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【前言】

格朗吉斯鋁業(yè)作為一家專業(yè)從事車用換熱器鋁材加工的生產(chǎn)商，對下游應(yīng)用端的系統(tǒng)及產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展的熱點始終保持著一定的關(guān)注。另一方面，由于服務(wù)于眾多國內(nèi)外一流的汽車熱管理系統(tǒng)供應(yīng)商，得以管中窺豹，從客戶對材料的特殊需求了解到一些車用換熱器行業(yè)的發(fā)展方向，例如輕量化，更苛刻的可靠性要求。當(dāng)然，受制于專業(yè)限制，很多來自推測的理解可能差之毫厘，謬以千里。為此，公司設(shè)立專項基金，對車用換熱器進(jìn)行技術(shù)調(diào)研，2014年我們發(fā)布了發(fā)動機(jī)散熱器的調(diào)研報告，本次分享的是我們?nèi)ツ觊_展的空調(diào)冷凝器的調(diào)研工作。

如前述散熱器調(diào)研報告中提到的，本文所做工作無論從樣本規(guī)模還是數(shù)據(jù)的信息量都僅僅是滄海一粟，特別是本文獨家完成單位為一家原材料企業(yè)，搜集冷凝器樣品和測試工作遇到諸多困難。因此部分表述如有不當(dāng)，歡迎批評指正。

【摘要】

本報告主體包含3個部分，第一部分介紹了車用冷凝器的樣本確定原則；第二部分具體介紹本文選取的冷凝器產(chǎn)品在設(shè)計上的特點及性能結(jié)果；第三部分對當(dāng)前冷凝器的主要原材料方案進(jìn)行了總結(jié)。

需要說明的是，本文不可避免的通過臺架試驗對各冷凝器的性能進(jìn)行了羅列和對比，但這并不反映冷凝器本身的優(yōu)劣。因為冷凝器作為空調(diào)制冷系統(tǒng)的重要組成部分，其匹配性能需要放在各自的系統(tǒng)中進(jìn)行評價，同時受安裝尺寸及整車運(yùn)行參數(shù)的影響（例如風(fēng)扇，控制邏輯，發(fā)艙內(nèi)流道等），實際性能應(yīng)以整車實驗為準(zhǔn)。換言之，每一款汽車，每一套空調(diào)系統(tǒng)都會有一個最合適的，即匹配最好的冷凝器方案。

【調(diào)研樣本的確定】

本調(diào)研選取樣件基于如下限定:

對應(yīng)車型的國內(nèi)銷量為2014年前100名，我們認(rèn)為這些樣件可以代表行業(yè)的主流;

對應(yīng)車型均為A級轎車，一般而言具備相似的空調(diào)負(fù)荷和系統(tǒng)配置，冷凝器的迎風(fēng)面尺寸也比較接近;

所對應(yīng)車型均生產(chǎn)并銷售于 2013~2014年，保證是同一技術(shù)水平時期產(chǎn)品的比較。

在明確上述原則后，我們又考慮到不同車企的技術(shù)水平差異，希望我們的調(diào)研能盡量覆蓋自主品牌，歐美系、韓日系的車型產(chǎn)品。

最終，我們在市場上搜集了11套冷凝器樣品，具體見下表：

【車用冷凝器設(shè)計及基于臺架試驗的性能評價】

? 車用冷凝器設(shè)計變遷及趨勢展望

車用冷凝器大體經(jīng)歷了管片式、管帶式到平行流的設(shè)計變遷（圖1），伴隨著更精細(xì)的部件設(shè)計和材料技術(shù)，近年來冷凝器的技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在小型化和輕量化。此外，擠壓扁管近年來不斷追求更小的孔徑。而由軋制材制造的折疊扁管則由于具備成本優(yōu)勢在90年代末期開始逐漸被引入市場；平行流冷凝器的設(shè)計優(yōu)化-主要是翅片的優(yōu)化，與水箱一體、前端模塊化是未來冷凝器開發(fā)的主要方向；液冷式冷凝器開始出現(xiàn)應(yīng)用，尤其適合縮減前端布置空間和二次回路系統(tǒng)（液冷式空調(diào)系統(tǒng)）。

圖1：汽車空調(diào)冷凝器產(chǎn)品進(jìn)化史

圖2 液冷式冷凝器一般采用板式換熱器結(jié)構(gòu)

冷凝器樣品的測量及主要測量結(jié)果展示

本文對搜集的冷凝器參數(shù)進(jìn)行宏觀測量和微觀測量，得到樣品的大部分設(shè)計參數(shù)，其中宏觀測量7項，包括散熱器芯體的長、寬、厚度、總成的毛重量，集液管的外徑、內(nèi)徑，以及制冷劑側(cè)流程布置。微觀測量20項，包括：扁管和翅片的具體形狀參數(shù)。微觀測量是利用光學(xué)顯微鏡對小尺寸部件進(jìn)行一般精度測量的方法，需要經(jīng)歷切割、制（磨）樣、觀察、測量四個階段，其中切割和制樣階段尤為關(guān)鍵，直接影響最終的測量精度。本文采取多次制樣多次測量的方式控制誤差。

圖3：翅片百葉窗的微觀測量界面

表一：測量結(jié)果展示（部分）

圖4 部分參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

（左上到右上依次為扁管高度、扁管寬度、扁管孔數(shù)；左下到右下依次為翅片高度、開窗數(shù)量、開窗角度）基于此可以認(rèn)為，目前汽車行業(yè)的冷凝器主流設(shè)計是芯厚16mm, 扁管高2mm/1.8mm, 扁管孔數(shù)10，翅片高度7.8mm，開窗數(shù)10，開窗角度27度，存在一定的設(shè)計趨同性。

冷凝器樣品的測試

本調(diào)研對冷凝器的測試項目包括傳熱性能試驗、壓力交變試驗、耐冷/熱試驗、外腐蝕加速試驗。除外腐蝕試驗外，其它測試均在上海交大-中關(guān)村研究院完成。各項試驗的測試條件見下表：

其中耐冷/熱試驗所有樣品都未發(fā)生失效，本文不再展開。

? 基于臺架試驗的冷凝器性能評價

A.傳熱性能試驗

本文除了對冷凝器的換熱量和兩側(cè)阻力等常規(guī)指標(biāo)進(jìn)行評估，還對單位重量的換熱量及單位體積的換熱量進(jìn)行評價，希望以此衡量冷凝器設(shè)計的輕量化程度和緊湊性。（注：篇幅有限，本文僅對工況點2的換熱量結(jié)果進(jìn)行說明）

圖5：各冷凝器換熱量（灰色線為平均值）

圖6：各冷凝器風(fēng)阻曲線（3個工況點）

圖5和圖6可以近似得出如下幾個結(jié)論：

JP-02具備最大換熱能力和相對很低的空氣阻力，因而可以說是表現(xiàn)最好的樣品；歐系車企對冷凝器風(fēng)阻的要求相對比較寬松；? KR-01空調(diào)負(fù)荷很小或者它根本就不是一個好設(shè)計。

我們研究了一下KR-01的制冷劑側(cè)流程，發(fā)現(xiàn)和一般的冷凝器不太一樣，常規(guī)冷凝器都是第一個流程在芯體的最上部然后依次從上到下直至出口。如果聯(lián)系到冷凝器在整車的安裝位置，我們似乎可以理解其這樣設(shè)計的意圖。

圖7：KR-01的流路布置

圖8：防撞梁對冷凝器性能的影響-右側(cè)是常規(guī)的冷凝器流路設(shè)計

汽車前端的布局非常緊湊，通常防撞梁和冷凝器之間的距離很難保證，如果該間隙很小，那么僅有少量的風(fēng)會從高效區(qū)經(jīng)過，冷凝器的設(shè)計性能不能充分在整車上體現(xiàn)。而采用KR-01的流路布置，則中間區(qū)域是低效區(qū)，因此即使防撞梁和冷凝器很接近，也不會對性能造成太大影響。另一方面由于中間部位的遮擋，更多的風(fēng)會往上下相對高效的區(qū)域流動，所以，這種情況下，遮擋反而可能對冷凝器有利。

為了證實上述推斷，我們進(jìn)行了KR-01冷凝器前端帶擋板的換熱量測試，安裝結(jié)構(gòu)如圖9，最后發(fā)現(xiàn)帶擋板的換熱量比不帶擋板時在工況點2提升了67%。

這個案例其實深刻啟示了我們，臺架試驗和整車試驗差異到底會有多大，主機(jī)廠在定產(chǎn)品設(shè)計需求時需要考慮整車實際的運(yùn)行及安裝環(huán)境，才能獲得更匹配的產(chǎn)品。

鑒于KR-01特殊的流路設(shè)計可能帶來整車條件下實際運(yùn)行的性能增益，本文后續(xù)的比較均采用了KR-01帶擋板時的換熱量結(jié)果。同理，對另一臺采用類似設(shè)計的CN-05也進(jìn)行了同樣的處理。

圖9：帶擋板的冷凝器換熱試驗

根據(jù)各冷凝器單位重量的換熱量，自主品牌的平均值4.04kW/kg，比合資品牌的平均值5kW/kg小了將近20%，輕量化方面有一定差距。

圖10：各冷凝器單位重量的換熱量

圖11：各冷凝器單位體積的換熱量

同樣根據(jù)各冷凝器單位體積的換熱量，自主品牌的產(chǎn)品在緊湊性上也略顯不足。EU-02在這兩項指標(biāo)上都表現(xiàn)出色，得益于它是唯一一套采用12mm芯厚的設(shè)計，但是我們注意的一點是，EU-02的風(fēng)阻也是相對較大的。

B.壓力交變試驗

壓力交變是模擬空調(diào)壓縮機(jī)反復(fù)啟停過程中制冷劑壓力的變化而帶來的冷凝器的疲勞現(xiàn)象，一般R134a系統(tǒng)的冷凝器工作壓力在2MPa以內(nèi)。本文試驗設(shè)定為0-3.6 MPa之間進(jìn)行壓力脈沖，且在20萬次脈沖仍未泄漏時，則打爆破測量極限壓力。

圖12：實測的壓力脈沖波形圖

試驗結(jié)果見下表：

表2：壓力交變試驗結(jié)果概覽

僅有CN-01未通過壓力交變試驗，而CN-04，EU-02，US-02在經(jīng)歷20萬次壓力脈沖后爆破壓力均不能滿足常規(guī)的爆破壓力要求，大部分樣品的爆破點位于集流管，少部分在端蓋或者干燥儲液罐。

C.外腐蝕加速試驗

SWAAT是模擬大氣腐蝕的加速試驗方法，是一種酸性鹽霧試驗，目前已經(jīng)逐漸取代中性鹽霧試驗成為行業(yè)內(nèi)主要的評價方法。根據(jù)各整車廠理解的差異，對冷凝器SWAAT試驗的要求從15~40天不等。本文以15天為界限進(jìn)行評估，并采用ASTM-G85 A3循環(huán)：

周期: 2 小時

鹽溶液PH值: 2.8~3

鹽霧箱溫度: 49 deg C;

每個周期包含30分鐘噴霧和90分鐘維持在高濕工況。

圖13：各冷凝器的失效天數(shù)對比

結(jié)果顯示，CN-03和CN-04不能通過本項測試，且各冷凝器的測試結(jié)果離散度很大，假設(shè)各冷凝器均是嚴(yán)格按照整車廠的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，某種意義上也說明對加速腐蝕試驗與實際腐蝕的相關(guān)性，汽車行業(yè)的整體認(rèn)同度并不高。我們也進(jìn)一步分析了這些樣品失效的形態(tài)，如下圖所示：

圖14：失效形態(tài)展示

除了JP-01采用了復(fù)合管料搭配非復(fù)合內(nèi)翅片的折疊扁管，其它10套樣品均采用擠壓扁管，我們發(fā)現(xiàn)只有JP-01在做完鹽霧試驗沒有管翅分離（翅片脫落）的現(xiàn)象，其它包括失效天數(shù)最長的EU-01均出現(xiàn)嚴(yán)重的翅片脫落。

【冷凝器鋁材的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢】

冷凝器鋁材在平行流結(jié)構(gòu)推出的早期普遍采用了相對保守的設(shè)計，為了保證產(chǎn)品的承壓能力，集流管會采用較厚的設(shè)計，擠壓扁管則由于早期加工水平的限制難以實現(xiàn)小孔薄壁，此外在CAB釬焊工藝未成熟時期，翅片也會選擇較厚的箔料去避免溶蝕和塌陷。近幾年，隨著冷凝器生產(chǎn)廠家工藝水平和設(shè)計能力的不斷進(jìn)步，也得益于擠壓扁管、軋制鋁材合金的優(yōu)化，鋁材的輕薄化逐漸成為市場的主旋律。

根據(jù)本公司1998~2013年的銷售數(shù)據(jù)，我們大致預(yù)測了未來幾年冷凝器鋁材規(guī)格將會進(jìn)一步實現(xiàn)輕薄化：

圖15:冷凝器材料厚度的趨勢

我們也看到冷凝器折疊扁管這項十幾年前的專利技術(shù)開始出現(xiàn)很多量產(chǎn)應(yīng)用。該技術(shù)繞開了擠壓扁管對合金的限制，可以采用更高強(qiáng)度和防腐效果更好的軋制鋁材進(jìn)行更高效的扁管連續(xù)生產(chǎn)。目前看，折疊扁管成型對壁厚的限制小于擠壓扁管，結(jié)合性能上的優(yōu)勢，具有進(jìn)一步輕量化的空間。

圖16：左-可用于折疊扁管的多層材料

右-折疊扁管材料方案與噴鋅扁管材料方案對比

【總結(jié)】

本文通過對國內(nèi)2013/2014年乘用車市場若干主流A級車的空調(diào)冷凝器進(jìn)行技術(shù)調(diào)研，總結(jié)了該類產(chǎn)品目前設(shè)計的現(xiàn)狀，并基于臺架試驗對收集的冷凝器樣品進(jìn)行評價和分析，同時也對冷凝器鋁材的應(yīng)用現(xiàn)狀和趨勢進(jìn)行了簡單的總結(jié)。希望以此引起行業(yè)同仁的共鳴，共同關(guān)注此類產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展，共同應(yīng)對新的技術(shù)壁壘-如熱泵用外部換熱器的開發(fā)等。

注：本文部分內(nèi)容初次發(fā)表于格朗吉斯鋁業(yè)在南京主辦的第九屆鋁釬焊技術(shù)研討會

【專家觀點】

上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所陳江平教授：

現(xiàn)在國際上對冷凝器的要求越來越高，據(jù)了解，歐洲甚至將要求冷凝器達(dá)到30年的使用壽命。此外，汽車空調(diào)系統(tǒng)的不斷升級、節(jié)能減排政策的苛嚴(yán)、新能源汽車的快速發(fā)展，對冷凝器性能亦提出了新的要求，同時會引發(fā)新的技術(shù)變革。如電動車，在沒有發(fā)動機(jī)情況下采暖方式發(fā)生變化，冷凝器要重新設(shè)計，思路和理念完全不一樣；此外，在輕量化、小型化趨勢下，冷凝器的工藝將如何變更、其性能如何保證、效率又如何進(jìn)一步提升等，都是企業(yè)正在或即將面臨的問題。

作為國際上領(lǐng)先的熱交換器材料供應(yīng)商，格朗吉斯非常重視熱交換系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀和趨勢的探索和研究，以保證材料在不同工況下的可靠性，同時滿足熱交換系統(tǒng)升級時的產(chǎn)品需求。從2014年開始，我們之間就開始合作對不同車型熱交換器進(jìn)行測試和評估，觀察對比各類產(chǎn)品性能的優(yōu)劣差異、可靠性程度，同時了解材料、制造工藝、設(shè)計方面的新技術(shù)，包括此次歷時數(shù)月進(jìn)行的冷凝器技術(shù)性能測試分析。我們希望當(dāng)市場或企業(yè)進(jìn)行技術(shù)升級或更迭時，對產(chǎn)品的可靠性能夠提供有價值的信息參考和技術(shù)。

中國汽車工業(yè)協(xié)會汽車空調(diào)委員會秘書長薛慶峰：

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車空調(diào)隨之增長迅速。然而遺憾的是，國內(nèi)配套供應(yīng)商主要以外資和合資企業(yè)為主，自主品牌企業(yè)所占市場份額較少。且由于產(chǎn)品研發(fā)投入較大、周期較長而產(chǎn)品利潤很低，自主品牌很少投入基礎(chǔ)核心技術(shù)的研發(fā)，因此一直都是在低端水平上競爭，這一點比較難改善但也亟待改善。

另在國內(nèi)汽車空調(diào)發(fā)展方面，高效、輕量化和滿足電動汽車需求將是未來的主要技術(shù)發(fā)展趨勢。近年汽車空調(diào)委員會一直在積極推動“高效空調(diào)獎勵方案”，希望通過激勵的方式促進(jìn)整車企業(yè)使用先進(jìn)技術(shù)，目前相關(guān)征求意見稿正在修訂，有待發(fā)布。而無論高效空調(diào)、輕量化的實現(xiàn)亦或是電動車應(yīng)用的滿足，都驅(qū)使企業(yè)不斷改變原有的技術(shù)和工藝或采用新的解決方案，當(dāng)中冷凝器對空調(diào)效率的影響比較大，相對來說通過改進(jìn)來提升效率的空間也比較大。

長安汽車空調(diào)研究所專家：

隨著消費(fèi)升級和節(jié)能減排行業(yè)趨勢的影響，迫使汽車空調(diào)技術(shù)不斷提升以適應(yīng)市場所需，如兼顧消費(fèi)者個性化需求、關(guān)注車內(nèi)空氣質(zhì)量、提升其效率進(jìn)而降低油耗等。這同時也意味著汽車空調(diào)正面臨新的技術(shù)更迭和挑戰(zhàn)，當(dāng)中涉及到關(guān)鍵部件如壓縮機(jī)、冷凝器等的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝設(shè)計進(jìn)一步提升、材料應(yīng)用的可靠性升級等等，這些都需要企業(yè)快速調(diào)整和積極應(yīng)對。如材料加工方面，原來的冷凝器管道是用鋁材擠壓的，產(chǎn)品的產(chǎn)出率和加工成本比較高，現(xiàn)在正在逐步采用折疊管設(shè)計，一次成型，雖然目前沒有大規(guī)模應(yīng)用，但卻是未來主流趨勢。

不過在此需要強(qiáng)調(diào)的是，與國外相比，國內(nèi)空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)在基礎(chǔ)工業(yè)以及精細(xì)化設(shè)計上需要進(jìn)一步加強(qiáng)，如材料的選取、焊接、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化等細(xì)節(jié)上需要深入。

吉利研究院空調(diào)組專家：

近年，汽車空調(diào)性能有較大提升，而隨著節(jié)能減排壓力的增大，輕量化、高效性將是未來技術(shù)發(fā)展的重點，新能源汽車空調(diào)技術(shù)也是目前大家努力的方向。

首先在輕量化方面，涉及到較多的主要是內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計的調(diào)整以及材料的創(chuàng)新應(yīng)用。如冷凝器方面目前較受關(guān)注的折疊管設(shè)計工藝，與之前拉伸的相比可以將扁管的壁厚做的更薄，然性能上卻呈現(xiàn)較大提升。除了冷凝器外，壓縮機(jī)乃至整個空調(diào)內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)都在尋求更佳的解決方案，以做到在減輕重量、降低功耗的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)效率上的提升。

其次，新能源汽車尤其是電動汽車的發(fā)展對空調(diào)技術(shù)將是一個重要挑戰(zhàn)。例如原來的壓縮機(jī)是通過發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動的，而在電動汽車上驅(qū)動方式改為電驅(qū)動。而冷凝器因為供暖方式的改變，使其功能與之前有所不同——制冷的時候要當(dāng)冷凝器用、制熱的時候要當(dāng)蒸發(fā)器用，這就導(dǎo)致里面的結(jié)構(gòu)布局等發(fā)生變化。不過挑戰(zhàn)也意味著發(fā)展空間的的增大。

翰昂汽車零部件（上海）有限公司專家

評判一個冷凝器好壞，核心要素是芯體尺寸，芯體越大換熱面積越大，對空調(diào)系統(tǒng)的性能就越好。冷媒壓降和空氣壓降也是冷凝器的主要參數(shù)，這與冷凝器芯體的各個子零件的冷媒流道和散熱片的角度等有關(guān)系。此外，材料的好壞對冷凝器換熱能力和強(qiáng)度亦有較大影響。

而在關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計上，目前冷凝器以過冷式設(shè)計為主，此設(shè)計的優(yōu)勢是盡量使冷媒在進(jìn)口的氣態(tài)經(jīng)過冷凝器換熱之后轉(zhuǎn)化為液態(tài)到出口，間接增強(qiáng)了蒸發(fā)器的換熱性能。我們公司采用的是冷凝器支架直接與冷凝模塊支架卡扣裝配，不需要螺栓裝配，減少成本而且裝配速度更快。雖然目前冷凝器技術(shù)和制造水平已非常成熟，然仍存在較大提升空間，如減少結(jié)構(gòu)變形、降低焊接泄漏率等。此外，隨著節(jié)能減排壓力增大，除了各個子零件的厚度減薄之外，在生產(chǎn)工藝方面有待改進(jìn)，目前我們正在研究如何能減少焊劑。

上海愛斯達(dá)克汽車空調(diào)系統(tǒng)有限公司（原上海德爾福）專家

冷凝器目前所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要為扁管及翅片結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化、焊接技術(shù)及材料系統(tǒng)的開發(fā)確定保證焊接過程的可靠及使用過程的耐腐蝕。而判斷冷凝器優(yōu)劣的關(guān)鍵主要看其單位面積的換熱性能和通風(fēng)效果、可靠性、耐久性以及材料體系的耐腐蝕性能。

目前冷凝器設(shè)計制造工藝正在不斷改進(jìn)升級，如折疊管成型制造技術(shù)，這將是未來的一個主要技術(shù)趨勢，在保證性能要求的前提下盡可能降低了材料重量，使復(fù)合多層材料應(yīng)用在扁管上成為了可能，提高了焊接的可靠信及冷凝器的抗腐蝕性能。不過就目前來說，冷凝器還存在一定提升空間如：設(shè)計的進(jìn)一步緊湊型、輕量化，扁管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，翅片上窗口幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等。