基于试验探究热力膨胀阀与同轴管对空调系统制冷效果的影响

汽车空调系统 （Heating ventilating air condition） 主要是为车内提供制冷、制热、通风等功能，其构成包含压缩机、空调管路、冷凝器、空调箱、空调风道等组件。膨胀阀 （安装在空调箱内）、空调管路 （制冷剂运输媒介） 是影响汽车空调制冷性能的两个最大因素，体现在膨胀阀限制流过蒸发器的制冷剂流量，空调管路运输制冷剂到各个空调部件，以此达到制冷剂通过管路进入蒸发器与空气换热给乘员舱带来冷量的目的，降低了乘员舱内温度，两者相互协同作用促使空调系统在乘员舱内快速降温。

关键词：膨胀阀 TXV；同轴管 IHX；空调制冷

作者：蒙杨超，罗 颖，俞晓勇

上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州

01、膨胀阀TXV

膨胀阀安装于空调箱内，拥有调控流量降低压力、维持定量过热度、预防液冲击和极端过热等功能。膨胀阀作为制冷循环的四大部件之一，是空调系统制冷的一个节流部件，一般位于空调管与蒸发器芯体之间，中温高压的液状冷媒经过膨胀阀节流变为低温低压的液蒸汽，在蒸发器内吸取空气热能以获得制冷降温的效能，其结构由阀体、感温包、阀杆组件三大部分组成（如图1所示），膨胀阀具有如下功能[1]。

（1）节流作用：中温高压的液状冷媒穿过膨胀阀的节流孔限流后，变为低温低压的雾态液状，为冷媒吸热蒸发创建条件。

（2）控制制冷剂的流量：若进到蒸发器的液状冷媒过多，在蒸发器出口处就会有未完全挥发的冷媒吸入到压缩机，形成液冲击，损坏压缩机；若流量过小，经过蒸发器的冷媒换热不充分，会降低整车的制冷能力。

膨胀阀工作原理

汽车经常用到是“H”形热力膨胀阀，其4个接口与蒸发器进出口、空调管路高低压管相接，感温包直接位于蒸发器出口的冷媒流量中，膨胀阀其开度大小决定冷媒流量的大小，阀球开度是由阀芯推杆和感温包协同掌控的，感温包内的制冷剂经过流过出口管处的制冷剂温度而形成压力变动，即感温包压力P1，弹簧对阀芯的作用力P2，高压端管路内冷媒流过的压力P3，3个力的平衡关系如下所示：P1=P2+P3，当这3个力均衡时，节流阀位置恒定，冷媒流量也保持平衡，制冷效果保持不变[2]。

实际工作时，由于膨胀阀常温下处于常开状态（P1＞P2＋P3），当冷媒供液不足时，冷媒压力P3下降，感温包感受到低压端制冷剂温度渐渐升高，感温包内充注物压力P1变大，引起蒸发器出口处温度升高（过热度上升），感温包内压力P1大于冷媒压力P3与弹簧力P2之和（P1＞P3+P2），会引起阀芯离开阀座，开大流通阀孔，直到P1=P3+P2为止，反之，冷媒流量过大，冷媒压力P3上升或者感温包压力P1下降，即P1＜P3+P2，减少阀开口大小，直到3种压力平衡为止。

四象限图

四象限图是检测膨胀阀单体性能的基础，图内能看出所测膨胀阀的温度包充注特性、阀芯圆钢球压力位移特性、阀芯开度流量特性及温度流量特性等[3]。空调系统系统的每个部件都有对应的交换焓值，焓值可以转换成换热量；通过蒸发器换热量、管路低压值、低压过热度可确定蒸发器里面所需的制冷剂流量（流量与焓值有一定的对应关系），在通过流量与管路高 压值确定膨胀阀四象限图，然后选择对应冷吨的膨胀阀。四象限图对于膨胀阀的标定选型有至关重要的作用，匹配不好会降低整车空调系统的制冷性能。基于某车型1.5 t （冷吨） 钢球大小的膨胀阀四象限图如图2 所示。

（1）第一象限为感温包内冷媒特性图，以较常使用的R134a冷媒饱和曲线为基准线，实测流过膨胀阀出口的制冷剂压力与制冷剂温度的曲线，当曲线斜率越接近参考线，其调节越灵敏，当制冷剂温度达到35℃（已算上过热度）时，感温包压力P1达到极限值0.62MPa，阀门打开。

（2）第二象限为膜片与弹簧的性能图，先保证感温包温度处于0℃，P1恒定不变，然后增加制冷剂流量，压力P3升高，根据三者关系，P2值逐渐减小，阀门逐渐打开，反之，阀门关闭，此曲线越平滑则膨胀阀弹簧与膜片的性能越优。

（3）第三象限是最为重要的一个象限，体现了阀口开度（冷吨）-制冷剂流量特性，在膨胀阀开度相同的情况下，钢球及阀口大小直接影响系统冷媒的流量，当系统流量一定时，选择合适的阀口对发挥系统最大制冷系统有很大帮助，流量越大，选取的阀口大小越大。

（4）第四象限为温度-流量特性曲线，当出口温度升高，过热度逐渐增大，流量随着阀口越来越大，即蒸发器带走的热能越多，制冷效果越好，但是如果过热度过大，容易结霜，选择合适的过热度也是影响系统制冷的因素之一。

以上四象限图体现了膨胀阀在不同冷媒温度、流量下打开的开度不同，只有结合系统的流量大小，选择合适的阀口大小，才能发挥空调系统的最大制冷性能。基于上文的四象限图，分析不同阀口开度对制冷效果的影响。从阀口开度测试结果（见表1）得出，压缩机转速恒定，冷媒流量一定，膨胀阀阀口越小，节流效果越好，高压越低（过冷度越低），蒸发器制冷效果越好，因此对于这个车型，选用较小阀口的膨胀阀能发挥制冷最大性能。

02、空调管路

汽车空调管路在空调系统中对制冷效果的充当着运输的作用，管路连接着汽车空调系统内各大零部件，管内如果发生泄漏，直接促成整个空调系统制冷失衡。汽车空调管路通常由铝管、胶管和其他管路附件（加注口、固定铁支架、压力反馈单元、压板、“O”形圈等）构成。铝制护套是铝管同胶管对接的关键，护套的紧固通过扣压完成。

空调管路根据对接的部件可分为压缩机吸气管、压缩机排气管、蒸发器进出口管等，它们之间的连接关系如图3所示。

空调铝管

铝材质是管路高低压管的重要组成成分，铝管具有重量轻、耐腐蚀性好、导热性好、易于加工等优点，一般高压铝管直径可为12mm、10mm、9mm等规格，例如蒸发器进出口管高压管径为10mm；低压铝管直径可为16mm、19mm等规格，例如压缩机吸气管管径为16mm。铝管作为制冷剂的主要运输通道，为了避免制造缺陷，设计时尽量减少折弯数量，且折弯角度不得小于90°，同时增大管径有利于传递更多制冷剂到各个部件。

空调胶管

汽车空调胶管根据标准QC/T745—2006选用C型（五层结构，较D型增加一层内胶层）或者D型（四层胶管，结构如图4所示），考虑成本问题一般采用D型胶管，胶管主要用于缓冲和减震，具有耐150°高温、拉伸强度好等性能，长度建议取350～400mm以满足性能要求。

D型胶管结构及材料：第一层为尼龙层，材料为PA；第二层为内胶层，材料为IIR（丁基）或EPDM（三元乙丙胶）；第三层为编织层，材料为PET（聚酯线）；第四层为外胶层，材料为EPDM（三元乙丙胶）。

制冷剂吸放热的物理性能变化快慢是空调制冷效果好坏的具体体现，在不同连接段的管路内其物理状态不相同。首先压缩机高转速挤压冷媒变成高温高压的气态经过压缩机排气管输送到冷凝器中进行散热同时转变成高压液态的冷媒。接着液态冷媒通过蒸发器进出口管的高压管路输送并由膨胀阀节流后变成低压液态接着进入空调箱蒸发器内进行冷热能量交换，这时是制冷剂由低压液态吸热变成低压气态的过程，此过程是空调对乘员舱内空气制冷的关键所在，吸收完热量后的制冷剂再次通过蒸发器进出口管低压管回到压缩机内进行循环并再次压缩，制冷剂反复吸放热量为制冷的全过程（如图5所示）。

同轴管

本文主要讨论在空调箱蒸发器与压缩机之间通过改变制冷管路结构设计降低过冷度，提高制冷剂焓值，降低压缩机耗能，进而降低油耗；同轴管是目前较理想的方案之一，同轴管是将高低压管路合并在一体，即将低压管套在高压管内部（如图6、图7所示），高压管包住低压管，两根管子里流通的制冷剂温度不一样，且流通方向相反，通过同轴管进行热交换，将高温液态的制冷剂进行冷却，降低过冷度，同时升高低压管内制冷剂的温度，提高过热度，减少压缩机的功耗。使用同轴管的空调系统有如下优点：①提高空调制冷效果，降低出风口温度。②增加压缩机吸气温度，从而降低压缩功率（或可选用排量较小的压缩机），达到节能降油耗的功效。③缩小管路布置空间（可不改变其他零部件装配尺寸即可完成普通管路变更为同轴管），让出更多空间给周边零件布置。

蒸发器进出口管高压管内压力高低代表了冷凝器的散热能力，越低过冷度越低，而低压管内压力高低代表了蒸发器的换热能力，冷媒压力越低，制冷效果越好。接下来基于某车型的同轴管（如图8所示）与常规分离式高低压管进行制冷、油耗试验，分析同轴管与常规分离式高低压管路性能差异，验证同轴管对制冷效果的贡献。

测试同轴管换热量，为整车试验作基础，试验结果见表2。整车试验条件见表3。试验结果如图9、图10、图11所示。

从结果可以看出，同轴管的高压端较原管路高压较低（降低了过冷度），有效地增强蒸发器吸热性能，达到更好的降温制冷效果，从图中看出空调出风口温度较原管路温度低；再者低压端较原管路较高（增加过热度），此目的用于增加压缩机吸气温度，降低压缩机压缩功率，进而降低整车油耗。试验结果体现了装有同轴管的汽车在高速时的油耗低于原管路，说明同轴管能降低压缩机功率且提供了选用排量更小压缩机的可能性，带来更省油的效果。

03、结论

（1）空调同轴管较常用的高低压分离管降低了蒸发器进口的过冷度，实现空调出风口温度下降，提升了空调快速制冷能力。

（2）空调同轴管增加了低压管的过热度，提高了压缩机吸气温度，压缩机功率减小，进而降低发动机油耗，或可另选用更小排量的压缩机，实现节能减排的作用。

（3）膨胀阀的选型对于空调系统最大制冷性能的发挥起着关键的作用，基于蒸发器换热量、管路低压值、低压过热度、蒸发器流量等因素标定好的膨胀阀四象限图有利于验证所选用的膨胀阀是否满足要求，对研究空调系统的制冷性能有一定借鉴意义。

【参考文献】

［1］ 邱水泉．轻型客车空调不制冷的故障原因及对策［J］．企业技术开发，2017（3）．

［2］ 刘海明．浅析汽车空调制冷系统结构及原理［J］．汽车实用技术，2016（9）．

［3］ 牛万莹．汽车空调热力膨胀阀的标定及验证方法［J］．华东科技，2018（5）．

文章来源：企业科技创新 2020 年第 1期（总第 459 期）