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【前言】

格朗吉斯鋁業作為一家專業從事車用換熱器鋁材加工的生產商，對下游應用端的系統及產品技術發展的熱點始終保持著一定的關注。另一方面，由于服務于眾多國內外一流的汽車熱管理系統供應商，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的發展方向，例如輕量化，更苛刻的可靠性要求。當然，受制于專業限制，很多來自推測的理解可能差之毫厘，謬以千里。為此，公司設立專項基金，對車用換熱器進行技術調研，2014年我們發布了發動機散熱器的調研報告，本次分享的是我們去年開展的空調冷凝器的調研工作。

如前述散熱器調研報告中提到的，本文所做工作無論從樣本規模還是數據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，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，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品在設計上的特點及性能結果；第三部分對當前冷凝器的主要原材料方案進行了總結。

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行了羅列和對比，但這并不反映冷凝器本身的優劣。因為冷凝器作為空調制冷系統的重要組成部分，其匹配性能需要放在各自的系統中進行評價，同時受安裝尺寸及整車運行參數的影響（例如風扇，控制邏輯，發艙內流道等），實際性能應以整車實驗為準。換言之，每一款汽車，每一套空調系統都會有一個最合適的，即匹配最好的冷凝器方案。

【調研樣本的確定】

本調研選取樣件基于如下限定:

對應車型的國內銷量為2014年前100名，我們認為這些樣件可以代表行業的主流;

對應車型均為A級轎車，一般而言具備相似的空調負荷和系統配置，冷凝器的迎風面尺寸也比較接近;

所對應車型均生產并銷售于 2013~2014年，保證是同一技術水平時期產品的比較。

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

最終，我們在市場上搜集了11套冷凝器樣品，具體見下表：

【車用冷凝器設計及基于臺架試驗的性能評價】

? 車用冷凝器設計變遷及趨勢展望

車用冷凝器大體經歷了管片式、管帶式到平行流的設計變遷（圖1），伴隨著更精細的部件設計和材料技術，近年來冷凝器的技術進步主要體現在小型化和輕量化。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勢在90年代末期開始逐漸被引入市場；平行流冷凝器的設計優化-主要是翅片的優化，與水箱一體、前端模塊化是未來冷凝器開發的主要方向；液冷式冷凝器開始出現應用，尤其適合縮減前端布置空間和二次回路系統（液冷式空調系統）。

圖1：汽車空調冷凝器產品進化史

圖2 液冷式冷凝器一般采用板式換熱器結構

冷凝器樣品的測量及主要測量結果展示

本文對搜集的冷凝器參數進行宏觀測量和微觀測量，得到樣品的大部分設計參數，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、內徑，以及制冷劑側流程布置。微觀測量20項，包括：扁管和翅片的具體形狀參數。微觀測量是利用光學顯微鏡對小尺寸部件進行一般精度測量的方法，需要經歷切割、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：測量結果展示（部分）

圖4 部分參數統計結果

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

冷凝器樣品的測試

本調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阻力等常規指標進行評估，還對單位重量的換熱量及單位體積的換熱量進行評價，希望以此衡量冷凝器設計的輕量化程度和緊湊性。（注：篇幅有限，本文僅對工況點2的換熱量結果進行說明）

圖5：各冷凝器換熱量（灰色線為平均值）

圖6：各冷凝器風阻曲線（3個工況點）

圖5和圖6可以近似得出如下幾個結論：

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

我們研究了一下KR-01的制冷劑側流程，發現和一般的冷凝器不太一樣，常規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-右側是常規的冷凝器流路設計

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，那么僅有少量的風會從高效區經過，冷凝器的設計性能不能充分在整車上體現。而采用KR-01的流路布置，則中間區域是低效區，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，更多的風會往上下相對高效的區域流動，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，我們進行了KR-01冷凝器前端帶擋板的換熱量測試，安裝結構如圖9，最后發現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，主機廠在定產品設計需求時需要考慮整車實際的運行及安裝環境，才能獲得更匹配的產品。

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

圖9：帶擋板的冷凝器換熱試驗

根據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

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

B.壓力交變試驗

壓力交變是模擬空調壓縮機反復啟停過程中制冷劑壓力的變化而帶來的冷凝器的疲勞現象，一般R134a系統的冷凝器工作壓力在2MPa以內。本文試驗設定為0-3.6 MPa之間進行壓力脈沖，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

試驗結果見下表：

表2：壓力交變試驗結果概覽

僅有CN-01未通過壓力交變試驗，而CN-04，EU-02，US-02在經歷20萬次壓力脈沖后爆破壓力均不能滿足常規的爆破壓力要求，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，目前已經逐漸取代中性鹽霧試驗成為行業內主要的評價方法。根據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天為界限進行評估，并采用ASTM-G85 A3循環：

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對比

結果顯示，CN-03和CN-04不能通過本項測試，且各冷凝器的測試結果離散度很大，假設各冷凝器均是嚴格按照整車廠的產品標準開發，某種意義上也說明對加速腐蝕試驗與實際腐蝕的相關性，汽車行業的整體認同度并不高。我們也進一步分析了這些樣品失效的形態，如下圖所示：

圖14：失效形態展示

除了JP-01采用了復合管料搭配非復合內翅片的折疊扁管，其它10套樣品均采用擠壓扁管，我們發現只有JP-01在做完鹽霧試驗沒有管翅分離（翅片脫落）的現象，其它包括失效天數最長的EU-01均出現嚴重的翅片脫落。

【冷凝器鋁材的現狀及發展趨勢】

冷凝器鋁材在平行流結構推出的早期普遍采用了相對保守的設計，為了保證產品的承壓能力，集流管會采用較厚的設計，擠壓扁管則由于早期加工水平的限制難以實現小孔薄壁，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，隨著冷凝器生產廠家工藝水平和設計能力的不斷進步，也得益于擠壓扁管、軋制鋁材合金的優化，鋁材的輕薄化逐漸成為市場的主旋律。

根據本公司1998~2013年的銷售數據，我們大致預測了未來幾年冷凝器鋁材規格將會進一步實現輕薄化：

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開始出現很多量產應用。該技術繞開了擠壓扁管對合金的限制，可以采用更高強度和防腐效果更好的軋制鋁材進行更高效的扁管連續生產。目前看，折疊扁管成型對壁厚的限制小于擠壓扁管，結合性能上的優勢，具有進一步輕量化的空間。

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】

本文通過對國內2013/2014年乘用車市場若干主流A級車的空調冷凝器進行技術調研，總結了該類產品目前設計的現狀，并基于臺架試驗對收集的冷凝器樣品進行評價和分析，同時也對冷凝器鋁材的應用現狀和趨勢進行了簡單的總結。希望以此引起行業同仁的共鳴，共同關注此類產品的技術發展，共同應對新的技術壁壘-如熱泵用外部換熱器的開發等。

注：本文部分內容初次發表于格朗吉斯鋁業在南京主辦的第九屆鋁釬焊技術研討會

【專家觀點】

上海交通大學制冷與低溫工程研究所陳江平教授：

現在國際上對冷凝器的要求越來越高，據了解，歐洲甚至將要求冷凝器達到30年的使用壽命。此外，汽車空調系統的不斷升級、節能減排政策的苛嚴、新能源汽車的快速發展，對冷凝器性能亦提出了新的要求，同時會引發新的技術變革。如電動車，在沒有發動機情況下采暖方式發生變化，冷凝器要重新設計，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、效率又如何進一步提升等，都是企業正在或即將面臨的問題。

作為國際上領先的熱交換器材料供應商，格朗吉斯非常重視熱交換系統技術現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升級時的產品需求。從2014年開始，我們之間就開始合作對不同車型熱交換器進行測試和評估，觀察對比各類產品性能的優劣差異、可靠性程度，同時了解材料、制造工藝、設計方面的新技術，包括此次歷時數月進行的冷凝器技術性能測試分析。我們希望當市場或企業進行技術升級或更迭時，對產品的可靠性能夠提供有價值的信息參考和技術。

中國汽車工業協會汽車空調委員會秘書長薛慶峰：

隨著汽車產業的快速發展，汽車空調隨之增長迅速。然而遺憾的是，國內配套供應商主要以外資和合資企業為主，自主品牌企業所占市場份額較少。且由于產品研發投入較大、周期較長而產品利潤很低，自主品牌很少投入基礎核心技術的研發，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。

另在國內汽車空調發展方面，高效、輕量化和滿足電動汽車需求將是未來的主要技術發展趨勢。近年汽車空調委員會一直在積極推動“高效空調獎勵方案”，希望通過激勵的方式促進整車企業使用先進技術，目前相關征求意見稿正在修訂，有待發布。而無論高效空調、輕量化的實現亦或是電動車應用的滿足，都驅使企業不斷改變原有的技術和工藝或采用新的解決方案，當中冷凝器對空調效率的影響比較大，相對來說通過改進來提升效率的空間也比較大。

長安汽車空調研究所專家：

隨著消費升級和節能減排行業趨勢的影響，迫使汽車空調技術不斷提升以適應市場所需，如兼顧消費者個性化需求、關注車內空氣質量、提升其效率進而降低油耗等。這同時也意味著汽車空調正面臨新的技術更迭和挑戰，當中涉及到關鍵部件如壓縮機、冷凝器等的結構優化、工藝設計進一步提升、材料應用的可靠性升級等等，這些都需要企業快速調整和積極應對。如材料加工方面，原來的冷凝器管道是用鋁材擠壓的，產品的產出率和加工成本比較高，現在正在逐步采用折疊管設計，一次成型，雖然目前沒有大規模應用，但卻是未來主流趨勢。

不過在此需要強調的是，與國外相比，國內空調生產企業在基礎工業以及精細化設計上需要進一步加強，如材料的選取、焊接、產品結構優化等細節上需要深入。

吉利研究院空調組專家：

近年，汽車空調性能有較大提升，而隨著節能減排壓力的增大，輕量化、高效性將是未來技術發展的重點，新能源汽車空調技術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部結構設計的調整以及材料的創新應用。如冷凝器方面目前較受關注的折疊管設計工藝，與之前拉伸的相比可以將扁管的壁厚做的更薄，然性能上卻呈現較大提升。除了冷凝器外，壓縮機乃至整個空調內部空間結構都在尋求更佳的解決方案，以做到在減輕重量、降低功耗的基礎上，實現效率上的提升。

其次，新能源汽車尤其是電動汽車的發展對空調技術將是一個重要挑戰。例如原來的壓縮機是通過發動機運轉驅動的，而在電動汽車上驅動方式改為電驅動。而冷凝器因為供暖方式的改變，使其功能與之前有所不同——制冷的時候要當冷凝器用、制熱的時候要當蒸發器用，這就導致里面的結構布局等發生變化。不過挑戰也意味著發展空間的的增大。

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，對空調系統的性能就越好。冷媒壓降和空氣壓降也是冷凝器的主要參數，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系。此外，材料的好壞對冷凝器換熱能力和強度亦有較大影響。

而在關鍵技術設計上，目前冷凝器以過冷式設計為主，此設計的優勢是盡量使冷媒在進口的氣態經過冷凝器換熱之后轉化為液態到出口，間接增強了蒸發器的換熱性能。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和制造水平已非常成熟，然仍存在較大提升空間，如減少結構變形、降低焊接泄漏率等。此外，隨著節能減排壓力增大，除了各個子零件的厚度減薄之外，在生產工藝方面有待改進，目前我們正在研究如何能減少焊劑。

上海愛斯達克汽車空調系統有限公司（原上海德爾福）專家

冷凝器目前所涉及的關鍵技術主要為扁管及翅片結構的設計優化、焊接技術及材料系統的開發確定保證焊接過程的可靠及使用過程的耐腐蝕。而判斷冷凝器優劣的關鍵主要看其單位面積的換熱性能和通風效果、可靠性、耐久性以及材料體系的耐腐蝕性能。

目前冷凝器設計制造工藝正在不斷改進升級，如折疊管成型制造技術，這將是未來的一個主要技術趨勢，在保證性能要求的前提下盡可能降低了材料重量，使復合多層材料應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：設計的進一步緊湊型、輕量化，扁管內部結構的優化，翅片上窗口幾何結構的優化等。