106日用电器/Electrical Appliances
薛 震 周 鑫
（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）
摘要：微通道换热器具有较强的换热性能，较小的体积等诸多优势，在传统工业制冷、 汽车空调、 家用空调行业应用前景良好，受到越来越多的重视。针对换热器的使用越来越广泛，本次基于纯电动汽车用全铝微通道平行流换热器设计结构进行研究。研究表明：对微通道换热器结构参数进行优化设计，可有效提高换热器性能。并用试验结果验证了微通道换热器在纯电动汽车空调使用的工况下，系统整体性能大幅提升，保证空调系统高效可靠运行。 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ ｈａｖｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｔｒｏｎｇ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ， ｓｍａｌｌ ｖｏｌｕｍｅ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ． Ｔｈｅｙ ｈａｖｅ ｇｏｏｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｉｎ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｅｆ
ｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ， ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒｓ ａｎｄ ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒｓ ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ， ａｎｄ ａｒｅ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｉｓ， ｗｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ａｌｌ－ａｌｕｍｉｎｕｍ ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ ｐａｒａｌｌｅｌ ｆｌｏｗ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ ｆｏｒ ｐｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ， ａｎｄ ｉｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒ－ｍａｎｃｅ ｏｆ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ． Ｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ，ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｌｓｏ ｖｅｒｉｆｉｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｐｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ ｗｉｔｈ ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｉｓ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｒｅ－ｌｉａｂｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ； ｆｌａｔ ｔｕｂｅ； ｆｉｎｓ； ｆｌｏｗ ｐａｔｈ； ｄｅｓｉｇｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ Ａｌｌ－Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ
引言
所谓微通道换热器，其较为通行、直观的定义为水力直径小于 １ ｍｍ 的换热器。纯电动汽车空调系统换热器使用的是以扁管为基本管型的平行流式换热器。如图１所示结构，一般采用整体焊接方式，由扁管、翅片及集流管组件（含隔片和端盖）和进出管组成，其基材为防锈铝合金。
微通道换热器应用于制冷空调领域存在着明显的优势，主要表现在以下几方面：
１）节能。节能是空调器的一项重要指标。相比较常规换热器，微通道换热器可以制造出高等级如Ｉ
级能效标准的产品。
２）成本。与常规换热器不同，微通道换热器不依靠增加材料消耗提高换热效率，在达到一定生产规模时将具有成本优势。
图1 平行流微通道换热器
３）推广潜力。微通道换热器技术在空调制造领域还有向大型商用空调系统推广的潜力，可以极大提升产品的竞争力和企业的可持续发展能力。
１ 汽车空调用微通道换热器设计
１．１微通道换热器在车体使用优点
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微通道换热器以其高效的传热性能、较强的抗腐蚀性、紧凑的结构及价格上的优势正逐步应用于制冷空调领域。随着扁管型材开发、翅片制作工艺、钎焊技术等的发展，微通道换热器在热泵关键技术问题的解决。平行流换热器相比传统换热器具有体积小，单位换热量大，使得微通道换热器广泛应用于汽车空调系统。
微通道强化传热技术应用于汽车空调换热器，适当改变换热器结构、工艺及空气侧换热形式可增强提高空调换热器的换热效率２０ ％￣３０ ％，提高其节能水平。
１．２微通道换热器尺寸
微通道换热器的尺寸直接影响整个空调系统的性能、效率、成本等，同时，热泵系统设计时要综合考虑换热器在制热时用作蒸发器的情况，因此需充分考虑影响换热器性能的关键因素，换热器尺寸为因素之一。
汽车空间限制，在系统需求较大的换热量情况下，需强化空气侧和制冷剂侧换热系数；增大换热面积；增加空气侧和制冷侧的平均温差；对换热器扁管的流程布置进行优化，可以增加空气侧和制冷剂侧的平均温差，有效提高换热器的性能。
本纯电动汽车空调系统换热器尺寸大小６７０ ｍｍ×４３３ ｍｍ×３２ ｍｍ（长×宽×厚），满足系统换热量等要求以及匹配纯电动车型车体安装空间，且减震安装符合车体环境。
１．３微通道换热器扁管
目前换热器扁管主要有挤压管和折叠管。本纯电动汽车空调系统换热器采用的扁管为铝合金挤压多孔扁管，整体外观呈扁平状、在其横截面上阵列排布多个任意形状和尺寸流动通道的换热管道，表面要求喷锌处理。结构示意如图２所示。
扁管材质主要有ＡＡ１１００、ＡＡ１０５０、ＡＡ３１０２，根据焊接以及强度要求选择材料性能满足的扁管。扁管规格常用的有１６×１．３（１６孔）、１６×１．８（１６孔）、２０×２（１２孔）、２０×２（２０孔）、２５×１．３（２６孔）、２５×２（１８孔）。根据系统压降要求与系统性能要求，采用仿真软件结合实验验证选择最优尺寸的扁管。本纯电动汽车空调系统换热器采用ＡＡ３１０２材质，２０×２（２０孔）扁管。
钎焊前扁管爆破压力可达２０ Ｍｐａ以上，焊接后产品爆破压力可达１４ ＭＰａ以上。图３为产品爆破后图示，爆破压力为１７．９ ＭＰａ，且扁管处未出现破裂，满足汽车空调Ｒ４１０Ａ系统爆破压力大于１４ ＭＰａ要求。
扁管的宽度及其内部开孔的型式和数目，对换热性能和制冷剂充注量影响较大。相同规格的扁管，扁管孔径较小的微通道换热器的换热系数较大且制冷剂充注量较小， 但其制冷剂侧的压降会随着孔径的减小而增加。故需根据系统要求选用不同规格的扁管，针对不同的需求，对扁管的结构进行最优化设计。
内病外治综合考虑换热量，功率等系统性能要求以及扁管的加工工艺，微通道换热器扁管孔宽在０．３￣０．１ ｍｍ之间较为合适。
１．４微通道换热器集流管
屋顶融雪装置集流管优化设计可使得微通道换热器同时可作冷凝器和
图3 产品爆破图
W1-扁管总宽，W2-扁管孔宽，W3-间壁厚，H1-扁管总高，H2-孔高合成绝缘子
图2 扁管截面
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蒸发器，作蒸发器时，制冷剂分配较为均匀，改善其换热性能。集流管材质一般为ＡＡ３００３、ＡＡ３００５，外表面包覆ＡＡ４３４３、ＡＡ４０４５焊剂。常用集流管形状有圆形，方形，Ｄ形等，本纯电动汽车空调系统换热器采用圆形集流管。常用圆形集流管尺寸φ２０ ｍｍ×１．２ ｍｍ， φ２０ ｍｍ×１．５ ｍｍ，φ２０ ｍｍ×２．０５ ｍｍ，φ２５ ｍｍ× １．８ ｍｍ，φ２５ ｍｍ×２ ｍｍ。
依据系统采用的制冷剂的物性，相同温度下对应的饱和蒸气压、相变潜热、单位容积制冷量、液体和气体密度、比热容、导热系数、动力粘度等参数，对换热器集流管规格以及流路数和流程长度的优化设计。
系统需安全可靠的运行，集流管需满足耐压要求，集流管的爆破压力和管外径、壁厚以及材料的力学性能有关。材料的抗拉强度等力学性能相同时，爆破压力随壁厚与外径的比值的增加而提高。根据耐压高低，结合这一定性趋势可以直接决定集流管尺寸设计。
以Ｒ４１０Ａ和Ｒ２２两种制冷剂比较，相同饱和温度下Ｒ４１０Ａ的系统压力约是Ｒ２２的１．６倍，液体动力粘度约是Ｒ２２的７０ ％，因此Ｒ４１０Ａ宜选择耐压较高的换热管，流程长度可以适当增长。
按等体积法计算换热管内径ｄｉ，计算方法见式（１）
所示：
（１）
式中：
ｄｉ—换热管内径（ｍ）；ｄ０—换热管外径（ｍ）；ｍｌ—换热管米克重（ｇ／ｍ）；ρ—换热管材料密度（ｋｇ／ｍ３）。
全铝微通道换热器集流管结构优化设计，选择合适的冲孔宽度和高度，以及孔间距，孔数量以减少产品成本、提高产品质量和合格率，表１为常用优化后参数。
一般的，φ２０ ｍｍ集流管配１６ ｍｍ扁管，φ２５ ｍｍ集流管配２０ ｍｍ扁管。
微通道换热器满足系统流量和使用Ｒ４１０Ａ冷媒的耐
集流管直径/mm
冲孔宽/mm
冲孔高/mm 孔间距/mm
φ2016 1.3±0.059.4φ25
20
2.02±0.05
10.1
表1 集流管基本参数
压要求，本纯电动汽车空调系统换热器集流管尺寸选用φ２５ ｍｍ×１．８ ｍｍ，结构如图４所示。
１．５微通道换热器翅片
翅片参数对换热器影响主要体现以下几点：翅片Ｒｅ雷诺数对换热器流动传热性能的影响；翅片长度对换热器性能的影响；翅片高度对换热器性能的影响；翅片间距对换热器性能的影响。微通道换热器翅片一般分为波纹式翅片和卡槽式翅片。
波纹翅片是通过辊轧机辊成波浪形状，然后放在上下两根扁管之间钎焊。位于扁管之间的位置处是连续的波纹翅片结构，凝露水容易积聚在扁管的上表面和Ｖ字形翅片的根部，空气侧流道被堵塞，造成空气侧风阻增加。作为热泵室外机使用时由于凝露水难以排除，霜层会越积越厚甚至结冰，蒸发压力进一步降低，凝露水结霜更为迅速，换热器及整机性能衰减严重。
本纯电动汽车空调系统换热器针对波纹翅片产生的问题，设计一种卡槽式翅片，用于热泵冷暖型微通道换热器，可以有效解决换热器作为蒸发器使用时出现的凝露水排水问题。卡槽式翅片上设计百叶窗、切起桥或者凸包等强化换热部，增加翅片的换热能力。对翅片结构要素进行优化，改善气流组织，延长流道长度，使通过翅片的。在设置百叶窗时，相邻百叶窗切起方向相同，且在气流方向上相隔规定间距。在气流通过百叶窗时，受百叶窗形状影响，气流呈阶梯状穿插通过相邻翅片，延长有效
换热路径长度，改善换热。
本纯电动汽车空调系统换热器翅片铝箔冲压成型，外观见图１所示，翅片堆叠组成，翅片厚度为
０．１ ｍｍ，
图4 集流管
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换热系数高，空气侧翅片为连续的直齿形结构，有效增大了冷却空气的扰动，提高了对流换热能力，翅片的倾斜角起到了一定的排水防结霜的作用。
１．６微通道换热器流路
制冷剂通过集流管进入扁管微通道中，集流管中有隔片打断，每流程由并联扁管组成，形成换热器流路。
分路数计算方法见式（２）所示：
（２）
式中：
ｎ—分路数；
Ｍ—制冷剂质量流量（ｋｇ／ｓ）；ｄｉ—换热管内径（ｍ）；
Ｇ—换热管内制冷剂质量流速（ｋｇ／ｍ２
・ｓ）。流路长度计算方法见式（３）所示：
（３）
式中：
Ｌ—流程长度（ｍ）；
ＬＴｏｔａｌ—换热器换热管总长度（ｍ）；ｎ—分路数。
微通道换热器流程数严重影响换热性能和制冷剂侧压降，流程数一定时每个流程的并联管数也影响换热性能和制冷剂侧压降。所以对换热器流路优化设计至关重要，一般遵循以下设计原则：
１）流程数的设计不宜导致进出口饱和温降过大，设计控制在１．５ ℃以内；
２）扁管流通截面积较大或扁管长度较短时流程数可以适当增加，反之，则流程数应适当减少；
３）第一流程并联扁管数最多，最后一流程并联扁管数最少，中间流程并联扁管数居中并沿流向可依次减少。
４）根据换热器进出管位置在不在同侧，在同侧需设计为偶数流程，不在同侧则可以选择最优流程数；
５）制冷剂不同，最优流路也不同。
制冷剂不同，相变潜热大的冷媒，相同制冷量下的制冷剂质量流量小，液体动力粘度小时制冷剂流动压降
小，这两者直接导致换热器支路数减少而流程加长。因此不同制冷剂，换热器的流路需重新优化。
热泵空调换热器既作为冷凝器，有作为蒸发器使用，需兼顾制冷制热及高低频运行性能，分路数要折中优化设计。
本纯电动汽车空调系统换热器换热管总长度２４ ｍ，４流程通道的微通道平行流换热器，以“多进少出”为原则，理论计算和仿真软件计算都符合系统要求，实验验证与理论仿真计算结果相匹配。
２换热器结构设计总结
阀门加工
结合软件仿真和理论计算，从换热器尺寸，扁管，集流管，翅片，流路几个方面优化结构，结合实验证实换热器性能有效提升。
能够达到换热器整体重量减少，大幅增加传热性能，减少制冷剂充注，其内容积减少，换热器风阻低减少能耗，有效的解决换热性能与风侧换热效率的难题。全部采用全铝结构，质量轻易成型，防止换热器翅片与铜管之间的电腐，且易回收。结霜问题是微通道换热器用作蒸发器或用于热泵系统面临的一大难题，采用卡槽式翅片可以迅速的排除翅片表面的水，提高换热器性能，保证纯电动汽车空调系统安全稳定的运行。
参考文献：
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薛震（1991.09），本科，主要研究方向：机械结构。
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