汽車散熱器發展淺析

劉建設

（西安工業大學，陜西 西安 710032）

散熱器是汽車發動機的冷卻系統中必不可少的的重要部件，是一種將發動機水套內冷卻液所攜帶的多余熱量，經過熱交換，在外界強制氣流的作用下，向大氣散發的熱交換裝置。因此，散熱器性能的好壞，直接影響到汽車發動機的性能，乃至關系到汽車能否安全行駛的問題。目前，散熱器正在向高效、輕型、經濟方向發展。

1 汽車散熱器的構造

散熱器由冷卻用的散熱器芯子、儲存冷卻液的上水室與下水室組成。由于散熱器工作時產生水蒸氣，因此上水室還承擔汽水分離的作用。

1.1 散熱器的機構形式

強制循環式水冷用散熱器，可分成橫流型與直流型。

其中直流型散熱器，在汽車發動機上的應用十分廣泛。然而，由于其散熱芯子垂直布置，芯子上下分別布置了下水室與上水室，因此高度比較大。在發動機罩蓋較低的轎車上布置比較困難。因此有些轎車上采用散熱器芯子水平布置，用左右兩側的水室代替傳統的上下水室結構，冷卻液左右流動的橫流式散熱器[1]。這種散熱器寬度尺寸比較大，芯子有效面積增加10%，從而加大了風扇尺寸，得到更多的迎風面積，使氣流更為流暢。

1.2 散熱器芯子的結構型式

散熱器芯子是散熱器的重要組成部分，起主要的散熱作用。散熱器芯子主要有散熱片、散熱管及上下主片等組成。由于其具有足夠的散熱面積，因而能保證將必須的熱量從發動機散發到周圍的空氣中。且散熱器芯子是用導熱性能良好的金屬及其合金制造的。能使散熱器芯子以最小的尺寸及質量，達到最高的散熱效果。

散熱器芯子的結構，主要有管帶式、管芯式、細胞式、管片式等。管帶式散熱器可以采用雙列、單列或多列散熱管。多列散熱管可以在有限的空間尺寸內，獲得更好的冷卻效果。現代汽車上，隨著發動機強化程度的提高，熱負荷也日益增加。此外，在采用自動變速箱時，自動變速箱所用的機油也需要冷卻[2]。因此在冷卻系統內需要增加油—水交換器。這樣就增加了散熱器所提供的散熱量。多列與雙列的管帶式散熱器，在現代汽車發動機上的應用增多。同一系列的轎車，在采用手動變速箱時，裝單列冷卻管帶式散熱器，可以滿足散熱需求；而采用自動變速箱時，則需裝用雙列或多列管帶式散熱器。

管片式散熱芯子，是由許多散熱片及散熱管組成。散熱管外面串裝了許多薄的散熱片。空氣在平行的散熱管及散熱片的外表面所形成的風道中通過，從而使散熱管內流動的冷卻液得到冷卻。管片式散熱器的主要優點，是結構強度好，且能更好地避免油污、塵埃等堵塞芯部。多用于工況惡劣、振動較大的載重汽車上。

而管帶式散熱芯子，由于其是由波紋狀的散熱管與散熱帶相間排列構成的。且在散熱帶上開有許多類似百葉窗的孔，以破壞空氣流在散熱帶表面上的浮著層，提高散熱能力。這種散熱器的芯子與管片式相比較，制造工藝簡單、成本低、質量輕，散熱能力更高，但是結構強度不如管片式好。

2 銅質與鋁質散熱器的應用

由于銅的導熱性良好，易于焊接加工且耐腐蝕，長期以來，很多汽車企業一直使用銅及銅合金制造汽車發動機散熱器。然而隨著社會的進步，汽車工業的飛速發展，人們始終力圖降低汽車的自重，節省材料消耗，于是鋁質散熱器得到了應用。

散熱器的主要功能，是為了散熱，由于銅的導熱性比鋁要好許多，人們一直采用銅及銅合金生產散熱器。然而汽車散熱器的工作環境較為惡劣，為避免銅散熱器與硫、氨化氫、氫化物及酸等物質接觸，以便延長銅散熱器的使用年限，往往需要在銅散熱器的表面上覆錫保護層與浸漬鉛錫釬焊成型，這樣導致銅散熱器的散熱效率反而比鋁散熱器要低很多[3]。并且鋁散熱器采用的是焊接強度高、抗腐蝕性能良好的防銹鋁合金材料，用這種材料制成的鋁散熱器具有散熱效果良好、凈質量小、耐用、節能、造價低、裝拆方便、經濟性與實用性都優于銅散熱器的很多優點。

2.1 結構強度比較

銅質散熱器常采用軟釬焊，焊接強度為800～1000MPa，而鋁質散熱器采用硬釬焊，焊接強度為950～1300MPa，因而鋁質散熱器可以承受更大的外力。銅質散熱器的散熱管通常是咬縫管，焊縫也采用軟釬焊，鋁質散熱器的散熱管采用的是高頻焊管，焊縫強度甚至高于母材，鋁質散熱器可以承受更大的系統壓力，在進行水爆壓力試驗中，高頻焊管的爆破點通常出現在焊縫附近的母材上，而不是焊縫上。另外，鋁散熱器與銅散熱器一樣，能夠經受住以相關技術章程中規定的振動方式的臺架振動試驗630萬次而不損壞，完全能夠滿足裝車狀況下的使用要求。

2.2 產品凈質量比較

鋁的密度為2.7 g/cm3，銅的密度為8.9 g/cm3，同樣體積時，鋁的凈質量僅是銅的30%。由于延展性的限制，鋁材料的軋制厚度比銅要高1倍左右。同樣，散熱能力和外形尺寸條件下，鋁制產品的凈質量要輕40%左右，整車的輕量化具有更高的經濟性。

2.3 散熱器散熱性能比較

從鋁與銅這兩種材料來說，銅的散熱系數比鋁要高82%左右，通常情況下，具有同樣規格尺寸的散熱器，鋁散熱器的散熱性能比銅散熱器要低，但實際情況是鋁散熱器的散熱性能要高于銅散熱器。這首先是因為加工工藝造成的，銅散熱器的芯子采用鉛錫合金焊接，合金的導熱系數只有鋁的23%，導致熱量傳遞過程中有較大的熱阻；另外，銅散熱器在焊接過程中，水管和散熱帶之間的填料與母體發生反應，形成厚度較大的銅錫合金，也嚴重影響了它的散熱[4]。而鋁散熱器所使用的焊料是硅鋁合金，與母體的材料相同，在釬焊爐中熔化后，會有一部分擴散到母材中，焊角處的厚度很小，對散熱性能的影響也較小，所以硬釬焊鋁制散熱器的散熱性能，比銅散熱器要高。通常相同芯體尺寸的散熱器，鋁散熱器的散熱性能要比銅散熱器高100%以上。所以，在已有車型上更換鋁散熱器，在保證連接尺寸不變的情況下，芯體的尺寸做得薄且小，而散熱性能又有所提高。

3 結束語

鋁散熱器無論在強度和可靠性能上，都不亞于銅散熱器，其自重質量和價格上更有優勢。隨著汽車輕量化和節能要求的日益提高，作為汽車重要部件的散熱器，也日益向高效化和輕量化方向發展。目前隨著鋁散熱器的加工工藝的提高，根據鋁散熱器目前的技術狀態和加工工藝水平，完全能夠滿足轎車和大部分重型汽車的要求。鋁質散熱器在汽車上的應用，不僅降低了企業的生產成本，提高了其市場競爭力，而且對節能減排，節約重要的戰略資源有著重要的意義。

[1]王賢海.汽車散熱器發展現狀及新技術[J].重型汽車，2007，（6）：67-69.

[2]劉靜安.鋁材在汽車工業上的開發與應用[J].鋁加工，2003，（5）：34-36.

[3]Manferd Groll Marcus Schneider Valerie Sartre.Thermal Control of Electronic Equipment by Heat Pipes[J].Rev Gen Therm，1998，（37）:323-352.

[4]袁序弟.鋁合金材料對汽車技術進步的作用[J].中國鋁業，2002，（9）：29-31.