一种载货车空调冷凝器的平台化设计

黄朝斌

（安徽江淮汽车集团股份有限公司轻卡研发部，安徽 合肥 230000）

前言

汽车空调是汽车空气调节的简称，即采用人工制冷和采暖的方法，调节车内的温度、湿度、空气速度等参数指标，从而为人们创造清新舒适的车内环境。调节车内温度是汽车空调的基本功能，多数汽车空调只具有这种单一功能。汽车空调在冬季，利用其采暖装置升高车室内的温度，一般以发动机冷却循环水作为暖风的热源；在夏季，车内降温是由制冷装置完成的。

人们俗称的空调主要是指制冷装置，一般在无特别说明时，空调指的就是制冷装置。制冷装置主要采用蒸气压缩式制冷，即利用液态制冷剂汽化吸热产生冷效应。简而言之，就是冷凝器将压缩机送来的高温高压气态制冷剂，在冷凝器内将热量释放给车外空气中，使制冷剂冷凝成液体制冷剂，并送入车内的蒸发器汽化，吸取空气中的热量，使空气温度降低，最后由送风机将低温的空气吹送到车内各部位。制冷装置是一个独立的、密封的工作冷循环体，主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、送风机等部件组成。

本文以是汽车空调制冷装置为切入点，介绍空调制冷装置的组成部件和工作原理，讲述了汽车空调冷凝器的功能、工作过程、结构及分类。最后以载货汽车为实例，重点讲解了空调汽车冷凝器的平台化设计和应用。

1 制冷装置的部件和制冷原理

1.1 制冷装置的组成部件

制冷装置主要由压缩机、冷凝器总成、蒸发器总成三大部件，以及三大部件间的连接管路组成，其中冷凝器总成集成了储液器总成，蒸发器总成集成了膨胀阀。压缩机是整个装置的动力输出，负责制冷剂的压缩和输送；冷凝器的主要功能是制冷剂的冷凝和放热；蒸发器主要是制冷剂蒸发吸热，达到降温目的。如下面图1所示。

图1 制冷装置组成部件

1.2 制冷原理

制冷过程分四步完成：

压缩过程：压缩机吸入低温低压制冷剂气体，并对低温低压制冷剂气体进行压缩，变成高温高压制冷剂气体，最后排出压缩机。

冷凝过程：高温高压制冷剂气体通过高压软管被送到冷凝器冷凝，向经过冷凝器的空气放热，被冷凝成高压中温的液体，流向储液器，在储液器中制冷剂被过滤杂质、脱去水分。

节流过程：制冷剂通过高压软管流至膨胀阀，经膨胀阀节流降压，变成低压低温液气混合物，准备进入蒸发器。

蒸发过程：低压低温液气混合制冷剂在蒸发器中蒸发，大量吸收车内流经蒸发器表面空气的温度，从而降低了气温，达到了制冷目的。

蒸发后的过热制冷剂气体，进入压缩机并开始下一个制冷循环，周而复始的进行，达到了制冷目的，同时由于蒸发器表面的温度低于空气露点，空气中的水汽冷凝成为露水排出车外，从而降低了车内空气的温度和湿度。空调制冷原理如图2所示。

图2 空调制冷原理

2 冷凝器的功能和分类

2.1 冷凝器的功能

冷凝器的功能是使由压缩机排出的高温高压制冷剂气体在冷凝器内通过金属管壁和翅片的与冷凝器外部的空气进行热交换，将高温高压气态制冷剂转变为高温高压的液态制冷剂，并把热量散发到车外环境中。制冷剂的换热大体上可以分三个阶段，即过热、两相和过冷。过热和过冷阶段制冷剂处于单相状态，发生的是显热交换；而在两相阶段，制冷剂发生集态变化，即冷凝，属于潜热交换。在冷凝器中，制冷剂的大部分热量是在凝结阶段释放的。换热过程如图3所示。

图3 冷凝器换热过程

2.2 冷凝器的要求

在汽车上，冷凝器的布置较为困难，冷却条件差，以及各部件之间连接管路长造成的能量损失，要求冷凝器要有更大的散热面积或结构有更高有传热效率。

汽车冷凝器大多布置在水箱前面，车头侧面，或车架纵面，经常有地面泥浆溅在冷凝器上，不仅要求冷凝器表面要有防腐措施，同时要考虑冷凝器的清洗问题。

由于汽车是运动物体，对重量有严格的要求，同时考虑汽车的调速颠簸性，要求冷凝器重量不能太重，目前汽车用冷凝器均采用铝，同时结构要牢固、耐震性能好。归纳如下：

1）要有高的传热效率。2）耐腐蚀性能好。

3）重量轻，安装空间小。4）抗震性能好。

5）内外壁的阻力小。

2.3 冷凝器的结构和分类

2.3.1 冷凝器结构

冷凝器总成主要由贮液干燥器、集流管、扁管、翅片、压力开关、冷凝风扇等组合。其中贮液干燥器可独立存在，也可集成在芯体上；压力可集成在干燥器上，也可集成在液体管上。下面图4为平行流式冷凝器带风扇总成结构示意图。

图4 冷凝器总成结构

图中：1为干燥器（过冷式）；2和7为集流管；3为扁管；4为翅片；5为连接管；6为压力开关；8为冷凝风扇；9为风机插件。

2.3.2 冷凝器分类

冷凝器按芯体结构分类有鳍片式（已淘汰）、管片式、管带式、平行流式；按冷凝器风扇分类有推风式和吸风式两种。

管片式：将铝翅片胀紧在紫铜管上，管的端部用U形弯头焊接起来。管片式冷凝器是汽车空调中早期使用的冷凝器，其制造工艺简单，加工方便，但换热效率差。

图5 管片式冷凝器芯体

管带式：将扁平管弯成蛇形，并在其中安置散热带，然后在真空加热炉中加热，焊接好管带。这种冷凝器的传热效率比管片式的可提高 15%-20%。制冷剂在蛇形扁管单通道中流动而进行热交换，加工工艺较复杂。

图6 管带式冷凝器芯体

平行流式：平行流冷凝器是在两条集流管间用多条扁管相连，制冷剂在同一时间经多条扁管流通而进行热交换。较高的单位迎风面积和单位体积换热能力，空气侧和制冷剂侧流动阻力小，制冷剂的冷凝温度和压力较低，芯体厚度减薄，占用空间小。

图7 平行流式冷凝器芯体

平行流式冷凝器是目前较流行的结构型式，布置方式决定风扇方式。

表1 冷凝器结构型式的对比

3 冷凝器及其布置的平台化设计

在载货车上，冷凝器的布置位置常常受驾驶室平台、车架轴矩段、冷却系统、排放系统、供油系统等影响，大多布置在水箱前面、车架左右纵梁前侧和中部等，冷凝器的布置较为多样化，故冷凝器种类也较为多样化。这不仅增加了整车空调的设计难度和设计周期，也增加了设计成本。

因此，冷凝器及其布置的系列化、平台化设计的有重大意义。目前载货车上较为常见的是以轴矩段为平台，建立冷凝器和布置的平台化。

3.1 28及28以下轴矩段平台

3.1.1 布置的平台化

28轴矩段和28以下轴矩段是指轴矩等于或小于2800mm的短轴距轻型载货车，此类车型主要负责城内运输，特点就是小吨位、短轴矩。前后轴间车架纵梁内、外侧主要供空气滤清器、燃油箱、蓄电池、排气管、储气筒、尿素箱等装置布置。如图8所示。

图8 2800轴矩段底盘布置

此类车型采用平行流式冷凝器，独立式贮液干燥瓶，布置采用卧式，布置在车辆前端，底盘车架总成二号横梁下方，与地面平行。此布置不会随发动机动力变化、驾驶室平台变化、制动方式（气、液制动）等变化而变化，系列化、通用化强。如图9、图10所示。

图9 28平台冷凝器的布置

图10 冷凝器的布置

3.1.2 冷凝器的平台化

卧式冷凝器布置的平台化均可应用在28轴矩段和28以下轴矩段车型上，冷凝器布置的平台化决定了冷凝器的平台化，大大减少了冷凝器的品种，因车辆电压的变化，可拓展出12V和24V电压两种冷凝器。

卧式冷凝器由固定支架总成，冷凝器芯体、风扇总成、下防护隔栅、贮液干燥瓶等组成。如图11所示。

图11 卧式冷凝器带风扇总成

图中：1为固定支架总成；2为冷凝器芯体及风扇总成；3为下防护隔栅；4为贮液干燥瓶；5为液体管。

3.1.3 平台化的优点

平台化设计有以下优点：

1）系列化、通用化强，可减少冷凝器的品种管道，缩短以后产品开发设计周期，降低开发成本。

2）空调冷凝器装置接近发动机和驾驶室，可缩空调系统管路的布置，减少了空调系统的能耗，降低管路布置成本。

3）在使用过程中，便于空调冷凝器装置维护、维修，清洗方便。

3.2 33至47轴矩段平台

3.2.1 布置的平台化

图12 3308轴矩段底盘布置

图13 3815轴矩段底盘布置

33至47轴矩段是指轴矩从3308mm至4700mm的轻、中型载货车，也是载货车主流车型，主要负责城乡间运输等中、短途运输。此类车型匹配的动力多，产品结构多，底盘上燃油箱、蓄电池、排气管、储气筒、尿素箱等装置的布置会随发动机动力变化而变化。如图12和图13所示。

此类车型冷凝器的平台化布置可从车辆前端入手，采用平行流式冷凝器，集成式贮液干燥瓶（即贮液干燥瓶焊接在芯体上），布置采用立式，布置在车辆前端，车架总成右前侧，如图14所示。平台化的优点在3.1.3里已做过阐述。

图14 33平台冷凝器的布置

3.2.2 冷凝器的平台化

同理，一类车型冷凝器布置的平台化也促进了冷凝器的平台化，此类立式冷凝器布置的平台化均可采用在33至47轴矩段车型上。立式冷凝器由固定支架总成，冷凝器芯体、风扇总成、贮液干燥瓶等组成。如图15所示。

图15 冷凝器带风扇总成

图中：1为固定支架总成；2为冷凝器芯体及风扇总成；3为集成式贮液干燥瓶。

3.3 47以上轴矩段平台

3.3.1 布置的平台化

47以上轴矩段是指轴矩大于4700mm的重型载货车，此类车型主要负责中、长途运输。此类车型影响冷凝器布置的因素主要是空间大、轴矩长、水箱大。如图16所示。

图16 4700轴矩段底盘布置

此类车型往往因水箱较大，

冷却能力较强，冷凝器布置在水箱及中冷器前面的方案较优。采用平行流式冷凝器，集成式贮液干燥瓶，布置方式为立式，布置在冷却水箱前面，冷凝器不再自带风扇，而是与水箱共用一风扇，达到降低能耗的目的。如图17所示。平台化的优点在上面已阐述，此处不再阐述。

图17 47平台冷凝器的布置

3.3.2 冷凝器的平台化

图18 冷凝器总成

图中：1为冷凝器芯体；2为集成式贮液干燥瓶。

此类冷凝器由冷凝器芯体和贮液干燥瓶等组成，均可应该在47及以上轴矩段的重型载货车。因不自带风扇，可达到降低能耗的目的。

4 结论

本论文从汽车空调的概念出发，阐述了空调制冷装置的组成部件和工作原理，论述了汽车空调冷凝器的功能和工作过程，重点讲述了冷凝器的结构与分类。最后以载货汽车为实例，讲解了空调汽车冷凝器的平台化设计和应用。

本文提出的载货汽车空调冷凝器及其布置的平台化设计，虽不能完全应用于商用车行业，但是本文所体现的平台化设计思路，对读者仍有一定的参考价值。

参考文献

[1] 方贵银,李辉.汽车空调技术[M].机械工业出版社.2002.

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