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蓄冷式蒸发器

作者:
来源:
上海加冷松芝汽车空调股份有限公司
日期:
2017/01/11
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传统动力车辆在短时驻车时,发动机怠速运行、燃烧效率降低、排放恶化。怠速起停技术在短停时关闭发动机、减少怠速运行时间,具有明显的节油、减排效果;在欧洲等环保法规较严格的国家和地区,该技术已在乘用车上进行了大量搭载。我国近期公布的国家标准《GB 19578-2004/2014 乘用车燃料消耗量限值》对乘用车企业的平均油耗进行了严格限制、《GB 27999-2014乘用车燃料消耗量评价方法及指标》明确提出对循环外技术进行油耗奖励;“怠速起停”作为可能纳入奖励的循环外技术之一,倍受车企关注。但同时,该技术对乘员舒适性提出挑战:夏天空调出风温度须低于15℃才能保证体感舒适;而传统动力车辆的空调压缩机由发动机直接驱动,发动机停机将导致制冷剂停止循环;对于使用常规蒸发器的空调系统,较低的出风温度只能维持约20s。

 

研究表明,车辆短停时间大部分在1分钟内;因此采用相变材料(PCM)储存冷量、并在短停时释放,可有效延长风温维持时间、提升乘坐体验,是缓解上述问题的有效手段。

 

2013年底,通过大量的技术和市场调研,上海加冷松芝敏锐地意识到:随着油耗法规的日益严格,蓄冷式蒸发器在国内有广阔市场;并成立团队进行技术攻关。当时国际先进空调公司已在国际市场推出产品、并形成相关专利。归纳起来,这些产品有三种典型设计方案:

 

方案一:蓄冷介质直接与过流空气进行换热(图1a)。此设计以Behr和Hanon的产品为代表,分别在原蒸发器芯体出风侧或两排扁管中间增加一排填充蓄冷介质的扁管及翅片;空气流过时与蓄冷介质直接进行热量交换。

方案二:以制冷剂为媒介进行换热(图1b)。此设计以Delphi推出的产品为代表,将蓄冷介质布置在蒸发器集流管的顶部,制冷剂在集流管中与蓄冷介质换热、竖直方向产生温差,进而在热虹吸效应的驱动下开始循环、并将冷量传递给过流空气。

方案三:蓄冷介质借助蒸发器原有的铝管带结构与过流空气换热(图1c)。该结构以Denso的蓄冷式蒸发器为代表;其部分散热带位置被蓄冷单元所占用,蓄冷介质首先与周边的铝管、带进行换热,进而由管带将冷量转移到过流空气中。

 

三个方案各有优缺点:方案一、二的蓄冷介质的填充量大、温度维持时间较长,且对蒸发器风阻的影响较小(尤其是方案二,对蒸发器风阻基本没有影响);但这两个方案分别在芯厚、芯高方向增加明显,蒸发器集流管、空调箱结构均需做对应修改,不利于蒸发器的系列化和空调箱的平台化。方案三不改变芯体尺寸、与配置常规蒸发器的空调箱完全通用,但该方案的蓄冷介质填充量相对有限、且对蒸发器风阻影响显著,不合理的设计可能导致空调系统风量衰减、性能下降。

 

 

 

 

图1 蓄冷式蒸发器的三种典型设计方案

 

通过对国际先进产品的对标、并对国内市场需求和整车使用环境进行分析,上海加冷松芝认为:方案三能够直接在现有车型上实现换装、更符合国内主机厂的使用偏好;同时,其影响系统风阻和性能的问题可通过管带结构优化予以缓解。因此,确定基于方案三、在现有38mm芯厚蒸发器基础上,进行蓄冷式蒸发器的开发。以某车型为应用对象,结合国内主机厂的要求和怠速起停系统的工作特点,确定蓄冷式蒸发器的性能开发目标。

 

在蓄冷介质的选择上,研发团队与国内知名大学合作,对正癸醇、十四烷、十五烷、十六烷、有机水合物等PCM材料进行了大量试验,最终确定采用C14H30为PCM介质;其固——液转化温度约5ºC、相变潜热可达225kJ/kg、凝固时的体积收缩率10%~20%。在蒸发器扁管间插入蓄冷芯片;考虑到PCM介质较低的导热系数,在蓄冷芯片中增加强化传热的肋片(图2),以扩大与PCM的接触面积、提高芯片的传热能力。蓄冷芯片高度为蒸发器芯体高度的一半,以便提高布置的灵活性、方便对蓄冷性能进行调整。借助仿真分析手段,对蓄冷单元结构、肋片节距等参数进行设计和优化,从而确定蓄冷芯片的详细结构、排布方式和PCM填充量;对蒸发器散热带的结构参数进行优化(图3),以便对缓解蒸发器风阻提升的问题。

 

蓄冷式蒸发器样件性能试验表明:制冷量下降和湿风阻提高程度均在预期范围内(图4a),排水性能与常规蒸发器相当,而风温维持时间提升至近2分钟、较原芯体提升了4倍(图4b);达到设计目标。某型空调箱搭载该蓄冷蒸发器的试验结果显示:吹面全冷模式下的风量较常规空调箱下降5%,制冷功率下降约7%;仍可满足原空调系统的性能要求。同时,进行相应的工艺开发,以保证产品的一次钎焊合格率和蓄冷介质的快速封装。

 

图2 蓄冷式蒸发器结构

 

图3 散热带流场和温度场

 

 

图4  某蓄冷式蒸发器的性能

 

开发过程中,在以下关键技术上获得突破:

(1)借助仿真技术,结合蓄冷式蒸发器的特点,综合考虑换热性能、排水性能、蓄能能力和加工工艺等因素,进行蓄冷式蒸发器的结构设计和优化、以及蓄冷芯片增强换热的结构设计;

(2)蓄冷介质的快速封装技术。目前相关产品完成设计定型,已向江淮、昌河、东南汽车等公司提供数十套样件,并正在配合上汽等多家主机厂进行样件设计。从客户反馈的结果来看,产品的整车表现基本达到客户要求,可靠性较高。基于此开发工作,松芝公司已申请专利2项。随着油耗法规的日益严格、以及怠速起停技术在国内市场被广泛接受,预计近几年蓄冷式蒸发器的装车数量将出现爆发式增长。

 

在政策引导和法规驱动下,传统动力车辆的节能减排技术已得到主机厂的充分重视。本项目以此为契机,对蓄冷式蒸发器的设计和工艺进行系统、深入的研究,掌握核心设计技术、并形成批量供货能力,从而为传统动力车辆节能减排技术的推广提供有力保障。同时,本产品的成功开发有助于打破国际先进公司的技术垄断、形成企业核心竞争力、增加产品附加值,符合构建创新型国家的发展方向。

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