鋁質型管汽車散熱器

李政，李楊

(1.山東濟寧泰山散熱器制造廠，山東濟寧 272105；2.齊魯工業大學(山東省科學院)，山東省科學院自動化研究所，山東濟南 250353)

關健詞：散熱器；型管；主片；水室

0 引言

鋁塑汽車散熱器是當前車輛冷卻系統中最廣泛采用的冷卻部件。由于在實際使用中散熱器出現了一些不足，針對收到的市場反饋，實施了多項解決方案，但是，并沒能有效解決問題，因而對問題的關注從具體零件逐步發展到對散熱器結構的思考。出現的問題是：主片和塑料水室的先期制造投入大，價格下降困難；產品開發周期長；當主片與冷卻管連接處出現滲漏時不能焊修；靠近邊板處的冷卻管時常出現故障等。

上述問題的關鍵是：鋁塑汽車散熱器的水室是開式結構，只有與主片結合才能構成封閉的空腔，因而水室與芯體的連接不能離開主片，冷卻管集群和邊板也需要在主片上固定，所以，主片是鋁塑汽車散熱器結構中的關鍵零件。

如果取消主片零件，改變水室的開式結構，用型管把主片與水室的功能合為一體，直接與冷卻管連接，就從結構上改變一個散熱器品種，出現匹配一種專用的主片、塑料水室和橡膠密封條的情況。由此可以使生產成本大幅度降低，產品降價能夠實現，產品開發周期也能夠得到大幅度縮短。

型管汽車散熱器全部采用鋁合金材料，所以當散熱器出現泄漏時可以焊修，由此顯著降低了產品報廢率。

鋁塑汽車散熱器的芯體是管帶式結構，由于邊板與冷卻管在傳熱、冷卻的過程中，各自的膨脹、收縮不同步，致使芯體邊板附近的冷卻管常常發生泄漏故障。曹金山在文獻[1]中報道，鋁散熱器芯子受熱后體積膨脹較大，側板本身有一定的撓度或與水室連接時加緩沖墊，為體積膨脹留出余地。塑料水室不能作為承重件使用，需要安裝中冷器或冷凝器時，要單獨安裝或制作剛性框架集中安裝。

如果采用加強型冷卻管取代邊板，就可以從根本上解決這個受熱膨脹的問題。型管水室的強度和剛度都遠超過塑料水室，能夠作為承重件使用。由此因為塑料水室不能承重而專門制作剛性框架的情況也可以改變。

分析鋁塑汽車散熱器薄弱環節形成的原因，提出可行性的改進方案，有利于汽車散熱器的進一步完善。

1 鋁塑汽車散熱器的結構分析

鋁塑汽車散熱器的芯體由主片、冷卻管、散熱帶和邊板組合后釬焊完成，塑料水室壓裝在芯體的主片上，水室與主片之間由橡膠條密封。

鋁塑散熱器品種眾多，各品種之間的主要區別實質上是芯體的區別。芯體以散熱性能的需要作為設計的依據，水室等其他零部件的設計則是從屬于與芯體匹配并且滿足冷卻系統配置的需要。芯體的變化雖然很多，但是其結構形式在當前基本上就是一種，即管帶式結構。所以主要體現在芯體換熱面積的改變，通常表現為芯體尺寸的改變，而保證和固定這種改變的關健零件就是隨之變化尺寸的主片。

1.1 新產品開發

每種主片都需要經過拉深、切邊、翻邊、沖孔4道沖壓工藝過程，塑料水室需要經過結構復雜的塑料注射模具制造。只要芯體的尺寸改變，一般會導致主片尺寸改變，從而使與主片匹配的塑料水室和橡膠密封條也隨之改變，需要改變的零件都要重新做。

因而，散熱器的品種越多，主片、塑料水室和橡膠密封條的品種也就越多。例如，一家擁有1 000個品種的中等規模的汽車散熱器生產商，僅主片模具和水室注射模具就有5 000多套，這些模具不僅需要大量的投資，而且還需要專設模具庫房進行存放、管理、維修和保養。由于汽車設計改型很快，散熱器也常常需要隨之更新，一些原來開發的模具還沒有到壽命周期就不得不閑置起來，必須開發新的模具才能完成新產品的生產，如此被沉淀的模具數量也在不斷增加。

由于一個散熱器品種有多家生產商供貨，所以在散熱器行業里，為一個品種而由多家生產商各自開發的相同模具的數量則又擴大了N倍，并且這種重復開發的局面始終難以避免，最終導致了社會資源的重復消耗。

1.2 產品的生產

鋁塑汽車散熱器在生產過程中，塑料水室與芯體完成壓裝后，如果出現泄漏，只有一次拆開重裝的機會，重裝后如果再次出現泄漏，則芯體只有報廢。這是因為主片上的壓裝齒只能反復彎曲壓合2次，如果出現第3次，齒的彎曲壓合力就會大幅度降低，而且也常易折斷。由于芯體上的主片與冷卻管、散熱帶、邊板整體硬釬焊在一起，各個零件都已經不能完整拆卸下來，所以主片零件如果失去功效，整個芯體就要隨之報廢。

1.3 產品的使用

鋁塑汽車散熱器在裝車使用過程中，其泄漏故障多發生在主片與冷卻管的連接處，此處不能焊修，因為高溫會使緊貼主片的橡膠密封條失效，也會使塑料水室與主片壓裝齒緊密接觸的部分因受高溫而產生變形，發生泄漏，這些故障都會導致散熱器報廢。

由于塑料水室的抗沖擊能力低，如果行車途中塑料水室受到超出其強度允許的沖擊，產生的后果是水室會發生破裂，或者水室沒有破裂但是出現了變形從而與橡膠條之間的密封失效，這些故障同樣不可維修，散熱器也只能報廢。

1.4 芯體結構

鋁塑汽車散熱器芯體上的邊板和冷卻管都與相同主片釬焊連接，當高溫冷卻液通過冷卻管時，冷卻管迅速膨脹伸長，但是，邊板沒有高溫冷卻液通過，也就沒有條件像冷卻管一樣迅速膨脹伸長。冷縮時，兩者也不同步。所以，邊板和其附近的幾列冷卻管以及它們與主片的釬縫各自受到反向的作用力，長期反復如此作用的結果，常常是靠近邊板的冷卻管斷裂，或者與主片釬焊處的釬縫受到破壞，從而散熱器出現泄漏，冷卻液流失，發動機工作溫度升高。

顯然，上述在實際中存在的問題都與鋁塑散熱器自身的結構有關，與一個受主片零件制約的結構有關。所以，要從根本上解決這些問題，不能不考慮如何從水室與主片的結構上進行改變。

2 鋁質型管汽車散熱器的結構特點

鋁質型管汽車散熱器[2]的結構要點是取消了主片，把主片與水室的功能合并到型管上，用型管做散熱器的水室主體，在型管上加工出冷卻管孔和其他型孔。

沙拉等人在文獻[3]中報道，水室設計的目標就是在可接受的幾何形狀，以及較低的壓降下(水室中的壓降損失不會在兩種流體間產生任何的傳熱效果，傳熱過程只在換熱器的管芯部分發生)，為管芯部分的流動均勻分布提供支持。出水室的設計要與進水室相匹配(反之亦然)，以便使換熱器中心部分保持均衡的壓降，從而使得此處的流動均勻。

庫潘在文獻[4]中介紹，殼體內芯體的摩擦壓降是主要的，約占總壓降的90%以上。入口和出口損失在高雷諾數、短流動長度及短傳熱芯體時顯得重要。

塑料水室內腔一般都設有加強筋，型管水室內腔光滑平整，冷卻液的流動阻力低于塑料水室，兩者截面形狀大體接近，所以，型管水室代替鋁塑水室和主片不會增加冷卻液在散熱器流動中產生的壓力損失。

2.1 型管水室

型管水室主體示意圖如圖1所示。

圖1 型管水室主體示意圖

型管由擠壓工藝制造，材料3003，型管內表面鍍敷一層材質為7072的防腐層。謝建新等在文獻[5]中報道，型管截面外接圓直徑在50～100 mm時，最小可擠壓壁厚為1.2 mm，這是常規擠壓條件下的工藝參數，實際上，采用一些新的技術，可以成形壁厚尺寸更小的制品。所以，在滿足設計要求的前提下，型管水室的壁厚向小尺寸傾斜具備實際條件。

型管截面有多種類型，例如：矩形、D形、梯形等。由于矩形截面的型管便于加工和裝配附件，所以適合作為汽車散熱器水室的基本管形。

圖2為鋁塑散熱器水室結構示意圖，圖3為型管水室結構示意圖。

圖2 鋁塑散熱器水室結構示意圖

圖3 型管水室結構示意圖

矩形管水室上要加工出各類型孔，用以連接各類零件，其接頭形式均為套接。為保證釬焊強度和密封，型孔都需要沖孔翻邊，翻邊后的直邊高度為其套接接頭的長度，依下式確定[6]：

X=δ(D-δ)Yσb/τD

式中：X為套接接頭長度，mm；Y為安全系數(一般情況下為4～5)；D為管的外徑，mm；δ為板厚，mm；σb為母材的抗拉強度，MPa；τ為釬料的抗剪強度，MPa。

在型管的兩端安裝堵蓋，形成封閉的水室空腔。型管上安裝水室附件，如進水管、出水管、加水口、放水開關座以及支撐件等，由此構成水室總成。將水室總成安裝到芯體上。型管散熱器總成由夾具固定，經保護氣氛爐完成釬焊。

型管水室針對各種類型的散熱器具有廣泛的適應性，散熱器品種的改變，其改變的主體就是芯體，如果芯體的寬度改變，可以通過改變型管水室自身長度相適應；如果芯體的高度或者厚度改變，可以通過改變型管規格、型號，從而改變型腔的容積，以滿足芯體對水室容量的需要，這些改變十分方便和簡單。型管水室上面的附件安裝孔的位置、形狀以及大小，也都可以方便地隨之變化。

這種型管水室的結構，終結了主片、塑料水室先期制作的大量投入和多家供應商重復開發相同模具的情況，存放大量模具的庫房以及使用相關模具的專用設備等，也將不再需要。采用這種結構所帶來的一系列的變化，使散熱器新產品的開發成本能夠實現大幅度的降低，新產品開發周期也會隨之大幅度縮短。

2.2 加強管芯體

針對鋁塑汽車散熱器芯體上的邊板和冷卻管脹縮不同步，人們采取過多種措施，例如：

(1)將靠近邊板處的幾列冷卻管堵塞，不讓冷卻液從中通過，使其與相鄰的邊板脹縮同步，以此減少冷卻管被損壞的概率，但是，這也同時減少了冷卻液的流通量，從而降低了散熱器的散熱性能。

(2)完成芯體總成釬焊后，將其兩側的邊板鋸斷，這實際上變成了冷卻管起作用，邊板轉變成了擺設。

(3)把邊板中間部分的材料切除，剩余部分再預先彎曲，做成有膨脹節的邊板，但是，實際上達不到要求的效果，還新增加了邊板的制造成本。

李楊[7]提出了加強管芯體的結構，這種結構能夠應用在所有管帶式芯體的換熱器上，如汽車散熱器、中冷器、汽車空調平行流冷凝器、平行流蒸發器等。

結合上述分析，得出該技術方案：把芯體上的邊板取消，由冷卻管替代，將其稱為加強管。其有益效果：徹底消除了原來的散熱器芯體上邊板與冷卻管脹縮不同步的缺陷，還提高了散熱能力。

加強管既可以采用同芯體上的相同規格的冷卻管，也可以采用增加了管壁厚度的專用管。

2.3 型管散熱器的生產

鋁質型管汽車散熱器總成進入保護氣氛爐中釬焊前，必須夾緊固定，由于鋁合金的線膨脹系數比通常的金屬約大1/3，因此夾具應該采用撓性的。夾具材料采用發藍處理的鋼材或氧化處理的不銹鋼，以免讓夾具和鋁母材也釬焊在一起。最好使用自夾緊接頭，即用鉚釘、機械脹管、凸線壓緊、鎖縫甚至定位焊等辦法固定而不采用夾具。

經過NOCOLOK釬劑保護氣氛爐中釬焊后，散熱器形成了堅固的整體連接。進入密封檢驗工序后，如果檢測出來泄漏點可以采用火焰釬焊補漏。

張啟運等在文獻[8]中報道，氟鋁酸鉀釬劑用于火焰釬焊補漏對焊接工藝有一定的要求，這是因為氣體燃燒以后的廢氣主要是水蒸氣和CO2,火焰的高溫容易使KAlF4水解，使得水解產物脫水后的Al2O3殘渣增多。這時要耗費許多釬劑才能完成釬焊的過程并且接頭很不美觀。有經驗的焊工常在施加釬劑之前將工件充分預熱，達到釬劑融化的溫度再施釬劑，盡量縮短火焰和釬劑接觸的時間，只有這樣才能獲得比較滿意的結果。

采用中溫鋁合金釬焊是對型管散熱器焊修、補漏的另一項重要方法。釬劑的配方和應用如表1所示。

中溫鋁釬焊釬料有：Al-Cu-Ag-Zn系釬料(液相線溫度范圍400～500 ℃)，Al-Ge-Si系釬料(液相線溫度425～500 ℃)，Zn-Al系釬料(液相線溫度383～400 ℃)。

藥芯鋁釬焊絲是一種管狀的釬料合金絲中填充粉狀釬劑的復合釬焊材料，主要用于釬焊時不方便添加釬劑的情況。鋁氟酸銫填芯的Al-Zn(98%)焊絲。液相線溫度為400 ℃，幾乎適用于所有鋁合金的釬焊。

表1 鋁用硬釬劑的配方和應用[8]

補漏后要進行密封檢測，再發現滲漏，型管散熱器能夠接受多次補焊。

如果冷卻管出現漏點，鑒于管的壁厚僅為0.3～0.35 mm，需要采用鋁軟釬焊補焊。PHILLIPS在文獻[9]中報道，鋁和許多鋁基合金，可以采用和焊其他金屬相似的技術，進行軟釬焊。含鎂量不大于1%或含硅量不大于5%的鋁合金，最容易軟釬焊。包覆鋁合金，可以改善軟釬料和軟釬劑潤濕性能，并能減少軟釬料向合金中擴散。軟釬焊鋁，大多數軟釬焊釬劑的殘渣，能夠迅速地溶解于水。溫水能滿意地清除鋅軟釬劑殘渣，對低溫軟釬焊接頭應該用酒精清洗。

鋁軟釬劑[8]牌號：QJ204，成分為三乙醇胺(質量分數82.5%)，Cd(BF4)2(質量分數10%),Zn(BF4)2(質量分數2.5%),NH4BF4(質量分數5%)，釬焊溫度為270 ℃。鋁軟釬料：Cd70Zn釬料的液相線約為292 ℃，抗拉強度約為130 MPa。

由于能夠在散熱器總成上應用不同熔點的釬料進行釬焊補漏，從而在保證產品質量的原則下大幅度降低了生產過程中的廢品產出。

車輛行駛過程中，出現泄漏可以在沿途維修點焊修，現在的散熱器維修點大多數都可以操作鋁火焰釬焊。

2.4 型管散熱器的防腐蝕

楊前明在文獻[10]中報道，從2002年開始，由于主片孔蝕嚴重，造成散熱器漏水，散熱器公司因此造成的賠償大幅度提高，某公司最高時年賠償達到130萬元左右。

型管散熱器為全鋁材料，其內部流動冷卻液，外部處于車輛行駛的復雜環境中，預防和減少腐蝕是不容忽視的工作。

型管散熱器在保護氣氛爐中釬焊，使用NOCOLOK釬劑，沒有腐蝕，焊后允許焊劑殘留物殘留在工件上，不用清理。

作用于換熱器上的腐蝕種類主要有：電偶腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕和疲勞腐蝕。

(1)電偶腐蝕[4]。電動序不同的兩種金屬或合金在電解液中相互接觸時，電偶陽極的金屬發生腐蝕。熱交換器的一些特定部位對電偶腐蝕是敏感的，如：管子和管板間的接觸區域、焊接接頭、硬釬焊接頭，以及軟釬焊接頭等。預防措施：添加緩蝕劑來減少環境的侵蝕性或控制陰極或陽極的反應速率；使用犧牲陽極，如Zn或Mg作為兩種金屬結構的陽極。

(2)點腐蝕[4]。當保護性表面膜有一處損壞時，點坑就會產生。點腐蝕是最具侵蝕性的腐蝕形式并且由于表面穿孔而導致提前失效。預防措施：降低環境侵蝕性，這包括酸度、溫度、氧化劑和氯離子濃度控制；通過系統清理和消除滯流區域，保持管子的清潔。

(3)縫隙腐蝕[4]。少量溶液進入裂紋或溶洞的情況下,通常發生在只有幾個千分尺寬的縫隙內，而不發生于寬闊的間隙或溝槽內。相應的預防措施：結構設計應避免一切縫隙，不可避免的縫隙應填充焊接金屬或絕緣的密封劑或膠合劑；強調焊接金屬完全焊透的必要性，以避免很微小的縫隙存在；在設計中避免尖角、滯流區域；對于熱交換器管，建議最小流速為1.524 m/s；在管式熱交換器運行期間，盡量使流體以均勻的速度通過整個熱交換器。

(4)疲勞腐蝕[4]。對于有膜保護的合金，應力反向導致其保護性表面膜的再三開裂，這就使腐蝕性物質進入未受保護的金屬中，結果發生腐蝕。對于熱交換器，疲勞腐蝕能在任何管材上發生。相應的預防措施：使用防護性涂層；向環境中添加緩蝕劑；陰極保護。

2.5 型管水室的標準化

汽車散熱器上的零件、部件和材料等有的已經標準化，例如：JB/T 2292-1978《汽車拖拉機用散熱器進水口出水口加水口及蓋》，QC/T 29025-1991《汽車管帶式散熱器芯子型式尺寸》，GB/T 2532-2005《散熱器水室和主片用黃銅帶》等。

鋁塑汽車散熱器上每一個品種需要專用一種塑料水室，致使塑料水室的種類極多，且還沒有查閱到塑料水室的標準。鋁質型管汽車散熱器上的水室主體只有一種，即鋁質矩形管，能夠覆蓋幾乎所有的汽車散熱器，所以便于也應該實施標準化、系列化和通用化。

水室主體用鋁質矩形管的標準化是指將型管的材料、質量、規格、性能、結構等方面的技術指標加以統一規定并作為標準來執行。系列化是指對矩型管,在基本條件下規定出若干不同的尺寸系列。通用化是指在不同種類的型管散熱器或不同規格的型管散熱器中盡量采用同一結構和尺寸的型管。

實施“三化”的有益效果是減輕設計工作量,方便制造，合理發展產品品種，提高企業應變能力，易于保證產品質量，節約材料，降低成本，充分維護消費者利益。

3 型管散熱器對冷卻系統部件的集成

姜曉溪在文獻[11]中報道，冷卻系統的循環有兩種：一種是全封閉(膨脹水箱式)的壓力循環系統；一種是半封閉(溢流壺式)的壓力循環系統。

全封閉系統。膨脹箱是在壓力系統之內，壓力蓋一般設計在膨脹箱上，系統的壓力調節及釋放都是由膨脹箱實現的，在系統工作的過程中，膨脹箱隨時釋放系統壓力，為發動機補充冷卻液。

半封閉系統。壓力蓋一般是設計在散熱器的水室上，壓力蓋直接根據散熱器的壓力調節系統壓力。儲水桶的作用是當系統壓力高于壓力閥的壓力時，儲存從壓力蓋溢流出來的冷卻液，同時，當冷卻系統形成真空時，儲水桶里的防凍液被吸入散熱器里。

3.1 型管散熱器與膨脹箱

汽車冷卻系統中的膨脹箱，通常是作為一個部件單獨設置。但是，在型管散熱器上，可以將膨脹箱集成到水室上。

立式結構的型管散熱器，以矩形管做膨脹箱，疊加在上水室上，散熱器整體釬焊后，膨脹箱與上水室成為一體，膨脹箱與上水室之間的通道是一個φ8 mm小孔，膨脹箱上安裝加水口、排氣管接口、補水管和液面高度標識。

圖4為膨脹箱與上水室疊加示意圖，圖5為排氣孔剖面示意圖。

圖4 膨脹箱與上水室疊加示意圖

圖5 排氣孔剖面示意圖

膨脹箱在冷卻系統中的位置十分重要，放置不對會直接影響膨脹箱的功能。盧永生在文獻[12]中報道，若水箱的上水室低于發動機的出水口時，副水箱的底部要高于發動機的出水口；若水箱的上水室高于發動機的出水口時，副水箱儲液室的上平面應高于水箱上水室上平面。趙利德在文獻[13]中報道，膨脹箱的容量一般按照冷卻系統總容量的8%～14%，內部注水量通常按膨脹水箱容積的2/3～3/4來設計。

3.2 型管散熱器與儲液箱

儲液箱(或稱溢流壺、儲水桶)也像膨脹箱一樣設置在型管散熱器的上水室上面，與膨脹箱不同的是，壓力蓋設置在上水室上，壓力蓋上的排氣管與儲液箱連通，管口插入儲液箱內的液面以下。儲液箱上不設補水管，也不與發動機水套連接。

型管散熱器對冷卻系統部件集成的有益效果是提高了冷卻系統的緊湊度，降低了發動機艙的占用空間，減少了管路設置。

4 結束語

鋁質型管汽車散熱器產生于對市場反饋的研究，由此簡化了產品結構，提高了產品性價比，是對汽車散熱器的有益完善。