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汽车散热器技术的应用与发展-铝质是硬道理
时间:2009-11-11浏览:54
散热器是汽车水冷发动机冷却系统中不可缺少的重要部件,其作
用是将发动机的水套内冷却液所携带的多余热量经过二次热交换,在
外界强制气流的作用下从高温零件所吸收的热量散发到空气中的热
交换装置。因此,冷却系统中散热器性能的好坏直接影响汽车发动机
的散热效果及其动力性、经济性和可靠性,乃至正常工作和安全行驶
的问题。
随着汽车发动机转速和功率的不断提高,热负荷也愈来愈大,对
冷却系统的要求也越来越高,人们对包括散热器在内的冷却系统的研
究愈加重视,新技术、新材料不断涌现。汽车铝散热器产品的优势体
现在轻量化、可靠性高、价格低以及生产环保,整车厂采用铝水箱替
代原有铜水箱是汽车散热器技术发展的必然趋势。目前,汽车散热器
正朝着轻型、高效、经济的方向发展,国内乘用车产品90%以上采用
的是铝散热器,在商用车上的使用近年也陆续采用并有扩大的趋势。
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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。
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%。
传热系数是评价散热器散热性能的重要参数。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。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
的废气以及砂土、泥浆的污染,而且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,对散热器材料性能有如
下要求:具有良好的导热性能、具有一定的强度和较强的耐腐蚀性、
良好的加工性能及钎焊性能、良好的经济性。
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,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。
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。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。
从铜、铝散热器结构上来说,其产品功能没有什么不同,也不影
响产品之间的互换。铜、铝散热器都是曾遍采用管带式结构,散热带
采用波浪带式结构,铜散热器散热管采用咬口式,铝散热器采用高频
焊管和比较先进的B型管,只是由于原材料制造工艺和装备以及铜铝
材料的性能不同,其材料和规格的选择不同。
从材料选用上看,铝散热器要比铜散热器选材厚一些,抗内部压
力变形能力会比铜散热器强一些。从物理传热特性方面看,铜的导热
比铝材要优越,但是,焊接铜散热器所用的锡铅焊料导热系数比铝材
焊料导热系数要小得多。因此,从产品的整体散热效果来说,匹配同
一车型,同样正面面积,采用铝散热器的散热效率要高于铜散热器。
一般情况下设计铜散热器时,经常采用芯子加厚的方案来满足整车的
散热性能,同时也带来散热器的风阻增大等一系列问题。:.
由于铜、铝散热器采用的焊接设备和工艺方法上的不同,其产品
的结构强度差别较大。铝散热器焊接为硬钎焊,焊接温度为577~
612℃,而铜散热器采用的是软钎焊,焊接温度低于450℃。铝散热
器焊接接头的剪切强度为50~58MPa,抗拉强度为86~96MPa,而铜
散热器锡焊抗扭强度为34~37MPa;所以铝散热器的结构强度要高于
铜散热器很多。考虑到铝散热器的不易维修性,生产厂家在材料选型
时必须考虑到产品的可靠性和使用寿命,因此,铝散热器的可靠性要
远高于铜散热器,目的是尽量减少整车用户的后期使用维修成本。另
一方面,铝散热器在抗腐蚀性能方面存在不如铜散热器的事实,要求
客户对汽车铝散热器的使用条件要比铜散热器严格些。主要是客户必
须使用整车厂家规定的防冻防锈液。不能采用其它介质如水。铝散热
器和铜散热器相比在同等条件下,铝散热器无故障里程要远远高于铜
散热器。
铝散热器的主要失效形式是腐蚀导致的产品渗漏,腐蚀主要来源
于大气腐蚀和水腐蚀,散热管的穴蚀是常见的现象之一。铜散热器的
材料是铜,铜化学活性差,在大气中难于氧化。由于大气中还有少量
的CO2、H2S、H2O等气体,它们都会加速铜的腐蚀。但铜在大气中腐:.
蚀后形成铜绿,该薄膜组织致密,与铜基紧密结合,从而起到保护作
用,防止基体的进一步腐蚀。
铝是化学活性较大的一种金属。在大气中会迅速氧化形成一层极
薄的氧化膜,疏松多孔,容易渗透。但在破坏后又迅速氧化形成新的
氧化层。为了提高铝在使用中的耐腐蚀性能,一般要经过阳极氧化处
理,使表面形成致密、较厚的氧化层。铝在水溶液中极易被H+置换,
当水溶液中含有***离子时,很快被腐蚀。水温升高,特别在80℃以
上时铝在水溶液中极易被腐蚀,因此铝散热器是不能使用普通水的。
所以只有铝散热器正确地选择材料和使用防冻、防锈液,才能有效地
减少自身的腐蚀确保产品正常使用寿命。一般情况下,选择防冻防锈
。由于生产防冻防锈液的社
会厂家和规格牌号五花八门难于统一,用户可以根据整车的产品使用
说明书查找到防冻防锈液规格型号。
铝散热器在使用防冻防锈液中,一般汽车在行驶2万km内不产
生腐蚀,3万~5万km时逐步出现轻微的腐蚀,5万km以后时腐蚀
的百分比会增加,这时应该及时更换防冻防锈液。
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铝散热器的维修较铜散热器要困难一些。因为铜散热器材料的基
体材料熔点分别为1052~1080℃,而所采用的铜焊料(锡合金)的熔
点为320℃以下,比较容易采用火焰焊接实现修补。而铝散热器采用
的复合材料其焊料硅铝合金的熔点为577~627℃,而基体材料的熔
点为643~654℃。两者仅相差46℃,因此在钎焊时温度控制要求极
严格,否则焊接时易造成基体材料熔化,因此必须要用在专业设备上
进行焊接,一定程度上限制了铝散热器的维修便利性。
目前,一般整车厂家的服务维修站不具备维修铝散热器的能力和
手段,必须要将产品返回生产厂家进行侈理。如果客户在使用过程中
发现铝散热器出现渗漏等问题,在应急的情况下,可以采用目前市面
上常见的AB胶进行临时性地粘补以应急需,但事后必须要尽快更换
一台同类型产品。对于故障件的维修,必须交给生产厂家进行专业修
理。
散热器在限定的空间内应具有足够的散热性能和较高的使用寿
命,所以整个散热器总成必须降低原材料消耗,改善生产工艺和结构,
降低生产成本,实现薄壁、轻型、高效。在焊接部位,应采取扩大焊
接面积的方法来降低应力,如主片和水室采用双面焊接的窄沟槽形式,
尽可能减小壁厚,不容许采用增加壁厚的方法来提高总成强度。如散
~,冷却管的料:.
~,~。铜散
热器的料厚如超过上述值会使成本增加,但强度提升有限。
采用低锡焊料、有机焊剂和高效率的氮气保护硬钎焊工艺,生产
铝散热器是今后发展的趋势。以铝代铜可以进一步减小散热器质量,
特别是硬钎焊生产的铝散热器可以实现整个总成等强度,极大地提高
了散热器的可靠性。
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。国外轿车配套的散热器多为铝散热器,普遍采用装
配式,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,其发展前景将
超过装配式的铝散热器并取而代之。
散热器属于汽车冷却系统,发动机水冷系统中的散热器由进水室、出
水室、主片及散热器芯等三部分构成。冷却液在散热器芯内流动,空
气在散热器芯外通过。热的冷却液由于向空气散热而变冷,冷空气则
因为吸收冷却液散出的热量而升温,所以散热器是一个热交换器。:.
【散热器分类】
按照散热器中冷却液流动的方向可将散热器分为纵流式和横流式两
种。
散热器芯部的结构形式主要有管片式和管带式两大类
【散热器材质】
汽车散热器主要有两种:铝质和铜制,前者用于一般乘用车,后者用
于大型商用车
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。
【散热器结构】
汽车散热器是汽车水冷发动机冷却系统中不可缺少的重要部件,目前,
正朝着轻型、高效、经济的方向发展。汽车散热器结构也不断适应新
发展。
最常见的汽车散热器的结构形式可分为直流型和横流型两类。
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。
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。
同时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。
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。
【散热器原理】
为了避免发动机过热,燃烧室周围的零部件(缸套、缸盖、气门等)必
须进行适当的冷却。为了保证冷却效果,汽车冷却系统一般由散热器、
节温器、水泵、缸体水道、缸盖水道、风扇等组成。散热器负责循环
水的冷却,它的水管和散热片多用铝材制成,铝制水管做成扁平形状,
散热片带波纹状,注重散热性能,安装方向垂直于空气流动的方向,
尽量做到风阻要小,冷却效率要高。
冷却液在散热器芯内流动,空气在散热器芯外通过。热的冷却液由于
向空气散热而变冷,冷空气则因为吸收冷却液散出的热量而升温,所
以散热器是一个热交换器。