電動汽車空調水冷式冷凝器的設計開發與實驗研究

郭震

（美的集團（上海）有限公司，上海 201799）

為了提高電動汽車冬季續航能力，熱泵空調技術幾乎成為當前純電動汽車空調系統的標配。熱泵空調系統分為直接式熱泵系統和間接式熱泵系統，直接式熱泵系統比間接式熱泵系統效率高，但間接式熱泵系統也存在一定優勢：一是減小空調箱改動，節省開發時間；二是取消PTC 空氣加熱器，改為PTC 水加熱器，避免高壓電進入乘客艙，安全性高；因此，很多車型采用了間接式熱泵系統。水冷式冷凝器作為該系統的主換熱器，其作用是將制冷劑熱量傳遞到冷卻液中，冷卻液將這部分熱量帶到乘客艙，該換熱器的性能優良直接影響整個熱泵系統的COP 值。本文將探討汽車空調水冷式冷凝器的設計開發與實驗研究，為有關從業人員提供借鑒。

1 水冷式冷凝器特點

考慮車載換熱器輕量化、緊湊化和低成本的需求，水冷式冷凝器一般采用釬焊式鋁合金板式換熱器（以下簡稱板換）結構。目前，該類型板換采用的板型主要有三種：人字波板型、點波式板型、內翅片式。其中，內翅片式板換具有流阻小、換熱性能佳的優點，而被廣泛采用，本文選擇該類型板換為研究對象。

內翅片式板換主要由換熱板片、內翅片、頂板、底板、法蘭、水管等組成。其主要換熱結構為層疊設置的換熱板片組，換熱板片帶翻遍，釬焊后形成多個制冷劑和冷卻液流道，兩種流道交錯相鄰，流道腔體內布置有內翅片，起到強化傳熱的作用。為了獲得較好的傳熱效果，冷卻液與制冷劑的流動方向最好為逆流，同時考慮冷卻液的流道分布較好且對流阻較為敏感，故冷卻液側一般采用單流程，制冷劑側則采用單流程或者三流程居多，也有采用U型流的設置，本文不做探討。

板換上常用的內翅片形式有：平直翅片、鋸齒翅片、多孔翅片和波紋翅片等，其中鋸齒形翅片具有較好的綜合性能，因此作者推薦水冷式冷凝器的內翅片形式采用鋸齒形。

國內外學者針對鋸齒翅片展開了一系列實驗研究，Kays 和London 等人對多種內翅片進行了系統性的實驗研究，總結出了多種內翅片的傳熱與壓降經驗關聯式[1]；為了滿足機油冷卻器開發需要，張力、郭麗華、王彥超等人以水或機油為換熱介質，對多種鋸齒翅片進行了實驗研究，提出了多個鋸齒翅片的傳熱與壓降經驗關聯式[2-4]；另外，很多學者也對內翅片進行了很多數值模擬研究[5-7]。但是上述研究大多局限于內翅片單流道的研究，且介質為水或油等不帶相變的工況，而采用內翅片式板換結構的水冷式冷凝器卻鮮有研究報道，其換熱機理、選型設計和生產制造還存在諸多問題。

2 產品設計

本文以某純電動汽車的水冷式冷凝器為例，介紹電動汽車空調水冷式冷凝器的設計要點。

根據客戶要求，水冷式冷凝器尺寸不得超過允許的空間尺寸范圍，重量≤1.2Kg, 性能要求：冷卻液入口溫度50℃，流量12L/min,制冷劑進氣壓力1.62MPaG，過熱度25℃，過冷度5℃，要求換熱量≥6KW，制冷劑流阻≤20KPa，冷卻液流阻≤16.2KPa。

2.1 參數設計與設計選型

依據客戶提供的邊界，換熱板片選擇166mm*74mm板型，板片數量初步選擇19 片，疊片高度為65mm，重量1.0Kg，如圖1 所示。

圖1 水冷式冷凝器

水冷式冷凝器主體采用鋁合金材料，沖壓件和管件采用成型性較好的3 系鋁合金，法蘭上攻有螺紋，采用強度較高的6 系鋁合金。

2.2 翅片設計

作為影響換熱性能的核心部件，翅片結構參數的選取非常重要。鋸齒翅片按照介質流向不同，分為LPD 型和HPD 型，如圖2 所示，為了獲得較高的換熱量，本文選擇HPD型鋸齒翅片作為研究對象。影響鋸齒翅片性能的參數主要有：齒高h、齒距s、錯齒距s0、齒開窗寬度b、齒厚t、齒形角α，如圖3 所示。

圖2 鋸齒翅片的分類

圖3 鋸齒翅片的主要參數

對于水冷式冷凝器，在芯體有效長、寬、高尺寸不變的情況下，齒高h 越小，換熱量越高、流阻越大；齒距s 越小，換熱量越高、流阻越大；錯齒距s0/齒距s 的比值越小，換熱量越高、流阻越大；齒開窗寬度b 越小，換熱量越高、流阻越大；齒厚t 越小，換熱量越高、流阻越??；齒形角α 越大，換熱量越高、流阻越大。依據經驗，為了平衡換熱量和流阻需求，部分參數不宜過大或過小，齒高h 建議在1.4～3mm 之間取值，齒距s 建議在4.2～7.8mm 之間取值，錯齒距s0/齒距s 的比值建議在0.2～0.3 之間取值。對于齒開窗寬度b，由于其值對流阻的影響較小，但對換熱量的提升影響較大，所以建議越小越好，但考慮其值低于1mm時易損壞模具，所以建議在1.0～1.8mm之間取值。對于齒厚t，其值越小，換熱量越高，流阻越小，同時重量越輕，所以建議越小越好，但考慮其值低于0.2mm 時翅片的抗塌陷性能難以保證，所以建議在0.2～0.4mm之間取值。齒形角α 的選取主要考慮可制造性和模具壽命，一般在70°～90°之間選取，主流是80°和90°。其中齒高h 和錯齒距s0/齒距s 的比值對換熱性能影響最大，需要重點關注。

由于客戶對冷卻液側流阻要求較高，故選擇齒高為3mm的鋸齒翅片，以減小流阻，選取翅片參數如表1 所示。

表1 翅片參數表

3 實驗研究

設計制作了水冷式冷凝器樣件，進行換熱性能測試，制冷劑為R134a，冷卻液為50%乙二醇水溶液。指定制冷劑進氣壓力1.62MPaG，入口過熱度25℃，出口過冷度5℃，冷卻液入口溫度50℃，通過調整壓縮機轉速和膨脹閥的開度，獲得不同冷卻液流量下的換熱性能，實驗結果見圖4～6。

圖4 換熱量隨冷卻液流量的變化情況

從圖4 可以看出，冷卻液流量對換熱量的影響較大，隨著冷卻液流量增加，換熱量逐步增加，換熱量與冷卻液流量比值的0.58 次方成正比。

從圖5 可以看出，隨著冷卻液流量增加，冷卻液流阻逐步增加，冷卻液流阻與冷卻液流量比值的1.97 次方成正比。

圖5 冷卻液流阻隨冷卻液流量的變化情況

從圖6 可以看出，隨著制冷劑流量增加，制冷劑流阻逐步增加，制冷劑流阻與制冷劑流量比值的2.05 次方成正比。

圖6 制冷劑流阻隨制冷劑流量的變化情況

調整工況，分析不同溫差下水冷式冷凝器的換熱性能，所述溫差是指制冷劑冷凝溫度與冷卻液入口溫度之差。指定制冷劑入口過熱度為25℃，出口過冷度為5℃，冷卻液流量為10L/min，其余工況的選取見表2。

表2 測試工況表

從圖7 可以看出，在相同的冷卻液流量下，制冷劑冷凝溫度與冷卻液入口溫度之差越大，換熱量越大，并且當制冷劑冷凝溫度與冷卻液入口溫度之差相同時，換熱量比較接近。

圖7 換熱量隨溫差的變化情況

同一工況下，試樣有6 種不同擺放，如圖8 所示，分析不同的樣件擺放方式對水冷冷凝器換熱量、冷卻液流阻的影響。

圖8 水冷式冷凝器的六種擺放方式

從圖9 可以看出，擺放方式一、二、三的換熱量較高，換熱量最低的為擺放方式五，換熱量只有擺放方式三的79%。對于本水冷式冷凝器，不同的擺放方式對換熱量的影響較大，合理的擺放有利于獲得最佳性能。這主要是制冷劑在流道內分配不均勻造成的，可通過增加流程數來改善，雖然會增加流阻，但是考慮冷凝器一般可以接受較高的制冷劑流阻，所以制冷劑側推薦采用多流程設計。至于冷卻液側，由于多流程設計對大大增加冷卻液流阻，一般采用單流程設計。

圖9 不同擺放方式換熱量的變化情況

從圖10 可以看出，對于本水冷式冷凝器，不同的擺放方式對冷卻液流阻的影響很小，最大偏差只有2%。

圖10 不同擺放方式冷卻液流阻的變化情況

4 結論

綜上所述，本文對使用內翅片式結構的電動汽車空調水冷式冷凝器進行了介紹，并對其傳熱特性進行了實驗研究，得到了以下結論：

4.1 冷卻液流量對換熱量的影響較大，隨著冷卻液流量增加，換熱量逐步增加，換熱量與冷卻液流量比值的0.58次方成正比。

4.2 隨著冷卻液流量增加，冷卻液流阻逐步增加，冷卻液流阻與冷卻液流量比值的1.97 次方成正比。

4.3 隨著制冷劑流量增加，制冷劑流阻逐步增加，制冷劑流阻與制冷劑流量比值的2.05 次方成正比。

4.4 在相同的冷卻液流量下，制冷劑冷凝溫度與冷卻液入口溫度之差越大，換熱量越大，并且當制冷劑冷凝溫度與冷卻液入口溫度之差相同時，換熱量比較接近。

4.5 不同的擺放方式對換熱量的影響較大，合理的擺放有利于獲得最佳性能；但是對冷卻液流阻的影響很小。