許海陽，孫燁，王鳳琴

一種新型內(nèi)置車用蒸發(fā)器結構設計

許海陽，孫燁，王鳳琴

（豫新汽車熱管理科技有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453049）

隨著我國特種車輛（醫(yī)療救護車、押款車、押解車、監(jiān)控車等）需求的日益增多，這些車輛駕駛艙和乘員艙隔離設置，分工明確，乘員艙有時還要添加許多醫(yī)藥箱、可折疊擔架、搶救設備、押款隔離籠等設備、設施，空間局限性大，傳統(tǒng)空調(diào)那種駕駛室和乘客區(qū)分別吊裝一臺蒸發(fā)器制冷的布局形式，已經(jīng)適應不了時代的發(fā)展。文章提出的一種新型內(nèi)置車用蒸發(fā)器，在保證制冷量需求的同時，實現(xiàn)一機多用，雙向出風，節(jié)約車內(nèi)空間。

前后出風；風量分配；直通式制冷

前言

由于不同車輛乘員艙的空間各異，適用的蒸發(fā)器換熱量也不盡相同。本文為更好的闡述這種新型內(nèi)置車用蒸發(fā)器結構，以南京依維柯NJ2046越野救護車為載體說明。此車駕駛艙和救護艙分離且要求救護艙和駕駛艙都能達到制冷要求，救護艙增加了醫(yī)藥箱、氧氣瓶、護士座位、可折疊擔架等醫(yī)用裝備，造成車內(nèi)空間狹小，傳統(tǒng)雙蒸發(fā)器系統(tǒng)無法實現(xiàn)。根據(jù)實際特點和空間尺寸，我們設計出一款“一機兩用”的前后出風蒸發(fā)器。此蒸發(fā)器吊裝在駕駛艙和救護艙中間藥箱柜上。即節(jié)省了車內(nèi)空間又實現(xiàn)了駕駛艙和救護艙同時降溫的目的。對比普通內(nèi)置空調(diào)系統(tǒng)，取消了風道，減少風量損失，取消了前蒸發(fā)器，大大節(jié)省車內(nèi)空間。具有制冷量、風量更大，系統(tǒng)管路更短、成本更低的特點。

1 蒸發(fā)器工作原理

本系列空調(diào)系統(tǒng)（如圖1）主要由壓縮機、冷凝器、儲液器、干燥過濾器、膨脹閥、蒸發(fā)器、管路系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成。冷凝器安裝在車身裙部，蒸發(fā)器吊裝在車身內(nèi)部，壓縮機裝在發(fā)動機一側，空調(diào)操縱器在儀表盤處。

圖1 系統(tǒng)原理圖

空調(diào)系統(tǒng)為蒸汽壓縮制冷。采用綠色環(huán)保HFC-134a為制冷工質(zhì)。系統(tǒng)工作分四個過程：

壓縮過程：壓縮機工作后，在蒸發(fā)器中吸收熱量后變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍鈶B(tài)制冷劑，經(jīng)壓縮機吸入壓縮后，將制冷劑壓縮為高溫高壓氣態(tài)制冷劑，排入冷凝器。

冷凝過程：高溫高壓的氣態(tài)制冷劑進入冷凝器后，在冷凝器風機的作用下，通過冷凝器散熱器向周圍環(huán)境空氣中散熱，同時冷凝為高溫高壓液態(tài)制冷劑。

節(jié)流過程：高溫高壓的液態(tài)制冷劑通過貯液器、干燥過濾器干燥過濾后經(jīng)膨脹閥節(jié)流降溫、降壓，變成低溫低壓液態(tài)和氣態(tài)制冷劑的混合物進入蒸發(fā)器。

蒸發(fā)過程：經(jīng)膨脹閥節(jié)流成為低溫低壓液態(tài)和氣態(tài)混合物的制冷劑在蒸發(fā)器中氣化，在蒸發(fā)器風機的作用下吸收車廂內(nèi)空氣熱量而使車廂內(nèi)空氣降溫，同時析出冷凝水。吸收熱量后的制冷劑蒸發(fā)成低溫低壓氣態(tài)制冷劑，經(jīng)壓縮機吸入再進行壓縮，完成一次制冷循環(huán)。

壓縮機不停地運轉(zhuǎn)，上述制冷過程連續(xù)不斷地進行循環(huán)，車廂內(nèi)熱量不斷地被蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑帶走，從而完成整車的降溫除濕。

汽車蒸發(fā)器的主要作用是利用冷媒蒸發(fā)吸熱的原理，使車內(nèi)的空氣降溫。

此空調(diào)了為了平衡前后艙的制冷需求，將蒸發(fā)器吊裝在中間隔板上，兩端風機采用吸風式，回風口設置在駕駛艙，風從駕駛艙經(jīng)過芯體冷卻吹入醫(yī)療艙；中間風機采用吹風式，回風口設置在醫(yī)療艙，風從醫(yī)療艙經(jīng)過芯體冷卻吹入駕駛艙。兩個獨立艙室的冷卻，采用一套芯體完成。其工作原理圖如2所示：

圖2 蒸發(fā)器工作原理

2 蒸發(fā)器參數(shù)選擇

2.1 車廂進風量的確定

車廂進風按車廂情況按1:2比例分配，根據(jù)該蒸發(fā)器制冷量需求，結合車輛坐人情況，選用風量為450m3/h的ZFF- 20912蒸發(fā)風機，駕駛艙采用一臺，總風量450 m3/h，醫(yī)療艙采用兩臺，總風量900m3/h。為了最大限度降低蒸發(fā)器的前后寬度，采用風機單面布局形式，中間為吹風式，兩端為吸風式。風機均采用帶調(diào)速電阻設計，可同步實現(xiàn)三檔調(diào)速。

2.2 熱負荷計算

根據(jù)越野救護車實際狀態(tài)計算系統(tǒng)總熱負荷：

ΞQ=7845.6W

根據(jù)空間大小前后艙基本按1:2分配。

2.3 系統(tǒng)冷凝器的確定

制冷系統(tǒng)所需制冷量：

Q=1.1*7845.6=8630.16W

冷凝器換熱量：

Q冷=1.3*8630.16=11219.21W

選取冷凝器換熱量：13000W。

設計選用我公司管帶式冷凝器，根據(jù)所需制冷量，我公司現(xiàn)有管帶冷凝器恰好滿足要求，因此不再進行設計計算。

所選冷凝器規(guī)格為：986*301*44管帶冷凝器，冷凝風量為：3200 m3/h。冷凝器芯體結構如圖3所示：

圖3 管帶冷凝器芯體

2.4 系統(tǒng)蒸發(fā)器的確定

2.4.1 計算條件

前車廂所需制冷量：

Q前=8630.16*0.33=2876.72W

后車廂所需制冷量：

Q后=8630.16*0.66=5753.44W

蒸發(fā)溫度tc=0℃

循環(huán)風量450m3/h

進風溫度36.5℃

相對濕度75%

3 結構參數(shù)及物性參數(shù)

根據(jù)蒸發(fā)器的外形，常用的蒸發(fā)器有以下幾類：臥式殼管式蒸發(fā)器、套管式蒸發(fā)器、蛇形盤管蒸發(fā)器、板式蒸發(fā)器、翅片式蒸發(fā)器。

臥式殼管式蒸發(fā)器主要應用于制冷量大的制冷場合，又分為滿液式蒸發(fā)器和干式蒸發(fā)器。

蛇形盤管蒸發(fā)器一般用于小型制冷循環(huán)系統(tǒng)中，蛇形管是用銅管彎制，制冷劑由上部進入最后從下部導出，蛇形盤管蒸發(fā)器整體沉浸在水箱中。

套管式蒸發(fā)器與套管式冷凝器相同，外管為無縫鋼管或不銹鋼鋼管，內(nèi)管為一根銅管或由多根銅管組合而成，多用于多聯(lián)機、工業(yè)冷水機設備、熱泵熱水器等設備中。

板式蒸發(fā)器是一種高性能、體積小巧的熱交換器。板式蒸發(fā)器必須垂直安裝，并使制冷劑下進上出，否則將導致制冷劑分配不均勻。

目前，板式蒸發(fā)器有釬焊板式蒸發(fā)器和全不銹鋼式蒸發(fā)器兩類。全不銹鋼式蒸發(fā)器在換熱效率、機械強度、耐用性能方面均優(yōu)于釬焊板式蒸發(fā)器。

翅片式蒸發(fā)器一般應用于小型制冷空調(diào)中，如普通的家用空調(diào)中，常見的壁掛式空調(diào)的蒸發(fā)器。液體制冷劑不斷地從蒸發(fā)器周圍吸收熱量，在管內(nèi)汽化蒸發(fā)，則周圍空氣不斷降溫，從而達到制冷的目的。

由于考慮耐腐蝕性及壓力安全問題，空調(diào)所用蒸發(fā)器的管路一般采用紫銅管制造。為了提高換熱效率，部分高性能的空調(diào)采用內(nèi)螺紋（帶溝槽）的銅管。另外，蒸發(fā)器的表面翅片材料常用的有普通鋁翅片、鍍膜（親水）鋁翅片、納米鋁翅片三類。

根據(jù)設定裝車情況及我公司實際情況設定蒸發(fā)器結構形式：

傳熱管為紫銅管，外徑為φ7，壁厚0.25，導熱系數(shù)為395W/m.℃。

采用6列8排共48根排列，管間距25.4，等腰三角形錯排。

翅片為鋁翅片，壁厚0.15，翅片節(jié)距2.0。

由此可計算出蒸發(fā)器長度為961.7mm。

根據(jù)結構和制冷裕度取蒸發(fā)器長度為1150mm。

蒸發(fā)器芯體結構如圖4所示：

圖4 三段式蒸發(fā)器芯體結構

本空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)了在單一內(nèi)置蒸發(fā)器上實現(xiàn)空調(diào)前后出風，前出風供駕駛艙制冷需要，后出風供救護艙制冷，從而節(jié)省了傳統(tǒng)系統(tǒng)中的前蒸發(fā)器，減少了占用空間。蒸發(fā)器融合吹風式內(nèi)置蒸發(fā)器和吸風式內(nèi)置蒸發(fā)器的特點，將中置蒸發(fā)風機設計為吹風式，從而將單蒸發(fā)芯體分成三個制冷單元，中單元為吹風式結構，供駕駛艙冷風；兩邊單元為吸風式模式，供救護艙制冷。其典型結構如圖5所示。

圖5 前后出風蒸發(fā)器結構

4 蒸發(fā)器排水設計

內(nèi)置蒸發(fā)器排水設計是工作重點，通常采用順著車身方向的3～5度傾角吊裝。而該前后吹風式蒸發(fā)器由于其獨特的吸吹風結構，排水問題成為設計難點。為解決這一難題，我們采取了如下解決方案：

（1）三個制冷單元獨立隔倉（圖5所示）。將三個制冷單元通過隔板設計為獨立隔倉，既保證了前后出風效果，同時杜絕了艙內(nèi)氣流擾動造成的冷凝水渦流。

（2）在殼體底面設計擋風支座，即起到了支撐芯體、密封三個隔艙的作用，又杜絕氣流吹冷凝水而造成的帶水現(xiàn)象，使冷凝水自然在擋風支座下方匯流，由兩端放水管自然排出，如圖6所示。

（3）由于吹風風機風量大，極易將冷凝水帶出，在中間吹風單元后部設立導水槽，使中部冷凝水不至于匯集，在風壓作用下順利向兩邊流動，如圖6所示：

（4）在左右制冷單元內(nèi)側設計連通導管，使左右制冷單元冷凝水形成連通器，平衡左右腔體內(nèi)壓，杜絕單邊放水現(xiàn)象，提高排水效率，如圖6所示。

圖6 殼體結構圖

蒸發(fā)器的實際結構如圖7所示，外殼采用鋁殼結構，為了防止冷凝水泄露，在殼體接縫處全部采用密封膠填充，為了防止風機連接護套遇水短路，將過線孔開至較高的位置。

圖7 前后吹風蒸發(fā)器

圖8 整車吊裝效果

整車吊裝效果如圖8所示：蒸發(fā)器吊裝在醫(yī)藥箱上方，由內(nèi)飾板包裹。出風口和進風口添加導風口，既美觀，又實用，整體不占用車內(nèi)有限空間。放水管和空調(diào)膠管由隔艙兩端的立柱順下，布局緊湊。

5 膨脹閥選型

熱力膨脹閥安裝在儲液器和蒸發(fā)器之間，常稱為膨脹閥，主要作用有節(jié)流和控制制冷劑流量的作用：

熱力膨脹閥的種類：

熱力膨脹閥按照平衡方式不同，分為內(nèi)平衡式和外平衡式，而外平衡式熱力膨脹閥分F型和H型膨脹閥兩種結構。H型膨脹閥由于取消了感溫包、毛細管和外平衡管，結構緊湊，精密度高，抗振性好，所以轎車的HVAC普遍采用此種結構。F型膨脹閥，制冷劑流量較大，控制域度較寬，適合熱負荷較大的車輛降溫使用。

而根據(jù)連接方式不同，可以分為焊接型和螺紋連接型兩種。焊接型制冷劑不易泄露，系統(tǒng)較穩(wěn)定，但維修不變，故普遍采用螺紋連接結構。

根據(jù)所需制冷量和膨脹閥選型規(guī)則，選用GBE-E2534 QEX浙江三花的外平衡F型膨脹閥。其具有熱負荷大，制冷劑流量大等特點。

6 空調(diào)環(huán)模試驗驗證

空調(diào)制冷性能滿足整車降溫要求，如圖9所示：

圖9 整車降溫曲線

7 結論

此蒸發(fā)器結構設計打破傳統(tǒng)空調(diào)蒸發(fā)器風機與芯體的布局，創(chuàng)造性的提出了前后共用芯體出風的理念。不僅節(jié)約車內(nèi)空間，提高了空調(diào)的出風量，增加駕乘人員的舒適性，而且由于減少了一個蒸發(fā)器的布置，管路、電器都相對簡化，降低了車廠的采購成本和裝配工作量。這種新型蒸發(fā)器結構，可隨車廂空間合理選擇芯體換熱量及風機風量，匹配靈活，是新一代特種車輛（醫(yī)療救護車、押款車、押解車、監(jiān)控車等）的首選，運用前景廣泛。

[1] 王運朋.實用汽車空調(diào)技術[M].廣東科技出版社,1995.

[2] 陳孟湘.汽車空調(diào)[M].上海交通大學出版社,2001.

[3] 陳沛霖等.空氣調(diào)節(jié)負荷計算理論與方法[M].同濟大學出版社, 1987.

Structural Design of a New Type of Internal Vehicle Evaporator

Xu Haiyang, Sun Ye, Wang Fengqin

( Yuxin Automotive Thermal Management Technologies Co., Ltd., Henan Xinxiang 453049 )

With the increasing demand for special vehicles(medical ambulances, money trucks, transport vehicles, surveill -ance vehicles, etc.) in China, the cockpit and crew compartment of these vehicles are segregated and the division of labor is clear. The crew compartment sometimes adds many medical kits, folding stretchers, rescue equipment, and equipment and facilities such as isolation cages. The space is limited, and the layout of the traditional air-conditioning cab and passenger area is suspended with an evaporator refrigeration. The form has not been adapted to the development of the times. In this paper, a new type of built-in vehicle evaporator is proposed, which can be used in one machine and used in both directions to save the space in the car.

Before and after the wind; Wind classification; Direct refrigeration

U462.1

A

1671-7988(2019)13-179-04

U462.1

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1671-7988(2019)13-179-04

許海陽（1973-），男，本科，高級工程師，就職于豫新汽車熱管理科技有限公司，主要從事汽車空調(diào)設計及理論研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.059