二氧化碳汽車空調系統中蒸發器的創新設計

解瑞雪　丁成林　沈松貞

摘 要：CO2是一種天然工質制冷劑，具有優越的物理特性。但跨臨界 CO2的臨界壓力非常大，是傳統的 7-10 倍，傳統制冷裝置的結構需要重新設計。本文以跨臨界二氧化碳為研究基礎，對二氧化碳汽車空調中的蒸發器的結構進行創新設計。研究結果表明，創新設計的蒸發器結構可行。

關鍵詞：跨臨界CO2 蒸發器 結構設計

傳統氟利昂制冷劑系列對臭氧層的破壞及溫室效應是傳統空調制冷行業面臨的最大的難題。汽車自身動力來源限制了空調系統的發展，主要以開啟式壓縮機為主，并使用傳統的氟利昂制冷劑，每一種人工合成的化學物質皆可能對環境有著潛在的、無法預知的危害 ，因此新型天然制冷劑代替傳統制冷劑是整個行業的重點研究方向。

二氧化碳作為制冷劑主要通過壓縮式制冷方式實現的，根據制冷循環的外部條件不同，分為亞臨界循環、跨臨界循環和超臨界循環。二氧化碳制冷劑在最初階段處于低溫低壓狀態，在壓縮機中被壓縮成高溫高壓的氣體。在氣體冷卻器中發生熱交換，釋放熱量，成為低溫高壓氣體，然后通過節流裝置成為低溫低壓的氣體，經蒸發器蒸發吸熱，達到制冷效果。圖1為二氧化碳汽車空調系統三維模型。

CO2汽車空調跨臨界制冷循環系統的關鍵問題是高壓，系統低壓側的工作壓力為3.5MPa左右，高壓側的工作壓力在32MPa 左右，是傳統制冷系統的工作壓力的 6-8 倍，因此設計二氧化碳汽車空調制冷循環系統，尤其是各零部件的設計，關鍵是進行耐壓設計。

系統爆破后其破壞力的重要評判標準是系統的爆破能量。系統能夠爆破，是因為系統部件的工質耐壓值達到了環境的壓力，但是工質在短時間內迅速加壓膨脹，周圍環境與制冷系統制冷劑間的能量傳遞可以忽略，因此爆破就是一個絕熱加壓膨脹的過程，計算公式如下：

E=（Ub-Up）*M

其中E為爆破能量，Ub-T0狀態下單位質量內能

Up-T0狀態從等熵過程變化到大氣壓下工質單位質量內能

M為參與爆破的工質質量

二氧化碳制冷裝置的爆破能量非常高，是傳統制冷裝置的 3-4倍，因此二氧化碳制冷裝置必須采用耐高壓結構。其中容積較大的零件，它的爆破能量也較大，二氧化碳汽車空調系統蒸發器，可以采用微通道式平行流的結構形式，減少蒸發器的內容積和爆破能量。

二氧化碳汽車空調系統的開發主要是基于我國傳統制造業現有的制造工藝、材料及加工水平，方便今后的普及化。而在制冷行業，傳統的材料一般有鋁合金、銅和鋼材三種材料，隨著各大整車廠對汽車輕量化及環保的要求，鋁合金受到廣泛的使用，其中3003 系鋁合金應用最廣泛，具有錳金屬的含量較多，耐腐蝕性高，抗氧化性、加工性好，表面方便涂層的優點，因此本研究中蒸發器芯體的材料選用3003 系鋁合金。

二氧化碳汽車空調系統中，蒸發器的扁管和集流管采用微通道式平行換熱管，設計時主要考慮圓管及其接頭處的耐壓能力。在工程應用上，常用參考強度和管內壓力來計算最小管壁厚度，見公式2，

二氧化碳汽車空調系統中，蒸發器的扁管和集流管采用微通道式平行換熱管，設計時主要考慮圓管及其接頭處的耐壓能力。在工程應用上，常用參考強度和管內壓力來計算最小管壁厚度，見公式2，

本課題扁管須設計成微通道圓孔扁管，是一種具有多圓柱面組合的多通道扁管，這種扁管形成了較小的水利直徑，能有效增大傳熱面積，又可以維持一定的管壁厚度，有效減少芯體重量以及制造成本。由于是圓孔管道，可以使二氧化碳制冷劑的工作壓力所產生的應力不會集中在冷媒介流路的一部分上，使其形成應力均勻分布，充分確保了耐壓強度，還提高了傳熱性能。圖2為傳統扁管設計和針對二氧化碳蒸發器的扁管設計方案對比圖

本課題二氧化碳蒸發器的集流管與傳統的集流管的最大的差別在于，本課題二氧化碳蒸發器采用多圓筒平面相接式集流管，可以提供足夠大的寬度和散熱扁管焊接，多圓筒相接集流管的每個通道直徑相應減少，相對與傳統的單通道大直徑的集流管，可以承受更大的壓力。而采用平面相接，使得該集流管的平面側得到有效加強，抵消了開出的隔片槽帶來的強度削弱的影響，而且該結構能使焊料更容易貼附在待焊表面，使受熱均勻，焊接質量更加好，也為接下來的爆破試驗做進一步保障。圖3為多圓筒平面相接式集流管的截面圖。

在二氧化碳跨臨界循環制冷中，二氧化碳蒸發器是該系統中重要的一個部件，其本身性能及設計直接影響到整個系統的性能好壞，蒸發器主要功能是讓來自節流裝置中的低溫低壓的液態二氧化碳吸熱蒸發，從而達到降溫的效果，工作壓力在4MPa-9.3MPa之間，導致二氧化碳工作壓力很高，如果按照常規的結構和尺寸來設計蒸發器，會導致蒸發器的換熱扁管和集流管的厚度大大增加，會使整個的重量和體積增加。所以本課題二氧化碳蒸發器的結構采用微通道平行流的形式，微通道平行流的結構的優點就是其換熱表面積和很高的面積/體積比，使蒸發器具備很好的傳熱特性和耐高壓特性。但是其缺點是壓降大，制造難度較大，成本較高。同時，二氧化碳有著低液相/氣相密度比、高氣相密度及低液相粘度等優越的物理特性，同樣的熱交換量只需較小的換熱面積，微通道平行流和二氧化碳的結合，剛好可以抵消各自的缺點，是蒸發器的尺寸減小，滿足汽車空調系統的緊湊性和地重量的要求。圖4為二氧化碳蒸發器的三維模型，主要包括接頭、集流管、散熱翅片、隔片和散熱扁管。上下集流管中間焊接著散熱扁管，散熱扁管中間焊接有散熱翅片，集流管上的隔片用于設計成多種流程的蒸發器，控制其散熱性能和表面溫度分布，上集流管一端接有進出接頭。二氧化碳工質先從接頭的進水孔流入上集流管，然后按流程流入散熱扁管與散熱扁管外部的空氣進行換熱，然后從接頭的出氣孔放出，達到制冷的效果。

綜上所述，對于扁管，對比傳統的兩種結構設計和二氧化蒸發器微通道圓管設計，通過有限元分析的方式，了解了各種結構的最大應力集中值，最終選了微通道圓管錐形扁管，管材從現有的管材系。針對集流管，由于結構相對復雜，所受應力分布也比較復雜，采用有限元分析，并做了集流管的三種失效模式，進行詳盡的分析，最終認為方案可行，滿足耐壓要求。因此，對扁管和集流管強度設計進行結構優化，采用合理的結構設計以及在制造工藝上的進一步完善，在現有機械加工和制作工藝手段上對二氧化碳汽車空調系統的蒸發器進行設計制造是可行的。

二氧化碳被認為是最適合替代R134a制冷劑的未來天然工質，通過理論知識學習探究，并結合實際應用，最后若能應用到工業生產中的話，將對社會的經濟發展及環境改善做出較大貢獻，甚至改變制冷行業的一個未來走向。

參考文獻

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[2]Fischer， S.K， P.J. Huges， P.D. Fairchild， 1991. Total Environmental Impact （TEWI） Calculations for alternative Automotive air-conditioning systems， SAE paper 970526.