基于試驗探究熱力膨脹閥與同軸管對空調(diào)系統(tǒng)制冷效果的影響

蒙楊超　羅穎　俞曉勇

【摘 要】汽車空調(diào)系統(tǒng)（Heating ventilating air condition）主要是為車內(nèi)提供制冷、制熱、通風(fēng)等功能，其構(gòu)成包含壓縮機(jī)、空調(diào)管路、冷凝器、空調(diào)箱、空調(diào)風(fēng)道等組件。膨脹閥（安裝在空調(diào)箱內(nèi)）、空調(diào)管路（制冷劑運輸媒介）是影響汽車空調(diào)制冷性能的兩個最大因素，體現(xiàn)在膨脹閥限制流過蒸發(fā)器的制冷劑流量，空調(diào)管路運輸制冷劑到各個空調(diào)部件，以此達(dá)到制冷劑通過管路進(jìn)入蒸發(fā)器與空氣換熱給乘員艙帶來冷量的目的，降低了乘員艙內(nèi)溫度，兩者相互協(xié)同作用促使空調(diào)系統(tǒng)在乘員艙內(nèi)快速降溫。

【關(guān)鍵詞】膨脹閥TXV;同軸管IHX;空調(diào)制冷

【中圖分類號】U463.851 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）01-0066-04

1 膨脹閥TXV

膨脹閥安裝于空調(diào)箱內(nèi)，擁有調(diào)控流量降低壓力、維持定量過熱度、預(yù)防液沖擊和極端過熱等功能。膨脹閥作為制冷循環(huán)的四大部件之一，是空調(diào)系統(tǒng)制冷的一個節(jié)流部件，一般位于空調(diào)管與蒸發(fā)器芯體之間，中溫高壓的液狀冷媒經(jīng)過膨脹閥節(jié)流變?yōu)榈蜏氐蛪旱囊赫羝谡舭l(fā)器內(nèi)吸取空氣熱能以獲得制冷降溫的效能，其結(jié)構(gòu)由閥體、感溫包、閥桿組件三大部分組成（如圖1所示），膨脹閥具有如下功能[1]。

（1）節(jié)流作用：中溫高壓的液狀冷媒穿過膨脹閥的節(jié)流孔限流后，變?yōu)榈蜏氐蛪旱撵F態(tài)液狀，為冷媒吸熱蒸發(fā)創(chuàng)建條件。

（2）控制制冷劑的流量：若進(jìn)到蒸發(fā)器的液狀冷媒過多，在蒸發(fā)器出口處就會有未完全揮發(fā)的冷媒吸入到壓縮機(jī)，形成液沖擊，損壞壓縮機(jī);若流量過小，經(jīng)過蒸發(fā)器的冷媒換熱不充分，會降低整車的制冷能力。

1.1 膨脹閥工作原理

汽車經(jīng)常用到是“H”形熱力膨脹閥，其4個接口與蒸發(fā)器進(jìn)出口、空調(diào)管路高低壓管相接，感溫包直接位于蒸發(fā)器出口的冷媒流量中，膨脹閥其開度大小決定冷媒流量的大小，閥球開度是由閥芯推桿和感溫包協(xié)同掌控的，感溫包內(nèi)的制冷劑經(jīng)過流過出口管處的制冷劑溫度而形成壓力變動，即感溫包壓力P? ?1，彈簧對閥芯的作用力P? ?2，高壓端管路內(nèi)冷媒流過的壓力P? ?3，3個力的平衡關(guān)系如下所示：P? ?1=P? ?2+P? ?3，當(dāng)這3個力均衡時，節(jié)流閥位置恒定，冷媒流量也保持平衡，制冷效果保持不變[2]。

實際工作時，由于膨脹閥常溫下處于常開狀態(tài)（P? ?1>P2+P? ?3），當(dāng)冷媒供液不足時，冷媒壓力P? ?3下降，感溫包感受到低壓端制冷劑溫度漸漸升高，感溫包內(nèi)充注物壓力P? ?1變大，引起蒸發(fā)器出口處溫度升高（過熱度上升），感溫包內(nèi)壓力P? ?1大于冷媒壓力P? ?3與彈簧力P? ?2之和（P? ?1>P? ?3+P? ?2），會引起閥芯離開閥座，開大流通閥孔，直到P? ?1=P? ?3+P? ?2為止，反之，冷媒流量過大，冷媒壓力P? ?3上升或者感溫包壓力P1下降，即P? ?1

1.2 四象限圖

四象限圖是檢測膨脹閥單體性能的基礎(chǔ)，圖內(nèi)能看出所測膨脹閥的溫度包充注特性、閥芯圓鋼球壓力位移特性、閥芯開度流量特性及溫度流量特性等[3]。空調(diào)系統(tǒng)系統(tǒng)的每個部件都有對應(yīng)的交換焓值，焓值可以轉(zhuǎn)換成換熱量;通過蒸發(fā)器換熱量、管路低壓值、低壓過熱度可確定蒸發(fā)器里面所需的制冷劑流量（流量與焓值有一定的對應(yīng)關(guān)系），在通過流量與管路高壓值確定膨脹閥四象限圖，然后選擇對應(yīng)冷噸的膨脹閥。四象限圖對于膨脹閥的標(biāo)定選型有至關(guān)重要的作用，匹配不好會降低整車空調(diào)系統(tǒng)的制冷性能。基于某車型1.5 t（冷噸）鋼球大小的膨脹閥四象限圖如圖2所示。

（1）第一象限為感溫包內(nèi)冷媒特性圖，以較常使用的R134a冷媒飽和曲線為基準(zhǔn)線，實測流過膨脹閥出口的制冷劑壓力與制冷劑溫度的曲線，當(dāng)曲線斜率越接近參考線，其調(diào)節(jié)越靈敏，當(dāng)制冷劑溫度達(dá)到35 ℃（已算上過熱度）時，感溫包壓力P1達(dá)到極限值0.62 MPa，閥門打開。

（2）第二象限為膜片與彈簧的性能圖，先保證感溫包溫度處于0 ℃，P1恒定不變，然后增加制冷劑流量，壓力P3升高，根據(jù)三者關(guān)系，P2值逐漸減小，閥門逐漸打開，反之，閥門關(guān)閉，此曲線越平滑則膨脹閥彈簧與膜片的性能越優(yōu)。

（3）第三象限是最為重要的一個象限，體現(xiàn)了閥口開度（冷噸）-制冷劑流量特性，在膨脹閥開度相同的情況下，鋼球及閥口大小直接影響系統(tǒng)冷媒的流量，當(dāng)系統(tǒng)流量一定時，選擇合適的閥口對發(fā)揮系統(tǒng)最大制冷系統(tǒng)有很大幫助，流量越大，選取的閥口大小越大。

（4）第四象限為溫度-流量特性曲線，當(dāng)出口溫度升高，過熱度逐漸增大，流量隨著閥口越來越大，即蒸發(fā)器帶走的熱能越多，制冷效果越好，但是如果過熱度過大，容易結(jié)霜，選擇合適的過熱度也是影響系統(tǒng)制冷的因素之一。

以上四象限圖體現(xiàn)了膨脹閥在不同冷媒溫度、流量下打開的開度不同，只有結(jié)合系統(tǒng)的流量大小，選擇合適的閥口大小，才能發(fā)揮空調(diào)系統(tǒng)的最大制冷性能。基于上文的四象限圖，分析不同閥口開度對制冷效果的影響。

從閥口開度測試結(jié)果（見表1）得出，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，冷媒流量一定，膨脹閥閥口越小，節(jié)流效果越好，高壓越低（過冷度越低），蒸發(fā)器制冷效果越好，因此對于這個車型，選用較小閥口的膨脹閥能發(fā)揮制冷最大性能。

2 空調(diào)管路

汽車空調(diào)管路在空調(diào)系統(tǒng)中對制冷效果的充當(dāng)著運輸?shù)淖饔茫苈愤B接著汽車空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)各大零部件，管內(nèi)如果發(fā)生泄漏，直接促成整個空調(diào)系統(tǒng)制冷失衡。汽車空調(diào)管路通常由鋁管、膠管和其他管路附件（加注口、固定鐵支架、壓力反饋單元、壓板、“O”形圈等）構(gòu)成。鋁制護(hù)套是鋁管同膠管對接的關(guān)鍵，護(hù)套的緊固通過扣壓完成。

空調(diào)管路根據(jù)對接的部件可分為壓縮機(jī)吸氣管、壓縮機(jī)排氣管、蒸發(fā)器進(jìn)出口管等，它們之間的連接關(guān)系如圖3所示。

2.1 空調(diào)鋁管

鋁材質(zhì)是管路高低壓管的重要組成成分，鋁管具有重量輕、耐腐蝕性好、導(dǎo)熱性好、易于加工等優(yōu)點，一般高壓鋁管直徑可為12 mm、10 mm、9 mm等規(guī)格，例如蒸發(fā)器進(jìn)出口管高壓管徑為10 mm;低壓鋁管直徑可為16 mm、19 mm等規(guī)格，例如壓縮機(jī)吸氣管管徑為16 mm。

鋁管作為制冷劑的主要運輸通道，為了避免制造缺陷，設(shè)計時盡量減少折彎數(shù)量，且折彎角度不得小于90°，同時增大管徑有利于傳遞更多制冷劑到各個部件。

2.2 空調(diào)膠管

汽車空調(diào)膠管根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 745—2006選用C型（五層結(jié)構(gòu)，較D型增加一層內(nèi)膠層）或者D型（四層膠管，結(jié)構(gòu)如圖4所示），考慮成本問題一般采用D型膠管，膠管主要用于緩沖和減震，具有耐150°高溫、拉伸強(qiáng)度好等性能，長度建議取350～400 mm以滿足性能要求。

D型膠管結(jié)構(gòu)及材料：第一層為尼龍層，材料為PA;第二層為內(nèi)膠層，材料為IIR（丁基）或EPDM（三元乙丙膠）;第三層為編織層，材料為PET（聚酯線）;第四層為外膠層，材料為EPDM（三元乙丙膠）。

制冷劑吸放熱的物理性能變化快慢是空調(diào)制冷效果好壞的具體體現(xiàn)，在不同連接段的管路內(nèi)其物理狀態(tài)不相同。首先壓縮機(jī)高轉(zhuǎn)速擠壓冷媒變成高溫高壓的氣態(tài)經(jīng)過壓縮機(jī)排氣管輸送到冷凝器中進(jìn)行散熱同時轉(zhuǎn)變成高壓液態(tài)的冷媒。接著液態(tài)冷媒通過蒸發(fā)器進(jìn)出口管的高壓管路輸送并由膨脹閥節(jié)流后變成低壓液態(tài)接著進(jìn)入空調(diào)箱蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)行冷熱能量交換，這時是制冷劑由低壓液態(tài)吸熱變成低壓氣態(tài)的過程，此過程是空調(diào)對乘員艙內(nèi)空氣制冷的關(guān)鍵所在，吸收完熱量后的制冷劑再次通過蒸發(fā)器進(jìn)出口管低壓管回到壓縮機(jī)內(nèi)進(jìn)行循環(huán)并再次壓縮，制冷劑反復(fù)吸放熱量為制冷的全過程（如圖5所示）。

2.3 同軸管

本文主要討論在空調(diào)箱蒸發(fā)器與壓縮機(jī)之間通過改變制冷管路結(jié)構(gòu)設(shè)計降低過冷度，提高制冷劑焓值，降低壓縮機(jī)耗能，進(jìn)而降低油耗;同軸管是目前較理想的方案之一，同軸管是將高低壓管路合并在一體，即將低壓管套在高壓管內(nèi)部（如圖6、圖7所示），高壓管包住低壓管，兩根管子里流通的制冷劑溫度不一樣，且流通方向相反，通過同軸管進(jìn)行熱交換，將高溫液態(tài)的制冷劑進(jìn)行冷卻，降低過冷度，同時升高低壓管內(nèi)制冷劑的溫度，提高過熱度，減少壓縮機(jī)的功耗。使用同軸管的空調(diào)系統(tǒng)有如下優(yōu)點：{1}提高空調(diào)制冷效果，降低出風(fēng)口溫度。{2}增加壓縮機(jī)吸氣溫度，從而降低壓縮功率（或可選用排量較小的壓縮機(jī)），達(dá)到節(jié)能降油耗的功效。{3}縮小管路布置空間（可不改變其他零部件裝配尺寸即可完成普通管路變更為同軸管），讓出更多空間給周邊零件布置。

蒸發(fā)器進(jìn)出口管高壓管內(nèi)壓力高低代表了冷凝器的散熱能力，越低過冷度越低，而低壓管內(nèi)壓力高低代表了蒸發(fā)器的換熱能力，冷媒壓力越低，制冷效果越好。接下來基于某車型的同軸管（如圖8所示）與常規(guī)分離式高低壓管進(jìn)行制冷、油耗試驗，分析同軸管與常規(guī)分離式高低壓管路性能差異，驗證同軸管對制冷效果的貢獻(xiàn)。

測試同軸管換熱量，為整車試驗作基礎(chǔ)，試驗結(jié)果見表2。整車試驗條件見表3。試驗結(jié)果如圖9、圖10、圖11所示。

從結(jié)果可以看出，同軸管的高壓端較原管路高壓較低（降低了過冷度），有效地增強(qiáng)蒸發(fā)器吸熱性能，達(dá)到更好的降溫制冷效果，從圖中看出空調(diào)出風(fēng)口溫度較原管路溫度低;再者低壓端較原管路較高（增加過熱度），此目的用于增加壓縮機(jī)吸氣溫度，降低壓縮機(jī)壓縮功率，進(jìn)而降低整車油耗。

試驗結(jié)果體現(xiàn)了裝有同軸管的汽車在高速時的油耗低于原管路，說明同軸管能降低壓縮機(jī)功率且提供了選用排量更小壓縮機(jī)的可能性，帶來更省油的效果。

3 結(jié)論

（1）空調(diào)同軸管較常用的高低壓分離管降低了蒸發(fā)器進(jìn)口的過冷度，實現(xiàn)空調(diào)出風(fēng)口溫度下降，提升了空調(diào)快速制冷能力。

（2）空調(diào)同軸管增加了低壓管的過熱度，提高了壓縮機(jī)吸氣溫度，壓縮機(jī)功率減小，進(jìn)而降低發(fā)動機(jī)油耗，或可另選用更小排量的壓縮機(jī)，實現(xiàn)節(jié)能減排的作用。

（3）膨脹閥的選型對于空調(diào)系統(tǒng)最大制冷性能的發(fā)揮起著關(guān)鍵的作用，基于蒸發(fā)器換熱量、管路低壓值、低壓過熱度、蒸發(fā)器流量等因素標(biāo)定好的膨脹閥四象限圖有利于驗證所選用的膨脹閥是否滿足要求，對研究空調(diào)系統(tǒng)的制冷性能有一定借鑒意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]邱水泉.輕型客車空調(diào)不制冷的故障原因及對策[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2017（3）.

[2]劉海明.淺析汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理[J].汽車實用技術(shù)，2016（9）.

[3]牛萬瑩.汽車空調(diào)熱力膨脹閥的標(biāo)定及驗證方法[J].華東科技，2018（5）.