孫建逵,錢(qián)銳.汽車(chē)空調(diào)三蒸發(fā)器制冷回路的充注量研究[J].汽車(chē)工程師,2021,(12):31-33+48.

摘要：

為合理的設(shè)計(jì)汽車(chē)3個(gè)蒸發(fā)器制冷回路電磁截止閥布置與儲(chǔ)液罐大小，文章通過(guò)3個(gè)蒸發(fā)器系統(tǒng)制冷劑充注量的實(shí)車(chē)配管臺(tái)架測(cè)試，驗(yàn)證了不同管路截止閥布置位置對(duì)系統(tǒng)充注量的影響，截止閥應(yīng)靠近空調(diào)箱蒸發(fā)器布置。結(jié)果顯示在充注工況下蒸發(fā)器有空氣流動(dòng)換熱工作時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)部制冷劑平均空泡系數(shù)在0.83~0.87，而蒸發(fā)器沒(méi)有空氣流動(dòng)換熱工作且沒(méi)有截止閥截?cái)鄷r(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)部制冷劑平均空泡系數(shù)在0.57左右。

隨著電池技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)混動(dòng)汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展迅速，動(dòng)力電池在工作過(guò)程中會(huì)發(fā)熱，而動(dòng)力電池對(duì)工作溫度的要求又比較苛刻，為保證動(dòng)力電池能夠安全、高效地工作，需要對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行散熱。由于動(dòng)力電池發(fā)熱量的增大，目前很多動(dòng)力電池都采用液體冷卻的方式，將電池的冷卻液通過(guò)接入車(chē)輛空調(diào)制冷系統(tǒng)的電池冷卻器進(jìn)行散熱。而制冷系統(tǒng)的運(yùn)行會(huì)消耗電池的電量，為了提高動(dòng)力電池的續(xù)駛里程，開(kāi)發(fā)性能高效的制冷系統(tǒng)很重要。制冷系統(tǒng)的制冷劑充注量對(duì)制冷性能有直接的影響[1]，文獻(xiàn)[2]分析了充注量與空調(diào)出風(fēng)、制冷量和COP等性能參數(shù)之間的關(guān)系，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)冷凝器出口的過(guò)冷度來(lái)確定制冷系統(tǒng)的充注量[3-6]。對(duì)于大型的SUV和MPV車(chē)型，乘客艙內(nèi)配有2個(gè)蒸發(fā)器，加上電池冷卻器(chiller)，組成三蒸發(fā)器的制冷系統(tǒng)，為節(jié)省能耗，當(dāng)乘客沒(méi)有制冷需求，只有電池冷卻需求時(shí)，在進(jìn)入乘客艙空調(diào)箱蒸發(fā)器的制冷劑管路上需安裝電磁截止閥。文章使用實(shí)車(chē)配管臺(tái)架，分析不同制冷劑截止閥安裝位置對(duì)三蒸發(fā)器系統(tǒng)充注量的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)備與樣件 

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在汽車(chē)空調(diào)實(shí)車(chē)配管臺(tái)架上進(jìn)行，試驗(yàn)室簡(jiǎn)圖如圖1所示，環(huán)境艙可控制艙內(nèi)溫度與濕度，同時(shí)給冷凝器、前空調(diào)箱以及后空調(diào)箱提供可控溫度、濕度和風(fēng)量的風(fēng)源。對(duì)電動(dòng)壓縮和高壓電加熱器等設(shè)備提供最高200~380 V的電源，對(duì)其它空調(diào)系統(tǒng)的低電壓用電器件提供0~16V穩(wěn)壓電源。

1.2 試驗(yàn)樣件

制冷系統(tǒng)的主要零部件由實(shí)車(chē)管路連接，連接前蒸發(fā)器的高壓管路長(zhǎng)度3000mm，連接后蒸發(fā)器的高壓管路長(zhǎng)度5000mm，連接電池冷卻器的高壓管路長(zhǎng)度3800mm，電池冷卻器的冷卻液側(cè)串聯(lián)在高壓電加熱器回路內(nèi)，使用電加熱器模擬電池發(fā)熱，連接好的系統(tǒng)臺(tái)架放入試驗(yàn)環(huán)境艙內(nèi)。在冷凝器、前蒸發(fā)器、后蒸發(fā)器和電池冷卻器的出口管路上安裝測(cè)量制冷劑側(cè)的溫度和壓力傳感器。

冷凝器儲(chǔ)液罐凈容積166mm3，電池冷卻器制冷劑側(cè)內(nèi)部容積58mm3，前蒸發(fā)器內(nèi)部容積647mm3，后蒸發(fā)器內(nèi)部容積478mm3。電池冷卻器使用電子膨脹閥（EXV），前蒸發(fā)器和后蒸發(fā)器都使用熱力膨脹閥（TXV）。

1.3 制冷系統(tǒng)布置

圖2示出第1種制冷系統(tǒng)布置方案，制冷劑經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入帶儲(chǔ)液罐的冷凝器，冷凝器出口首先分成2路，一路流向電池冷卻器，當(dāng)電池?zé)o冷卻需求時(shí)，這路上的EXV關(guān)閉，制冷劑無(wú)法流通。另一路流向空調(diào)箱蒸發(fā)器，在這路上安裝電磁截止閥，當(dāng)乘客艙無(wú)制冷需求時(shí)，電磁截止閥關(guān)閉，制冷劑無(wú)法流通，經(jīng)過(guò)截止閥后，再分成2路，分別進(jìn)入前蒸發(fā)器和后蒸發(fā)器。

圖3是第2種制冷系統(tǒng)布置方案，與第1種布置方案相比，管路走向布置一致，只有電磁截止閥數(shù)量和安裝位置不同，使用2個(gè)電磁截止閥，分別安裝在前空調(diào)TXV和后空調(diào)TXV入口前。

1.4 試驗(yàn)工況

對(duì)制冷系統(tǒng)的3個(gè)工作模式進(jìn)行充注量測(cè)試，分別是只有電池冷卻器工作（工況1、工況2）、3個(gè)蒸發(fā)器同時(shí)換熱工作（工況3、工況4）和只有前蒸發(fā)器換熱工作（工況5、工況6、工況7），測(cè)試工況如表1所示。

試驗(yàn)室艙溫38℃，相對(duì)濕度40%；冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度38℃，相對(duì)濕度40%，空氣流量3800m3/h；當(dāng)前蒸發(fā)器換熱工作時(shí)，進(jìn)風(fēng)溫度38℃，相對(duì)濕度40%，空氣流量450 m3/h；當(dāng)后蒸發(fā)器換熱工作時(shí)，進(jìn)風(fēng)溫度27 ℃，相對(duì)濕度35%，空氣流量270m3/h；電池冷卻器換熱工作時(shí)，水路循環(huán)的電加熱器功率2000W；當(dāng)有空調(diào)箱蒸發(fā)器換熱工作時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速8500r/min，當(dāng)只有電池冷卻器換熱工作時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速2000r/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 截止閥位置對(duì)電池冷卻器回路充注量的影響

工況1只有電池冷卻器換熱工作時(shí)，系統(tǒng)回路中的電磁截止閥關(guān)閉，制冷劑不經(jīng)過(guò)空調(diào)箱蒸發(fā)器。圖4示出工況1的制冷劑充注過(guò)程中的冷凝器出口過(guò)冷度、系統(tǒng)高壓壓力和電池冷卻器出口水溫結(jié)果。工況1的最佳充注量為450~750g，充注量達(dá)到450g之后，電池冷卻器出口水溫維持在20℃左右。

圖5示出工況2充注過(guò)程的冷凝器出口過(guò)冷度、系統(tǒng)高壓壓力和電池冷卻器出口水溫結(jié)果。在最佳充注區(qū)間內(nèi)工況2的系統(tǒng)高壓和電池冷卻器出口水溫與工況1一致，工況2的制冷劑的最佳充注量為700~1 000 g，比工況 1 多了250g。因?yàn)榈?種系統(tǒng)布置方式電磁截止閥靠近蒸發(fā)器的入口，冷凝器出口到截止閥的管路較長(zhǎng)，當(dāng)截止閥關(guān)閉后，這段管路在系統(tǒng)的高壓側(cè)，可以?xún)?chǔ)存液態(tài)的制冷劑。而第1種系統(tǒng)布置方式電磁截止閥離空調(diào)箱蒸發(fā)器遠(yuǎn)，截止閥與蒸發(fā)器之間原本在高壓側(cè)的管路，當(dāng)截止閥關(guān)閉后，這段管路不在系統(tǒng)的高壓側(cè)，不能儲(chǔ)存液態(tài)的制冷劑。所以電磁截止閥離空調(diào)箱蒸發(fā)器入口越近，只有電池冷卻器換熱工作時(shí)的制冷劑充注量越大。

2.2 后蒸發(fā)器對(duì)充注量的影響

空調(diào)箱蒸發(fā)器工作時(shí)電磁截止閥都打開(kāi)，所以3個(gè)蒸發(fā)器同時(shí)工作時(shí)，工況3與工況4的系統(tǒng)回路一樣，制冷劑充注量也一致。圖6示出工況3與工況4的充注過(guò)程的試驗(yàn)結(jié)果，系統(tǒng)的最佳制冷劑充注量區(qū)間為900~1100g，在此充注區(qū)間內(nèi)，冷凝器出口過(guò)冷度在9℃左右，系統(tǒng)高壓壓力維持在1400kPa左右，前空調(diào)出風(fēng)溫度達(dá)到17℃左右。

當(dāng)只有前蒸發(fā)器有空氣流通換熱工作，且后蒸發(fā)器入口前的電磁截止閥打開(kāi)時(shí)，工況5與工況6的系統(tǒng)回路一樣，制冷劑充注量一致。圖7示出工況5與工況6的充注過(guò)程的試驗(yàn)結(jié)果，工況5與工況6系統(tǒng)的最佳充注量區(qū)間為1050~1250g。

工況3與工況4的充注量比工況5與工況6的充注量要少150g，因?yàn)楹笳舭l(fā)器沒(méi)有空氣流動(dòng)換熱工作時(shí)，蒸發(fā)器和周?chē)h(huán)境有少許換熱，仍有少量制冷劑流過(guò)TXV進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)部，此時(shí)后蒸發(fā)器內(nèi)部的制冷劑汽化程度比有空氣流動(dòng)換熱時(shí)低，兩相的制冷劑密度比有空氣流動(dòng)換熱時(shí)大，后蒸發(fā)器內(nèi)部容納的制冷劑質(zhì)量就多。工況7與工況6相比，后蒸發(fā)器沒(méi)有空氣流通換熱工作時(shí)，將后蒸發(fā)器入口前的電磁截止閥關(guān)閉，制冷劑不流過(guò)后蒸發(fā)器，工況7充注過(guò)程中的冷凝器出口過(guò)冷度、系統(tǒng)高壓壓力和空調(diào)出風(fēng)溫度如圖8所示，最佳充注量為800~1000g。

電池冷卻器制冷劑側(cè)內(nèi)部容積較小，所以當(dāng)制冷劑經(jīng)過(guò)電池冷卻器時(shí)，電池冷卻器內(nèi)存儲(chǔ)的制冷劑很少。在充注工況下，根據(jù)不同蒸發(fā)器工作狀態(tài)的制冷劑充注量，計(jì)算出蒸發(fā)器內(nèi)部的制冷劑容量，前蒸發(fā)器有空氣流通進(jìn)行換熱時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)部制冷劑約有100g，制冷劑平均空泡系數(shù)約為0.87；后蒸發(fā)器的換熱負(fù)荷比前蒸發(fā)器小，后蒸發(fā)器有空氣流通進(jìn)行換熱時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)部制冷劑約有100g，制冷劑平均空泡系數(shù)約為0.83；后蒸發(fā)器沒(méi)有空氣流通進(jìn)行換熱，且沒(méi)有截止閥截?cái)嘀评鋭r(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)部制冷劑約有250g，制冷劑平均空泡系數(shù)約為0.57。

2.3 系統(tǒng)制冷劑充注量的選取

工況1只有電池冷卻器工作時(shí)的回路容量較小，充注量區(qū)間只有450~750g，與工況3、工況4三個(gè)蒸發(fā)器同時(shí)工作的充注量區(qū)間900~1100g沒(méi)有交集，系統(tǒng)沒(méi)有合適的充注量兼顧不同的工況。

工況2將截止閥的布置靠近空調(diào)箱蒸發(fā)器，提高了只有電池冷卻器回路工作時(shí)高壓側(cè)管路的容積，其充注量區(qū)間為700~1000g，與工況3、工況4的充注量區(qū)間900~1100g有交集，但與工況5、工況6只有前蒸發(fā)器工作時(shí)的充注量區(qū)間沒(méi)有交集，工況5、工況6的充注量區(qū)間為1050~1250g。工況7只有前蒸發(fā)器換熱工作時(shí)，將后蒸發(fā)器前的截止閥關(guān)閉，其充注量區(qū)間為800~1000 g，與其它工作模式的充注區(qū)間都有交集。

制冷劑最佳充注區(qū)間的容量一般與冷凝器儲(chǔ)液罐的容量接近。當(dāng)系統(tǒng)各工作模式的最佳充注區(qū)間沒(méi)有交集時(shí)，也可通過(guò)增大儲(chǔ)液罐容量來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)回路。文章系統(tǒng)回路布置選擇第2種布置方式，電磁截止閥分別布置在空調(diào)箱蒸發(fā)器前，且靠近蒸發(fā)器，后蒸發(fā)器不工作時(shí)將截止閥關(guān)閉，系統(tǒng)選取950g制冷劑充注量，能夠使系統(tǒng)在各個(gè)工作模式下的工作狀態(tài)發(fā)揮最佳。

3 結(jié)論

一般汽車(chē)空調(diào)三蒸發(fā)器制冷系統(tǒng)中電池冷卻器回路較小，電池冷卻器單獨(dú)工作時(shí)所需的制冷劑的量也- 48少，電磁截止閥的布置需盡量靠近空調(diào)箱蒸發(fā)器，增大電池冷卻器單獨(dú)工作時(shí)高壓側(cè)管路的容積。

在充注工況下，空調(diào)箱蒸發(fā)器有空氣流通換熱工作時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)部制冷劑的平均空泡系數(shù)在0.83~0.87；空調(diào)箱蒸發(fā)器沒(méi)有空氣流通換熱工作且沒(méi)有截止閥截止時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)部制冷劑的平均空泡系數(shù)約0.57。根據(jù)截止閥布置的位置與工作狀態(tài)，估算系統(tǒng)不同工作模式下制冷劑容量的差異，從而可以合理設(shè)計(jì)儲(chǔ)液罐容積。