汽車散熱器的優化設計及傳熱性能分析的研究

關鳳艷

（北汽摩有限公司 散熱器分廠，北京 101500）

0 引言

汽車散熱器是汽車冷卻系統中不可缺少的一個組成部分，其性能好壞對發動機的動力性、經濟性和可靠性有很大的影響。帶有百葉窗的散熱器具有切斷散熱帶上氣體邊界層的發展、減薄邊界層厚度、提高散熱器性能的作用。對其內部的流動結構、傳熱與阻力特性進行了系統的研究。目前國內散熱器產品中，開百葉窗的散熱帶及管帶式散熱器產品所占比重明顯上升，產品結構向緊湊、高效、低耗、輕量化方向發展。但國內一些汽車散熱器生產廠家在散熱器設計和應用過程中，對其傳熱與流動性能的計算方面的工作還比較欠缺，主要是通過實驗加以解決。2JC型汽車散熱器是一種鋁塑制帶百葉窗管帶式汽車散熱器，因其主要應用在軍車上，軍工產品的特殊性及嚴格性，我公司為了進一步提高產品的散熱性能及產品的質量，提出在盡量不改變散熱器生產的刀具、模具，保持原有裝配結構尺寸的基礎上，使該散熱器的散熱能力提高20%。為此，我們對帶百葉窗的管帶式散熱器內的傳熱與流動阻力特性進行了研究，編制了汽車散熱器的傳熱與流動阻力計算程序，并由此分析了散熱器結構參數與材質對散熱性能的影響，提出了提高2JC型汽車散熱器散熱能力的方案，為實現散熱器結構設計計算機程序化、提高設計的準確性和最優性奠定了基礎，也為實施汽車散熱器散熱性能改善措施提供了有效的理論依據。

1 理論計算值與實驗值的比較

關于帶百葉窗散熱帶的汽車散熱器的換熱性能和空氣側流動阻力的理論分析和計算方法。以該理論模型為基礎，我們編制了計算散熱器流動阻力與傳熱性能的計算機程序，并計算了2JC型汽車散熱器的散熱量與風阻。2JC型汽車散熱器的主要結構尺寸見表1。散熱帶上百葉窗尺寸采用SUFCOM75A表面輪廓度、粗糙度測試儀測量，結果見表2。表中各符號的定義如表1所示。

表1 C6型汽車散熱器結構參數

表2 百葉窗結構參數

圖2為散熱器進口水溫為90℃，進口風溫為30℃，冷卻水流量分別為50 L/min和80L/min時，C6型汽車散熱器傳熱性能計算值和實測值”的比較。

由圖中可知，理論值與實測值基本吻合，最大相對偏差為8.9%，且在高風速區域誤差較大。圖3為風阻的理論計算值與實測值的比較。風阻的理論值在低速時與實驗值相差不大，但隨著速度的增加，偏差增大，理論值最多低于實測值35.5%。我們認為在高風速區風阻理論值偏低的主要原因在于Webb的風阻理論計算式中只涉及了散熱器芯內部的沿程阻力而未計入空氣進、出散熱器芯產生的局部阻力損失。但在常見的工況范圍內理論值與實測值基本吻合。

圖1 散熱帶百葉窗結構簡圖

圖2 散熱器傳熱性能計算值與實測值比較

2 散熱帶結構參數對散熱器性能的影響

筆者采用編制的計算程序對不同散熱帶結構參數的散熱器的風阻與傳熱特性進行了計算，下面分別對各個結構參數的影響進行討論。

2.1 散熱帶波距對散熱器性能的影響

圖3 散熱器風阻計算值與實測值比較

其余參數不變，而散熱帶波距分別為3.5 mm、3.0 mm、2.5mm和2.0 mm的散熱器的傳熱與風阻理論計算值，如圖4、圖5所示。散熱器的散熱量隨散熱帶波距的減小而增加，同時風阻也隨之增大，散熱器芯的重量增加。

圖4 不同散熱帶波距的散熱器的傳熱性能

圖5 不同散熱帶波距的散熱器的風阻特性

2.2 百葉窗開窗角度對散熱性能的影響

散熱器百葉窗開窗角度分別為25°、30°和35°時的性能示于圖6、圖7。由圖中可知，隨著開窗角度的增加，散熱器的散熱量和風阻都隨之增加，但散熱量的增加幅度很小。

圖6 百葉窗開窗角度對傳熱性能的影響

圖7 百葉窗開窗角度對風阻特性的影響

2.3 散熱帶材質和厚度對散熱器性能的影響

散熱帶材料為鋁合金（導熱系數為180 W/m·oc）、百葉窗開窗角度為30°、冷卻水流量為40 Llmin時，散熱器的散熱量、風阻與空氣流速的關系。散熱帶材質對散熱器散熱性能影響較大。因此提高散熱帶材料的導熱系數主要使散熱帶肋化效率增加，從而提高了風側換熱性能，使整臺散熱器的散熱量增大。通過大量的實驗證明，散熱器的散熱量和風阻隨帶厚度的增加而增大，在本文的帶厚度變化范圍內，帶厚度對散熱器的換熱和風阻的影響較小。

3 2JC型汽車散熱器改進方案

根據前述的分析結果，筆者將C6型汽車散熱器的散熱帶的波距由原來的3.5mm減小至3mm，同時將散熱帶厚度由原來的0.09mm減薄至0.07mm，其余結構尺寸不變。改進后的散熱器的散熱量將比原散熱器增加20.1%，風阻增大11.0%，而散熱器芯重量由2.166kg增加到2.056kg，重量幾乎不變。從理論計算而言，這種方案完全能夠滿足生產廠家的要求，而且在實現該方案時，將不用改變各主要的生產工藝、刀具、模具。

由于新材料的引進及對產品耐腐蝕性能進一步研究，在這里我們簡單介紹一下散熱帶與散熱管材料的匹配，那么散熱管和散熱帶材料如何搭配才能起到電偶保護的作用呢？散熱管表層與散熱帶電位差最好在50～105之間，散熱管芯層電位與散熱帶電位差最好在70～140之間，注意散熱帶的電位要低于散熱管的電位，這種電位差異對腐蝕的影響很大。最佳合金的電位搭配對整個散熱器來講，在腐蝕方面，在同等條件下，首先腐蝕的是散熱帶，而在此過程中散熱管是完好的。只有散熱帶完全腐蝕了，散熱管才開始腐蝕。這樣就有效的保護了散熱器整體密封閉性能，并提高散熱器系統的抗腐蝕性能。

4 結論

文章主要討論了通過理論計算和實際實驗數據進行對比。結果表明：散熱帶波距是影響散熱器性能的主要參數，散熱量隨散熱帶波距的減小而增加，而百葉窗開窗角度在25 °～35 °、散熱帶厚度在0.06～0.10 mm范圍內變化對散熱器散熱量的影響較小。

通過實驗對比研究，對散熱器的散熱性能有了進一步的了解。而且能很好的應用在以后的設計中。

[1] 散熱器設計手冊[Z].