于补偿，而不是消除蒸发器进出口间的压力降。连接蒸发器的出口压力时，膨胀阀膜盒下方的压力小于连接蒸发器进口压力，压力的降低，使闭合作用力减小，膨胀阀保持较大的开度，送入更多制冷剂补偿蒸发器造成的压力降。因此，只有在蒸发器内送入尽可能多的制冷剂液体而又不溢回压缩机时，蒸发器才能有更高的效率[4]。

根据设计目标，蒸发器总成额定制冷量不小于7 500 W，而根据膨胀阀性能参数1冷吨等于3 517 W，一般膨胀阀都选择大一些来匹配蒸发器，故可选择额定容量为2.5～4.0 T的膨胀阀，来匹配蒸发器。后续的具体的匹配，通过综合性能台架实验，对膨胀阀进行微调，蒸发器出口过热度在3°～5°这样，冷凝器出口过冷度在5°～8°这样，最终才确定膨胀阀的参数。

（4）为了增大制冷量，可提高蒸发风机风量，但风量增大，噪音随之增大，经过选型，通过台架试验，测得蒸发风机最大风量可达到1 200 m3/h以上，在静音室对其噪音测试，在保证风量的情况下，达到噪音要求。

2.2.2过渡风道布置

由于需要预留安装管路空间，所以空调左、右过渡风道采用不对称布置，布置如图2所示。风直接引到车左、右两边内饰风道及前顶内饰风道出风口。为了让最后一排乘客也吹到风，增加其舒适性，后顶内饰设计了出风口，经过风速对比，在过渡风道适合的拐角处开口，并用波纹管引到后顶内饰出风口处。

图2 过渡风道布置图

2.2.3空调管路布置

空调管路布置，如图3所示。根据蒸发器总成位置、压缩机总成位置及考虑优化高低压充注阀位置的要求，重新布置空调管路走向。

图3 空调管路布置图

（1）压缩机吸气管压板与管路一体，可限制安装方向，用于防错，避免管路安装时错装到压缩机排气管接口。

（2）低压管路包保温海绵，尤其在车内的低压管，保温海绵尽量包完整根管路，否则管路外壁会有冷凝水滴落到车内。

（3）为了避免管路被周边件磨损，在管路布置的时候应该留出合理的间隙，由于汽车是一个运动的产品，因此该间隙要包括静态间隙和动态间隙，静态间隙是指两个振动很小的物体之间的间隙，比如前大灯与冷凝器、蒸发器管路或车身与蒸发器、冷凝器管路，保持在15 mm以上，如间隙过小，则需要在距离近的管路上包裹海绵，热缩管或波纹管。由于发动机在工作的时候会振动，因此与压缩机相连的两个管路需考虑动态问题，比如压塑机进出口的胶管，皮带的间隙，如果间隙太小，发动机向前振动会导致空调管路和其它部件发生干涉，所以动态间隙的要求比静态间隙的要求严格，一般要求在20 mm以上。

3 项目经验总结

3.1冷凝器出液管断裂问题

在海南路试过程中，发现冷凝器出液管与冷凝器集流管焊接处断裂。通过分析故障件，发现干燥瓶夹折弯处断裂，冷凝器出液管与干燥瓶相互对接，分析原因为干燥瓶夹先断裂，致使冷凝器出液管断裂。干燥瓶夹通过金相分析，与所用材质相符，后所用材料厚度从2.0 mm增加到2.5 mm，增强了其强度，且折弯角半径从R0.5 mm，增大到R1.5 mm，降低了折弯时的应力集中。

3.2蒸发器总成出风口吹水问题

在设计的过程中由于过于关注制冷性能，忽视了一些试验，其中包括按GB/T 21361-2008汽车用空调器试验标准的凝露试验。凝露试验是在凝露工况下运行，空调器在凝露工况下应能正常运行，凝结水不应从空调器中随风吹出，而应顺利地从排水孔（管）排除，连续运转4 h.在客户使用过程中，发现靠近后顶的出风窗有冷凝水滴出。经过试验验证，发现由于蒸发器芯体的波纹片与下壳体之间存在间隙，冷凝水是从蒸发器芯体下面吹出的，在不档住排水口的情况下，在蒸发器下壳体上贴一块5 mm厚的海绵，不让风从下面吹出，可以解决此问题，如图4所示。

图4 蒸发器下壳体贴海绵

3.3抗结霜试验

此款空调系统所用的温度传感器为热敏电阻式温度传感器，热敏电阻式温度传感器采用负温度特性的热敏电阻，具有温度升高电阻值减小、温度下降电阻值增大的特点，通常安装在蒸发器出风口一侧，感受温度并转换成可用输出的电信号，传递给自动控制系统，控制汽车空调压缩机的起停，起到调节车内温度及防止蒸发器结霜的作用。也就是说，当汽车内温度太高时，控制系统就会开起空调，当汽车内的温度达到设定值时，控制系统就会关停空调[5]。

在蒸发器芯体出风侧上，平均布置3排5列共15个点，如图5所示。所用热电偶为T型热电偶（铜-铜镍热电偶），此款热电偶测量温区为-200～350℃，特别在-200～0℃温区内使用，稳定性更好。

图5 蒸发器芯体布点

芯体结霜必须有两个条件，芯体温度达到0度以下，芯体翅片有水份残留湿度大。先进行抗结霜选点试验，用蒸发器最低档风量运行，发现下排温度低与上两排温度，不同工况下，最低点会左右变化，经过对比之后，选择12点作为温度传感器的放置位置。按照GB/T21361-2008中的低温工况试验标准[1]，表2所示，空调器在低温工况下应能正常运行，且蒸发器风道不应被冰霜堵塞，空调器出风口不应有冰屑或水滴吹出，连续运行4 h，压缩机可正常跳断，芯体不结霜。