淺談汽車散熱器的材料設(shè)計(jì)

楊雷

摘 要：散熱器是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中核心的部件，其性能的好壞直接影響冷卻系統(tǒng)整體的散熱性能，本文主要對(duì)汽車散熱器結(jié)構(gòu)、材料選擇等方面進(jìn)行總結(jié)和敘述。

關(guān)鍵詞：散熱器;熱傳導(dǎo)性;散熱

0 概述

冷卻系統(tǒng)是保證汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在適宜溫度下正常工作，隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的強(qiáng)化，人們對(duì)散熱器的研究越加重視。在保證散熱器散熱能力和強(qiáng)度的前提上，隨著銅/鋁硬釬焊新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，促進(jìn)了散熱器新材料的開發(fā)和應(yīng)用。

1 散熱器結(jié)構(gòu)類型

（1）散熱器是汽車水冷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中不可缺少的重要部件，負(fù)責(zé)循環(huán)水的冷卻，冷卻液在散熱器芯內(nèi)流動(dòng)，空氣在散熱器芯外通過。熱的冷卻液由于向空氣散熱而變冷，冷空氣則因?yàn)槲绽鋮s液散出的熱量而升溫，所以散熱器是一個(gè)熱交換器。汽車散熱器結(jié)構(gòu)也不斷適應(yīng)新發(fā)展，散熱器總成通常由上水室、出水室及散熱器芯組成，正朝著輕型、高效、經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。

（2）散熱器的結(jié)構(gòu)形式可分為直流型和橫流型兩種形式，如：圖1所示。直流型散熱器的進(jìn)出水室分別位于散熱器芯部的上下方，由于散熱器芯部垂直布置，因而高度尺寸較大，在很多汽車上廣泛應(yīng)用;橫流型散熱器采用散熱器芯部水平布置，用左右兩側(cè)的水室替代上下結(jié)構(gòu)的水室，冷卻液水平流動(dòng)，因此水平尺寸較大，往往應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋較大的車型。

（3）散熱器芯部結(jié)構(gòu)主要有管片式和管帶式兩種。管片式散熱器芯部由許多細(xì)的冷卻管和散熱片組成，冷卻管大多采用扁圓形截面，以減少空氣阻力，增加傳熱面積，因結(jié)構(gòu)剛性好，承壓能力強(qiáng)，但制造工藝較復(fù)雜，故多應(yīng)用于工況較差的載重車;管帶式散熱器是由波紋狀散熱帶和冷卻管相間焊接而成。在相同條件下，管帶式與管片式相比，散熱面積可增加12%左右，另外散熱帶上開有擾動(dòng)氣流的類似百葉窗的孔，以破壞流動(dòng)空氣在散熱帶表面上的附著層，比普通的平片散熱片傳熱效率提升160%，因此種形式的散熱效果較好，且質(zhì)量輕，便于制造等優(yōu)點(diǎn)，故廣泛應(yīng)用于轎車和輕型車。

2 散熱器材料選擇

2.1 材料要求

傳熱系數(shù)是評(píng)價(jià)散熱器散熱性能的重要參數(shù)，影響傳到系數(shù)的因素較多，其中散熱器材料的導(dǎo)熱性和焊接質(zhì)量對(duì)其影響較大。在散熱效果同等的條件下，使用較小尺寸和質(zhì)量的散熱器是設(shè)計(jì)工程師的最終目標(biāo)。散熱器一般不至于汽車前端迎風(fēng)處，不因要經(jīng)受風(fēng)吹雨淋、廢氣、泥沙等惡劣環(huán)境的污染，還要承受反復(fù)的熱玄幻和周期性的振動(dòng)，而且長(zhǎng)期流動(dòng)著冷卻液對(duì)散熱器也有腐蝕作用，所以對(duì)散熱器材料性能要求較嚴(yán)格，具體如下：①具有良好的導(dǎo)熱性;②具有一定的強(qiáng)度和較強(qiáng)的耐腐蝕性;③良好的加工和釬焊性能;④良好的經(jīng)濟(jì)性。

2.2 常用散熱材料

汽車散熱器材料與制造技術(shù)發(fā)展很快，常用的散熱材料主要有銅、鋁和工程塑料等。

（1）銅是導(dǎo)熱性能最好的金屬材料，有良好的成型加工性、可釬焊性和耐腐蝕性，一直以來作為汽車散熱性的首選材料，但價(jià)格問題和資源問題困擾著銅散熱器的應(yīng)用。銅在工業(yè)上應(yīng)用較為廣泛，隨著近代工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)銅的需求與日俱增，價(jià)格相應(yīng)的也是居高不下。由于汽車散熱器長(zhǎng)期在惡劣的環(huán)境中使用，散熱器容易出現(xiàn)泄漏問題，為了解決這個(gè)問題，往往在其表面覆蓋一層保護(hù)層錫，導(dǎo)致散熱性能大幅度的下降。通過技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，在銅中加入微量元素可在不損失導(dǎo)熱性能的前提下，提高其強(qiáng)度和軟化點(diǎn)，進(jìn)而減薄材料厚度，節(jié)省使用量來降低質(zhì)量和成本，但由于仍是以銅為主材料，并未從跟本上解決材料源問題。銅散熱器制造技術(shù)和工藝已有了長(zhǎng)足的發(fā)展，銅硬釬焊散熱器在客車、工程機(jī)械、重型卡車等發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器方面優(yōu)勢(shì)明顯。

（2）隨著汽車散熱器材料與制造技術(shù)發(fā)展，鋁散熱器以其在材料輕量化上的明顯優(yōu)勢(shì)，在轎車與輕型車領(lǐng)域逐步取代銅散熱器，雖然鋁的熱傳導(dǎo)性比銅低近60%，但由于銅散熱器有保護(hù)層錫，使得鋁散熱器反而比銅散熱器熱傳導(dǎo)性高些，另外鋁還有良好的鑄造性。雖然鋁散熱器具有質(zhì)量輕、成本低、散熱性好的優(yōu)點(diǎn)，但局限于焊接工藝性較差、生產(chǎn)設(shè)備投入的劣勢(shì)限制了其廣泛應(yīng)用。國外轎車配套的散熱器多為鋁散熱器，主要是從保護(hù)環(huán)境的角度來考慮（尤其是歐美國家）。在歐洲新型的轎車中，鋁散熱器占有的比例為90%左右。從我國汽車散熱器生產(chǎn)的發(fā)展前景看，硬釬焊生產(chǎn)的鋁散熱器逐漸成為主流。

（3）隨著汽車技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，以輕量化為設(shè)計(jì)目標(biāo)，減輕汽車整體的質(zhì)量要求，各零部件都在尋求可替代的材料，許多新材料開始在散熱器上應(yīng)用，其中散熱器上下室材料逐漸被工程塑料所代替。常用的使用加入玻璃限位的尼龍66注塑加工成散熱器的水室，并以機(jī)械的方式散熱器芯部相結(jié)合裝配，通過相交密封圈使接合面達(dá)到密封的目的，同時(shí)還起到防振的作用。同時(shí)尼龍66具有良好的耐腐蝕性，非常符合散熱器的使用環(huán)境;良好的可塑性讓散熱器看起來更加輕巧和美觀;耐高溫行也可使散熱器的底盤保持不變形，進(jìn)而保證氣體的正常流動(dòng);工藝簡(jiǎn)單且成本較低等優(yōu)勢(shì)，在轎車上已得到較為廣泛的應(yīng)用。

3 結(jié)束語

汽車散熱器材料設(shè)計(jì)不僅僅是材料本身的設(shè)計(jì)，而是需要與之配套的制造工藝技術(shù)同步發(fā)展與創(chuàng)新。相信隨著汽車工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，新的散熱器材料將會(huì)面世，以滿足散熱器體積小、質(zhì)量更輕、散熱效率更高的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

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