新型高效换热管的换热原理

新型高效换热管的换热原理（节选）

田福生

（江苏兴荣高新科技股份有限公司）

新型高效换热管是采用铜铝材料经过界面冶金结合制造的，这种复合材料同时具有铜和铝的一些特性。但是否比单体材料性能优越，我们从金属学和传热学理论分析如下：

新型高效换热管主要用途是空调的蒸发器和冷凝器。而蒸发器和冷凝器主要结构是由运载制冷剂的载体管材和在其上的铝散热翅片所构成。散热片选用较高导热系数的材料对提高热传导效率很有帮助。如铝的导热系数为735KJ/(M.H.K)，铜的导热系数为1386KJ/(M.H.K)，同样体积的散热片，铜的重量是铝的3倍，而铝的比热仅为铜的2.3倍。所以在相同体积下，铜散热片可以比铝散热片容纳更多的热量，升温更慢。同样壁厚的管材，铜不但可以快速带走制冷剂的温度，自己的温度上升也比铝的缓慢，因此铜更适合做成新型高效换热管的内表面。铜的瞬间吸热能力比铝合金好，但散热的速度就较铝合金要慢，这主要是铝的比热比铜高2.3倍的缘故。考虑了铜和铝这两种材质各自的优缺点，因此新型高效换热管采用了铜铝复合制造，这种复合管材采用纯铜做为管材内表面金属，而管材外表面和散热鳍（翅）片采用铝合金。凭借较高的导热系数，铜制内层可以快速吸收制冷剂释放的热量；铝制外层与可以借助复杂的工艺手段制成最有利于散热形状的鳍片涨合在一起，铝鳍片提供了较大的储热空

间并快速释放。铝与铜之间没有任何介质，从微观上看铝和铜的原子相互连接

实现了冶金结合，从而彻底避免了传统的铜铝结合产生介面热阻的弊端，大大提高了产品的热传导能力。

对于铜铝等金属导热材料而言，比热和热传导系数是两个重要的参数。新型高效换热管的铜铝结构具有比较高的传热能力，首先是内层铜在短时间内能尽可能多的吸收制冷剂释放的热量，即强大的瞬间吸热能力，只有具备高热传导系数的金属才能胜任。其次是散热器本体应当具备足够的储热能力，即较大的热容量，通常承担这个任务的是铝鳍片。

比热的定义为：单位质量下需要输入多少能量才能使温度上升一摄氏度，单位为卡/（千克×°C），数值越大代表物体的容热能力越大。以下是几种常见物质的比热表：

热传导系数的定义为：每单位长度、每K，可以传送多少W的能量，单位为W/mK。其中“W”指热功率单位，“m”代表长度单位米，

而“K”为绝对温度单位。该数值越大说明导热性能越好。以下是几种常见金属的热传导系数表：

从比热表中我们看到，水的比热远高于金属，有更强的容热能力，这也正是水冷有出色散热效果的原因。从热传导系数表中可以看出，铝的热传导系数为铜的0.59倍，完全采用铝管会降低管材的热传导能力，理想的做法是用少量的铜将热量从制冷剂处迅速传导到外面的铝上，让比热比铜高2.33倍的铝把热量带走。上面列举了几种常用铝合金的导热性能，铝优良的导热能力在铝合金身上基本上得到保留。

散热的实质就是热量传递，而热的传递方式有三种：传导、对流和辐射。传导是由能量较低的粒子和能量较高的粒子直接接触碰撞来传递能量的方式，空调制冷剂和散热翅片之间的热量传递主要是采用这种方式，这也是最普遍的一种热传递方式。对流是指气体或液体中较热部分和较冷部分通过循环将温度均匀化，空调冷凝器中的风扇带动气体的流动也属于"强制热对流"散热方式。辐射顾名思义就是将热能从热源直接向外界发散出去，该过程与热源表面颜色、材质及温度有关，辐射的速度较慢，因此在散热器散热中所起到的作用十分有限（辐射可以在真空中进行）。这三种散热方式都不是孤立的，在日常的热量传递中，这三种散热方式都是同时发生，共同发挥作用的。

空调风冷散热器一般由散热片和风扇构成，这种散热方式的原理很简单：制冷剂中的热量通过热传导由管材传递到散热片，风扇高速转动将绝大部分热量通过对流（强制对流和自然对流）的方式带走，只有极少部分的热量通过辐射方式直接散发。

空调在运行时，其冷凝器中的制冷剂中积聚着大量的热量，如果不能将热量散发出去，将会严重影响制冷（制热）效果。散热片所要做的就是要将聚集在管材中的热量传导到更大的热导体上并通过巨大的散热面积与空气进行热交换。在这个过程中，新型高效换热管的铜层是与制冷剂接触并聚集热量的地方，而铝层与鳍片则是热量传导的终点（管材的铝层可以视为鳍片的一部分），最终将热量散失到空气中。

人们习惯用热阻抗值来对散热器的性能进行标识：

热阻抗值RCJ Tc

（传热管温度）－Tj（环境温度）＝P× RJC

等式左边为一定值，对于一款散热器显然是热阻抗值越小，就可以使P值更大，也就是可以承载更大散热功率，也就说明性能越好。

对于散热器，我们可以列出如下的等式:

P=H×A×η×△T

P：散热片与周围空气的热交换总量（W）；

H：散热片的总热传导率（W/CM2*℃），由辐射及对流两方面决定；A：散热片表面积（CM2）；

η：散热片效率，由散热片的材料及形状决定；

△T：散热片的最高温度与周围环境温度之差（℃）

可以确定，加工成型后的散热器本体（即散热器中的金属部分）的热阻是固定的，但是更换风扇或者降低环境温度，还是可以改变一款散热器的热阻。如果改变换热管的材料使散热器本体温度提高，则相当于降低了散热器的热阻。

铜是现今散热器材料中最好的，而为什么不采用全铜的冷凝器呢？虽然铜的热传导系数几乎是是铝的两倍，但是这并不意味着铜散热器的散热效果可以达到铝合金散热器的两倍（散热片的散热效能并不仅仅受材料的导热性能所影响）。因为铝的比热是铜的2.3倍，也就意味着铝的散热能力优于铜。铜的缺点：更高的价格、更高的密度所带来的更高质量（也意味着更高的静态重力或通过控制散热器的体积来保证一定的质量）、不尽人意的硬度等因素。

就散热器的散热能力而言，通常可分为瞬间吸热能力和综合散热效果两个指标。换热管采用的材质和制造方法对瞬间吸热效果有着非常重要的影响。单纯以铝合金或铜作为换热管已经不是最佳设计方案，而铜铝复合材料涨套铝翅片的设计是比较好的方案。在风冷散热器制造材料上的结论是：铜、铝和4款铝合金是现今主流散热器的选用材料，高端产品都倾向于选择铜铝复合材料。而新型高效换热管的铜铝冶金结合的结构综合了铜铝的优点，利用铜优异的瞬间吸热能力将制冷剂中的热量带到铜层中，再通过原子间结合的铜铝层将热量传递给外层的铝，传递过程中没有热阻存在。铝层与铝翅片间采用涨管相结合，由于不存在电位差，因此无电化学腐蚀。该铝层相当于铝翅片的一部分，而铝层和铝翅片本身材质具有的高比热系数（类似于水冷）和相当于0.3倍的铜密度，会将铜层传递来的热量迅速储存在巨大面积的翅片中，利用风扇等强制对流方式将热量散发到空气中，完成散热的全过程。这就是新型高效换热管具有比纯铜管还优异的换热效果的原理。

目前兴荣公司所能提供的内螺纹铜铝复合管主要规格如下：

A、φ7mm内螺纹铜铝复合管

1、外径：φ7mm

2、底壁厚：0.43mm

3、齿高：0.07mm

4、米克重：30.8克/m