孫建逵,錢銳.汽車空調三蒸發(fā)器制冷回路的充注量研究[J].汽車工程師,2021,(12):31-33+48.

摘要：

為合理的設計汽車3個蒸發(fā)器制冷回路電磁截止閥布置與儲液罐大小，文章通過3個蒸發(fā)器系統制冷劑充注量的實車配管臺架測試，驗證了不同管路截止閥布置位置對系統充注量的影響，截止閥應靠近空調箱蒸發(fā)器布置。結果顯示在充注工況下蒸發(fā)器有空氣流動換熱工作時，蒸發(fā)器內部制冷劑平均空泡系數在0.83~0.87，而蒸發(fā)器沒有空氣流動換熱工作且沒有截止閥截斷時，蒸發(fā)器內部制冷劑平均空泡系數在0.57左右。

隨著電池技術的發(fā)展，近年來混動汽車和純電動汽車發(fā)展迅速，動力電池在工作過程中會發(fā)熱，而動力電池對工作溫度的要求又比較苛刻，為保證動力電池能夠安全、高效地工作，需要對動力電池進行散熱。由于動力電池發(fā)熱量的增大，目前很多動力電池都采用液體冷卻的方式，將電池的冷卻液通過接入車輛空調制冷系統的電池冷卻器進行散熱。而制冷系統的運行會消耗電池的電量，為了提高動力電池的續(xù)駛里程，開發(fā)性能高效的制冷系統很重要。制冷系統的制冷劑充注量對制冷性能有直接的影響[1]，文獻[2]分析了充注量與空調出風、制冷量和COP等性能參數之間的關系，國內外學者通過冷凝器出口的過冷度來確定制冷系統的充注量[3-6]。對于大型的SUV和MPV車型，乘客艙內配有2個蒸發(fā)器，加上電池冷卻器(chiller)，組成三蒸發(fā)器的制冷系統，為節(jié)省能耗，當乘客沒有制冷需求，只有電池冷卻需求時，在進入乘客艙空調箱蒸發(fā)器的制冷劑管路上需安裝電磁截止閥。文章使用實車配管臺架，分析不同制冷劑截止閥安裝位置對三蒸發(fā)器系統充注量的影響。

1 試驗設備與樣件 

1.1 試驗設備

試驗在汽車空調實車配管臺架上進行，試驗室簡圖如圖1所示，環(huán)境艙可控制艙內溫度與濕度，同時給冷凝器、前空調箱以及后空調箱提供可控溫度、濕度和風量的風源。對電動壓縮和高壓電加熱器等設備提供最高200~380 V的電源，對其它空調系統的低電壓用電器件提供0~16V穩(wěn)壓電源。

1.2 試驗樣件

制冷系統的主要零部件由實車管路連接，連接前蒸發(fā)器的高壓管路長度3000mm，連接后蒸發(fā)器的高壓管路長度5000mm，連接電池冷卻器的高壓管路長度3800mm，電池冷卻器的冷卻液側串聯在高壓電加熱器回路內，使用電加熱器模擬電池發(fā)熱，連接好的系統臺架放入試驗環(huán)境艙內。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量制冷劑側的溫度和壓力傳感器。

冷凝器儲液罐凈容積166mm3，電池冷卻器制冷劑側內部容積58mm3，前蒸發(fā)器內部容積647mm3，后蒸發(fā)器內部容積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 制冷系統布置

圖2示出第1種制冷系統布置方案，制冷劑經過壓縮機壓縮后進入帶儲液罐的冷凝器，冷凝器出口首先分成2路，一路流向電池冷卻器，當電池無冷卻需求時，這路上的EXV關閉，制冷劑無法流通。另一路流向空調箱蒸發(fā)器，在這路上安裝電磁截止閥，當乘客艙無制冷需求時，電磁截止閥關閉，制冷劑無法流通，經過截止閥后，再分成2路，分別進入前蒸發(fā)器和后蒸發(fā)器。

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

1.4 試驗工況

對制冷系統的3個工作模式進行充注量測試，分別是只有電池冷卻器工作（工況1、工況2）、3個蒸發(fā)器同時換熱工作（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），測試工況如表1所示。

試驗室艙溫38℃，相對濕度40%；冷凝器進風溫度38℃，相對濕度40%，空氣流量3800m3/h；當前蒸發(fā)器換熱工作時，進風溫度38℃，相對濕度40%，空氣流量450 m3/h；當后蒸發(fā)器換熱工作時，進風溫度27 ℃，相對濕度35%，空氣流量270m3/h；電池冷卻器換熱工作時，水路循環(huán)的電加熱器功率2000W；當有空調箱蒸發(fā)器換熱工作時，壓縮機轉速8500r/min，當只有電池冷卻器換熱工作時，壓縮機轉速2000r/min。

2 試驗結果與分析

2.1 截止閥位置對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，系統回路中的電磁截止閥關閉，制冷劑不經過空調箱蒸發(fā)器。圖4示出工況1的制冷劑充注過程中的冷凝器出口過冷度、系統高壓壓力和電池冷卻器出口水溫結果。工況1的最佳充注量為450~750g，充注量達到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充注過程的冷凝器出口過冷度、系統高壓壓力和電池冷卻器出口水溫結果。在最佳充注區(qū)間內工況2的系統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。因為第2種系統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，當截止閥關閉后，這段管路在系統的高壓側，可以儲存液態(tài)的制冷劑。而第1種系統布置方式電磁截止閥離空調箱蒸發(fā)器遠，截止閥與蒸發(fā)器之間原本在高壓側的管路，當截止閥關閉后，這段管路不在系統的高壓側，不能儲存液態(tài)的制冷劑。所以電磁截止閥離空調箱蒸發(fā)器入口越近，只有電池冷卻器換熱工作時的制冷劑充注量越大。

2.2 后蒸發(fā)器對充注量的影響

空調箱蒸發(fā)器工作時電磁截止閥都打開，所以3個蒸發(fā)器同時工作時，工況3與工況4的系統回路一樣，制冷劑充注量也一致。圖6示出工況3與工況4的充注過程的試驗結果，系統的最佳制冷劑充注量區(qū)間為900~1100g，在此充注區(qū)間內，冷凝器出口過冷度在9℃左右，系統高壓壓力維持在1400kPa左右，前空調出風溫度達到17℃左右。

當只有前蒸發(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時，工況5與工況6的系統回路一樣，制冷劑充注量一致。圖7示出工況5與工況6的充注過程的試驗結果，工況5與工況6系統的最佳充注量區(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，因為后蒸發(fā)器沒有空氣流動換熱工作時，蒸發(fā)器和周圍環(huán)境有少許換熱，仍有少量制冷劑流過TXV進入蒸發(fā)器內部，此時后蒸發(fā)器內部的制冷劑汽化程度比有空氣流動換熱時低，兩相的制冷劑密度比有空氣流動換熱時大，后蒸發(fā)器內部容納的制冷劑質量就多。工況7與工況6相比，后蒸發(fā)器沒有空氣流通換熱工作時，將后蒸發(fā)器入口前的電磁截止閥關閉，制冷劑不流過后蒸發(fā)器，工況7充注過程中的冷凝器出口過冷度、系統高壓壓力和空調出風溫度如圖8所示，最佳充注量為800~1000g。

電池冷卻器制冷劑側內部容積較小，所以當制冷劑經過電池冷卻器時，電池冷卻器內存儲的制冷劑很少。在充注工況下，根據不同蒸發(fā)器工作狀態(tài)的制冷劑充注量，計算出蒸發(fā)器內部的制冷劑容量，前蒸發(fā)器有空氣流通進行換熱時，蒸發(fā)器內部制冷劑約有100g，制冷劑平均空泡系數約為0.87；后蒸發(fā)器的換熱負荷比前蒸發(fā)器小，后蒸發(fā)器有空氣流通進行換熱時，蒸發(fā)器內部制冷劑約有100g，制冷劑平均空泡系數約為0.83；后蒸發(fā)器沒有空氣流通進行換熱，且沒有截止閥截斷制冷劑時，蒸發(fā)器內部制冷劑約有250g，制冷劑平均空泡系數約為0.57。

2.3 系統制冷劑充注量的選取

工況1只有電池冷卻器工作時的回路容量較小，充注量區(qū)間只有450~750g，與工況3、工況4三個蒸發(fā)器同時工作的充注量區(qū)間900~1100g沒有交集，系統沒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箱蒸發(fā)器，提高了只有電池冷卻器回路工作時高壓側管路的容積，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)器工作時的充注量區(qū)間沒有交集，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，將后蒸發(fā)器前的截止閥關閉，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液罐的容量接近。當系統各工作模式的最佳充注區(qū)間沒有交集時，也可通過增大儲液罐容量來優(yōu)化系統回路。文章系統回路布置選擇第2種布置方式，電磁截止閥分別布置在空調箱蒸發(fā)器前，且靠近蒸發(fā)器，后蒸發(fā)器不工作時將截止閥關閉，系統選取950g制冷劑充注量，能夠使系統在各個工作模式下的工作狀態(tài)發(fā)揮最佳。

3 結論

一般汽車空調三蒸發(fā)器制冷系統中電池冷卻器回路較小，電池冷卻器單獨工作時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箱蒸發(fā)器，增大電池冷卻器單獨工作時高壓側管路的容積。

在充注工況下，空調箱蒸發(fā)器有空氣流通換熱工作時，蒸發(fā)器內部制冷劑的平均空泡系數在0.83~0.87；空調箱蒸發(fā)器沒有空氣流通換熱工作且沒有截止閥截止時，蒸發(fā)器內部制冷劑的平均空泡系數約0.57。根據截止閥布置的位置與工作狀態(tài)，估算系統不同工作模式下制冷劑容量的差異，從而可以合理設計儲液罐容積。