某后頂式保面小學生校車空調系統開發淺談

張萬杰，黎善友

（柳州五菱寶馬利汽車空調有限公司，廣西 柳州545002）

0 前言

此項目校車空調系統的蒸發器屬于直接風冷式換熱器，冷媒通過蒸發器的膨脹閥，高溫高壓的液態冷媒，轉化為低溫低壓的氣液兩相的冷媒，經過蒸發器芯體，轉化為低溫低壓的氣態冷媒。冷媒由液態變為氣態，蒸發吸熱，帶走車里空氣的的熱量，由于冷空氣密度大于熱空氣，所以把空調系統安裝在車后頂，可實現空氣的自然循環過程，從而達到降溫的目的。

1 開發背景、開發目標

1.1開發背景

此款小學生校車是在上一款后底置空調系統的基礎上重新開發的。后底置空調系統在使用的過程中存在一些問題。①后底置空調系統采用雙蒸發器結構，兩個蒸發器總成安裝在車的后尾箱內底部，芯體結構為平行流式，按照國家標準GB/T21361-2008汽車用空調器標準[1]，如表1所示，進行名義工況下的臺架試驗，名義制冷量需達到6 500 W.由于車內空間較大，玻璃輻射面積較大且整車密封性不佳，因此車子在使用過程中大量外部熱量進入車內，所以空調系統制冷量需加以提高。②其次由于回風柵的回風位置位于校車后底處，灰塵較多，長期的運動過程中，容易造成回風柵積灰，影響回風的通暢性，灰塵吸附于蒸發器總成芯體表面處，堵塞芯體翅片開窗角度，從而影響制冷效果。③后底置空調系統管路由于空間限制，高壓充注閥被車前格柵遮擋，造成只能從低壓側充冷媒，不方便高壓充注使用。因此開發此套小學生校車空調系統，需要在提高產品性能及在保證產品可靠性的前提下，重新設計蒸發器總成及管路布置走向。

表1 名義制冷工況[1]

1.2開發目標

此款小學生校車開發目標為：①按照JT/T 216-2006《客車空調系統技術條件》[2]的要求，按額定乘員數12人計算，所需空調制基本冷量為1 900～2 000 kJ/h*12=24 000 kJ/h=6 500～6 700 W.目前車型設計制冷量為額定6 500 W，處于標準下限。結合市場反饋，以及相比其他主機廠同系列車型，玻璃面積大10%以上考慮，對此系列空調系統制冷量升級——在標準基礎上增加10%，因此得出全車額定制冷量需求為7 400 W.升級后此系列空調系統的制冷效果將有提升，預計能達到同等車型水平。為了提升制冷性能，蒸發器芯體采用管片式結構。②通過重新設計，采用車內后頂式布置的形式，使得灰塵量很少，對蒸發器性能影響也較小，且避免了回風柵在車底容易積灰的現象。③通過重新設計，系統管路的高、低壓充注閥分別位于壓縮機吸、排氣管處，方便充冷媒使用。

2 空調系統開發內容

2.1開發內容

（1）空調系統按照GB/T21361-2008《汽車用空調器》標準測試，額定制冷量不小于7.5 kW，蒸發器風機不少于2個，總蒸發風量≥900 m3/h，噪音＜75 dBA；壓縮機制冷量≥7.2 kW；冷凝器尺寸≤880 mm×85 mm×490 mm，散熱能力≥17 kW；蒸發器風道與整車內飾風道配合對接順暢。

（2）空調系統制冷劑采用R134a，作為汽車空調使用最廣泛的中低溫環保制冷劑，完全不破壞臭氧層，是當前世界絕大多數國家認可并推薦使用的主流環保制冷劑，其毒性非常低，在空氣中不可燃，安全類別為A1，是很安全的制冷劑。

（3）風道需重新設計，增加一個與蒸發器總成和整車內飾風道連接的過渡風道。

（4）殼體需重新設計，設計一種蒸發器殼體裝配在蒸發器芯體外部，起到保護蒸發器芯體的作用，還要有合理的進、出風風道分布，使得蒸發器芯體獲得最好的風量分配，發揮出蒸發器最大的制冷效能。還要有順暢的排水流道及排水孔，使空調運行時蒸發器芯體換熱過程中產生的冷凝水迅速排出。

（5）根據空調壓縮機及蒸發器總成的布置位置，重新設計整套空調系統管路的走向。

2.2布置形式

2.2.1蒸發器總成布置

蒸發器總成包含蒸發器芯體、膨脹閥、殼體、蒸發風機、蒸發風機總成線束、溫度傳感器、固定安裝支架，如圖1所示。在滿足技術要求的前提下，進行以下設計。

圖1 蒸發器總成的布置圖

（1）由于蒸發器芯體進、出口管在車內部需要與蒸發器進口管、蒸發器出口管進行連接，所以需要預留一部分空間，蒸發器總成安裝時并不是左右對稱的。

（2）雖然目前轎車已成熟應用了很多新型高效的蒸發器，如層疊式、平行流式蒸發器，但由于其生產用工裝夾具前期投入大，時間長，而客車空調市場批量不大運行環境差，故此項目空調蒸發器采用管片式結構[3]。

此管片式蒸發器在有限的空間內，合理進行流道的布置，采用厚度為0.105 mm的鋁散熱片，片間的節距為1.8 mm，降低芯體重量，圓管采用內螺紋式的銅管，增加芯體的換熱量，鋁散熱片采用波紋狀的親水鋁箔，增大其散熱面積，其套在圓型銅管上，用脹管的加工方式將鋁散熱片固定在管子上，達到與管壁緊密貼合的結構實現散熱目的。

（3）膨脹閥選用外平衡熱力膨脹閥。根據設計，蒸發器芯體采用管片式結構，此結構由進口分液頭和出口分液頭組成，由于芯體有較長的管程，流動阻力大，會產生一定的壓力降，壓力降過大，會使盤管出現缺液狀態，所以采用帶有外平衡管的熱力膨脹閥，這樣才能使膨脹閥向盤管提供適量的制冷劑。熱力膨脹閥的外平衡管主要用于補償，而不是消除蒸發器進出口間的壓力降。連接蒸發器的出口壓力時，膨脹閥膜盒下方的壓力小于連接蒸發器進口壓力，壓力的降低，使閉合作用力減小，膨脹閥保持較大的開度，送入更多制冷劑補償蒸發器造成的壓力降。因此，只有在蒸發器內送入盡可能多的制冷劑液體而又不溢回壓縮機時，蒸發器才能有更高的效率[4]。

根據設計目標，蒸發器總成額定制冷量不小于7 500 W，而根據膨脹閥性能參數1冷噸等于3 517 W，一般膨脹閥都選擇大一些來匹配蒸發器，故可選擇額定容量為2.5～4.0 T的膨脹閥，來匹配蒸發器。后續的具體的匹配，通過綜合性能臺架實驗，對膨脹閥進行微調，蒸發器出口過熱度在3°～5°這樣，冷凝器出口過冷度在5°～8°這樣，最終才確定膨脹閥的參數。

（4）為了增大制冷量，可提高蒸發風機風量，但風量增大，噪音隨之增大，經過選型，通過臺架試驗，測得蒸發風機最大風量可達到1 200 m3/h以上，在靜音室對其噪音測試，在保證風量的情況下，達到噪音要求。

2.2.2過渡風道布置

由于需要預留安裝管路空間，所以空調左、右過渡風道采用不對稱布置，布置如圖2所示。風直接引到車左、右兩邊內飾風道及前頂內飾風道出風口。為了讓最后一排乘客也吹到風，增加其舒適性，后頂內飾設計了出風口，經過風速對比，在過渡風道適合的拐角處開口，并用波紋管引到后頂內飾出風口處。

圖2 過渡風道布置圖

2.2.3空調管路布置

空調管路布置，如圖3所示。根據蒸發器總成位置、壓縮機總成位置及考慮優化高低壓充注閥位置的要求，重新布置空調管路走向。

圖3 空調管路布置圖

（1）壓縮機吸氣管壓板與管路一體，可限制安裝方向，用于防錯，避免管路安裝時錯裝到壓縮機排氣管接口。

（2）低壓管路包保溫海綿，尤其在車內的低壓管，保溫海綿盡量包完整根管路，否則管路外壁會有冷凝水滴落到車內。

（3）為了避免管路被周邊件磨損，在管路布置的時候應該留出合理的間隙，由于汽車是一個運動的產品，因此該間隙要包括靜態間隙和動態間隙，靜態間隙是指兩個振動很小的物體之間的間隙，比如前大燈與冷凝器、蒸發器管路或車身與蒸發器、冷凝器管路，保持在15 mm以上，如間隙過小，則需要在距離近的管路上包裹海綿，熱縮管或波紋管。由于發動機在工作的時候會振動，因此與壓縮機相連的兩個管路需考慮動態問題，比如壓塑機進出口的膠管，皮帶的間隙，如果間隙太小，發動機向前振動會導致空調管路和其它部件發生干涉，所以動態間隙的要求比靜態間隙的要求嚴格，一般要求在20 mm以上。

3 項目經驗總結

3.1冷凝器出液管斷裂問題

在海南路試過程中，發現冷凝器出液管與冷凝器集流管焊接處斷裂。通過分析故障件，發現干燥瓶夾折彎處斷裂，冷凝器出液管與干燥瓶相互對接，分析原因為干燥瓶夾先斷裂，致使冷凝器出液管斷裂。干燥瓶夾通過金相分析，與所用材質相符，后所用材料厚度從2.0 mm增加到2.5 mm，增強了其強度，且折彎角半徑從R0.5 mm，增大到R1.5 mm，降低了折彎時的應力集中。

3.2蒸發器總成出風口吹水問題

在設計的過程中由于過于關注制冷性能，忽視了一些試驗，其中包括按GB/T 21361-2008汽車用空調器試驗標準的凝露試驗。凝露試驗是在凝露工況下運行，空調器在凝露工況下應能正常運行，凝結水不應從空調器中隨風吹出，而應順利地從排水孔（管）排除，連續運轉4 h.在客戶使用過程中，發現靠近后頂的出風窗有冷凝水滴出。經過試驗驗證，發現由于蒸發器芯體的波紋片與下殼體之間存在間隙，冷凝水是從蒸發器芯體下面吹出的，在不檔住排水口的情況下，在蒸發器下殼體上貼一塊5 mm厚的海綿，不讓風從下面吹出，可以解決此問題，如圖4所示。

圖4 蒸發器下殼體貼海綿

3.3抗結霜試驗

此款空調系統所用的溫度傳感器為熱敏電阻式溫度傳感器，熱敏電阻式溫度傳感器采用負溫度特性的熱敏電阻，具有溫度升高電阻值減小、溫度下降電阻值增大的特點，通常安裝在蒸發器出風口一側，感受溫度并轉換成可用輸出的電信號，傳遞給自動控制系統，控制汽車空調壓縮機的起停，起到調節車內溫度及防止蒸發器結霜的作用。也就是說，當汽車內溫度太高時，控制系統就會開起空調，當汽車內的溫度達到設定值時，控制系統就會關停空調[5]。

在蒸發器芯體出風側上，平均布置3排5列共15個點，如圖5所示。所用熱電偶為T型熱電偶（銅-銅鎳熱電偶），此款熱電偶測量溫區為-200～350℃，特別在-200～0℃溫區內使用，穩定性更好。

圖5 蒸發器芯體布點

芯體結霜必須有兩個條件，芯體溫度達到0度以下，芯體翅片有水份殘留濕度大。先進行抗結霜選點試驗，用蒸發器最低檔風量運行，發現下排溫度低與上兩排溫度，不同工況下，最低點會左右變化，經過對比之后，選擇12點作為溫度傳感器的放置位置。按照GB/T21361-2008中的低溫工況試驗標準[1]，表2所示，空調器在低溫工況下應能正常運行，且蒸發器風道不應被冰霜堵塞，空調器出風口不應有冰屑或水滴吹出，連續運行4 h，壓縮機可正常跳斷，芯體不結霜。

表2 低溫試驗工況[1]

4 結束語

此校車空調系統的開發，通過重新設計蒸發器芯體結構，實現了空調系統制冷性能的提升，通過重新設計布置形式，解決了空調積灰的問題，通過重新設計管路走向，實現了從高、低壓充注冷媒的問題。并分析解決了開發過程中遇到的一些問題，經過一系列實車裝配驗證、臺架試驗、環模試驗、可靠性路試，最終完成了開發目標。

參考文獻：

[1]GB/T21361-2008.汽車用空調器標準[S].

[2]JT/T 216-2006.客車空調系統技術條件[S].

[3]黃定英.客車空調系統用管片式蒸發器流程的優化設計[J].制冷與空調，2011，8（4）：12-13.

[4]惠特曼（美），約翰森（美），湯姆齊扎克（美）.制冷與空氣調節技術[M].北京：電子工業出版社，2008.

[5]劉春暉，孫清明.全程圖解汽車空調維修[M].北京：機械工業出版社，2017.