車用鋁制散熱器滲漏問題分析

關鍵詞：車用散熱器；冷卻液滲漏；疲勞開裂；散熱管帶

0前言

根據采用的材質，車用散熱器可分為鋁制和銅制2 種，其中鋁制散熱器具有強度高、密度小、耐腐蝕、不會磁化和美觀等優點，因此被廣泛應用在機械、汽車、航空航天和艦船等領域。車用散熱器作為汽車冷卻系統的主要機件，是車輛的重要組成部分。鋁制散熱器以其在材料輕量化方面的明顯優勢，在轎車和輕型車領域已逐步取代了銅制散熱器，成為車用散熱器的主流產品。

車用鋁制散熱器最常見的故障為散熱器滲漏，特別是在我國寒冷地區時有發生。鋁制散熱器發生滲漏的常見原因包括使用的冷卻液不合規、散熱器減振措施不合理、散熱器制造工藝存在缺陷［1］、散熱器結構不合理［2］等，這些原因已經過大量的分析論證，此處不再贅述。

本文對實際使用過程中的車用鋁制散熱器的內流場進行分析，采用試驗方法研究不同容量冷卻液對散熱器總成的影響。通過測量散熱器總成各個水管的內部溫度，模擬推算散熱器內流場，研究不同容量冷卻液時散熱器總成內流場的情況及其對散熱器的影響，以期為散熱器滲漏故障提供排查方向和依據。

1試驗內容

1. 1試驗平臺

本研究共搭建2 個試驗平臺，即流場分析試驗平臺和實車試驗平臺。流場分析試驗用于分析不同容量冷卻液時散熱器總成內流場，實車試驗用于研究冷卻液缺少對散熱器的影響。

1. 2流場分析試驗

為了解散熱器總成內部冷卻液流場的情況，在實車上進行測試。因散熱管內部縫隙僅2 mm，無法布置流量傳感器，故測試時將測量溫度的熱電偶插入散熱管內部，如圖1 所示，對流經散熱管內部的冷卻液溫度進行監控，以此推斷散熱器總成內部冷卻液流場的情況。溫度數據每秒采集1 次。

在散熱管距上、下水室主板20～30mm處芯體的左部（進水口一側）、中部、右部（出水口一側）共布置14 個測溫點，如圖2 所示。具體布置為散熱器芯體左部起向右第10、18、27、35、70、110 及120 根散熱管的上、下位置。

試驗時，環境溫度約為15 ℃，車輛駐車，調節發動機轉速對冷卻液進行溫度控制，使發動機節溫器處于時開時閉狀態，以模擬在寒冷地區的行車工況。散熱管下部測溫點數據為經風扇冷卻后的溫度，據此判斷內部流場的準確性較差，因此以采集的對應散熱管的上部溫度來判斷內部流場。圖3～圖5 為實車測試的散熱管上部溫度曲線。由圖3～圖5 可以看出：在冷卻系統內氣體未排凈、缺少冷卻液的情況下，散熱器總成左部與右部存在較大的溫差，且隨著冷卻液的進一步減少，左部與右部的溫差會變大，即散熱器左右兩端流場分布不均。

1. 3實車試驗

為研究散熱器中缺少冷卻液時對散熱器總成的影響，在低溫環境艙中進行實車試驗，以模擬寒冷地區環境。試驗時冷卻系統缺少冷卻液8 L，艙內環境溫度保持在?27 ℃（車輛持續進行熱交換時環境艙在100% 負荷下可保持的溫度）。

試驗時，車輛駐車，在試驗艙外通過遠程油門控制發動機轉速來控制冷卻液溫度，使發動機節溫器處于時開時閉狀態，以模擬在寒冷地區的行車工況。測試時，在散熱器上共布置14 個測溫點。測溫熱電偶置于2 根散熱管之間的散熱帶上，可通過該處溫度判斷散熱管內的溫度趨勢。試驗過程中低溫艙內的溫度監測情況如圖6 所示。由圖6 可以看出：在冷卻系統缺液情況下散熱器總成右部區域溫度變化較小，而左部區域散熱管因有冷卻液通過，此處溫度變化很大。在低溫工作試驗過程中該現象持續循環出現。

在低溫工作試驗過程中持續觀察散熱器有無滲漏。在試驗進行到15 h 左右發現散熱器總成發生滲漏，按照QC/T 468—2010《汽車散熱器》［3］的相關要求，對滲漏的散熱器總成進行密封性能試驗，以查找滲漏位置，結果如圖7 和圖8 所示。

打開故障件散熱管開裂處并清洗干凈后，將其置于體式顯微鏡下進行觀察，發現開裂處無明顯的宏觀塑性變形，斷面干凈，且在斷面可看到清晰的疲勞擴展紋，擴展方向由外向內，如圖9 所示。

將散熱管開裂面置于掃描電鏡下進行觀察，其微觀形貌如圖10 所示。散熱管開裂處具有明顯的疲勞擴展輝紋［4］，擴展方向由外向內，與宏觀下的觀察情況一致。通過理化分析可知，散熱器總成滲漏由散熱管疲勞開裂所致。

2試驗結果分析

在散熱器總成缺少冷卻液的情況下，當發動機節溫器開度較小時，散熱器總成左部區域與右部區域的溫差很大，且存在右部區域溫度趨于環境溫度的情況。這種情況會造成以下影響：

（1） 節溫器開啟后，散熱器左部區域溫度升高，散熱管受熱膨脹；當散熱器內低溫冷卻液被發動機水泵抽回至發動機后，發動機內冷卻液溫度降低，隨即節溫器關閉。節溫器關閉后，左部散熱管內冷卻液因外部冷卻風扇吸風換熱，此處溫度很快降至接近環境溫度，左部散熱管受冷收縮。散熱管內高溫與低溫的差值越大，散熱管因冷熱交變而產生的變形量也會越大。

（2） 右部區域散熱管因通過的冷卻液流量極小或無冷卻液通過，此處溫度趨近于環境溫度，變形量較小。

（3） 由于散熱器左、右區域散熱管變形量不同，造成上水室不能整體隨散熱管變形而產生較小的上下位移，特別是在寒冷區域行車過程中，這一現象會持續進行。這可能會導致散熱器總成左部散熱管因溫度交變產生疲勞斷裂，造成散熱器總成左下部滲漏，且隨著冷卻液的持續滲漏，散熱器總成左部區域滲漏區域會擴大。

3結語

在冷卻系統內部氣體未排凈的狀態下，當發動機節溫器開度較小時，散熱器總成左部區域與右部區域溫度相差較大，且存在右部區域通過的冷卻液流量極小或無冷卻液通過的情況，導致此處溫度趨于環境溫度。特別是車輛在寒冷區域行車過程中，發動機節溫器開度始終較小，右部區域散熱管因溫度趨近于環境溫度其變形量較小，而左部區域散熱管因冷熱交變而產生的變形量較大。上水室因右側散熱管的約束造成其不能整體隨散熱管變形而產生較小的上下位移，易導致左部區域散熱管產生疲勞斷裂，造成散熱器總成滲漏。

散熱器中存在的氣體會嚴重影響流場分布，在汽車散熱器設計之初可以考慮結合內流場分析，作為散熱器優化的主要內容。散熱器內流場分布不均會導致左右管帶變形量不一致，進而影響散熱器的使用壽命，因此可開發新型材料，在不影響換熱效率的情況下減小材料因熱脹冷縮而產生的變形。在散熱器使用維護過程中，特別是在換季保養更換冷卻液時，需要嚴格按照使用維護說明書進行保養，確保冷卻系統中冷卻液充足，以提高散熱器的使用壽命。