产品分析——空调

典型产品：空调 产品概述

         为了控制气温，解决温度过高对人类生产、生活带来的影响。空调的设计理念就是通过热交换，将室内的热量传递到室外。于是，设计空调的过程中就要考虑运用制冷系统与通风系统使空调完成空气的热交换。同时，需要电气控制系统完成对制冷过程的有序控制以及箱体系统实现对各系统的整合。
      空调的制冷系统包含压缩机、蒸发器、冷凝器、四通阀。

压缩机 是一种将低压气体提升为高压气体的从动的流体机械，是制冷系统的心脏。它从吸气管吸入低温低压的制冷剂气体，通过电机运转带动活塞对其进行压缩后，向排气管排出高温高压的制冷剂气体，为制冷循环提供动力。 冷凝器 压缩机吸入从蒸发器出来的较低压力的工质蒸汽，使之压力升高后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成压力较高的液体，经节流阀节流后，成为压力较低的液体后，送入蒸发器，在蒸发器中吸热蒸发而成为压力较低的蒸汽，从而完成制冷循环。对某些应用来说，气体必须通过一根长长的管子（通常盘成螺线管），以便让热量散失到四周的空气中，铜之类的导热金属常用于输送蒸气。为提高冷凝器的效率经常在管道上附加散热片以加速散热。散热片是用良导热金属制成的平板。 蒸发器 蒸发器就是室内机里面的，管子组成的，套有翅片。通过加热使溶液浓缩或从溶液中析出晶粒的设备。主要由加热室和蒸发室两部分组成。加热室向液体提供蒸发所需要的热量，促使液体沸腾汽化；蒸发室使气液两相完全分离。加热室中产生的蒸气带有大量液沫，到了较大空间的蒸发室后，这些液体借自身凝聚或除沫器等的作用得以与蒸气分离。 四通阀 通过改变制冷剂在系统管路内的流向来实现制冷、制热之间的相互转换。其工作原理是，当电磁阀线圈处于断电状态，先导滑阀在右侧压缩弹簧驱动下左移，高压气体进入毛细管①后进入右端活塞腔，另一方面，左端活塞腔的气体排出，由于活塞两端存在压差，活塞及主滑阀左移，使排气管与室外机接管相通，另两根接管相通，形成制冷循环。制热循环同理。 毛细管组件 毛细管组件包括毛细管和单向阀。其中单向阀普遍应用于空调室外机中，它由辅助毛细管及单向阀组成，空调不同型号的机器的单向阀组件大同小异。在单向阀上有一个箭头，它表示气流只能是按照箭头的方向流动，反向则停止，只能从辅助毛细管通过。单向阀组件它安装在室外机的下后方，通常有一块黑颜色的减震块包着，包沥青是起消音的作用。 单向阀组件只用在空调制热过程中，制冷中单向阀组件是不起作用的。单向阀组件在制热时的作用是为了增大制冷剂的流动阻力，减小制冷剂的流动速度，使制冷剂在室外机充分蒸发，使压缩机排出的制冷剂气体变为制冷剂液体，提高空调制热效果。

设计制造过程 空调的制冷系统制造所需零件示意图如下，材料已注明，金属零件的加工方式最后给出。

      冷凝器按冷却方式分为空冷式冷凝器与水冷式冷凝器。其中，水冷式冷凝器又分为壳管冷凝器、壳-盘管冷凝器、套管冷凝器、板式冷凝器。

壳管冷凝器（立式） 壳管冷凝器（卧式）

卧式壳管冷凝器的传热管如图，上图为低翅片管，下图为锯齿管。

壳-盘管式冷凝器

套管式冷凝器

      冷凝器的材料多为碳素钢与不锈钢，确保耐用且便于热传递。
      蒸发器由铜管、毛细管与翅片组成，毛细管的制作方式为将原料是PP-R、PE-RT等可热塑性塑料热熔成型，铜管与冷凝器类似，并包裹以铝合金做的翅片。
      压缩机主要由五大零件组成:上下法兰,汽缸,曲轴,阀片,活塞等。其中大多数都是使用铸件,其中上法兰中有一些小型号是使用粉末冶金件,大型号都是使用铸件,下法兰中除了双缸压缩机是使用铸件外,其他的也基本都是使用粉末冶金件。
     （四通阀的制作方式是保密的，在此不做陈述。）

金属加工步骤： 1、铸造

      液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法，通常称为金属液态成形或铸造。

2、塑性成形

      就是利用材料的塑性，在工具及模具的外力作用下来加工制件的少切削或无切削的工艺方法。它的种类有很多，主要包括锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等。

3、机加工：

      是在零件生产过程中，直接用刀具在毛坯上切除多余金属层厚度，使之或者图纸要求的尺寸精度、形状和位置相互精度、表面质量等技术要求的加工过程。

4、焊接：

      也称作熔接,熔接是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料如塑料的制造工艺及技术。

空调外机生产线工艺流程图[1] 主要环节（空调循环过程）

空调在物理原理上为一热泵，即在有外界做功输入的情况下，从室内吸热，向室外放热。其核心循环经过压缩机，冷凝器，蒸发器三个部件。在室内已经吸热的低压气体在压缩机中压缩为高温高压气体，流经冷凝器散热液化后流入室内，在蒸发器中汽化为低温低压气体从而吸收室内热量，吸热后再流向压缩机完成一个循环。

关键技术 1. 制冷剂 传统制冷系统采用氯氟烃CFC做制冷剂，但由于其对臭氧层破坏作用大，，现已逐步禁止使用。替代物质现在有氢氯氟烃HCFC和氢氟烃HFC两类，HCFC对臭氧层的破坏作用仅为CFC的百分之几，目前被作为CFC最重要的替代物质。HFC对臭氧层破坏系数为0，但是气候变暖潜能值较高。未来在解决了NH3易燃的缺陷后，NH3在热学性能上有很大优势，可能取代现有制冷剂。 2. 压缩机 2.1透平式压缩机 具有高速旋转叶轮的动力式压缩机。透平式压缩机是在通风机的基础上发展起来的，它广泛用于各种工艺过程中输送空气和各种气体，并提高其压力。仅仅适用于大型建筑物的空气调节，在大冷量范围内具有得天独厚的优势。

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2.2活塞式压缩机 依靠活寒往复运动使气体增压和输送气体的压缩机。应用范围广，但弊端是体积大，维护保养费用高，零件较多[2]

2.3涡旋式压缩机 涡旋式制冷压缩机由运动涡旋盘（动盘）、固定涡旋盘（静盘）、机体、防自转环、偏心轴等零 部件组成。具有效率高、体积小、质量轻、噪声低、结构简单且运转平稳等特点，在家用空调领域有很强的竞争优势。

3. IGBT绝缘栅双极型晶体管芯片 IGBT是空调变频器的核心元件，而变频器又是变频空调控制压缩机输出功率的核心。空调从电网获得220v50Hz交流电，先经过整流滤波变为直流电，再通过变频器转化为一定频率的交流电，与压缩机所需功率匹配，使压缩机保持在最佳工作状态。

我们的思考（分析、见解与展望） （分析）随着我国经济的不断发展与人民生活水平的逐渐提高，空调的使用也日益广泛。然而，氟氯烃CFC对臭氧层破坏较大，而氢氯氟烃HCFC易促进温室效应。此外，传统式空调的压缩机，不仅会发出噪音，而且其本身的运动部件也容易损坏、需要维护，寿命不长。 于是，我们思考到，是否有新式空调的出现能够缓解这些问题。 首先，一种以热电制冷系统为基础的“无运动部件、不污染环境、无噪音、结构简单、可靠性高、寿命长、体积小、制冷迅速、负荷可调性强、效率不随体积变化、直流供电、可反向加热”【3】的半导体制冷空调进入了我们的视野。然而，这种空调成本较高，效率偏低，尽管没有大范围推广，但它小型化、精确化的特点也已经使之应用于类似潜艇的一些特殊环境中。这是机械优化方法的电子化的体现。 另外一种避免了原动机的制冷方式，吸收式制冷，也被我们了解到。它仅需利用热源，甚至不依赖电力，就能安静地完成制冷，同时安全性也较高。然而，它也有缺陷，比如多个位置的压力调控问题普遍存在，冷水进出口温差可能不够，对冷水品质要求较高，溴化锂-水工质对情况下溴化锂的结晶问题等……【4】同时，常见的中央空调或者其他大型制冷系统里普遍运用的吸收式制冷机组，又有着非线性、难以控制的特点，此时就需要运用逆神经网络工具、粒子群算法这样的智能算法来优化之。【5】这是机械优化方法的智能化的体现。 于是我们又了解到一种新的想法，那就是综合使用上述制冷系统，来制造一种效率更高的空调，一种“以常态水为冷媒，将蒸发式、半导体和溴化锂三重制冷技术有机结合在一起”的节能环保空调。这种空调使用半导体制冷进行初步制冷，为溴化锂-水吸收式制冷提供高品质冷水并且用半导体的热端为吸收式制冷系统提供热源。最后，水作为冷媒经过吸收式制冷装置的降温以后，流经蜂窝状水帘，达到降低空气温度。同时，空调内负压设计可以有效清洁空气中有害物质，输出清新冷空气。【6】这套综合的制冷系统已经成功应用，而这是机械优化方法的综合化的体现。 （见解）于是，我们认为，在一个机械产品的优化过程中，可以尝试寻找电子化、智能化、综合化的方向，来寻找出路。（当然。这些也不是唯一的方向）此外，我们更加认识到，一个产品的逐渐臻于完美，并不是一个一蹴而就的过程，而是需要几代产品的累计、融合与发展的。空调的进化之路，就是一个鲜活的例子。 参考文献： [1]熊长春.空调生产线平衡研究[D].绵阳:西南科技大学,2018:22. [2] 《制冷压缩机技术现状及未来发展趋势》https://wenku.baidu.com/view/912bcd1f492fb4daa58da0116c175f0e7cd119fc.html [3] 李 晓，孙宝红，彭庆龙. 半导体空调的理论研究与性能分析 [J] 制冷与空调，2013{4}：110-113，129 [4] 程洪涛，张春严. 蒸汽型溴化锂吸收式制冷机的维修与保养 [J] 科学管理，2018{6}：305 [5] 王亚昆，吴爱国，董娜. 吸收式制冷机组逆神经网络设定优化 [N] 西安交通大学学报2018{1} [6] 卢满怀，于晓光，汤绮婷. 一种节能环保空调设计 [J] 机械设计与研究，2011{8}：100-102