汽車冷凝器的優化設計策略研究

摘要：冷凝器是汽車空調系統的關鍵部件，其設計質量會直接影響空調的制冷效果。隨著技術的進步，用戶對于汽車的空調制冷效果也提出了更高要求，這就需要通過對冷凝器進行優化設計來滿足用戶需求。據此，闡述了汽車空調系統的發展以及汽車冷凝器的相關理論，并從汽車冷凝器的輕量化設計、散熱設計以及其他結構的設計方面分析了汽車冷凝器的優化設計策略。

關鍵詞：汽車冷凝器；優化設計；輕量化；散熱

中圖分類號：U462收稿日期：2024-10-31

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.01.010

1前言

冷凝器是汽車的重要子系統之一。在汽車空調中，冷凝器主要有管片式結構、管帶式結構、平行流式幾種結構。其中，平行流式冷凝器結構緊湊，制冷劑的充注量少，傳熱系數高，采用全鋁釬焊制成，具有安裝便利、價格低廉、質量輕、運行可靠、堅固耐用的優點，因此，在目前的車輛空調設計中，此類冷凝器最為常見［1］。

汽車工業的迅速發展對汽車空調制冷系統的質量提出了更高要求，由于車輛的造型風格各具差異，在冷凝器的設計上不能單一依靠原有的經驗，過度依賴經驗會影響冷凝器作用的發揮，出現能力不足或者能力過剩等問題，因此針對汽車冷凝器的設計必須要充分考量到多種因素。

2汽車空調系統的發展

汽車空調系統的功能主要有調濕、制冷和加熱，調濕和加熱可以采用其他方法來實現，因此，在汽車空調系統中人們最為關注的就是其制冷效果。在1940年，蒸汽壓縮式制冷系統首次應用在車輛空調系統中，近年來，在汽車工業的發展下，汽車空調行業也日新月異，目前的汽車空調是以蒸汽壓縮式制冷為主。

除了需要滿足空調系統的核心功能之外，還需要額外關注節能、環保需求，而當前采用的制冷劑主要為R134a，這類制冷劑的價格偏高，也會產生“溫室效應”，因此科研人員也在持續研究替代這一制冷劑的產品。

隨著設計理念的優化，汽車空調設計技術和方法與以往相比也出現了明顯差異。隨著制冷系統熱動力學的發展，仿真設計技術也日益成熟，被廣泛應用在汽車空調系統的設計中［2］。

3汽車冷凝器的相關理論

冷凝器是汽車空調的組成之一，空調系統主要包括冷凝器、膨脹閥、壓縮機、儲液干燥器、鼓風機、蒸發器組成，相互之間使用鋁管或者銅管與橡膠管連接，從而組成密閉系統。

在啟動制冷系統之后，制冷劑會在密閉系統中循環產生制冷效果。這一循環主要包括四個流程：a.壓縮：壓縮機將吸入的制冷劑氣體壓縮為高溫高壓氣體，將其排出；b.散熱：高溫高壓氣體隨后會進入冷凝器，由冷凝器將其凝結，冷凝為液體，排出熱量；c.節流：制冷劑液體在經過膨脹裝置之后其體積會變大，溫度迅速下降，會以霧狀形式排出膨脹裝置；d.吸熱：霧狀制冷劑液體進入到蒸發器中，由于制冷劑的沸點較低，這時制冷劑液體就會蒸發為氣體，蒸發過程中會吸收周圍熱量，從而起到制冷效果。上述幾個流程會循環往復的進行。

冷凝器屬于空調系統的核心部件，能夠將管道中的熱量迅速傳至附近空氣，并將制冷劑從氣態轉化為液態，在大多數的車輛中，冷凝器是安裝在車頭位置。冷凝器作為車輛的換熱部件，必須要滿足幾個要求：a.質量輕，能夠留出較大的安裝空間；b.換熱效率高；c.空氣側與制冷劑側的阻力小；d.抗震性能好。

根據冷凝器的原理，在設計環節需要從三個角度來進行考量：a.如何增加換熱面積，提高換熱量。由于車輛發動機位置的空間十分有限，并不支持擴大冷凝器的體積，因此需要在既有空間中進行改造，使之朝著輕量化、小型化的方向發展；b.提高冷凝器內部工質流體的溫度，使流量的分配變得更加均勻，如果溫度的差異較大，會影響工質的黏性和密度，進而影響流速；c.減小制冷劑的壓力損失，這可以有效降低壓縮機功耗，要滿足這一需求，就需要減少冷凝器通道阻力，增加通道截面積［3］。

4汽車冷凝器的輕量化設計

4.1上支架輕量化設計

在傳統的車輛中，冷凝器主要是安裝在下護板和集流管上，在輕量化設計上，不能改變原有冷凝器距離護板與集流管之間的距離，只能夠減小芯體厚度，這可以通過優化制冷劑流程、調整翅片波距來達成目標。

在傳統車輛的冷凝器設計上，支架主要是采用“鋁型材+鋼鈑金”相結合的方式，將兩者采用螺栓連接起來，其中，鋼鈑金的重量較大。因此，在冷凝器的輕量化設計上即可考慮將鋼鈑金支架更換為鋁合金材料。與鋼材相比，鋁合金的質量大大減輕，只有鋼材的1/3左右，并且具有更好的耐腐蝕性能、物理和機械性能。

在支架的連接位置也需要使用鋁型材，可以直接將鋁支架與冷凝器芯體融為一體，后續不需要進行打螺栓，也使得整個結構更加牢固。

考慮到鋁支架、集流管焊接位置扭矩較大，因此，在進行設計時必須要關注可靠性，要求優化鋁合金板的厚度；根據經驗來看，如果只需要起到保護作用，那么厚度選擇1mm即可；如果需要加裝支架，就需要增加厚度，以1.5～2mm為宜；如果支架屬于主要受力件，就需要繼續增加鋁合金板的厚度，宜選擇3mm厚的鋁合金板，強化支架的強度。

4.2下支架輕量化設計

在車輛的下支架中一般使用鋼鈑金件，再使用焊接螺母進行點焊，這一位置并沒有鋁制芯體焊接，因此，為了進一步降低重量，可以嘗試使用工程塑料，與鋁合金相比，工程塑料的質量更輕。

考慮到冷凝器的位置特殊，在行車過程中會受到震動、沖擊的影響，因此還需要保障工程塑料具有良好的抗振動和抗沖擊性能，綜合考慮各項要求，可以使用尼龍PA材料，這類材料耐疲勞性能和抗沖擊性能均較好，還具有良好的耐高溫性能，其中最為常用的是PA66系列。

為了增加其機械性能，還可以在其中置入鋼纖維、玻璃纖維等改性劑。針對塑料支架的設計，宜采用注塑成形工藝，在設計時需要尤其關注壁厚的設計，如果壁厚過薄，那么就會影響支架的強度，一般情況下，以2.5～3.5mm為宜。在兩臂相交位置需要設置好過渡圓角，防止出現局部應力，否則后續隨著車輛的顛簸，很容易導致冷凝器變形［4］。

5汽車冷凝器的散熱設計

在汽車冷凝器的設計中，發熱問題也是必須要關注的重點，冷凝器在運行過程中會受到陽光輻射、氣溫因素的影響，其周圍的空調管路、水箱也會散發出大量的熱量，因此，目前的冷凝器設計一般是選擇制冷量兩倍作為散熱量參考，如果不能滿足這一要求，就會大大影響空調的制冷效果。

為了提高散熱能力，可以通過加大風量、增加散熱面積兩個方式來達成，但是冷凝器所處的位置特殊，很難增大面積，在冷凝器上側和下側位置均分布著橫梁，面積的增加空間有限，而左右兩側雖然有一定的空間，但是會受到車內零部件的制約。

當前汽車行業的競爭日趨加劇，各個車企都在想方設法的控制零部件成本，因此，并不適合通過增加冷凝器的散熱面積來提高散熱效果，如果要增加風扇的風量，不僅會增加成本，對于空間布置也提出了更高要求，風量過大也會增加車內的噪音，影響行車舒適性。

對此，可以針對冷凝器周邊風的流動軌跡進行分析，根據風的流向規律來設計導流擋風設施，這可以有效規避上述兩個方案的不足，也具有良好的散熱效果。

5.1計算車輛空調熱負荷

在炎熱的假期，車外溫度較高，受到太陽輻射的影響，熱量會通過玻璃、車身傳入到車輛內部，還有一些熱空氣會通過地板縫隙、門窗等進入車內，導致車內溫度迅速升高。另外，人體散發出的熱量也會提高車內溫度，車廂內的儀表盤、座椅會吸收太陽能輻射，朝著車內散發，這就組成了車身熱負荷。

針對熱負荷的計算可以參考穩態熱平衡，根據日照強度、玻璃面積下的投影總和進行計算，得出車輛空調熱負荷之后即可將其輸入計算程序，得出在車內不同溫度下車輛內部的熱負荷，繪制出溫度變化曲線。在設計時可以參考40km/h的空調制冷量作為標準，得出空調額定的制冷量，同時，還需要考慮到車輛的實際運行工況以及車輛的密封性，留出一定的富余。

5.2其他考量因素

同時，需要針對冷凝器周邊的發動機前圍板、前保險杠、水箱、線束等零件進行分析，構建數學模型，得出周邊風的流動軌跡，進行模擬分析。根據分析結果來看，有幾種因素會影響冷凝器的散熱：a.發動機艙的風回流；b.冷凝器位置進風測風速問題；c.冷凝器兩側的風無法起到冷卻作用。對此，可以在冷凝器左右兩側迎風面下部位置設置導流板，并在導流板位置粘貼密封海綿，以保證密封效果。接著即可進入實驗環節，分別針對車輛冷凝器加裝導流板、不加裝導流板時的散熱情況進行分析，再根據結果進行優化調整。

6冷凝器性能的優化設計

6.1翅片性能優化設計

在翅片性能的分析上，需要在保證各項參數不變的前提下修改翅片的寬度、百葉窗角度以及間距，再開展CFD仿真計算，此時即可獲取到優化模型。針對翅片性能的設計需要重點關注三個方面：

a.翅片間距。翅片間距會影響換熱系數、換熱量，在翅片間距減小之后，空氣溫度也會降低，但是翅片的間距與換熱面積息息相關，隨著翅片間距的擴大，換熱面積就會隨之減小。另外，在翅片間距的增大下，風速也會減小，單位面積換熱量增大，兩者為一次線性關系，對此，需要在滿足風阻的基礎上適當的減小翅片間距，這能夠有效提高換熱量。但是在設計時還需要計算到成本問題，間距越小，成本就越高，這需要從成本價格和換熱性能之間選擇一個折中點。

b.百葉窗角度的設計優化。百葉窗角度對于空氣會產生擾動效果，隨著百葉窗角度的增加，翅片與空氣之間的換熱量就會增大，因此，百葉窗角度越大，就越容易對流動空氣產生擾動作用和阻擋作用。在百葉窗角度較大時，空氣流速就會變大，換熱系數也會增加，因此，對于百葉窗角度的優化設計需要在關注角度的同時考慮到壓差值的變化問題。從目前冷凝器設計領域來看，百葉窗角度一般以26°為宜，這個角度既能夠保證風阻的合理性，也可以有效優化換熱性能。

c.翅片寬度的設計優化。在芯體厚度增加之后，百葉窗的數量也會增多，換熱空氣的流動區域會變大，此時，出口位置的空氣溫度會持續升高。也就是說，隨著翅片寬度的加大，就會導致換熱變得越加不充分，但是增加寬度可以增加換熱面積。綜合各類因素來看，在設計時一般不建議為了增大換熱量而增加翅片寬度。

6.2冷凝器扁管孔數優化設計

冷媒主要是在冷凝器的扁管中移動，隨著其溫度的降低，扁管溫度也會隨之降低，扁管孔數不同，溫度差值的變化也各有差異，孔數越多，溫度下降速度也會更快，而扁管會與翅片接觸，接觸熱量就能夠從扁管傳遞到翅片上，因此，在進行設計時還需要考慮通過合理方式增加微通道孔數，孔數越多，散熱效果就越好。但是在微通道孔數增加到一定的數量時，換熱量幾乎不會繼續產生變化，這也說明孔數對于換熱量的影響是存在制約性的，具體需要根據實驗仿真來選擇適合的孔數取值。

6.3冷凝器流程分布的優化設計

在冷凝器的流程分布上，需要根據設計要求出具不同的設計方案，再利用CFD仿真來獲取數據結果與圖像結果。在冷凝器的進口端有明顯的壓力梯度和速度梯度，隨著流動方向的變化，速度梯度會不斷地發生變化，慢慢增大，相反，壓力梯度就會逐漸減小，在微管毛細作用的影響下，速度的分布是不均的。因此，在冷凝器的局部位置，某些地方會出現較大的速度變化，如果速度過大，會造成一定的局部阻力，形成大尺寸渦流，這就會增加能量的消耗。

從出口端速度的分布方面來看，其基本與內部流體的速度保持一致，也是均勻分布的，在進行設計時需要觀察方案的流體沖擊情況，通過分析其壓力梯度和速度梯度的變化來得出最佳結果。接著即可進行實驗，將所有制冷管道連接好，確保傳感器設置與連接的正確性，密封也要滿足要求，不得出現工質泄漏現象，最終根據實驗結果來確定最佳方案［5］。

7結語

冷凝器是汽車空調的換熱部件，也是空調的核心部件之一，其整體的模型復雜龐大，通過優化空調冷凝器的設計，能夠降低熱量損失，提高制冷效果。隨著汽車工業的發展，冷凝器設計領域也日新月異，取得了良好的發展成果。當前，新能源汽車慢慢普及，在汽車冷凝器的設計上還需要考慮到不同車輛的運行特點，綜合根據各類因素來進行優化設計。

參考文獻：

[1]王鐵，上官文瀧，劉曉昂，等.汽車冷凝器-散熱器-風扇總成懸置系統的設計方法[J].汽車工程，2015，37（2）：155-159.

[2]郭震.電動汽車空調水冷式冷凝器的設計開發與實驗研究[J].科學技術創新，2022（14）：149-152.

[3]竺志大，王文軍，唐率，等.汽車空調冷凝器支架的優化改進設計[J].制造業自動化，2021，43（5）：133-137.

[4]黃北泉.電動汽車空調水冷式冷凝器設計開發與試驗研究[J].汽車測試報告，2022（14）：31-33.

[5]王永強，韋長華，肖麗芬，等.基于正交設計的汽車熱泵空調系統參數優化研究[J].汽車零部件，2023（10）：11-16.

作者簡介：

黃小梅，女，1979年生，汽車工程師，研究方向為整車及零部件開發。