一種新型內置車用蒸發器結構設計

許海陽，孫燁，王鳳琴

一種新型內置車用蒸發器結構設計

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 453049）

隨著我國特種車輛（醫療救護車、押款車、押解車、監控車等）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，傳統空調那種駕駛室和乘客區分別吊裝一臺蒸發器制冷的布局形式，已經適應不了時代的發展。文章提出的一種新型內置車用蒸發器，在保證制冷量需求的同時，實現一機多用，雙向出風，節約車內空間。

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，適用的蒸發器換熱量也不盡相同。本文為更好的闡述這種新型內置車用蒸發器結構，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，救護艙增加了醫藥箱、氧氣瓶、護士座位、可折疊擔架等醫用裝備，造成車內空間狹小，傳統雙蒸發器系統無法實現。根據實際特點和空間尺寸，我們設計出一款“一機兩用”的前后出風蒸發器。此蒸發器吊裝在駕駛艙和救護艙中間藥箱柜上。即節省了車內空間又實現了駕駛艙和救護艙同時降溫的目的。對比普通內置空調系統，取消了風道，減少風量損失，取消了前蒸發器，大大節省車內空間。具有制冷量、風量更大，系統管路更短、成本更低的特點。

1 蒸發器工作原理

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

圖1 系統原理圖

空調系統為蒸汽壓縮制冷。采用綠色環保HFC-134a為制冷工質。系統工作分四個過程：

壓縮過程：壓縮機工作后，在蒸發器中吸收熱量后變為低溫低壓的氣態制冷劑，經壓縮機吸入壓縮后，將制冷劑壓縮為高溫高壓氣態制冷劑，排入冷凝器。

冷凝過程：高溫高壓的氣態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境空氣中散熱，同時冷凝為高溫高壓液態制冷劑。

節流過程：高溫高壓的液態制冷劑通過貯液器、干燥過濾器干燥過濾后經膨脹閥節流降溫、降壓，變成低溫低壓液態和氣態制冷劑的混合物進入蒸發器。

蒸發過程：經膨脹閥節流成為低溫低壓液態和氣態混合物的制冷劑在蒸發器中氣化，在蒸發器風機的作用下吸收車廂內空氣熱量而使車廂內空氣降溫，同時析出冷凝水。吸收熱量后的制冷劑蒸發成低溫低壓氣態制冷劑，經壓縮機吸入再進行壓縮，完成一次制冷循環。

壓縮機不停地運轉，上述制冷過程連續不斷地進行循環，車廂內熱量不斷地被蒸發器內制冷劑帶走，從而完成整車的降溫除濕。

汽車蒸發器的主要作用是利用冷媒蒸發吸熱的原理，使車內的空氣降溫。

此空調了為了平衡前后艙的制冷需求，將蒸發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，風從駕駛艙經過芯體冷卻吹入醫療艙；中間風機采用吹風式，回風口設置在醫療艙，風從醫療艙經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 蒸發器工作原理

2 蒸發器參數選擇

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，根據該蒸發器制冷量需求，結合車輛坐人情況，選用風量為450m3/h的ZFF- 20912蒸發風機，駕駛艙采用一臺，總風量450 m3/h，醫療艙采用兩臺，總風量900m3/h。為了最大限度降低蒸發器的前后寬度，采用風機單面布局形式，中間為吹風式，兩端為吸風式。風機均采用帶調速電阻設計，可同步實現三檔調速。

2.2 熱負荷計算

根據越野救護車實際狀態計算系統總熱負荷：

ΞQ=7845.6W

根據空間大小前后艙基本按1:2分配。

2.3 系統冷凝器的確定

制冷系統所需制冷量：

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，根據所需制冷量，我公司現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 系統蒸發器的確定

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

蒸發溫度tc=0℃

循環風量450m3/h

進風溫度36.5℃

相對濕度75%

3 結構參數及物性參數

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

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

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

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

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

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

翅片式蒸發器一般應用于小型制冷空調中，如普通的家用空調中，常見的壁掛式空調的蒸發器。液體制冷劑不斷地從蒸發器周圍吸收熱量，在管內汽化蒸發，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，空調所用蒸發器的管路一般采用紫銅管制造。為了提高換熱效率，部分高性能的空調采用內螺紋（帶溝槽）的銅管。另外，蒸發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。

根據設定裝車情況及我公司實際情況設定蒸發器結構形式：

傳熱管為紫銅管，外徑為φ7，壁厚0.25，導熱系數為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，翅片節距2.0。

由此可計算出蒸發器長度為961.7mm。

根據結構和制冷裕度取蒸發器長度為1150mm。

蒸發器芯體結構如圖4所示：

圖4 三段式蒸發器芯體結構

本空調系統實現了在單一內置蒸發器上實現空調前后出風，前出風供駕駛艙制冷需要，后出風供救護艙制冷，從而節省了傳統系統中的前蒸發器，減少了占用空間。蒸發器融合吹風式內置蒸發器和吸風式內置蒸發器的特點，將中置蒸發風機設計為吹風式，從而將單蒸發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 前后出風蒸發器結構

4 蒸發器排水設計

內置蒸發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，平衡左右腔體內壓，杜絕單邊放水現象，提高排水效率，如圖6所示。

圖6 殼體結構圖

蒸發器的實際結構如圖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 前后吹風蒸發器

圖8 整車吊裝效果

整車吊裝效果如圖8所示：蒸發器吊裝在醫藥箱上方，由內飾板包裹。出風口和進風口添加導風口，既美觀，又實用，整體不占用車內有限空間。放水管和空調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器之間，常稱為膨脹閥，主要作用有節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，系統較穩定，但維修不變，故普遍采用螺紋連接結構。

根據所需制冷量和膨脹閥選型規則，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 空調環模試驗驗證

空調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

此蒸發器結構設計打破傳統空調蒸發器風機與芯體的布局，創造性的提出了前后共用芯體出風的理念。不僅節約車內空間，提高了空調的出風量，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（醫療救護車、押款車、押解車、監控車等）的首選，運用前景廣泛。

[1] 王運朋.實用汽車空調技術[M].廣東科技出版社,1995.

[2] 陳孟湘.汽車空調[M].上海交通大學出版社,2001.

[3] 陳沛霖等.空氣調節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

A

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，主要從事汽車空調設計及理論研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.059