电动汽车空调水冷式冷凝器的设计开发与实验研究

郭震

（美的集团（上海）有限公司，上海 201799）

为了提高电动汽车冬季续航能力，热泵空调技术几乎成为当前纯电动汽车空调系统的标配。热泵空调系统分为直接式热泵系统和间接式热泵系统，直接式热泵系统比间接式热泵系统效率高，但间接式热泵系统也存在一定优势：一是减小空调箱改动，节省开发时间；二是取消PTC 空气加热器，改为PTC 水加热器，避免高压电进入乘客舱，安全性高；因此，很多车型采用了间接式热泵系统。水冷式冷凝器作为该系统的主换热器，其作用是将制冷剂热量传递到冷却液中，冷却液将这部分热量带到乘客舱，该换热器的性能优良直接影响整个热泵系统的COP 值。本文将探讨汽车空调水冷式冷凝器的设计开发与实验研究，为有关从业人员提供借鉴。

1 水冷式冷凝器特点

考虑车载换热器轻量化、紧凑化和低成本的需求，水冷式冷凝器一般采用钎焊式铝合金板式换热器（以下简称板换）结构。目前，该类型板换采用的板型主要有三种：人字波板型、点波式板型、内翅片式。其中，内翅片式板换具有流阻小、换热性能佳的优点，而被广泛采用，本文选择该类型板换为研究对象。

内翅片式板换主要由换热板片、内翅片、顶板、底板、法兰、水管等组成。其主要换热结构为层叠设置的换热板片组，换热板片带翻遍，钎焊后形成多个制冷剂和冷却液流道，两种流道交错相邻，流道腔体内布置有内翅片，起到强化传热的作用。为了获得较好的传热效果，冷却液与制冷剂的流动方向最好为逆流，同时考虑冷却液的流道分布较好且对流阻较为敏感，故冷却液侧一般采用单流程，制冷剂侧则采用单流程或者三流程居多，也有采用U型流的设置，本文不做探讨。

板换上常用的内翅片形式有：平直翅片、锯齿翅片、多孔翅片和波纹翅片等，其中锯齿形翅片具有较好的综合性能，因此作者推荐水冷式冷凝器的内翅片形式采用锯齿形。

国内外学者针对锯齿翅片展开了一系列实验研究，Kays 和London 等人对多种内翅片进行了系统性的实验研究，总结出了多种内翅片的传热与压降经验关联式[1]；为了满足机油冷却器开发需要，张力、郭丽华、王彦超等人以水或机油为换热介质，对多种锯齿翅片进行了实验研究，提出了多个锯齿翅片的传热与压降经验关联式[2-4]；另外，很多学者也对内翅片进行了很多数值模拟研究[5-7]。但是上述研究大多局限于内翅片单流道的研究，且介质为水或油等不带相变的工况，而采用内翅片式板换结构的水冷式冷凝器却鲜有研究报道，其换热机理、选型设计和生产制造还存在诸多问题。

2 产品设计

本文以某纯电动汽车的水冷式冷凝器为例，介绍电动汽车空调水冷式冷凝器的设计要点。

根据客户要求，水冷式冷凝器尺寸不得超过允许的空间尺寸范围，重量≤1.2Kg, 性能要求：冷却液入口温度50℃，流量12L/min,制冷剂进气压力1.62MPaG，过热度25℃，过冷度5℃，要求换热量≥6KW，制冷剂流阻≤20KPa，冷却液流阻≤16.2KPa。

2.1 参数设计与设计选型

依据客户提供的边界，换热板片选择166mm*74mm板型，板片数量初步选择19 片，叠片高度为65mm，重量1.0Kg，如图1 所示。

图1 水冷式冷凝器

水冷式冷凝器主体采用铝合金材料，冲压件和管件采用成型性较好的3 系铝合金，法兰上攻有螺纹，采用强度较高的6 系铝合金。

2.2 翅片设计

作为影响换热性能的核心部件，翅片结构参数的选取非常重要。锯齿翅片按照介质流向不同，分为LPD 型和HPD 型，如图2 所示，为了获得较高的换热量，本文选择HPD型锯齿翅片作为研究对象。影响锯齿翅片性能的参数主要有：齿高h、齿距s、错齿距s0、齿开窗宽度b、齿厚t、齿形角α，如图3 所示。

图2 锯齿翅片的分类

图3 锯齿翅片的主要参数

对于水冷式冷凝器，在芯体有效长、宽、高尺寸不变的情况下，齿高h 越小，换热量越高、流阻越大；齿距s 越小，换热量越高、流阻越大；错齿距s0/齿距s 的比值越小，换热量越高、流阻越大；齿开窗宽度b 越小，换热量越高、流阻越大；齿厚t 越小，换热量越高、流阻越小；齿形角α 越大，换热量越高、流阻越大。依据经验，为了平衡换热量和流阻需求，部分参数不宜过大或过小，齿高h 建议在1.4～3mm 之间取值，齿距s 建议在4.2～7.8mm 之间取值，错齿距s0/齿距s 的比值建议在0.2～0.3 之间取值。对于齿开窗宽度b，由于其值对流阻的影响较小，但对换热量的提升影响较大，所以建议越小越好，但考虑其值低于1mm时易损坏模具，所以建议在1.0～1.8mm之间取值。对于齿厚t，其值越小，换热量越高，流阻越小，同时重量越轻，所以建议越小越好，但考虑其值低于0.2mm 时翅片的抗塌陷性能难以保证，所以建议在0.2～0.4mm之间取值。齿形角α 的选取主要考虑可制造性和模具寿命，一般在70°～90°之间选取，主流是80°和90°。其中齿高h 和错齿距s0/齿距s 的比值对换热性能影响最大，需要重点关注。

由于客户对冷却液侧流阻要求较高，故选择齿高为3mm的锯齿翅片，以减小流阻，选取翅片参数如表1 所示。

表1 翅片参数表

3 实验研究

设计制作了水冷式冷凝器样件，进行换热性能测试，制冷剂为R134a，冷却液为50%乙二醇水溶液。指定制冷剂进气压力1.62MPaG，入口过热度25℃，出口过冷度5℃，冷却液入口温度50℃，通过调整压缩机转速和膨胀阀的开度，获得不同冷却液流量下的换热性能，实验结果见图4～6。

图4 换热量随冷却液流量的变化情况

从图4 可以看出，冷却液流量对换热量的影响较大，随着冷却液流量增加，换热量逐步增加，换热量与冷却液流量比值的0.58 次方成正比。

从图5 可以看出，随着冷却液流量增加，冷却液流阻逐步增加，冷却液流阻与冷却液流量比值的1.97 次方成正比。

图5 冷却液流阻随冷却液流量的变化情况

从图6 可以看出，随着制冷剂流量增加，制冷剂流阻逐步增加，制冷剂流阻与制冷剂流量比值的2.05 次方成正比。

图6 制冷剂流阻随制冷剂流量的变化情况

调整工况，分析不同温差下水冷式冷凝器的换热性能，所述温差是指制冷剂冷凝温度与冷却液入口温度之差。指定制冷剂入口过热度为25℃，出口过冷度为5℃，冷却液流量为10L/min，其余工况的选取见表2。

表2 测试工况表

从图7 可以看出，在相同的冷却液流量下，制冷剂冷凝温度与冷却液入口温度之差越大，换热量越大，并且当制冷剂冷凝温度与冷却液入口温度之差相同时，换热量比较接近。

图7 换热量随温差的变化情况

同一工况下，试样有6 种不同摆放，如图8 所示，分析不同的样件摆放方式对水冷冷凝器换热量、冷却液流阻的影响。

图8 水冷式冷凝器的六种摆放方式

从图9 可以看出，摆放方式一、二、三的换热量较高，换热量最低的为摆放方式五，换热量只有摆放方式三的79%。对于本水冷式冷凝器，不同的摆放方式对换热量的影响较大，合理的摆放有利于获得最佳性能。这主要是制冷剂在流道内分配不均匀造成的，可通过增加流程数来改善，虽然会增加流阻，但是考虑冷凝器一般可以接受较高的制冷剂流阻，所以制冷剂侧推荐采用多流程设计。至于冷却液侧，由于多流程设计对大大增加冷却液流阻，一般采用单流程设计。

图9 不同摆放方式换热量的变化情况

从图10 可以看出，对于本水冷式冷凝器，不同的摆放方式对冷却液流阻的影响很小，最大偏差只有2%。

图10 不同摆放方式冷却液流阻的变化情况

4 结论

综上所述，本文对使用内翅片式结构的电动汽车空调水冷式冷凝器进行了介绍，并对其传热特性进行了实验研究，得到了以下结论：

4.1 冷却液流量对换热量的影响较大，随着冷却液流量增加，换热量逐步增加，换热量与冷却液流量比值的0.58次方成正比。

4.2 随着冷却液流量增加，冷却液流阻逐步增加，冷却液流阻与冷却液流量比值的1.97 次方成正比。

4.3 随着制冷剂流量增加，制冷剂流阻逐步增加，制冷剂流阻与制冷剂流量比值的2.05 次方成正比。

4.4 在相同的冷却液流量下，制冷剂冷凝温度与冷却液入口温度之差越大，换热量越大，并且当制冷剂冷凝温度与冷却液入口温度之差相同时，换热量比较接近。

4.5 不同的摆放方式对换热量的影响较大，合理的摆放有利于获得最佳性能；但是对冷却液流阻的影响很小。