车载空调系统结构出风口设计优化策略

车载空调系统结构出风口设计优化策略

谢月淦

广东美的制冷设备有限公司

摘要：本文简述了车载空调系统结构组成及工作流程，并对车载空调系统结构出风口设计优化策略进行了探讨，以供同仁参考。

关键词：车载空调；系统组成；工作原理；出风口；优化设计

一、前言

近年来，随着车载空调系统的发展，空调风道实现了从无到有的转变，并且

在空调的发展过程中一步一步地优化和完善。发展到了今天，车载空调风道成为了空调系统中不可缺少的一部分，越来越受到各大厂商的重视。受到布置空间的限制，空调风道的设计是车载空调系统设计中最为困难的部分。空调风道是影响车载空调性能的重要结构，决定了车内温度，流场分布，及其压降风量分配等重要性能，直接影响整个空调系统性能，并进一步决定乘员舱内部流场，从而决定整车乘员舒适性。

二、车载空调的组成和工作原理

车载空调主要由制冷系统、取暖系统、送风系统、电子控制系统组成，

（1）制冷系统。如图1所示，从蒸发器来的低温低压制冷剂气体被压缩机压缩成高温、高压制冷剂气体，再被冷凝器冷却，变成中温度高压制冷剂液体，并通过储流体干燥瓶，根据冷负荷需求，多余的液体制冷剂被储存，干燥后制冷剂液体在膨胀阀中(由感温包制冷剂状态决定阀门大小)节流降压，制冷剂在蒸发器中，大量蒸发，吸收蒸发器外表面的热量，表面温度下降(鼓风机驱动空气通过蒸发器，放热后变成冷空气，后送到车内)，吸热后制冷剂在压缩机进气负压的作用下，吸入压缩机气缸，制冷剂进行下一周期运转，进而连续得到冷空气送到车内。

图1、空调制冷系统组成

1、压组机；2、冷扭翻；3.冷却风扇；4、鼓风机；5、蒸发器:6，膨胀阀；7、干燥过滤器；8，感温包；A、冷空气；B、热空气；

（2）暖风系统。车载空调取暖压缩机无关，加热热源不是空调本身，是由车载冷却水箱提供(暖风机总成中的副水箱)，早上热车前空调冷风吹出，热车后空调热空气流吹出，加热本身是使用车载的废热，不消耗能量。然而在冬天，为了提高水温，会增加燃料消耗。但等发动机运转正常后，就是使用发动机散热来加热车内了。(一些柴油车由于温度上升缓慢，为了早些享受温暖，在暖风机内部布置电热丝)。如图2，暖风系统在通风道里布置了加热器，在水道里设置了暖水阀，这阀受控于驾驶员或电脑的指令。当暖水阀开启时，较热发动机冷却水流经加热器，使加热器升温。鼓风机带动通风道里的空气流过加热器，出来之后就是供人享受的暖风。

图2、暖风系统示意

H、加热器；V、暖水阀

（3）送风系统。被蒸发器和加热器处理后的空气，按照驾驶员或电脑的指定被送到相应的空气出口，完成以上功能的装置就称为送风系统，如图3所示。一般包括三个部分:第一部分是进气部分，主要由控制新鲜空气进入和室内的循环模式的风门叶片和伺服机构组成。第二部分是空气混合部分，主要有蒸发器，加热器，用于提供温度适宜的空气。第三部分是空气分配部分，是由各种各样的风门和风口，实现空气的按质按量进行供给。工作过程简单概括如下:新鲜空气+车内空气(或按比例)→进入鼓机→空气进入蒸发器被吸热→由混合风门调节进入加热器→进入指定风口。送风模式有两类，一类是空气混合式:冷空气在空气混合风门的开度调节下，按一定的比例风量通过加热器。这种模式比较节能，但容易出现冷暖混合不均，空气温度调节精度差。另一种是全热式:冷空气全通过加热器。这种模式空气温度调节精度较高，出风温度均匀，但耗能较大。

图3、送风系统示意

A、前除霜器；B、侧除霜器；C、侧通风口；D、中央通风口；E、后通风口；F、前脚；G、后脚；H、下通风口；J、再循环空气；K、新鲜空气；1、送风机；2、蒸发器；3、侧通风口风档；4、通风混合控制风档；5.加热器芯；6、冷气最足阻风门；7、中央通风口风档；8、后通风口风档；9、侧通风口风档；10、除霜器风档；11、脚风档；12，通气换气口风档

三、车载空调系统结构出风口的优化设计

（1）装置工作原理。车载空调出风口的设计主要由外框、内外两组叶片、香薰片、紫外消毒机构和降噪机构组成，其结构如图4所示。外叶片组、内叶片组、紫外消毒机构、降噪机构从前至后依次排列安装于外框内，外叶片组、内叶片组分别由阵列设置的外叶、内叶阵列构成，外框内设置用于驱动外叶片组、内叶片组转动的联动机构，联动机构采用常规结构即可。

图4、汽车空调出风口结构示意图

    本优化设计的重点之一在于设置夹层式香薰片，香薰片设于外叶的夹层内，气流经外叶与香薰片接触，可带动香味随气流均匀地扩散进入车内，可以克服传统摆件式香薰器香味过度集中、夹持式香薰器局部受力过大的问题。同时，本设计于外框内安装紫外消毒机构和降噪机构，于气流必经通道内设置紫外消毒机构和降噪机构，可对气流进行消毒和降噪处理。

    工作时，空调输出的风进入出风口尾部，依次经降噪机构消音、紫外消毒机构紫外消毒后，经外叶片组、内叶片组导向排出。气流在经过外叶时，与香薰片接触，带动香味进入车内。

（2）关键装置的具体设计

1）香薰片安装结构的设计。内、外两组叶片分别由内叶、外叶阵列构成，通过联动机构转动安装于外框内部，叶片角度可根据需要调节拨钮。外叶的叶而开设用于固定香薰片的香薰槽，槽口安装有槽盖。槽盖采用翻盖式，一端铰接于槽口，另一端卡扣可拆卸连接并设置便于打开卡扣的拉环。香薰槽和槽盖开设供香薰片与外界接触的接触孔，以便气流与香薰片接触传递香味。叶片组安装结构如图5所示，香薰片安装结构如图6所示。

图5、叶片组安装结构示意图    图6、香薰片安装结构示意图

2）紫外消毒机构的设计。空调系统是汽车生产中不可缺少的设施，用以对车内

空气温度、湿度进行调节，改善汽车驾乘环境。然而，在车载空调营造舒适环境的同时，也而临长期运行、不易清洗、清洗不当等原因造成的汽车内部污染，如微生物污染等。车载空调微生物污染不仅会导致空调异味、破坏车内环境，严重时还会危害人体健康。随着人们生活水平的提高和健康意识的加强，关于车载空调异味的报道和消费者的投诉越来越多，在给制造商带来挑战的同时，也带来技术和设备改善和提升的机遇。

    空调系统中可能产生微生物污染的位置不少，其中蒸发器是产生微生物的重要部位。蒸发器是车载空调的重要组成部分，因不易清洗和不易更换等，为微生物的滋生和繁殖提供了适宜环境。空调系统在通过蒸发箱制冷时，会引起空气中的水分凝结，蒸发箱长期处于潮湿环境，空气中的灰尘、微生物和微生物的“种子”就会瓢在蒸发箱上繁殖形成真菌。真菌的繁殖能力很强，抱子的寄生欲望也很强，真菌、抱子会随着空调输出的气流接触人体并瓢附于其鼻瓢膜上，使人闻到臭味并引发呼吸道疾病。据检测表明，3年不清洗的车载空调蒸发箱上每平方厘米有1000-2000个真菌，抱子的数量更为庞大，长期受到真菌、抱子侵害会造成驾乘人员神经和内分泌紊乱、免疫抑制、致癌致畸、肝肾损伤、繁殖障碍等问题。

    紫外线杀菌消毒是利用适当波长的紫外线破坏微生物机体细胞中的DNA(脱氧核糖核醚或RNA(核糖核醚的分子结构，造成生长性细胞死亡和(卖再生性细胞死亡，达到杀菌消毒的效果。被上述微生物污染的物质，如水和空气均可采用紫外线消毒。

本优化设计中，紫外消毒机构包括消毒管和紫外消毒灯，消毒管可拆卸安装于外框内壁，紫外消毒灯安装于消毒管内壁。为防比消毒管照射老化，消毒管内壁可涂覆抗紫外涂料。消毒管外壁与外框内壁设置对应的滑台和滑槽，消毒管可拆卸安装外框内壁。紫外消毒机构如图7所示。

图7、紫外消毒机构结构示意图

3）降噪机构的设计。汽车室内噪声是汽车NVH<噪声、振动与声振粗糙度的主要内容，引起车内噪声的因素很多，主要有发动机噪声、进排气噪声、传动系噪声及高速行驶时的风噪声等。车载空调系统在正常工作时也会产生非常明显的噪声，若噪声较明显或乘坐人员对噪声较为敏感，则直接影响乘坐者的乘坐体验，让其产生焦躁情绪。

    车载空调产生的噪声有压缩机、冷凝器、风扇产生的机械噪声，也有膨胀阀的动作声、制冷剂的流动声、电动机的电刷声、调速机构的传动声及鼓风机、管路、格栅等构成的通风系统产生的运行噪声。其中，最大的噪声来源为通风系统运行过程中产生的噪声。

    在通风系统中，鼓风机是不可忽视的噪声源。风机在转动过程中，气流从叶轮压出，蜗壳内产生涡流、进风口出现气流紊流都会引起噪声。同时，气流流经通风管路时会遇到隔板、调节风门、格栅等障碍产生碰撞噪声，气流流经变化管路产生的空气紊流也会发出气流噪声。基于该问题，本方案对出风口降噪进行了一定的设计，目的在于调整结构达到一定的降噪效果。

方案中，于空调出风口增设降噪机构，降噪机构设置于紫外消毒机构后方，其主体包括可拆卸安装于外框内壁的降噪框，以及横向设于降噪框内的蜂窝降噪管。降噪框与外框设有对应的滑台和滑槽，降噪框可拆卸连接于外框内壁。蜂窝结构具有一定的降噪作用，当声波进入蜂窝后，声波引起结构发生共振，致使声能衰减。降噪机构的结构如图8所示。

图8、降噪机构结构示意图

（3）装置的应用流程

    本装置应用时，空调输出的气流接入本方案所述的出风口尾部，气流从尾部向前方输送，依次经降噪机构、紫外消毒机构、内叶片组、外叶片组。

    气流首先进入降噪机构的蜂窝降噪管，引起空气和材料的振动，在管内发生共振消音，由于摩阻力和瓢滞阻力，使一部分声能转化为热能散失，达到一定的降噪效果。通过降噪机构的气流进入紫外消毒机构，进入紫外消毒机构的气流通过消毒管，消毒管内的紫外消毒灯发出的紫外光能对气流中的细菌进行查杀，紫外线能够破坏微生物机体细胞中的DNA或RNA的分子结构，造成生长性细胞死亡、再生性细胞死亡，达到有效杀菌和消毒的效果。

    从紫外消毒机构输出的气流先通过内叶片组，内叶片组调节气流左右流动的方向。通过内叶片组的气流进入外叶片组工作区域，外片组调节气流上下流动的方向。

    香薰片安装于外叶片用于固定香薰片的香薰槽内，槽盖采用合页结构安装于香薰槽的槽口，对槽口进行封闭。香薰片放置于香薰槽内可以获得稳定的包裹和固定效果。

    香薰槽和槽盖侧而开设供香薰片与外界接触的接触孔，方案中接触孔可采用尺寸稍小于槽盖的大孔，香薰片与香薰槽尺寸大小匹配，此时只需要保证香薰片不会从孔中落出即可。这样既能保证香薰片与气流有效接触提供香薰效果，又能减少外叶的重量，克服重力对扇叶旋转定位产生的影响。

    气流经内外叶片组后可向车内吹送，气流均匀且扩散范围广。采用本方案设计的车载空调出风口，可达到较好的净化杀菌、降噪静音效果，有效改善车内空气质量，为乘车人员提供健康安全的乘车环境。

（4）车载空调出风口优化设计的应用效果

1）装置设计解决的问题。克服传统香薰产品扩散不均匀的问题。方案将外叶设

置为具有可放置香薰片的夹层结构，经过外叶的气流可带动香味均匀扩散以中和车内让人不愉快的气味，进而克服传统香薰器易使香味过度集中的问题。同时，方案中香薰片采用内置式夹层结构，不影响扇叶的旋转和定位，香薰产品也不会轻易掉落。可克服夹持式香薰器局部过重影响扇叶结构并容易掉落的问题。香薰片通过香薰槽和槽盖可拆卸式定位，也可局部更换，拆装方便。

    对空调输出气体进一步杀菌。装置在原有风道基础上设置紫外消毒机构，紫外消毒机构的紫外线能对经风口的气体进一步杀菌消毒，避免密闭空间内细菌持续滋生，避免因空气细菌引起呼吸道相关疾病。

    改善车内噪音问题。装置在原有风道基础上设置降噪机构，空调系统在工作过程中，风机运转会产生一定噪声进入车内，方案中降噪机构根据蜂窝降噪原理设置降噪通道，可吸收一部分噪声达到降噪目的。

2）装置应用的效果

    方案所述的车载空调出风口，将香薰装置、紫外消毒装置、降噪装置有机地结合起来，对经空调出风口的空气依次进行降噪、消毒、净化处理，可进一步净化输入车内循环的气体，保证车内人员的健康。

    紫外消毒机构和降噪机构串联设置，有序工作、互不干扰，能合理有效地集成于空调出风口中，结构紧凑，美观度高。

    香薰采用夹层式设计，能有效避免掉落风险。同时，所用的香薰片与气体接触而积大，能与气流充分接触输出香味，并使香味随气流均匀扩散中和车内空气。当然，如果使用者不喜欢香薰味道，可在夹层中放置活性炭吸附层，用以吸附气流中的异味和湿气，避免细菌滋生。

四、结语

综上所述，采用本文所述车载空调出风口，可对空调出风口空气进行净化消毒，提高空气净化效率。从装置的应用效果分析，车载空调出风口可对空调系统输出的气体进行净化进而杀菌，改善了车内空气质量，有效提高空气净化效率，使乘坐者身体得到更好的保护。

参考文献

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