CN104266414A - 一种自适应周边流场的车用空调冷凝器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应周边流场的车用空调冷凝器，包括两侧的集流管、设置在集流管上的冷媒总进口和总出口、平行布置在两侧集流管之间的扁管组；一组扁管为一个流程，按换热能力由强到弱分别为第一流程、第二流程……第n流程，n为奇数或偶数，它们顺序串联；其特征在于，所述换热能力较强的流程设计在冷凝器安装后表面接受风量较大的区域，而所述冷凝能力较差的流程则设计在冷凝器安装后表面空气流动不畅的区域。本发明所述冷凝器具有自我适应于实际车辆发动机机舱空气流动特点，通过改变平行流冷凝器的冷媒侧回路设计，使得换热能力较强的部分接受较强的空气流量分配，而在总体上获得较高的冷凝换热量，以改善空调系统能力。

Description

一种自适应周边流场的车用空调冷凝器

技术领域

本发明属于汽车部件，具体涉及一种可自适应周边流场而改进热力性能的车用冷凝器。 

背景技术

汽车空调是汽车油耗的第二大来源，典型油耗值为整车的30到40％。冷凝器实际性能对空调系统的制冷量和性能系数COP有直接而关键的影响，因此对汽车整车的油耗以及污染排放也有显著影响。 

车用空调系统主要由四个部件组成：蒸发器、压缩机、膨胀阀、冷凝器，以及起到连接作用的空调管路。其中蒸发器、膨胀阀集成在空调箱(HVAC MODULE)上，一般位于车内，压缩机处于发动机上，而冷凝器一般置于车辆前端，但不限于前端。 

近年来，车用空调冷凝器基本以平行流类型为主流，冷凝器冷媒侧流程(流程又称为回路)可以有不同设计，但在当前工业界的流道设计上几乎千篇一律，即从顶部第一流程分配给较多的流道(截面上带有微孔的扁管)，向下顺序给予较少的流道。如以较为常见的四流程的设计方式为例，参见图1，一个总扁管数为28根的冷凝器，第一流程设为10个管簇，第二流程为8个，第三流程为6个，第四为4个。冷媒如R134A，在扁管内通道内流动，不同流程的设计决定了换热器管内冷媒在各个流程上流速流态，影响到冷媒侧的换热系数以及流阻，因而引起总换热效果的不同。 

现代汽车发动机功率较高，电器越来越多，使得发动机舱越发拥挤。冷凝器安装在如此拥挤的环境里，周边空气回流、系统反压对其实际性能造成越来越大的负面影响。因此新型、合理的冷凝器热力结构设计具有重要的技术进步意义。 

当今世界上，无论是部件供应商还是整车厂，冷凝器热力性能的衡量主要集中在台架试验结果上，而台架试验是以均匀风速流过冷凝器表面为基础的，例如迎面风速2M/S,3.0M/S以及作为行业标准风速的4.5M/S。这与发动机舱内部的实际空气流场差别极大，因此只具有相对比较意义。经常出现台架试验结果改进 高达10％，而已经装车实测所得实际改进或许小于1％水平的尴尬局面。 

对于常见的平行流冷凝器而言，通常对于偶数流程设计，如四流程，冷媒入口与出口经常在冷凝器的同一侧，如图1中的进口1、出口2所示。而对于奇数流程设计则可能进出口在不同侧。 

冷凝器一般与散热器、电子风扇集成放置于发动机前端，车辆前保险杠的后端。在整车设计时，由于考虑到整车风阻系数，车辆的前端进风面积一般较小，而且会设置很多条纹状格栅。尤其是保险杠处于来流空气正中部，也是冷凝器进风中部，相对的几何位置使得冷凝器进风表面空气分布相当不均匀，因而使得实际冷凝排热量也不均匀(参见图3)。对于所论典型四流程冷凝器而言，以均匀风速吹过进口表面，第一流程之大部为两相换热区，因此换热能力较强，冷媒侧理论换热系数在4200到5000w/k.m²之间；第二流程基本处于两相换热区，亦属于换热能力较强区域，冷媒侧理论换热系数在3200到4200w/k.m²之间，而三和四流程换热较差，尤其是第四流程，由于处于冷凝过冷段，基本流态为单相液态，其换热系数仅在2000左右(参见图2)。 

进而考虑实车的实际流程分布，由于前保险杠的位置基本处于冷凝器的中段，遮挡住了进风方向，增加了额外阻力，使得第二流程的几乎全部、第一流程的部分区域、以及第三区的部分区域实际风量大为减小(参见图3)。该现象会导致冷凝器的有效换热量减小，怠速时尤为显著。此时，冷凝器进风完全依赖电子风扇的吸风，风量较小，冷凝器能力大为减小，最终影响到空调系统的总体效果以及能耗。 

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能够适应于实际车辆冷凝器空气流场的空调冷凝器，以求有效增加实车上冷凝器换热量；具体而言采用优化冷媒侧流程设计，提高部件对周边流场的自适应能力，使换热能力较强的区域处于风量较大的冷凝器表面，而将冷凝能力较差的回路置于空气流动不畅空间，提升冷凝器实际换热性能。 

本发明的技术方案如下： 

本发明首先提出一种车用空调冷凝器的自适应周边流场的流程布置方法，适用于平行流冷凝器，所述方法是将换热能力较强的流程设计在冷凝器安装后表面接受风量较大的区域，而将冷凝能力较差的流程设计在冷凝器安装后表面空气流 动不畅的区域。 

基于以上方法，进一步提出一种自适应周边流场的车用空调冷凝器，所述冷凝器包括两侧的集流管、设置在集流管上的冷媒总进口和总出口、平行布置在两侧集流管之间的扁管组；一组扁管为一个流程，按换热能力由强到弱分别为第一流程、第二流程……第n流程，n为奇数或偶数，它们顺序串联；并且换热能力较强的流程设计在冷凝器安装后表面接受风量较大的区域，而所述冷凝能力较差的流程则设计在冷凝器安装后表面空气流动不畅的区域。 

具体地，对于被保险杠遮挡住中间部位的四流程冷凝器，第一流程和第二流程分别设计在冷凝器的上部和下部位置，第三和第四流程设计在冷凝器的中间位置。 

对于被保险杠遮挡住中间部位的五流程冷凝器，第一流程和第二流程分别设计在冷凝器的上部和下部位置，第四和第五流程设计在冷凝器的中间位置，第三流程设计在冷凝器的上部与中部之间的位置。 

对于被保险杠遮挡住中间部位的六流程冷凝器，第一流程和第二流程分别设计在冷凝器的上部和下部位置，第五和第六流程设计在冷凝器的中间位置，第三和第四流程设计在冷凝器的上部与中部之间和下部与中部之间的位置。 

本发明所述冷凝器具有自我适应于实际车辆发动机机舱空气流动特点：通过改变平行流冷凝器的冷媒侧回路设计，使得换热能力较强的部分接受较强的空气流量分配，而在总体上获得较高的冷凝换热量，以改善空调系统能力。 

以下是对发明提出的设计方案的实验研究： 

发明人使用专业换热器设计软件对冷凝器进行模拟仿真，以同一冷凝器为目标，完全相同边界条件，迎面风速3.5M/S得出现有设计和本发明设计冷凝器性能分布曲线，如图6所示。 

图6的上图是本发明设计；图6的下图为现有设计。图中，X坐标为由上到下的冷凝器管排位置，Y坐标为单个管的换热能力。 

图6中下图，在位置13到28扁管之间，A、B、C连线是在自由风速时该冷凝器的换热量，而在实际装车条件下，由于保险杆的阻碍，其能力仅为EF线所示。因此，区域A4表示了能力损失率。 

类似地，图6的上图表示了本发明设计的对比情形。图中斜线阴影覆盖区 A1和A2是由于前保险杠遮挡的效应而在本发明设计上产生的冷凝量损失；A4为现有设计的冷凝量损失。对比之下，显然本发明设计的损失有显著减小。 

图中交叉线阴影覆盖区A3是在冷凝器下部的换热能力；A5为原设计的冷凝能力。对比之下，显然新设计在此区域的换热量较大。 

进一步，参照CAE的风速分布显示，以及实拍照片的提示，实际车辆上，冷凝器的空气流动区域从垂直方向可约分为1/3,1/3,1/3，即垂直上部、中部，以及垂直下部的几何迎风面积大约均分。这样，管组13-26由于实际风速在1–1.5M/S的弱区则处于低换热区。 

另外，按照本发明设计方案制成的冷凝器样机经过实际装车，在环境模拟舱内实施NEDC路谱油耗恶化试验，试验结果指示出新型冷凝器有效地改进了综合油耗恶化率达9.55％。结果如表1所示。 

表格1 NEDC路谱油耗恶化试验结果指示出新型冷凝器(按本发明设计方案设计)改进了油耗恶化率9.55％ 

注    增幅＝(开空调油耗-关空调油耗)/关空调油耗 

综上，本发明提出的冷凝器可在实车环境上实现显著的总换热量的增强，其增强范围在5％到15％+。具体而言，同样的几何结构，经过重新设计的冷凝器， 对应于现有设计，在风速3.5M/S的条件下，意味着在中小型车辆的空调系统的制冷能力在标准测试条件下将有1000到1500瓦的提高。试车油耗实验发现有显著的系统功耗下降，油耗改善率达9.55％。同时，本设计在生产和制造上基本不增加成本，无需新增设备、易于实施。 

附图说明

图1是原方案的冷凝器结构图与制冷剂流动示意。 

图2是原方案冷凝器空气侧换热能力分布示意。 

图3是原方案冷凝器在实车上受保险杆影响而空气流动变异示意。 

图4是新方案带干燥器冷凝器结构图与制冷剂流动示意。 

图5是新方案的不带干燥器冷凝器结构图与制冷剂流动示意。 

图6是使用专业换热器设计软件对本发明设计和现有设计的冷凝器进行模拟仿真的结果对比图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，应当注意，这里描述的实例只用于举例说明，并不用于限制本发明： 

本发明与实车上冷凝器布置位置、车辆前保险杠造型有关，冷凝器回路的设计应依据周边情况做热力适应性设计。作为一个典型实施例，适用于冷凝器中段被前保险杠遮挡的车型。亦适用于其他情况，如冷凝器前方有任何阻拦或后方有不适当的系统空气反压。 

当前典型的四流程冷凝器如图1所示，图中箭头表示冷媒流动方向，第二到四流程未示出如第一流程中的扁管6，此设计带有干燥瓶，但不带干燥瓶的布局并不影响本文所述的专利设计。图中的冷凝器包括平行布置的左侧集流管4-1和右侧集流管4-2，在集流管上设置有冷媒总进口1和总出口2，两侧集流管之间平行布置扁管组，一组扁管(若干根管)为一个流程，按换热能力由强到弱分别为第一流程、第二流程、第三流程和第四流程，通过设置在集流管中流程之间的隔板上的通孔连接。 

具体地，制冷剂通过冷媒总入口1进入左侧集流管4-1，隔板3-1在左侧集流管4-1内将第一流程和第二流程阻隔，将其导向第一流程的若干扁管6，进入 右侧集流管4-2，隔板3-3在左侧集流管4-1内将第二流程和第三流程阻隔，将流体导入第二流程，然后达左侧集流管4-1，并受到第三流程和第四流程之间的隔板3-2的阻隔，进入第三流程，然后通过右侧集流管4-2与干燥瓶5之间的通道7-1进入干燥瓶5，再经通道7-2，通过第四流程后，经总出口2流出冷凝器。 

参见图2，当以均匀风速吹过进口表面，第一流程换热能力较强(具有最多的扁管)，冷媒侧理论换热系数在4200到5000W/KM²之间；第二流程亦属于换热能力较强区域(具有较多的扁管)，冷媒侧理论换热系数在3200到4200W/KM ²之间，而三和四流程换热较差(扁管数较少)，尤其是第四流程，换热系数仅在2000左右。 

参见图3，而在通常的整车布局上，保险杠基本处于冷凝器中部，使得来流空气被阻(图中虚线箭头所示)而不能向换热较强的回路提供有效的空气，进而不能有效地利用冷凝器换热面积。 

因此，本发明为充分利用有效空气流动而增大换热效率，将冷媒回路予以调整，如图4所示，将换热能力较强的第一流程和第二流程(即赋予较多扁管的流程)分别设计在冷凝器的上部和下部，这两部分不受保险杠遮挡，是冷凝器安装后表面接受风量较大的区域。而将冷凝能力较差的第三和第四流程设计中部，这两部分由于保险杠遮挡，是在冷凝器安装后表面空气流动不畅的区域。需要相互连同的流程之间通过连通管连通，或者通过隔板上的通孔连通。 

具体地，在图1现有设计的基础上，将第二流程调整至冷凝器下部。冷媒从左侧集流管4-1进入第一流程，从第一流程出来的冷媒经过连通管9，进入位于冷凝器下部的第二流程，此乃换热较强区域。流体从第二流程出来，再经过一段连通管8与中部的第三流程的进口连接，流体进入第三流程，然后再进入第四流程，最终经总出口2流出冷凝器。而第三和第四流程属于换热能力较弱区域，被赋予较小的空气分配。如此，在总换热面积不可改变的条件下，实现了较强空气流过强换热表面，而弱势空气流过弱换热表面，以此获得总换热量的提升。为实现设想的流程，在左侧集流管4-1中，第一流程和第三流程之间设置隔板3-1，第三流程与第四流程之间设置3-2，第四流程与第二流程之间设置隔板3-5，在右侧集流管中，第一流程与第三流程之间设置隔板3-3，第三流程与第四流程之间设置隔板3-6，第四流程与第二流程之间设置隔板3-4，阻断作用。第三流程 与第四流程通过干燥瓶5实现连通。由于流程位置的变化，干燥瓶5的位置和尺寸需要做处调整，如图4所示。 

图5所示为本发明的另一种实施方案，主要针对不设干燥瓶设计的冷凝器。该图中，取消了第三流程与第四流程之间设置隔板3-6，是两个流程可以直接通过右侧集流管4-2连通，整个冷凝过程原理类同于图4，此处不再累述。 

对于具有五流程的冷凝器，其结构局部原理与四流程类似，将第一流程和第二流程分别设计在冷凝器的上部和下部位置，第四和第五流程设计在冷凝器的中间位置，第三流程则可以设计在冷凝器的上部与中部之间的位置。 

对于六流程冷凝器，类似地，第一流程和第二流程分别设计在冷凝器的上部和下部位置，第五和第六流程设计在冷凝器的中间位置，第三和第四流程设计在冷凝器的上部与中部之间和下部与中部之间的位置。 

对于具有奇数流程的冷凝器，如3、5、7等流程，冷媒总进口和总出口一般设置在相同一侧集流管上。 

而对于具有偶数流程的冷凝器，如4、6、8等流程，冷媒总进口和总出口设置在相同一侧或不同侧集流管上均可。 

对于冷凝器的冷媒总进、出口的设置方式可以是多种选择，如采用图4和5的水平设置，而根据空间位置的需要，也可以采用垂直的或非水平布置方式。 

另外，图中显示的冷凝器的扁管排列方向均是水平，但根据需要并不限于这种排列形式，也可以是垂直的，或其它形式。 

在以上的结构中，连通管8和9可以是不同连接形式，其位置亦可位于在集流管内部。 

本冷凝器采用的冷媒可以是R134A，但不限于此，还可以包括，R1234YF、CO2、R22和R410A等，以及所有类型的挥发性冷媒的冷凝过程。 

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步的详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出多种修改、替换，都应当视为属于本发明的保护范围。 

Claims (9)

1.一种车用空调冷凝器的自适应周边流场的流程布置方法，适用于平行流冷凝器；其特征在于，所述方法是将换热能力较强的流程设计在冷凝器安装后表面接受风量较大的区域，而将冷凝能力较差的流程设计在冷凝器安装后表面空气流动不畅的区域。

2.一种自适应周边流场的车用空调冷凝器，所述冷凝器包括两侧的集流管、设置在集流管上的冷媒总进口和总出口、平行布置在两侧集流管之间的扁管组；一组扁管为一个流程，按换热能力由强到弱分别为第一流程、第二流程……第n流程，n为奇数或偶数，它们顺序串联；其特征在于，所述换热能力较强的流程设计在冷凝器安装后表面接受风量较大的区域，而所述冷凝能力较差的流程则设计在冷凝器安装后表面空气流动不畅的区域。

3.根据权利要求2所述的自适应周边流场的车用空调冷凝器，其特征在于：对于被保险杠遮挡住中间部位的四流程冷凝器，第一流程和第二流程分别设计在冷凝器的上部和下部位置，第三和第四流程设计在冷凝器的中间位置。

4.根据权利要求2所述的自适应周边流场的车用空调冷凝器，其特征在于：对于被保险杠遮挡住中间部位的五流程冷凝器，第一流程和第二流程分别设计在冷凝器的上部和下部位置，第四和第五流程设计在冷凝器的中间位置，第三流程设计在冷凝器的上部与中部之间的位置。

5.根据权利要求2所述的自适应周边流场的车用空调冷凝器，其特征在于：对于被保险杠遮挡住中间部位的六流程冷凝器，第一流程和第二流程分别设计在冷凝器的上部和下部位置，第五和第六流程设计在冷凝器的中间位置，第三和第四流程设计在冷凝器的上部与中部之间和下部与中部之间的位置。

6. 根据权利要求2所述的自适应周边流场的车用空调冷凝器，其特征在于：所述具有奇数流程的冷凝器，冷媒总进口和总出口设置在相同一侧集流管上。

7. 根据权利要求2所述的自适应周边流场的车用空调冷凝器，其特征在于：所述具有偶数流程的冷凝器，冷媒总进口和总出口设置在相同一侧或不同侧集流管上。

8.根据权利要求2所述的自适应周边流场的车用空调冷凝器，其特征在于：所述冷凝器的冷媒总进、出口是水平的、垂直的或非水平布置的。

9.根据权利要求2所述的自适应周边流场的车用空调冷凝器，其特征在于：所述冷凝器的扁管排列方向是水平的或是垂直的。