吴家林
广东鑫统仕车用热系统有限公司
摘要：汽车散热器是汽车内部的热交换部件，对于各类汽车起着非常重要的作用。通过对国内外车用散热器的使用分析，从散热器结构类型、翅片材料、散热能力、翅片成型工艺等方面阐述了翅片散热器的性能特点，并逐步向小型化、轻量化、低成本、高效能方向发展，以满足我国汽车市场紧凑节能低碳经济的发展需求。
关键词：翅片散热带；汽车散热器；散热能力
引言
散热器的散热性能与其和空气的接触面积有关，又考虑到材料成本，所以在工业生产中一般采用翅片散热器，其中最常见的是铝及其合金或者铜材料制作的翅片散热器。翅片散热器的散热性能与翅片的高度、宽度、厚度等参数都有密切的关系。本文运用数值模拟的方法对平行翅片散热器及针形翅片散热器的散热特性进行研究，并对平行翅片散热器的翅片进行优化设计，为散热器的实际应用提供参考。
1数值模拟
1.1物理模型
图1为平直翅片散热器和分段翅片散热器的结构示意图，其几何尺寸列在表1中。其中，n表示翅片分段数。
1.2计算区域及计算方法
由于散热器各个通道内的流动状况基本相同，在两种散热器中各取一个通道为计算区域，如图2所示。计算区域的两个侧面为翅片的中心对称面。假设通道内的流动为三维、稳态、不可压的紊流流动。计算采用的方法为SIMPLE算法，湍流模型采用标准k-ε模型并与标准壁面函数法结合。动量、能量、紊动能及紊流耗散率控制方程中对流项的离散格式均采用具有二阶精度的QUICK格式。
1.3边界条件
边界条件选取为：进口边界给定流体的平均速度，并取等温边界条件，温度为293.15K；自由出流，与运行环境无压差；翅片底面采用固定热流量壁面边界条件，底面热流密度为100000W·m-2；通道两外侧壁设为绝热边界，采用无滑移壁面条件；流固耦合面上的边界条件的设置按照壁面函数法确定。采用共轭计算方法，物性参数分别给定，其中固体域用纯铝作材质，流体域为空气。
2车用翅片散热器结构
2.1汽车散热器类型
按照汽车散热器中冷却液流动的方向，可以将散热器分成纵流式（或称直流式）及横流式两种。按照散热器的芯体结构，也可以将散热器分为管片式散热器和管带式散热器两大类。管片式散热器的芯体结构由多个细冷却管及散热片共同构成，冷却管大多采用扁圆形截面，散热片大多呈带波纹状以提高其散热能力，其安装为垂直于空气流向，以达到减小风阻，提高冷却效率的作用。管带式散热器则常采用矩形平顶及圆弧形顶等类型的波纹状散热翅片，将散热翅片与冷却管相间排列进行焊接制成。与管片式相比，在相同条件下，管带式的散热面积可增加约12%。同时，散热翅片上开有百叶窗型孔，能起到扰动气流、破坏空气流体在散热翅片表面上附着的空气层的作用，从而能够提升散热器的散热能力。
2.2汽车散热器材料
无论管片式还是管带式，汽车的散热器结构都是由冷却管和散热带等经焊接构成，材料为铝或铜。因为铜本身具有高强度、耐腐蚀、传热性能优异、钎焊性能好、易加工及成本较低等优点，所以车用散热器长期以来一直以铜或铜合金作为其主要制造材料。然而随机械制造业的深入发展，车用散热器的制造商逐渐以铝作为翅片散热器的主要材料进行制造，而铝制翅片也在市场中逐渐占据优势。这是由于相较于铜制翅片来说，铝制翅片具有成本更低廉、质量更轻、散热性能更高以及可靠性更好等优势。同时，铝制散热器紧凑程度更高、体积孝质量轻，因此铝制散热器也就逐渐取代了铜制散热器，在轻型汽车上得以广泛使用。而在欧洲新款的轻型汽车中，使用铝制散热器的款式在其汽车市场中占比约为64%，但这更多是因为环境保护方面的因素。随着我国家用轿车的逐年增加，使用铝制散热器的车辆也逐渐增多，因此在我国，铝制汽车散热器具有广阔的市常
3车用翅片散热器发展趋势
（1)重量更轻、成本更低及效能更高。一般散热器原材料的费用占总成本的75％～85％，设备维修费也相对低廉，一般仅占总成本的3％～7％，人工费只占总成本的2％～4％。因此，减少材料消耗，才能使散热器重量更轻、成本更低及效能更高。（2)结构紧凑合理。采用平顶翅片，增大焊接面积，降低焊接接触部分的应力，并充分考虑生产工艺水平和焊接工艺。尽可能减小壁厚及散热翅片厚度，以此降低总体应力、提升传热效果，保证在紧凑的空间内有足够的散热和可靠性。（3)采用铝制散热带。使用钎焊工艺氮气作为保护气体生产铝制散热器，是翅片散热器今后发展的趋势，轿车和部分轻型车采用硬钎焊的铝散热器可以进一步减轻重量，从而提高散热器的工作寿命及可靠性。（4)翅片散热带的制作采用滚压工艺。采用滚压工艺生产翅片散热带，代替普通的冲压工艺，可以避免冲压残余应力分布不均匀，冲压变形时局部应力过大，导致冲压后料源分布不均使整个散热器总成强度降低。而且滚压是利用滚压模具在铝带上连续生产出翅片散热带，成型质量好，生产效率高。根据调研结果显示，国外中、小型散热器大多为铝制散热器，尤其是欧美各国。欧洲新型家用轿车中使用铝散热器的约占整体的80％，在美国约占72％，但在日本仅占43％。全球轿车中使用铝制散热器的平均比例为64％。在货车中使用铝制散热器的比例来看，欧洲约69％货车使用铝制散热器，日本约为16％，其全球平均值约为43％。从我国的发展趋势看，焊接式散热器逐步增多，其中，以轿车、轻型车散热器配套和出口为主要目标的企业，其产品主要是焊接式的铝散热器；以中型车、越野车及重型车为主要生产目标的企业，其主要产品为焊接式的铜散热器；重型车、军用车、工程车及农业机械的散热器以管片式结构为主导。
结语
散热器是汽车零部件中相对较易损的部件，在限定的空间内，汽车散热器应具备足够的散热能力、较高的使用寿命及更强的可靠性。则质量轻、消耗材料少、成本低、高性能是车用散热带发展的必然趋势。因此发展高效能的翅片散热器材料，采用先进的生产工艺，满足汽车散热器的小型化和轻型化，从而满足汽车市场紧凑节能低碳经济的发展需求。
参考文献
[1]肖宝兰.散热带翅片参数对车用水箱散热器流动传热性能的影响.内燃机工程.2010.3.P85-89.
[2]伊丽娜，郑文龙，王博杰，等.新型CPU散热器内空气流动与换热特性的数值研究[J].制冷技术，2015，35（1）：36?40.
论文作者:吴家林
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/27
标签：散热器论文; 翅片论文; 汽车论文; 车用论文; 边界论文; 材料论文; 管带论文; 《中国西部科技》2019年第23期论文;