国内小型乘用车空调冷凝器技术调研报告
来源丨盖世汽车网
特注：此调查研究由格朗吉斯铝业（上海）有限公司产品应用中心与上海交通大学中关村研究院共同完成，授权盖世汽车发布
【前言】
格朗吉斯铝业作为一家专业从事车用换热器铝材加工的生产商，对下游应用端的系统及产品技术发展的热点始终保持着一定的关注。另一方面，由于服务于众多国内外一流的汽车热管理系统供应商，得以管中窥豹，从客户对材料的特殊需求了解到一些车用换热器行业的发展方向，例如轻量化，更苛刻的可靠性要求。当然，受制于专业限制，很多来自推测的理解可能差之毫厘，谬以千里。为此，公司设立专项基金，对车用换热器进行技术调研，2014年我们发布了发动机散热器的调研报告，本次分享的是我们去年开展的空调冷凝器的调研工作。
如前述散热器调研报告中提到的，本文所做工作无论从样本规模还是数据的信息量都仅仅是沧海一粟，特别是本文独家完成单位为一家原材料企业，搜集冷凝器样品和测试工作遇到诸多困难。因此部分表述如有不当，欢迎批评指正。
【摘要】
本报告主体包含3个部分，第一部分介绍了车用冷凝器的样本确定原则；第二部分具体介绍本文选取的冷凝器产品在设计上的特点及性能结果；第三部分对当前冷凝器的主要原材料方案进行了总结。
需要说明的是，本文不可避免的通过台架试验对各冷凝器的性能进行了罗列和对比，但这并不反映冷凝器本身的优劣。因为冷凝器作为空调制冷系统的重要组成部分，其匹配性能需要放在各自的系统中进行评价，同时受安装尺寸及整车运行参数的影响（例如风扇，控制逻辑，发舱内流道等），实际性能应以整车实验为准。换言之，每一款汽车，每一套空调系统都会有一个最合适的，即匹配最好的冷凝器方案。
【调研样本的确定】
本调研选取样件基于如下限定:
对应车型的国内销量为2014年前100名，我们认为这些样件可以代表行业的主流;
对应车型均为A级轿车，一般而言具备相似的空调负荷和系统配置，冷凝器的迎风面尺寸也比较接近;
所对应车型均生产并销售于 2013~2014年，保证是同一技术水平时期产品的比较。
在明确上述原则后，我们又考虑到不同车企的技术水平差异，希望我们的调研能尽量覆盖自主品牌，欧美系、韩日系的车型产品。
最终，我们在市场上搜集了11套冷凝器样品，具体见下表：
【车用冷凝器设计及基于台架试验的性能评价】
车用冷凝器设计变迁及趋势展望
车用冷凝器大体经历了管片式、管带式到平行流的设计变迁（图1），伴随着更精细的部件设计和材料技术，近年来冷凝器的技术进步主要体现在小型化和轻量化。此外，
挤压扁管近年来不断追求更小的孔径。而由轧制材制造的折叠扁管则由于具备成本优势在90年代末期开始逐渐被引入市场；
平行流冷凝器的设计优化-主要是翅片的优化，与水箱一体、前端模块化是未来冷凝器开发的主要方向；
液冷式冷凝器开始出现应用，尤其适合缩减前端布置空间和二次回路系统（液冷式空调系统）。
图1：汽车空调冷凝器产品进化史
图2 液冷式冷凝器一般采用板式换热器结构
冷凝器样品的测量及主要测量结果展示
本文对搜集的冷凝器参数进行宏观测量和微观测量，得到样品的大部分设计参数，其中宏观测量7项，包括散热器芯体的长、宽、厚度、总成的毛重量，集液管的外径、内径，以及制冷剂侧流程布置。微观测量20项，包括：扁管和翅片的具体形状参数。微观测量是利用光学显微镜对小尺寸部件进行一般精度测量的方法，需要经历切割、制（磨）样、观察、测量四个阶段，其中切割和制样阶段尤为关键，直接影响最终的测量精度。本文采取多次制样多次测量的方式控制误差。
图3：翅片百叶窗的微观测量界面
表一：测量结果展示（部分）
图4 部分参数统计结果
（左上到右上依次为扁管高度、扁管宽度、扁管孔数；左下到右下依次为翅片高度、开窗数量、开窗角度）
基于此可以认为，目前汽车行业的冷凝器主流设计是芯厚16mm, 扁管高2mm/1.8mm, 扁管孔数10，翅片高度7.8mm，开窗数10，开窗角度27度，存在一定的设计趋同性;
冷凝器样品的测试
本调研对冷凝器的测试项目包括传热性能试验、压力交变试验、耐冷/热试验、外腐蚀加速试验。除外腐蚀试验外，其它测试均在上海交大-中关村研究院完成。各项试验的测试条件见下表：
其中耐冷/热试验所有样品都未发生失效，本文不再展开。
基于台架试验的冷凝器性能评价
A.传热性能试验
本文除了对冷凝器的换热量和两侧阻力等常规指标进行评估，还对单位重量的换热量及单位体积的换热量进行评价，希望以此衡量冷凝器设计的轻量化程度和紧凑性。（注：篇幅有限，本文仅对工况点2的换热量结果进行说明）
图5：各冷凝器换热量（灰色线为平均值）
图6：各冷凝器风阻曲线（3个工况点）
图5和图6可以近似得出如下几个结论：
JP-02具备最大换热能力和相对很低的空气阻力，因而可以说是表现最好的样品；
欧系车企对冷凝器风阻的要求相对比较宽松；
KR-01空调负荷很小或者它根本就不是一个好设计。
我们研究了一下KR-01的制冷剂侧流程，发现和一般的冷凝器不太一样，常规冷凝器都是第一个流程在芯体的最上部然后依次从上到下直至出口。如果联系到冷凝器在整车的安装位置，我们似乎可以理解其这样设计的意图。
图7：KR-01的流路布置
图8：防撞梁对冷凝器性能的影响-右侧是常规的冷凝器流路设计
汽车前端的布局非常紧凑，通常防撞梁和冷凝器之间的距离很难保证，如果该间隙很小，那么仅有少量的风会从高效区经过，冷凝器的设计性能不能充分在整车上体现。而采用KR-01的流路布置，则中间区域是低效区，因此即使防撞梁和冷凝器很接近，也不会对性能造成太大影响。另一方面由于中间部位的遮挡，更多的风会往上下相对高效的区域流动，所以，这种情况下，遮挡反而可能对冷凝器有利。
为了证实上述推断，我们进行了KR-01冷凝器前端带挡板的换热量测试，安装结构如图9，最后发现带挡板的换热量比不带挡板时在工况点2提升了67%。
这个案例其实深刻启示了我们，台架试验和整车试验差异到底会有多大，主机厂在定产品设计需求时需要考虑整车实际的运行及安装环境，才能获得更匹配的产品。
鉴于KR-01特殊的流路设计可能带来整车条件下实际运行的性能增益，本文后续的比较均采用了KR-01带挡板时的换热量结果。同理，对另一台采用类似设计的CN-05也进行了同样的处理。
图9：带挡板的冷凝器换热试验
根据各冷凝器单位重量的换热量，自主品牌的平均值4.04kW/kg，比合资品牌的平均值5kW/kg小了将近20%，轻量化方面有一定差距。
图11：各冷凝器单位体积的换热量
同样根据各冷凝器单位体积的换热量，自主品牌的产品在紧凑性上也略显不足。EU-02在这两项指标上都表现出色，得益于它是唯一一套采用12mm芯厚的设计，但是我们注意的一点是，EU-02的风阻也是相对较大的。
B.压力交变试验
压力交变是模拟空调压缩机反复启停过程中制冷剂压力的变化而带来的冷凝器的疲劳现象，一般R134a系统的冷凝器工作压力在2MPa以内。本文试验设定为0-3.6 MPa之间进行压力脉冲，且在20万次脉冲仍未泄漏时，则打爆破测量极限压力。
图12：实测的压力脉冲波形图
试验结果见下表：
表2：压力交变试验结果概览
仅有CN-01未通过压力交变试验，而CN-04，EU-02，US-02在经历20万次压力脉冲后爆破压力均不能满足常规的爆破压力要求，大部分样品的爆破点位于集流管，少部分在端盖或者干燥储液罐。
C.外腐蚀加速试验
SWAAT是模拟大气腐蚀的加速试验方法，是一种酸性盐雾试验，目前已经逐渐取代中性盐雾试验成为行业内主要的评价方法。根据各整车厂理解的差异，对冷凝器SWAAT试验的要求从15~40天不等。本文以15天为界限进行评估，并采用ASTM-G85 A3循环：
- 周期: 2 小时
- 盐溶液PH值: 2.8~3
- 盐雾箱温度: 49 deg C;
- 每个周期包含30分钟喷雾和90分钟维持在高湿工况。
图13：各冷凝器的失效天数对比
结果显示，CN-03和CN-04不能通过本项测试，且各冷凝器的测试结果离散度很大，假设各冷凝器均是严格按照整车厂的产品标准开发，某种意义上也说明对加速腐蚀试验与实际腐蚀的相关性，汽车行业的整体认同度并不高。我们也进一步分析了这些样品失效的形态，如下图所示：
图14：失效形态展示
除了JP-01采用了复合管料搭配非复合内翅片的折叠扁管，其它10套样品均采用挤压扁管，我们发现只有JP-01在做完盐雾试验没有管翅分离（翅片脱落）的现象，其它包括失效天数最长的EU-01均出现严重的翅片脱落。
【冷凝器铝材的现状及发展趋势】
冷凝器铝材在平行流结构推出的早期普遍采用了相对保守的设计，为了保证产品的承压能力，集流管会采用较厚的设计，挤压扁管则由于早期加工水平的限制难以实现小孔薄壁，此外在CAB钎焊工艺未成熟时期，翅片也会选择较厚的箔料去避免溶蚀和塌陷。近几年，随着冷凝器生产厂家工艺水平和设计能力的不断进步，也得益于挤压扁管、轧制铝材合金的优化，铝材的轻薄化逐渐成为市场的主旋律。
根据本公司1998~2013年的销售数据，我们大致预测了未来几年冷凝器铝材规格将会进一步实现轻薄化：
图15:冷凝器材料厚度的趋势
我们也看到冷凝器折叠扁管这项十几年前的专利技术开始出现很多量产应用。该技术绕开了挤压扁管对合金的限制，可以采用更高强度和防腐效果更好的轧制铝材进行更高效的扁管连续生产。目前看，折叠扁管成型对壁厚的限制小于挤压扁管，结合性能上的优势，具有进一步轻量化的空间。
图16：左-可用于折叠扁管的多层材料
右-折叠扁管材料方案与喷锌扁管材料方案对比
【总结】本文通过对国内2013/2014年乘用车市场若干主流A级车的空调冷凝器进行技术调研，总结了该类产品目前设计的现状，并基于台架试验对收集的冷凝器样品进行评价和分析，同时也对冷凝器铝材的应用现状和趋势进行了简单的总结。希望以此引起行业同仁的共鸣，共同关注此类产品的技术发展，共同应对新的技术壁垒-如热泵用外部换热器的开发等。
注：本文部分内容初次发表于格朗吉斯铝业在南京主办的第九届铝钎焊技术研讨会
【专家观点】
上海交通大学制冷与低温工程研究所陈江平教授：
现在国际上对冷凝器的要求越来越高，据了解，欧洲甚至将要求冷凝器达到30年的使用寿命。此外，汽车空调系统的不断升级、节能减排政策的苛严、新能源汽车的快速发展，对冷凝器性能亦提出了新的要求，同时会引发新的技术变革。如电动车，在没有发动机情况下采暖方式发生变化，冷凝器要重新设计，思路和理念完全不一样；此外，在轻量化、小型化趋势下，冷凝器的工艺将如何变更、其性能如何保证、效率又如何进一步提升等，都是企业正在或即将面临的问题。
作为国际上领先的热交换器材料供应商，格朗吉斯非常重视热交换系统技术现状和趋势的探索和研究，以保证材料在不同工况下的可靠性，同时满足热交换系统升级时的产品需求。从2014年开始，我们之间就开始合作对不同车型热交换器进行测试和评估，观察对比各类产品性能的优劣差异、可靠性程度，同时了解材料、制造工艺、设计方面的新技术，包括此次历时数月进行的冷凝器技术性能测试分析。我们希望当市场或企业进行技术升级或更迭时，对产品的可靠性能够提供有价值的信息参考和技术。
中国汽车工业协会汽车空调委员会秘书长薛庆峰：
随着汽车产业的快速发展，汽车空调随之增长迅速。然而遗憾的是，国内配套供应商主要以外资和合资企业为主，自主品牌企业所占市场份额较少。且由于产品研发投入较大、周期较长而产品利润很低，自主品牌很少投入基础核心技术的研发，因此一直都是在低端水平上竞争，这一点比较难改善但也亟待改善。
另在国内汽车空调发展方面，高效、轻量化和满足电动汽车需求将是未来的主要技术发展趋势。近年汽车空调委员会一直在积极推动“高效空调奖励方案”，希望通过激励的方式促进整车企业使用先进技术，目前相关征求意见稿正在修订，有待发布。而无论高效空调、轻量化的实现亦或是电动车应用的满足，都驱使企业不断改变原有的技术和工艺或采用新的解决方案，当中冷凝器对空调效率的影响比较大，相对来说通过改进来提升效率的空间也比较大。
长安汽车空调研究所专家：
随着消费升级和节能减排行业趋势的影响，迫使汽车空调技术不断提升以适应市场所需，如兼顾消费者个性化需求、关注车内空气质量、提升其效率进而降低油耗等。这同时也意味着汽车空调正面临新的技术更迭和挑战，当中涉及到关键部件如压缩机、冷凝器等的结构优化、工艺设计进一步提升、材料应用的可靠性升级等等，这些都需要企业快速调整和积极应对。如材料加工方面，原来的冷凝器管道是用铝材挤压的，产品的产出率和加工成本比较高，现在正在逐步采用折叠管设计，一次成型，虽然目前没有大规模应用，但却是未来主流趋势。
不过在此需要强调的是，与国外相比，国内空调生产企业在基础工业以及精细化设计上需要进一步加强，如材料的选取、焊接、产品结构优化等细节上需要深入。
吉利研究院空调组专家：
近年，汽车空调性能有较大提升，而随着节能减排压力的增大，轻量化、高效性将是未来技术发展的重点，新能源汽车空调技术也是目前大家努力的方向。
首先在轻量化方面，涉及到较多的主要是内部结构设计的调整以及材料的创新应用。如冷凝器方面目前较受关注的折叠管设计工艺，与之前拉伸的相比可以将扁管的壁厚做的更薄，然性能上却呈现较大提升。除了冷凝器外，压缩机乃至整个空调内部空间结构都在寻求更佳的解决方案，以做到在减轻重量、降低功耗的基础上，实现效率上的提升。
其次，新能源汽车尤其是电动汽车的发展对空调技术将是一个重要挑战。例如原来的压缩机是通过发动机运转驱动的，而在电动汽车上驱动方式改为电驱动。而冷凝器因为供暖方式的改变，使其功能与之前有所不同——制冷的时候要当冷凝器用、制热的时候要当蒸发器用，这就导致里面的结构布局等发生变化。不过挑战也意味着发展空间的的增大。
翰昂汽车零部件（上海）有限公司专家
评判一个冷凝器好坏，核心要素是芯体尺寸，芯体越大换热面积越大，对空调系统的性能就越好。冷媒压降和空气压降也是冷凝器的主要参数，这与冷凝器芯体的各个子零件的冷媒流道和散热片的角度等有关系。此外，材料的好坏对冷凝器换热能力和强度亦有较大影响。
而在关键技术设计上，目前冷凝器以过冷式设计为主，此设计的优势是尽量使冷媒在进口的气态经过冷凝器换热之后转化为液态到出口，间接增强了蒸发器的换热性能。我们公司采用的是冷凝器支架直接与冷凝模块支架卡扣装配，不需要螺栓装配，减少成本而且装配速度更快。虽然目前冷凝器技术和制造水平已非常成熟，然仍存在较大提升空间，如减少结构变形、降低焊接泄漏率等。此外，随着节能减排压力增大，除了各个子零件的厚度减薄之外，在生产工艺方面有待改进，目前我们正在研究如何能减少焊剂。
上海爱斯达克汽车空调系统有限公司（原上海德尔福）专家
冷凝器目前所涉及的关键技术主要为扁管及翅片结构的设计优化、焊接技术及材料系统的开发确定保证焊接过程的可靠及使用过程的耐腐蚀。而判断冷凝器优劣的关键主要看其单位面积的换热性能和通风效果、可靠性、耐久性以及材料体系的耐腐蚀性能。
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