汽车散热器技术

汽车散热器技术

汽车水冷发动机散热器由冷却用的散热器芯部、进水室和出水室三部分组成。冷却液在散热器芯内流动，空气从散热器芯外高速流过，冷却液和空气通过散热器芯部进行热量交换。

目前，汽车散热器的结构形式可分为直流型和横流型两大类。

散热器芯部的结构形式主要有管片式和管带式两大类。管片式散热器芯部是由许多细的冷却管和散热片构成，冷却管大多采用扁圆形截面，以减小空气阻力，增加传热面积。

管带式散热器是由波纹状散热带和冷却管相间排列经焊接而成。与管片式散热器相比，管带式散热器在同样的条件下，散热面积可以增加12%左右，另外散热带上开有扰动气流的类似百叶窗的孔，以破坏流动空气在散热带表面上的附着层，提高散热能力。开百叶窗波状带的散热器传热效率同普通平片散热片相比可提高160%。

二、散热器对材料的要求

传热系数是评价散热器散热性能的重要参数，散热器材料的导热性能和焊接质量对其影响很大。散热器的工作条件恶劣，一般位于汽车前端迎风处，不仅要经受风吹雨淋和汽车废气的污染，还要承受反复的热循环和周期性的振动。另外，散热器内长期流动着冷却液，对散热器有锈蚀及腐蚀作用。因此，为保证散热器可靠地发挥散热作用，对其材料性能有如下要求：必须具有良好的导热性能，具有一定的强度和较强的耐腐蚀性，具有良好的加工性能及钎焊性能，具有良好的经济性。目前，常用的散热器材料主要有铜、铝和工程塑料等。

三、散热片的材料

散热片选用导热系数较高的材料对提高热传导效率很有帮助，在金属的导热性方面，银的导热系数最高，其次是铜、铝。银的价格昂贵，不适宜做散热材料，目前比较常用是铜、铝及铝合金。铝的导热系数低，但通过增加鳍片增大散热面积，也能起到较好的散热效果。

散热片的主要材料和成型技术可分为：

全铝散热器这是传统散热器，具有生产工艺简单、易于加工、材料成本低廉，价格便宜等优点。缺点是，整体散热效果欠佳。

铝是汽车工业使用较多的金属材料，也是汽车轻量化的首选材料。铝的最大优势是质量轻，比重仅为铜的三分之一，铝资源远较铜丰富，成本也远低于铜;虽然铝的热传导率较铜低，仅为铜的60%，但由于铜散热器存在热传导率更低的锡保护层，使得铝散热器的热效率反而要高于铜散热器。另外，铝还有良好的铸造加工性能。

但是，铝散热器焊接工艺性差、生产设备投入大是长期难以解决的问题，限制了铝散热器的广泛应用。直到20世纪80年代中期，美国采用钎焊工艺制造铝散热器取得成功后，才使铝散热器的规模化生产和应用成为可能。但是，铝散热器较差的耐蚀性，使得铝散热器在使用条件差的重型卡车、工程车及军用车上，则难于使用。

全铜散热器铜是重要的有色金属，也是导热性最好的金属材料，具有优良的成形加工性、可钎焊性和耐蚀性，长期以来一直作为汽车散热器的首选材料。但铜的资源和价格一直是困扰铜散热器广泛应用的主要原因。

散热器的散热效率至关重要，所以对铜板的表面质量要求甚高，要求板材表面无划伤、起皮、氧化、油污等缺陷，要有良好的板型、平直度和导热性等。铜带用于制作散热器鳍片。要求有良好的导热性、焊接性、较高的强度、尺寸公差精确。铜管主要用于制作到热管，要求有良好的导热性、焊接性、内外表面清洁，较高的强度等。铜棒主要用于制作铜铝结合散热器的铜芯，表面直接和CPU粘合在一起，要求有良好的导热性、焊接性、表面清洁，较高的强度等。

为了增加铜散热器的耐腐蚀性，避免铜直接与腐蚀性物质接触，一般要在铜散热器的表面上覆盖锡保护层，但这样却会影响铜散热器的散热效率，使散热性能大幅度下降。近年来，为了进一步提高铜散热器的

性能，对传统的铜锡散热器采取了许多改进措施。如在材质方面和加工工艺方面尽可能提高材料利用率，采取向铜中添加微量元素的方法，在不损失导热性的前提下，提高其强度和软化点，从而减薄带材的厚度，节省材料用量以减轻散热器的质量和降低成本。

著名的奥托昆普铜带公司于上世纪80年代研发成功的双波浪带自动生产线，生产出比0.04～0.045毫米普通波浪带更薄的0.03～0.035毫米铜带可以被滚制成波峰更小的波浪带，这样两条波浪带通过锡焊接牢牢地固定在一条中心带即普通铜带上，最后制成比普通波浪带更坚固、用材更省、散热性能更好的汽车散热器用传热元件——双波浪带。对比实验研究表明，用0.035毫米或更薄的双波浪带材料加工的芯子厚度为43毫米的散热器与用普通波浪带加工的芯子厚度为78毫米散热器相比，散热性能提高10%，风阻相同，散热器本身的厚度减少45%，效果不错。但并未从根本上解决材料来源问题。

铜铝结合散热器目前比较流行的是把铜、铝结合应用，一般以纯铜板做散热器底板，铝合金做散热鳍片。利用铜的高导热系数特点，把热量传导至铝材质的鳍片，再通过风扇的对流作用散发至空气中。铜铝结合常用工艺有扦焊、螺丝锁合，热胀冷缩结合，机械式压合等方式。铜铝结合散热器具有散热效果好、重量、价格适中等优点。把铝材成本低、重量轻、散热快、易加工等特点与铜的高导热性能相结合。既保证其重量不超标又提高了散热效率。

四、铜硬钎焊新技术

铜硬钎焊技术通过采用特殊的铜、锡和磷的钎焊合金，将黄铜和紫铜分别制成管和散热带钎焊成一个整体，即散热器和热交换器。铜硬钎焊技术的核心是无焊剂、无铅焊合金以及抗退火材料。其工作原理是用奥托昆普公司开发的铜硬焊金属填料OKC600在高温590℃～610℃时熔化，依靠金属毛细管作用力流入焊接间隙，与母体材料(抗退火铜材)发生反应，在交界处形成合金金属连续体，构成高强度的金属一体化结构。

铜硬钎焊技术使用极薄的铜合金材料，与冷却液接触的管料采用铜带经激光焊接而成，厚度仅有0.085毫米，与空气接触的带料采用导热性能好、强度高、软化点高的高铜合金，璧厚仅有0.025～0.03毫米。虽然铜的比重较铝大，但铜加工成极薄型材料，可以减少用材，降低重量和成本。

铜硬钎焊工艺采用无铅低温焊接，不需要使用焊剂，焊接温度容易控制( 熔点温度允差范围大)，焊接速度快，成品率高。由于工艺中省却了危害环境的去油工序，且生产过程中无需清洗，因而不会产生废水、毒气等有害物质。因而改善了工作环境，减少了污染。用这种工艺生产的铜散热器一旦报废后，还可以100%地回收。

铜硬钎焊散热器使用的材料与钎焊合金拥有几乎相等的惰性，使产生电化学腐蚀的风险降至最小。钎焊合金对管子来说也是一种保护涂层。铜硬钎焊散热器一般说来比锡焊铜或黄铜散热器有更高的抗腐蚀能力，与铝散热器相比更有竞争力；铝散热器更倾向于局部腐蚀形式，而对于铜硬钎焊散热器腐蚀形式通常是均等的，不会产生局部腐蚀。目前，铜硬焊散热器已经在公共汽车、重型卡车和其他工程设备中得到应用;我国也已经从奥托昆普公司引进该项技术。

五、结语

汽车散热器材料与制造技术发展很快。铝散热器以其在材料轻量化上的明显优势，在轿车与轻型车领域逐步取代铜散热器的同时，铜散热器制造技术和工艺有了长足的发展，铜硬钎焊散热器在客车、工程机械、重型卡车等发动机散热器方面优势明显。国外轿车配套的散热器多为铝散热器，主要是从保护环境的角度来考虑( 尤其是欧美国家)。在欧洲新型的轿车中，铝散热器占有的比例平均为64％。从我国汽车散热器生产的发展前景看，硬钎焊生产的铝散热器逐渐增多。硬钎焊铜散热器也在公共汽车、载货汽车和其他工程设备上得到应用。

散热片作为强化传热的重要技术之一，广泛地应用于提高固体壁面的传热速率。比如飞机、空调、电子元件、机动车辆的散热器、船用散热器等［1］。对散热片强化传热的研究引起国内外众多学者的关注，如对散热片自然对流的研究［2-7］，对散热片强制对流的研究［8-12］。前人对散热片的研究大致可分为两类：其一，采用实验的手段，在一定范围内改变散热片组的结构尺寸和操作参数，比较其传热性能，从而得出散热片组最优的结构尺寸和最优的操作参数；其二，采用数学方法，对某一具体情况推导出偏微分方程，