汪楠 劉乾坤
廣東美的制冷設(shè)備有限公司 廣東佛山 528311
車載空調(diào)也叫駐車空調(diào),是安裝在卡車上重要的溫度調(diào)節(jié)裝置[1-2]。本文所介紹的24 V車載空調(diào),屬于分體式空調(diào),其性能、參數(shù)與常規(guī)的220 V家用空調(diào)相比能力偏低,功率在2000 W左右,為保證安全性選擇使用非可燃性制冷劑。最大不同之處是所有的電器元件如電機、壓縮機均為24 V啟動規(guī)格。與普通的家用空調(diào)對比,車載空調(diào)面臨更惡劣的使用場景。因為車載空調(diào)需要隨著車體運行,長期承受來自車體的顛簸和震動,遇見惡劣路況,承受的破壞更多[3]。同時車載空調(diào)需要在日曬或雨淋等惡劣環(huán)境下長期運轉(zhuǎn)。比如日曬導(dǎo)致腔體溫度過高以及24 V元器件本身額定電流增大,線組和電控元器件的規(guī)格相應(yīng)增大,導(dǎo)致發(fā)熱過高引起的溫升超標、電控異常問題;淋雨引發(fā)的腔體進水、線體短路等電氣安全問題;震動引起的外機斷裂、強度不足問題。因此車載空調(diào)對可靠性的要求特別嚴苛。在所有的破壞因素中,電控方面的因素最為關(guān)鍵,極其可能導(dǎo)致空調(diào)運行失效。同時淋雨、灼燒、溫升三個試驗合格的條件是相互制約的,比如腔體密封利于淋雨、灼燒,但是不利于溫升散熱。增加海綿改善淋雨,又額外給灼燒增加了可燃物。所以本文重點討論淋雨、灼燒、溫升三個方面的可靠性以及如何尋找一個平衡的最優(yōu)解。
與常規(guī)的空調(diào)外機對比,車載空調(diào)外機所面臨的環(huán)境更加的惡劣,因為卡車行駛的路況、角度、方向都會導(dǎo)致外殼某一個角度防水失效,使雨水進入腔體。因此要模擬車輛行駛過程中的爬坡、轉(zhuǎn)彎等特殊條件下的實際情況。爬坡和轉(zhuǎn)彎的時候可以讓空調(diào)外機失去平衡,形成一定的角度,給了水滴運動的動力。凝結(jié)的水珠在傾斜的零部件上流動,同樣存在電氣安全隱患。暴風(fēng)雨天氣,空調(diào)停止使用,但是外機的風(fēng)會導(dǎo)致風(fēng)扇反轉(zhuǎn),同樣會導(dǎo)致水流向壓縮機腔。實驗室主要參照GB/T 4208-2017標準中的IPX4級防水要求進行試驗[4],同時可以自定義加測非標試驗,比如模擬爬坡、轉(zhuǎn)彎,以及模擬反轉(zhuǎn)加長測試時間等輔助評估。
常規(guī)淋雨測試合格后,需要模擬空調(diào)在不通電情況下軸流風(fēng)葉受外部風(fēng)力影響下引起的反轉(zhuǎn)淋雨情況,以及此狀態(tài)下的爬坡、轉(zhuǎn)彎情況。通過測試發(fā)現(xiàn),反轉(zhuǎn)的時候部分雨水會通過如圖1箭頭所示路徑,以及頂蓋與電器盒之間的間隙流入壓縮機腔。而壓縮機腔內(nèi)有包含壓縮機接線端子、內(nèi)外機連接線端子以及各種線體,此類端子、線體均不可以出現(xiàn)水滴,否則有嚴重的電氣安全隱患。反轉(zhuǎn)時雨水運行路徑,如圖1所示。
圖1 反轉(zhuǎn)測試雨水傳播路徑
反轉(zhuǎn)即是風(fēng)葉在外力作用下順時針運轉(zhuǎn),風(fēng)葉會把水滴打散成霧狀再吹向壓縮機腔。如圖2所示,電控盒以及線體會匯集很多細小的水珠,以及飄落的水霧凝結(jié)成的水滴。為了解決此問題,必須在水滴流動路徑上進行阻隔,并且要考慮散熱,確保不影響溫升。
圖2 淋雨測試異常實況圖
針對以上異常,同時兼顧溫升的散熱情況,設(shè)計方案的時候要確保一個原則,即過風(fēng)不過水的原則。因此要將能夠進水的,特別是鈑金件工藝缺口造成的縫隙,使用海綿進行填補。針對電控盒上表面與頂蓋之間的間隙,需要利用圖3中的海綿,確保雨水被攔在電控盒的左側(cè),無法進入端子以及線體。海綿可以與電機支架本身的海綿合并成一塊,既起到了頂蓋與電機支架之間隔音的作用,又起到了隔水的作用。
圖3 頂蓋海綿粘貼示意圖
特別注意,在冷凝器與電控盒支架之間預(yù)留了一條過風(fēng)的路徑,主要是為了不影響冷凝器換熱。因為冷凝器是通過翅片與空氣實現(xiàn)熱交換,如若被電控盒擋住,冷凝器對應(yīng)的位置,不會有風(fēng)流通,沒有腔體外空氣流入帶走熱量,就會影響散熱。因此必須在電控盒跟冷凝器之間留有一定的距離,確??諝饬魍ā5窃囼灡砻?,風(fēng)葉反轉(zhuǎn)的時候此處極易出現(xiàn)進水,所以需要增加如圖4所示的黑色海綿,既保證了風(fēng)的流通,又阻礙了水的流動路徑。綜上,按此方案可以解決車載空調(diào)在特殊環(huán)境中的反轉(zhuǎn)、爬坡、拐彎中的防淋雨問題。
圖4 冷凝器海綿粘貼示意圖
車載空調(diào)固定在卡車的車頭位置,緊靠著駕駛室,因此防火可靠性是安全因素中的重中之重。一旦出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象,將危及車體以及駕駛者人身安全,因此務(wù)必保證車載外機的防火性能。實驗室中主要通過以下三種方法引燃外機進行驗證,測試方法以及檢測標準依據(jù)通用安全標準IEC 60335-1以及企業(yè)內(nèi)部測試標準QMK-J074.0050-2017。
3.1.1 電熱絲引燃強制燃燒試驗方法
在產(chǎn)品的試驗?zāi)繕藢ο蟛课唬ㄈ鐝婋姸俗舆B接部位等)用鎳鉻合金電熱絲,令目標對象上升到起火的溫度進行強制燃燒試驗。
3.1.2 燃燒劑強制燃燒試驗方法
在產(chǎn)品的試驗?zāi)繕藢ο蟛课唬◣щ姴考3止潭ɑ蛑苯咏佑|-鄰近零件材料,如變壓器、馬達、線組附帶的連接器等)設(shè)置甲醇系的固體酒精,用點火加熱裝置點火進行強制燃燒試驗。
3.1.3 電解液污染拉弧起燃強制燃燒試驗方法
在產(chǎn)品的試驗?zāi)繕藢ο蟛课唬ㄈ珉娐钒?、接線座異電極間、溫控器等存在污染可能起火的部位)采用5%濃度的氯化銨溶液進行噴灑后對機器進行通電,直至帶電部位電極間發(fā)生拉弧起火進行強制燃燒試驗。
模擬測試的時候發(fā)現(xiàn),壓縮機腔的大量線體、壓縮機隔音棉、接線端子均為可燃物。雖然線體、隔音棉等已經(jīng)使用阻燃材料,但是阻燃材料并不能徹底解決灼燒風(fēng)險。外機壓縮機腔是一個相對封閉的腔體,但是出風(fēng)格柵處卻有大量的空氣,加上空調(diào)運轉(zhuǎn)的時候會形成一個空氣從壓縮機腔向格柵處流動的趨勢,形成負壓?;鹧鏁S著空氣的流動通過頂蓋上的可燃物流動到電機一側(cè),進而燒穿格柵。因此解決方案是切斷火焰的燃燒路徑。
如何保證空氣流通同時阻斷火勢蔓延的可能是個關(guān)鍵問題。首先要從源頭減少可燃物的數(shù)量,比如減少線體、減少隔音棉。線體護套以及接線端子改為防火等級更高的材料。其次要切斷火勢蔓延的途徑。火勢都是借著可燃物行走的,因此頂蓋海綿如圖5所示粘貼。1號海綿和2號海綿之間保留一定的距離,形成隔離帶。所以即便空氣流通,沒有可燃物也無法把火焰?zhèn)鬟f到電機一側(cè)。此處特別注意,也要選用帶有阻燃性能的海綿。此處距離需要根據(jù)實際情況進行設(shè)計,因此設(shè)計方案已經(jīng)進行專利保護,相關(guān)細節(jié)不再贅述。
圖5 灼燒試驗頂蓋海綿粘貼指導(dǎo)
車輛在行駛過程中不斷給蓄電池充電,蓄電池保持著充足的電量。駐車時間,蓄電池給空調(diào)供電過程中電壓會不斷下降,當(dāng)空調(diào)檢測到電池電壓偏低時,進入低功耗模式,維持空調(diào)持續(xù)運行??照{(diào)器的過壓、過流、過熱保護功能,保證整個運行過程中的安全可靠。這一切的控制指令源于空調(diào)外機控制器中的電控盒,電控盒相當(dāng)于人類的大腦,負責(zé)接收、實施指令。電控盒內(nèi)側(cè)布有很多重要的元器件。本文將元器件分為兩大類,Ⅰ類:電容、電感、風(fēng)機模塊;Ⅱ類:整流橋、IGBT、二極管、IPM。Ⅰ類在壓縮機腔體,Ⅱ類在散熱器。此類元器件在樣機運行的時候會出現(xiàn)發(fā)熱的現(xiàn)象,為了保證其正常工作。必須利用散熱器將熱量導(dǎo)出,本文中的電控盒主要是利用盒體本身進行導(dǎo)熱。因此,此電控盒的擺放位置顯得尤其重要。
熱量傳遞主要有三種基本方式:導(dǎo)熱、對流和熱輻射。因此通過分析并合理的利用三個因素,就可以找到解決溫升的最優(yōu)解[5]。
4.2.1 導(dǎo)熱
導(dǎo)熱是依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的運動而產(chǎn)生的熱運動。導(dǎo)熱現(xiàn)象的規(guī)律被總結(jié)為傅里葉定律。傅立葉定律是傳熱學(xué)中的一個基本定律,由法國著名科學(xué)家傅里葉于1822年提出。傅里葉定律的文字表述:在導(dǎo)熱現(xiàn)象中,單位時間內(nèi)通過給定截面的熱量,正比于垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積,而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。傅里葉定律用熱流密度JT表示時形式如下:
可以用來計算熱量的傳導(dǎo)量。其中熱流密度JT(W/m2)是在與傳輸方向相垂直的單位面積上,在x方向上的傳熱速率。它與該方向上的溫度梯度dt/dx成正比。比例常數(shù)λ是一個輸運特性,稱為熱導(dǎo)率(也稱為導(dǎo)熱系數(shù)),單位是W/(m?K)。也可以表述如下:
式(2)中:
dt/dx(Q上一點)為導(dǎo)熱速率,單位為W;
A為直于熱流方向的截面積,單位為m2;
λ為導(dǎo)熱系數(shù),材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的參數(shù);
t為溫度,單位為K;
x為在導(dǎo)熱面上的坐標,單位為m;
上述式中負號表示傳熱方向與溫度梯度方向相反。
4.2.2 對流傳熱
對流傳熱是在流體流動進程中發(fā)生的熱量傳遞的現(xiàn)象,熱能從一處傳遞到另一處的過程。對流傳熱通常用牛頓冷卻定律來描述,即當(dāng)主體溫度為tf的流體被溫度為tw的熱壁加熱時,單位面積上的加熱量可以表示為:
當(dāng)主體溫度為tf的流體被溫度為tw的冷壁冷卻時,單位面積上的加熱量可以表示為:
式(3)和(4)中:
h為比例系數(shù),稱為對流傳熱系數(shù),單位為W/(m2?℃);
A為固體壁面換熱面積,單位為m2。
牛頓冷卻公式表明,單位面積上的對流傳熱速率與溫差成正比關(guān)系。
4.2.3 熱輻射
輻射換熱是各個物體之間不斷發(fā)出和吸收熱輻射過程的綜合結(jié)果。任何物體,只要溫度高于絕對0度,就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射,其基本公式可按斯忒藩-玻爾茲曼定律來計算:
式(5)中:
ε為物體發(fā)射率(又稱黑度);
A為輻射表面積,單位為m2;
σ為斯忒藩-玻爾茲曼常量,5.67×10-8W(m2?K4);
T為黑體的熱力學(xué)溫度,單位為K。
因此需要利用熱成像儀器分析出腔體內(nèi)熱輻射高的元器件,通過分析發(fā)現(xiàn)腔體內(nèi)有三處溫度較高的發(fā)熱源,分別是軸流風(fēng)葉電機、冷凝器、壓縮機,通過對比測試發(fā)現(xiàn)電控盒放置在遠離冷凝器等熱源的位置散熱效果更佳理想。同時通過圖6可以看出,冷凝器不僅發(fā)熱嚴重,并且隔板拐角的地方風(fēng)速最低,換熱最差,導(dǎo)致周邊的空氣溫度高于電控盒本身的發(fā)熱,因此通過冷凝器進來的風(fēng)不僅不能輔助散熱,還會把熱量傳遞給電控盒。因此需要通過絕熱材料進行阻斷熱輻射,試驗表明可以使溫度降低3℃左右。
分析發(fā)現(xiàn),電控盒涉及3個方面的熱量交換,比如電控盒內(nèi)部元器件通過盒體本身的外表面熱傳遞出來的熱量Q1;壓縮機腔體流向電機腔體時產(chǎn)生的對流傳熱熱量Q2;以及外冷凝器產(chǎn)生的熱輻射熱量Q3。通過熱成像儀發(fā)現(xiàn),Q3處的熱量高于Q1和Q2,說明在外界空氣通過冷凝器后不能起到協(xié)助電控盒散熱的作用,還會提高溫升。因此電控盒必須遠離冷凝器,同時設(shè)置屏障阻隔在冷凝器與電控盒之間。溫升測試腔體內(nèi)部熱量分布示意圖如圖7所示。
圖7 溫升測試腔體內(nèi)部熱量分布示意圖
此類電器盒的散熱主要是依靠流動空氣帶走熱量,以及溫度熱傳遞由高溫向低溫傳遞的物理特性。因此電器盒的擺放位置極其重要,是影響溫升的重要因素。由風(fēng)量公式Q=VA可以看出,在截面積A一致的情況下,風(fēng)量主要受風(fēng)速影響,根據(jù)圖8可以看出,風(fēng)葉的葉片中心是風(fēng)速度最小的,切向力方向的風(fēng)速最大。
圖8 三維流線示意圖
如圖9所示,電控盒需要抬起一定角度,根據(jù)空間情況,盡量接近切向力的方向。同時要保證高度不要超過電機支架,以免影響到頂蓋的裝配。此時電控盒上方與頂蓋留有間隙,下側(cè)與隔板形成夾角,同樣留有間隙,有效的實現(xiàn)了軸流風(fēng)葉腔與壓縮機腔的空氣流通。此處已經(jīng)進行專利保護,相關(guān)細節(jié)不再贅述。
圖9 電控盒擺放位置示意圖
綜上,電控盒依據(jù)以上理論分析,擺放在腔體中最有利于散熱的位置。屏蔽熱量傳播途徑,同步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計,可以有效的提高散熱效率,確保各個元器件正常工作。
通過對理論分析與相關(guān)測試標準的試驗驗證,得出如下結(jié)論:
(1)24 V車載空調(diào)外機受使用環(huán)境的影響,面臨更大的可靠性挑戰(zhàn)。電氣安全關(guān)乎車載空調(diào)的使用壽命,也包含使用者的安全,是產(chǎn)品設(shè)計中最重要的一個環(huán)節(jié)。
(2)電氣安全相關(guān)的淋雨、溫升、灼燒三個測試合格條件是相互制約的,設(shè)計者需要通過理論計算、軟件分析以及結(jié)合測試驗證找到一個最優(yōu)解。
(3)電控組件的擺放位置很重要,一定要結(jié)合風(fēng)場的分析進行布局,同時還要考慮其防水問題。
(4)對于車載空調(diào),常規(guī)試驗得出的測試結(jié)果,一定要結(jié)合實際使用情況加嚴模擬測試,產(chǎn)品的可靠性才更具說服力。
本文從車載空調(diào)的介紹、可靠性電氣安全方面具備的條件、相關(guān)的測試方法以及改善方向等進行了綜合性的分析與論述。文中都是作者自身的工作經(jīng)驗總結(jié),可能存在一定的缺失與不足,歡迎交流與指正。