HVAC结构与功能介绍

HVAC结构及功能介绍

编制：王大健

南京协众集团技术部

目录

第1章 HVAC介绍

1.1术语

1.2HVAC介绍

第2章 HVAC总体设计

2.1 加热功能

2.2 制冷功能

2.3 进气与吹风功能

2.4 空气净化功能

2.5 空气混合与分发功能

2.6 运动机构

第1章 HVAC介绍

1.1术语

HVAC：是英文Heating Ventilating Air Conditioning的缩写，即采暖、通风与空调。指安装在仪表板下方具有采暖、通风及空气调节功能的单元，包含鼓风机总成、蒸发器芯体、暖风芯体、风门及其动作机构等重要部件。

1.2HVAC介绍

设计一个HVAC就像搭积木一样，将进气单元、鼓风单元、空气净化单元、制热单元、制冷单元、气流分发单元按照一定的规则组合在一起

图1

随着汽车工业不断发展，如今HVAC的设计需要满足以下的要求：

●更小的体积

●产生更高的制冷、制热能力

●更多的新功能

●更轻的重量

●当然，还有更低的成本

选择或设计一款合适的HVAC是一项综合性很强的工作，最好的方法是综合当前所有的先进设计，以下是协众近几年开发的一些HVAC的例子。

BAIC C60F BAIC C70G BAIC C30D

FOTON P201 CP2（7200） FOTON MIDI

1012 ZT A01 A0（7109）

如此众多的HVAC，如何选择或设计一款最符合自己的HVAC？我们需要综合以下几点来参考：

●可靠性（是否采用标准设计，热力性能是否稳定，运动机构是否合理）

●新颖性（是否为当前阶段比较新的设计）

●高性能（较低的空气压降，高性能的热交换器，稳定的温度控制性能，理想的排水系统）

●灵活性（模块化设计，能在不同车型可以同时应用）

●经济性（采用标准零部件，适应容易简单的工艺，少量的投资，尽量借用现有资源，平台化）

第2章 HVAC总体设计

2.1 加热功能

目前一般汽车用加热器是利用从发动机来的高温冷却水的热量与其周围空气进行热交换而达到制热效果，也有为了加大热量而增加电辅助加热器。

加热器芯按照结构划分可以分为管片式加热器、全铝钎焊平行流式加热器。管片式加热器采用多根U‐型圆形铝管穿过一层层铝片，经过胀型，装配水室（一般是塑料材料）等工序加工而成；平行流式加热器是采用多根平行的铝扁管，扁管之间镶嵌百叶窗蛇形翅片，装配好水室（铝合金材料）后进行钎焊等工序

加工而成。这两种加热器相比较，平行流式加热器具有更高的换热性能，从行业发展来看，平行流式加热器将会逐渐取代管片式加热器。目前协众只生产平行流式加热器。

2.1.1 加热器芯的选择

根据冷却水的流向可以讲加热器芯分为U型加热器、Ⅰ型加热器、交叉型加热器。这3种类型的加热器在温度特性上各有不同，U型加热器在这3款加热器中加热均匀性是最差的，不低于双区HVAC的应用；Ⅰ型加热器加热均匀性同样也不理想，但加热器两边的温差还是比较均匀的，在HVAC中安放位置要特别注意，不适合做3区以上空调用；交叉型加热器芯具有最好的温度均匀性，几乎可以用于各种形式的HVAC，以下是3种加热器芯的热力分布图。

2.1.2 加热器在HVAC中的位置

在使用不同类型加热器的时候，加热器在HVAC中放置的位置有相应的规则需要遵循

1.如果使用交叉型的加热器时，空气必须从加热器冷的一面进，从加热器热的一面出，如果反过来，就

会发生本来被加热的空气热量被加热器冷的一面吸收一部分，加热性能会减少5%左右。

2.如果使用Ⅰ型加热器芯，根据其热力特性应该使其芯体左右相对于HVAC左右方向布置，这样两边的

温度差将受到的影响很少，一般左右两边的温度差在2℃左右，如果不利用这个特性，将其位置相对于HVAC成90°，则HVAC左右最大温差将达到10℃左右。

3.如果在3区或4区空调中使用Ⅰ型加热器芯，则分区挡板应该平行于扁管，垂直于加热器芯表面，如

下图：

4.热空气流道设计使其风速能够达到7‐10m/s，如下图中S为最小热空气流道截面，这个截面大小的设计

就要考虑到使风速尽可能大；D最少要大于40mm，以保证有足够的风量进入加热器芯。

5.目前大部分空调都不配置水阀，为降低加热器芯对制冷功能的影响，推荐在加热器芯进、出风两侧都

设计有冷暖风门，以改善冷暖风门的隔热性，提升制冷效果。

2.1.3 加热器芯与HVAC壳体的配合

1、沿着加热器芯周边密封的壳体筋条。

2、在加热器芯底部密封的壳体筋条。

3、沿着加热器集流管四周密封的特殊筋条。

4、用于固定加热器芯的壳体短筋条。

5、壳体固定筋条。

6、将加热器芯固定于壳体上的自攻镙钉。

2.1.4 PTC的安装

有的时候为了进一步提高HVAC制热量，而加热器芯无法满足制热量的要求，我们可以选择电加热器（PTC）来进行辅助加热。

PTC必须放置在加热器芯的后面，否则会将PTC的热能传递给加热器芯，降低整体制热性能，如图：

PTC与加热器芯之间的距离应该大于4mm，可以与加热器芯成一定的角度，以改善空气流量，但角度不能太大，应限制在0-10之间，当PTC很小，同时要改善压力降时，应循循下图所示放置方式，不能采用第一个示意放置方式，因为这样可能会产生涡流。

PTC的功耗不能太大，以PSA集团为例，其规定的功耗不能超过1000W，并且要求经过PTC时风量不小于250kg/h。下图是PSA.X7空调PTC的性能曲线图，另外PTC表面温度可以达到160℃，而塑料外壳所能承受的最高温度只有110℃，所以应该避免将其两者接触，一般采用螺钉固定在外壳上，而加热面不能与其他塑料零件相接触。

2.2 制冷功能

蒸发器是HVAC实现制冷功能的关键部件，将经过TXV（膨胀阀）降压后的液态制冷剂在蒸发器内沸腾蒸发，吸收蒸发器表面周围空气的热量而降温，风机将冷空气吹送到车厢，达到降温的目的。

蒸发器从结构上分可以分为管片式蒸发器，管带式蒸发器，层叠式蒸发器，平行流式蒸发器，其中层叠式和平行流式蒸发器制冷效率最高，而层叠式蒸发器与平行流式蒸发器相比，平行流式具有用料少，重量轻等特点。目前市面上以层叠式和平行流式最为广泛的应用，而一些老车型还在使用管片式蒸发器，如富康，捷达，管带式蒸发器一般在大型客车或列车之上，目前轿车市场已经基本不用此类蒸发器了。

2.2.1 蒸发器的选择

选择一款合适的蒸发器需要注意以下要素：

●蒸发器要有足够的制冷量

●温度平衡和风量平衡要好

●具有很好的控制冷凝水排泄能力

●能满足装配性要求

2.2.2 蒸发器在HVAC中的位置

要有一个好的冷凝水排泄功能，蒸发器在HVAC中的倾斜的角度要控制好，要参照下图虚线范围内所示：

要尽可能保证到达蒸发器表面空气的均匀性，这样才能得到一个稳定的风速，但经过蒸必器的风速不能太大，否则会将蒸发器表面的冷凝水给吹出来，这是绝对不能允许的，一般蒸发器允许通过的最大风速：当翅片间距为1.4mm时，风速最高不能超过2.5m/s,但翅片间距为1.7mm，最大风速不能超过3m/s，在蒸发器底部这一点尤其重要，因为蒸发器这个部位含有大量的冷凝水。

蒸发器要求具有良好的热平衡性，蒸发器四周要用海绵密封好，否则周围的热空气会泄露进来，这样会导致使出口空气的热平衡性降低，以下是valeo某款蒸发器的温度分布图，风量为600kg/h,环境温度为30℃，环境温度为60％。

这里要强调一下蒸发器密封的重要性，其密封性对空气温度，气流的平衡性，冷凝水的控制都有很大关系，蒸发器的密封一般采用沿着蒸发器四周粘贴海绵，然后靠壳体上设计的筋条进行固定。

蒸发器密封海绵材料有PE、PU、EPDM等，当蒸发器管露在HVAC壳体外面，需要用海绵包裹好，否则其上面的冷凝水会滴落在汽车驾驶舱内，当蒸发器管在HVAC壳体内部是可以用海绵将其包裹好，也可以用个塑料罩将其罩起来，如果将其裸露在塑料罩内，管子上面的冷凝水必须滴落在没有空气流的区域，否则会有冷凝水溅射的风险。

设计一个合理的冷凝水排泄槽在HVAC设计中很重要，以保证收集，排出产生的冷凝水，以下要求需要注意：

●壳体与排水槽要很好的密封

●蒸发器与排水槽要很好的密封

●蒸发器与壳体要很好的密封

●在蒸发器下要有足够的空间

●排水槽要有合理的排水形状

●排水槽要在HVAC的最低点

在蒸发器表面不要放置温度传感器或其他零件，如果非要放置两者之间的距离应小于20mm；在蒸发器出风面要有足够的面积，这两个要求都是为了保证不会产生局部风速过大的风险，因为这样的可能导致冷凝水溅射。

A图排水槽的形状要有一定的倾斜角度，这样冷凝水才能顺利的排出HVAC，如下图a角度，valeo规定是17°，以下是两种类型排水槽，一种只有一边的倾斜角度，一种是两边都有倾斜角度。

2.3进气与吹风功能

HVAC要实现降温或制热，必须有流动的空气在换热器表面进行热交换，而要提供流动的空气就必须有鼓风机和进气装置。

进气装置主要功能是将HVAC外部空气导入其内，这里的HVAC外部空气就分为来自车厢外的空气（外循环）和来自车厢内的空气（内循环），鼓风机就是使空气流动的动力源，风量的大小很大关系上取决于鼓风机的能力。

2.3.1进气装置

这里介绍两种觉的进气装置，下图这种装置进气方式只有两种选择，要么内循环，要么外循环。

下图这种进气装置的特点就是可以独立控制内外循环空气，可以同时进车外空气和车内空气，如在夏季制冷条件下（为了减少功耗，一般用内循环），为了改善车内空气质量，同时又不能很大程度地降低降温效果，可以适当调节外循环风门开度，让一定量的车外空气进入车内，以改善车内空气质量。

进气装置在设计上要注意的以下要素：

●确保低的空气压降（需要良好的空气流道和截面，尽量不要改变空气流动的方向，空气流道中不要有

其他零件或壳体的拐角）

●良好的结构强度

●保证有足够的风量能进入

●风门运动灵活（实现内外循环的切换而风门转动角度尽量小，选择可靠的运动机构）

●良好的密封性（风门与壳体之间要保证密封，壳体的密封）

●良好的静音性（运动机构的噪音控制，选择车的一侧安装）

●保证中间位置风门角度的准确性（减少风门的重量，合适的运动机构以及正确的微电机，风门与壳体

之间要灵活，适当加润滑油或润滑脂）

以下是几种车型上的进气装置。

2.3.2鼓风装置

鼓风装置是提供空气流动的动力源，主要由风吐轮，直流电机，调速电阻（或调速模块），电机支座和导风壳体组成，一般手动空调用调速电阻来实现风量大小的控制，电动空调可以用调速电阻或调速模块，而自动空调必须用调速模块，调速电阻是靠手动改变电阻值而改变电压大小来实现调速，而调速模块是个可编程的控制模块，可以根据车内环境自动调节风量大小。

鼓风机装置的设计要素：

●风机叶轮和导风壳体间的距离要合适，如下图，如果其中J2太小，叶轮和可壳体就有碰撞的风险，使

电机被锁住，无法运动，如果太大将降低鼓风机的能力，合适大小为3mm。

●风机叶轮与电机支座要保持合适的距离，如下图中J2，如果太小两者之间会有碰撞的风险，可能将电

机锁住；电机的降温环境将恶化，如果太大则降低鼓风机的能力，合适大小为3mm。

●风机叶轮与导风壳体的截面距离J2与导风壳体倒角R1，如下图，如果J2太小可能会产生噪音，太大就

降低鼓风机的能力，如果R1太小则增大空气压降，如果太大则风量减小，风阻增大，R1合适的大小为风机叶轮外径的10％-11％，J4合适的大小为风叶轮的外径的9％-10％。

2.4空气净化功能

车内空气质量的好坏与HVAC的通风和净化能力直接相关，而实现空气净化，改善空气质量，必须有空气改善装置。

一般轿车用空气过滤器，根据过滤介质可以分为粒子过滤器（能过滤空气的尘埃）、碳纤维过滤也叫组合过滤器（能过滤空气中的有害气体和异味）、负离子过滤器（除了拥有过滤功能之外，还产生对人体有益的负氧离子）、维他命C过滤（除了拥有过滤功能之外，该过滤器还能够释放维他命C，帮助皮肤保持湿润），各种香熏过滤器等，前两者应用的最为广泛，一般过滤器要求能过滤空气中的尘埃、有害气体如CO、HC、NOX、异味如H2S等，根据不同用户及不同需要而选择不同类型的过滤器。

过滤器在HVAC中的位置，有如下几种，无论哪种放置方式都使进入HVAC的空气更加均匀，都能屏蔽而降低噪音。

●设置在HVAC的上游，在汽车的进气口

●设置在HVAC鼓风机和进气口之间

●设置在鼓风机周围

●设置在鼓风机和蒸发器之间（过滤器的底部一定要高于蒸发器的底部，否则将会被冷凝水浸湿）

汽车空气质量控制需要从3个方面入手：

●阻止车外污染进入车内（利用空气质量传感器和反应快速的进气风门微电机）

●防止HVAC细菌的产生（采用抗菌介质的过滤器或电子过滤器）

●车内空气的净化

2.5空气混合与分发功能

HVAC靠各种风门的配合运动从而实现风量分配和温度调节的功能，温度调节主要依靠混合风门的运动来实现：吹面，吹脚，除霜等各种模式靠各种分发风门的运动来实现。

2.5.1混合功能

混合冷、暖空气来实现出风口温度的调节与控制。

以下是几种实例：

2.5.2分发功能

分发功能是车内得到很好舒适性的关键因素，起到风量平衡的作用。

分发功能主要包含3个风量的分配，分别是除霜（Def）,通风(Vent),吹脚(Feet)，根据不同需要，可以组合多种模式，如除霜吹脚模式，通风吹脚模式，通风除霜模式，大多数采用4种或5种模式，其中通风模式，吹脚模式，通风吹脚模式，吹脚除霜模式，除霜模式这5种是最常用的。

●靠两个风门实现分配功能，如下图

●靠多个风门实现风量分配，如下图

风量平衡要求首先要制定一个合适的标准，如Audi B8:

2.6运动机构

HVAC上所有的机械运动都需要运动机构来实现，如各种风门的转动，水阀的开启与闭合等，动力来源

有的是靠手动的拉丝，有的是靠微电机，而连接动力源和各种风门或阀门的部件我们称作传动机构。

传动机构包含各种塑料连杆，塑料拨杆，塑料齿轮，有导向作用的塑料拨盘，金属拉杆，金属连杆等，

将这些零件有机的连接起来，达到精确传动的作用。

2.6.1运动机构设计要素

●运动机构越简单就越稳定

●微电机的控制力矩根据外部温度的变化而变化（一般两个风门以上传动的力矩计算要考虑到微电机能

提供的最大力矩）

●使用连杆传动时避免死链接的发生

●手动空调采用拉丝传动最多采用2根拉丝

●选择模数为1.5的齿轮系统

●设计防差错功能（配合唯一性）

●考虑运动机构的位置返回问题（主要由于空气压力造成）

●采用不同材料的零件（避免由于零件间由于摩擦造成的噪音）