汽車散熱器材料應(yīng)用分析

吳忠奎

【摘 要】散熱器是汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中起核心作用的部件。散熱器性能的好壞直接影響汽車發(fā)動機的散熱效果，進(jìn)而對汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性會產(chǎn)生很大影響。

【關(guān)鍵詞】汽車散熱器；材料應(yīng)用

汽車發(fā)動機大多采用強制循環(huán)式水冷系統(tǒng)。散熱器是汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中起核心作用的部件。散熱器性能的好壞直接影響汽車發(fā)動機的散熱效果，進(jìn)而對汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性會產(chǎn)生很大影響。隨著汽車發(fā)動機性能的不斷強化，熱負(fù)荷愈來愈高，對冷卻系統(tǒng)的要求也越來越高，人們對包括散熱器在內(nèi)的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的研究愈加重視，新技術(shù)、新材料不斷涌現(xiàn)，在保證散熱器具有足夠散熱能力和強度的前提下，體積更小、重量更輕、散熱效率更高成了散熱器發(fā)展的必然趨勢。

1.散熱器結(jié)構(gòu)型式及其對材料要求

散熱器由冷卻用的散熱器芯部、進(jìn)水室和出水室三部分組成。冷卻液在散熱器芯內(nèi)流動，空氣從散熱器芯外高速流過，冷卻液和空氣通過散熱器芯部進(jìn)行熱量交換。理想的散熱器應(yīng)具有尺寸小、重量輕、制造工藝簡單、結(jié)構(gòu)可靠耐久、散熱性能好、風(fēng)阻小等優(yōu)點。

1.1散熱器及其芯部的結(jié)構(gòu)型式

汽車散熱器的結(jié)構(gòu)型式可分為直流型和橫流型兩大類。直流型散熱器的進(jìn)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。直流型散熱器是大多數(shù)汽車發(fā)動機采用的型式，如桑塔納1.8L、奧迪1.8L、富康1.36L等轎車發(fā)動機均采用了直流型散熱器。橫流型散熱器采用散熱器芯部水平布置，用左右兩側(cè)的水室替代上下結(jié)構(gòu)的水室，冷卻液水平流動。這種散熱器水平尺寸大，在一些發(fā)動機罩蓋較低的車型上應(yīng)用，如國產(chǎn)依維柯輕型車等。

散熱器芯部應(yīng)具有足夠的通流面積，讓冷卻液通過；同時也應(yīng)具備足夠的空氣通流面積，讓足量的空氣通過以帶走冷卻液傳給散熱器的熱量；還必須具有足夠的散熱面積，來完成冷卻液、空氣和散熱片之間的熱量交換。因此，散熱器芯部是散熱器不可缺少的核心部件，起主要的散熱作用。

1.2散熱器對材料的要求

散熱系數(shù)是評價散熱器散熱性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，影響因素眾多，其中散熱器材料的導(dǎo)熱性能和焊接質(zhì)量對其影響很大。提高散熱系數(shù)可以改善散熱效能，使散熱器以較小的尺寸和質(zhì)量達(dá)到上佳的散熱效果。因此，導(dǎo)熱性能對散熱器材料至關(guān)重要。

散熱器的工作條件惡劣，一般位于汽車前端迎風(fēng)處，不僅要經(jīng)受風(fēng)吹雨淋和汽車排出的廢氣以及沙土、泥漿的污染，而且還要承受反復(fù)的熱循環(huán)和周期性振動。另外，散熱器內(nèi)長期流動著冷卻液，其中可能混有腐蝕性及有害的成分，對散熱器有銹蝕及腐蝕作用。因此，為保證散熱器可靠的發(fā)揮散熱作用，對散熱器材料性能有如下要求：

（1）具有良好的導(dǎo)熱性能。

（2）具有一定的強度和較強的耐腐蝕性。

（3）良好的加工性能及釬焊性能。

（4）良好的經(jīng)濟(jì)性。

2.常用散熱材料

目前，常用的散熱器材料主要有銅、鋁和工程塑料等。

2.1銅

銅是重要的有色金屬，也是導(dǎo)熱性最好的金屬材料，具有優(yōu)良的成型加工性、可釬焊性和耐蝕性，長期以來一直作為汽車散熱器的首選材料。銅的資源問題和價格問題一直是困擾銅散熱器應(yīng)用的主要原因。銅在工業(yè)上應(yīng)用極為廣泛。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，銅的消耗量日益增加，但因銅儲量有限，隨著消耗量的不斷上升，價格居高不下，因而銅散熱器的成本一直難以大幅下降。

近年來，為了進(jìn)一步提高銅散熱器的性能，對傳統(tǒng)的銅錫散熱器采取了許多改進(jìn)措施。如在材質(zhì)方面和加工工藝方面盡可能提高材料利用率，采取向銅中添加微量元素的方法，在不損失導(dǎo)熱性的前提下，提高其強度和軟化點，從而減薄帶材的厚度，節(jié)省材料用量，以減輕散熱器的質(zhì)量和降低成本。例如，管帶式散熱器散熱帶的厚度可以達(dá)到0.045mm，最薄的可達(dá)0.025mm。

2.2鋁

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)等方面的原因?qū)ζ囕p量化的要求越來越迫切。汽車材料的發(fā)展趨勢是輕量化、高性能和強功能，散熱器材料也是這樣。人們一直在尋找價格低廉、性能優(yōu)良的材料來取代銅。近十幾年來，散熱器新材料的應(yīng)用有了很大的進(jìn)展，尤其是在鋁散熱器方面發(fā)展速度很快。

鋁是汽車工業(yè)使用較多的金屬材料，也是汽車輕量化的首選材料。鋁的最大優(yōu)勢是質(zhì)量輕，比重僅為銅的三分之一，相同體積情況下，質(zhì)量可以大大降低；鋁資源遠(yuǎn)較銅豐富，成本也遠(yuǎn)低于銅；雖然鋁的熱傳導(dǎo)率較銅低，僅為銅的60%，但由于銅散熱器存在熱傳導(dǎo)率更低的錫保護(hù)層，使得鋁散熱器的熱效率反而要高于銅散熱器；另外，鋁還有良好的鑄造加工性能。雖然鋁散熱器具有質(zhì)量輕、原料成本低、散熱性能好等優(yōu)點，但其焊接工藝性差、生產(chǎn)設(shè)備投入大是長期難以解決的問題，限制了鋁散熱器的廣泛應(yīng)用。

直到20世紀(jì)80年代中期，美國采用釬焊工藝制造鋁散熱器取得成功后，才使鋁散熱器的規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用成為可能。鋁散熱器在結(jié)構(gòu)和材料方面優(yōu)勢明顯，在相同的散熱性能條件下，采用鋁散熱器重量可減輕25%～40%。鋁散熱器的難點在于耐蝕性差，汽車發(fā)動機常用的冷卻介質(zhì)水對鋁合金是一種惡劣的腐蝕介質(zhì)，長時間工作容易出現(xiàn)點蝕問題。此外，散熱器還要承受大氣中其他腐蝕介質(zhì)的侵蝕。對于冷卻液引起的內(nèi)部腐蝕，可采用向冷卻水中添加防銹劑或在冷卻水管內(nèi)側(cè)加一層耐蝕鋁合金的方法處理；對于外部腐蝕物質(zhì)引起的外部腐蝕，可采取表面處理和在金屬表面涂耐蝕合金來處理。

目前，鋁散熱器比較成熟的生產(chǎn)工藝有兩種：一種是機械裝配式，此種形式生產(chǎn)的散熱器冷卻水管是圓形或橢圓形，采用機械壓制而成，生產(chǎn)成本較低，但是由于這種工藝受自身形狀的局限性，工作效率不高；另外一種是釬焊式，這種形式生產(chǎn)的冷卻水管是扁狀的，不受散熱器自身幾何形狀的限制，采用焊接一次成型，工作效率高。

由于鋁散熱器的重量輕，并能做到與汽車同壽命（約5年），因此得到迅速推廣。在歐洲和美國應(yīng)用廣泛，主要用于使用條件較好的城市小轎車和輕型車。北美部分地區(qū)開始在大客車、輕型貨車上使用。但是，鋁散熱器較差的耐蝕性，使得鋁散熱器在使用條件差的重型貨車、工程車輛及軍用車輛上，則難于使用。

國內(nèi)汽車散熱器仍以銅散熱器為主，鋁散熱器僅在轎車等小型發(fā)動機上應(yīng)用較廣泛。我國于1992年引進(jìn)第一條鋁散熱器生產(chǎn)線以來，現(xiàn)已有多條生產(chǎn)線，開始是機械裝配式，后來引進(jìn)釬焊工藝生產(chǎn)線。但同國外相比，總體上生產(chǎn)工藝落后，生產(chǎn)效率低。

2.3工程塑料

為了減輕質(zhì)量，提高耐腐蝕性和節(jié)約有色金屬，許多新材料開始應(yīng)用在散熱器上。在實際應(yīng)用中，散熱器上下水室材料逐漸由工程塑料取代了銅材。常用的是用加入玻璃纖維的尼龍66（PA66）注塑加工成散熱器的水室，并以機械方式與散熱器芯部接合裝配，通過橡膠密封圈使接合面上達(dá)到良好密封，同時還起防振作用。另外，尼龍66具有非常優(yōu)良的耐腐蝕性，對散熱器十分有利；良好的可塑性使得散熱件輕巧而美觀；耐高溫性可使散熱器的底盤保持完好而不會產(chǎn)生任何彎曲，不會減少散熱器的氣體流動。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的轎車已廣泛使用銅塑或鋁塑結(jié)構(gòu)的散熱器，如夏利1.3L轎車、桑塔納轎車等。這種散熱器質(zhì)量輕，生產(chǎn)工藝簡單，可以注塑加工一次成型，成本較低。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊連生.內(nèi)燃機設(shè)計（第一版）[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1981.