汽车散热器材料应用的分析

汽车散热器材料应用的分析

【摘要】散热器是汽车发动机冷却系统中起核心作用的部件。散热器性能的好坏直接影响汽车发动机的散热效果,进而对汽车的动力性、经济性和可靠性会产生很大影响。

【关键词】汽车散热器;材料应用

汽车发动机大多采用强制循环式水冷系统。散热器是汽车发动机冷却系统中起核心作用的部件。散热器性能的好坏直接影响汽车发动机的散热效果,进而对汽车的动力性、经济性和可靠性会产生很大影响。随着汽车发动机性能的不断强化,热负荷愈来愈高,对冷却系统的要求也越来越高,人们对包括散热器在内的发动机冷却系统的研究愈加重视,新技术、新材料不断涌现,在保证散热器具有足够散热能力和强度的前提下,体积更小、重量更轻、散热效率更高成了散热器发展的必然趋势。

１．散热器结构型式及其对材料要求

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。理想的散热器应具有尺寸小、重量轻、制造工艺简单、结构可靠耐久、散热性能好、风阻小等优点。

1.1散热器及其芯部的结构型式

汽车散热器的结构型式可分为直流型和横流型两大类。直流型散热器的进出水室分别位于散热器芯部的上下方,由于散热器芯部垂直布置,因而高度尺寸较大。直流型散热器是大多数汽车发动机采用的型式,如桑塔纳1.8 L、奥迪1.8 L、富康1.36 L等轿车发动机均采用了直流型散热器。横流型散热器采用散热器芯部水平布置,用左右两侧的水室替代上下结构的水室,冷却液水平流动。这种散热器水平尺寸大,在一些发动机罩盖较低的车型上应用,如国产依维柯轻型车等。

散热器芯部应具有足够的通流面积,让冷却液通过;同时也应具备足够的空气通流面积,让足量的空气通过以带走冷却液传给散热器的热量;还必须具有足够的散热面积,来完成冷却液、空气和散热片之间的热量交换。因此,散热器芯部是散热器不可缺少的核心部件,起主要的散热作用。

散热器芯部的结构型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。据测算,扁圆铝管的散热效率可比圆铝管提高20%~25%。为了强化冷却效果,在冷却管外套上布置了许多金属散热片,以增加空气传热面积和提高散热器本身的刚度和强度。管片式散热器散热面积大、气

流阻力小、结构刚度好和承压能力强,但制造工艺比较复杂,多用于工况较差的载重车辆及工程机械上。

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%。由于这种形式的散热效果好,便于制造,质量轻,故被广泛采用,但其结构强度和刚度不如管片式,多用于轿车及轻型车辆上。

1.2散热器对材料的要求

散热系数是评价散热器散热性能优劣的重要参数,影响因素众多,其中散热器材料的导热性能和焊接质量对其影响很大。提高散热系数可以改善散热效能,使散热器以较小的尺寸和质量达到上佳的散热效果。因此,导热性能对散热器材料至关重要。

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排出的废气以及沙土、泥浆的污染,而且还要承受反复的热循环和周期性振动。另外,散热器内长期流动着冷却液,其中可能混有腐蚀性及有害的成分,对散热器有锈蚀及腐蚀作用。因此,为保证散热器可靠的发挥散热作用,对散热器材料性能有如下要求:

(1)具有良好的导热性能。

(2)具有一定的强度和较强的耐腐蚀性。

(3)良好的加工性能及钎焊性能。

(4)良好的经济性。

2.常用散热材料

目前,常用的散热器材料主要有铜、铝和工程塑料等。

2.1铜

铜是重要的有色金属,也是导热性最好的金属材料,具有优良的成型加工性、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。铜的资源问题和价格问题一直是困扰铜散热器应用的主要原因。铜在工业上应用极为广泛。随着工业的不断发展,铜的消耗量日益增加,但因铜储量有限,随着消耗量的不断上升,价格居高不下,因而铜散热器的成本一直难以大幅下降。

2.2铝

随着汽车技术的发展,节约能源和环境保护等方面的原因对汽车轻量化的要求越来越迫切。汽车材料的发展趋势是轻量化、高性能和强功能,散热器材料也是这样。人们一直在寻找价格低廉、性能优良的材料来取代铜。近十几年来,散热器新材料的应用有了很大的进展,尤其是在铝散热器方面发展速度很快。

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,相同体积情况下,质量可以大大降低;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。虽然铝散热器具有质量轻、原料成本低、散热性能好等优点,但其焊接工艺性差、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。

目前,铝散热器比较成熟的生产工艺有两种:一种是机械装配式,此种形式生产的散热器冷却水管是圆形或椭圆形,采用机械压制而成,生产成本较低,但是由于这种工艺受自身形状的局限性,工作效率不高;另外一种是钎焊式,这种形式生产的冷却水管是扁状的,不受散热器自身几何形状的限制,采用焊接一次成型,工作效率高。

由于铝散热器的重量轻,并能做到与汽车同寿命(约5年),因此得到迅速推广。在欧洲和美国应用广泛,主要用于使用条件较好的城市小轿车和轻型车。北美部分地区开始在大客车、轻型货车上使用。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货车、工程车辆及军用车辆上,则难于使用。

国内汽车散热器仍以铜散热器为主,铝散热器仅在轿车等小型发动机上应用较广泛。我国于1992年引进第一条铝散热器生产线以来,现已有多条生产线,开始是机械装配式,后来引进钎焊工艺生产线。但同国外相比,总体上生产工艺落后,生产效率低。

2.3工程塑料

为了减轻质量,提高耐腐蚀性和节约有色金属,许多新材料开始应用在散热器上。在实际应用中,散热器上下水室材料逐渐由工程塑料取代了铜材。常用的是用加入玻璃纤维的尼龙66(PA66)注塑加工成散热器的水室,并以机械方式与散热器芯部接合装配,通过橡胶密封圈使接合面上达到良好密封,同时还起防振作用。另外,尼龙66具有非常优良的耐腐蚀性,对散热器十分有利;良好的可塑性使得散热件轻巧而美观;耐高温性可使散热器的底盘保持完好而不会产生任何弯曲,不会减少散热器的气体流动。

目前,国内生产的轿车已广泛使用铜塑或铝塑结构的散热器,如夏利1.3 L轿车、桑塔纳轿车等。这种散热器质量轻,生产工艺简单,可以注塑加工一次成型,成本较低。■