淺談汽車散熱器的材料設計

楊雷

摘 要：散熱器是汽車發動機冷卻系統中核心的部件，其性能的好壞直接影響冷卻系統整體的散熱性能，本文主要對汽車散熱器結構、材料選擇等方面進行總結和敘述。

關鍵詞：散熱器;熱傳導性;散熱

0 概述

冷卻系統是保證汽車發動機在適宜溫度下正常工作，隨著對發動機性能要求的強化，人們對散熱器的研究越加重視。在保證散熱器散熱能力和強度的前提上，隨著銅/鋁硬釬焊新技術的應用和發展，促進了散熱器新材料的開發和應用。

1 散熱器結構類型

（1）散熱器是汽車水冷發動機冷卻系統中不可缺少的重要部件，負責循環水的冷卻，冷卻液在散熱器芯內流動，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，冷空氣則因為吸收冷卻液散出的熱量而升溫，所以散熱器是一個熱交換器。汽車散熱器結構也不斷適應新發展，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、經濟的方向發展。

（2）散熱器的結構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用;橫流型散熱器采用散熱器芯部水平布置，用左右兩側的水室替代上下結構的水室，冷卻液水平流動，因此水平尺寸較大，往往應用在發動機罩蓋較大的車型。

（3）散熱器芯部結構主要有管片式和管帶式兩種。管片式散熱器芯部由許多細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，因結構剛性好，承壓能力強，但制造工藝較復雜，故多應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氣流的類似百葉窗的孔，以破壞流動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，且質量輕，便于制造等優點，故廣泛應用于轎車和輕型車。

2 散熱器材料選擇

2.1 材料要求

傳熱系數是評價散熱器散熱性能的重要參數，影響傳到系數的因素較多，其中散熱器材料的導熱性和焊接質量對其影響較大。在散熱效果同等的條件下，使用較小尺寸和質量的散熱器是設計工程師的最終目標。散熱器一般不至于汽車前端迎風處，不因要經受風吹雨淋、廢氣、泥沙等惡劣環境的污染，還要承受反復的熱玄幻和周期性的振動，而且長期流動著冷卻液對散熱器也有腐蝕作用，所以對散熱器材料性能要求較嚴格，具體如下：①具有良好的導熱性;②具有一定的強度和較強的耐腐蝕性;③良好的加工和釬焊性能;④良好的經濟性。

2.2 常用散熱材料

汽車散熱器材料與制造技術發展很快，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，但價格問題和資源問題困擾著銅散熱器的應用。銅在工業上應用較為廣泛，隨著近代工業的快速發展，對銅的需求與日俱增，價格相應的也是居高不下。由于汽車散熱器長期在惡劣的環境中使用，散熱器容易出現泄漏問題，為了解決這個問題，往往在其表面覆蓋一層保護層錫，導致散熱性能大幅度的下降。通過技術研究發現，在銅中加入微量元素可在不損失導熱性能的前提下，提高其強度和軟化點，進而減薄材料厚度，節省使用量來降低質量和成本，但由于仍是以銅為主材料，并未從跟本上解決材料源問題。銅散熱器制造技術和工藝已有了長足的發展，銅硬釬焊散熱器在客車、工程機械、重型卡車等發動機散熱器方面優勢明顯。

（2）隨著汽車散熱器材料與制造技術發展，鋁散熱器以其在材料輕量化上的明顯優勢，在轎車與輕型車領域逐步取代銅散熱器，雖然鋁的熱傳導性比銅低近60%，但由于銅散熱器有保護層錫，使得鋁散熱器反而比銅散熱器熱傳導性高些，另外鋁還有良好的鑄造性。雖然鋁散熱器具有質量輕、成本低、散熱性好的優點，但局限于焊接工藝性較差、生產設備投入的劣勢限制了其廣泛應用。國外轎車配套的散熱器多為鋁散熱器，主要是從保護環境的角度來考慮（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的發展前景看，硬釬焊生產的鋁散熱器逐漸成為主流。

（3）隨著汽車技術的不斷創新和發展，以輕量化為設計目標，減輕汽車整體的質量要求，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，并以機械的方式散熱器芯部相結合裝配，通過相交密封圈使接合面達到密封的目的，同時還起到防振的作用。同時尼龍66具有良好的耐腐蝕性，非常符合散熱器的使用環境;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，進而保證氣體的正常流動;工藝簡單且成本較低等優勢，在轎車上已得到較為廣泛的應用。

3 結束語

汽車散熱器材料設計不僅僅是材料本身的設計，而是需要與之配套的制造工藝技術同步發展與創新。相信隨著汽車工業技術的快速發展，新的散熱器材料將會面世，以滿足散熱器體積小、質量更輕、散熱效率更高的發展趨勢。

參考文獻：

[1]張敏.汽車散熱器的設計及其發展[J].天津汽車，2002.

[2]肖永清，楊忠敏.汽車的反戰與未來[M].北京：化學工業出版社，2003.