汽車水冷發(fā)動機(jī)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。
目前，汽車散熱器的結(jié)構(gòu)形式可分為直流型和橫流型兩大類。
散熱器芯部的結(jié)構(gòu)形式主要有管片式和管帶式兩大類。管片式散熱器芯部是由許多細(xì)的冷卻管和散熱片構(gòu)成，冷卻管大多采用扁圓形截面，以減小空氣阻力，增加傳熱面積。
管帶式散熱器是由波紋狀散熱帶和冷卻管相間排列經(jīng)焊接而成。與管片式散熱器相比，管帶式散熱器在同樣的條件下，散熱面積可以增加12%左右，另外散熱帶上開有擾動氣流的類似百葉窗的孔，以破壞流動空氣在散熱帶表面上的附著層，提高散熱能力。開百葉窗波狀帶的散熱器傳熱效率同普通平片散熱片相比可提高160%。
二、散熱器對材料的要求
傳熱系數(shù)是評價散熱器散熱性能的重要參數(shù)，散熱器材料的導(dǎo)熱性能和焊接質(zhì)量對其影響很大。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)吹雨淋和汽車廢氣的污染，還要承受反復(fù)的熱循環(huán)和周期性的振動。另外，散熱器內(nèi)長期流動著冷卻液，對散熱器有銹蝕及腐蝕作用。因此，為保證散熱器可靠地發(fā)揮散熱作用，對其材料性能有如下要求：必須具有良好的導(dǎo)熱性能，具有一定的強(qiáng)度和較強(qiáng)的耐腐蝕性，具有良好的加工性能及釬焊性能，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。目前，常用的散熱器材料主要有銅、鋁和工程塑料等。
三、散熱片的材料
散熱片選用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料對提高熱傳導(dǎo)效率很有幫助，在金屬的導(dǎo)熱性方面，銀的導(dǎo)熱系數(shù)*高，其次是銅、鋁。銀的價格昂貴，不適宜做散熱材料，目前比較常用是銅、鋁及鋁合金。鋁的導(dǎo)熱系數(shù)低，但通過增加鰭片增大散熱面積，也能起到較好的散熱效果。
散熱片的主要材料和成型技術(shù)可分為：
全鋁散熱器 這是傳統(tǒng)散熱器，具有生產(chǎn)工藝簡單、易于加工、材料成本低廉，價格便宜等優(yōu)點。缺點是，整體散熱效果欠佳。
鋁是汽車工業(yè)使用較多的金屬材料，也是汽車輕量化的優(yōu)選材料。鋁的*大優(yōu)勢是質(zhì)量輕，比重僅為銅的三分之一，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。
但是，鋁散熱器焊接工藝性差、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)模化生產(chǎn)和應(yīng)用成為可能。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卡車、工程車及**車上，則難于使用。
全銅散熱器 銅是重要的有色金屬，也是導(dǎo)熱性*好的金屬材料，具有優(yōu)良的成形加工性、可釬焊性和耐蝕性，長期以來一直作為汽車散熱器的優(yōu)選材料。但銅的資源和價格一直是困擾銅散熱器廣泛應(yīng)用的主要原因。
散熱器的散熱效率至關(guān)重要，所以對銅板的表面質(zhì)量要求甚高，要求板材表面無劃傷、起皮、氧化、油污等缺陷，要有良好的板型、平直度和導(dǎo)熱性等。銅帶用于制作散熱器鰭片。要求有良好的導(dǎo)熱性、焊接性、較高的強(qiáng)度、尺寸公差**。銅管主要用于制作到熱管，要求有良好的導(dǎo)熱性、焊接性、內(nèi)外表面清潔，較高的強(qiáng)度等。銅棒主要用于制作銅鋁結(jié)合散熱器的銅芯，表面直接和CPU粘合在一起，要求有良好的導(dǎo)熱性、焊接性、表面清潔，較高的強(qiáng)度等。
為了增加銅散熱器的耐腐蝕性，避免銅直接與腐蝕性物質(zhì)接觸，一般要在銅散熱器的表面上覆蓋錫保護(hù)層，但這樣卻會影響銅散熱器的散熱效率，使散熱性能大幅度下降。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(qiáng)度和軟化點，從而減薄帶材的厚度，節(jié)市材料用量以減輕散熱器的質(zhì)量和降低成本。
有名的奧托昆普銅帶公司于上世紀(jì)80年代研發(fā)成功的雙波浪帶自動生產(chǎn)線，生產(chǎn)出比0.04～0.045毫米普通波浪帶更薄的0.03～0.035毫米銅帶可以被滾制成波峰更小的波浪帶，這樣兩條波浪帶通過錫焊接牢牢地固定在一條中心帶即普通銅帶上，*后制成比普通波浪帶更堅固、用材更市、散熱性能更好的汽車散熱器用傳熱元件——雙波浪帶。對比實驗研究表明，用0.035毫米或更薄的雙波浪帶材料加工的芯子厚度為43毫米的散熱器與用普通波浪帶加工的芯子厚度為78毫米散熱器相比，散熱性能提高10%，風(fēng)阻相同，散熱器本身的厚度減少45%，效果不錯。但并未從根本上解決材料來源問題。
銅鋁結(jié)合散熱器 目前比較流行的是把銅、鋁結(jié)合應(yīng)用，一般以純銅板做散熱器底板，鋁合金做散熱鰭片。利用銅的高導(dǎo)熱系數(shù)特點，把熱量傳導(dǎo)至鋁材質(zhì)的鰭片，再通過風(fēng)扇的對流作用散發(fā)至空氣中。銅鋁結(jié)合常用工藝有扦焊、螺絲鎖合，熱脹冷縮結(jié)合，機(jī)械式壓合等方式。銅鋁結(jié)合散熱器具有散熱效果好、重量、價格適中等優(yōu)點。把鋁材成本低、重量輕、散熱快、易加工等特點與銅的高導(dǎo)熱性能相結(jié)合。既保證其重量不超標(biāo)又提高了散熱效率校
四、銅硬釬焊新技術(shù)
銅硬釬焊技術(shù)通過采用特殊的銅、錫和磷的釬焊合金，將黃銅和紫銅分別制成管和散熱帶釬焊成一個整體，即散熱器和熱交換器。銅硬釬焊技術(shù)的核心是無焊劑、無鉛焊合金以及抗退火材料。其工作原理是用奧托昆普公司開發(fā)的銅硬焊金屬填料OKC600在高溫590℃～610℃時熔化，依靠金屬毛細(xì)管作用力流入焊接間隙，與母體材料(抗退火銅材)發(fā)生反應(yīng)，在交界處形成合金金屬連續(xù)體，構(gòu)成高強(qiáng)度的金屬一體化結(jié)構(gòu)。
銅硬釬焊技術(shù)使用極薄的銅合金材料，與冷卻液接觸的管料采用銅帶經(jīng)激光焊接而成，厚度僅有0.085毫米，與空氣接觸的帶料采用導(dǎo)熱性能好、強(qiáng)度高、軟化點高的高銅合金，璧厚僅有0.025～0.03毫米。雖然銅的比重較鋁大，但銅加工成極薄型材料，可以減少用材，降低重量和成本。
銅硬釬焊工藝采用無鉛低溫焊接，不需要使用焊劑，焊接溫度容易控制 ( 熔點溫度允差范圍大 )，焊接速度快，成品率高。由于工藝中市卻了危害環(huán)境的去油工序，且生產(chǎn)過程中無需清洗，因而不會產(chǎn)生廢水、毒氣等有害物質(zhì)校因而改善了工作環(huán)境，減少了污染。用這種工藝生產(chǎn)的銅散熱器一旦報廢后，還可以100%地回收。
銅硬釬焊散熱器使用的材料與釬焊合金擁有幾乎相等的惰性，使產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的風(fēng)險降至*小。釬焊合金對管子來說也是一種保護(hù)涂層。銅硬釬焊散熱器一般說來比錫焊銅或黃銅散熱器有更高的抗腐蝕能力，與鋁散熱器相比更有競爭力；鋁散熱器更傾向于局部腐蝕形式，而對于銅硬釬焊散熱器腐蝕形式通常是均等的，不會產(chǎn)生局部腐蝕。目前，銅硬焊散熱器已經(jīng)在公共汽車、重型卡車和其他工程設(shè)備中得到應(yīng)用;我國也已經(jīng)從奧托昆普公司引進(jìn)該項技術(shù)。
五、結(jié)語
汽車散熱器材料與制造技術(shù)發(fā)展很快。鋁散熱器以其在材料輕量化上的明顯優(yōu)勢，在轎車與輕型車領(lǐng)域逐步取代銅散熱器的同時，銅散熱器制造技術(shù)和工藝有了長足的發(fā)展，銅硬釬焊散熱器在客車、工程機(jī)械、重型卡車等發(fā)動機(jī)散熱器方面優(yōu)勢明顯。國外轎車配套的散熱器多為鋁散熱器，主要是從保護(hù)環(huán)境的角度來考慮 ( 尤其是歐美國家 )。在歐洲新型的轎車中，鋁散熱器占有的比例平均為64％。從我國汽車散熱器生產(chǎn)的發(fā)展前景看，硬釬焊生產(chǎn)的鋁散熱器逐漸增多。硬釬焊銅散熱器也在公共汽車、載貨汽車和其他工程設(shè)備上得到應(yīng)用。

散熱片作為強(qiáng)化傳熱的重要技術(shù)之一，廣泛地應(yīng)用于提高固體壁面的傳熱速率校比如飛機(jī)、空調(diào)、電子元件、機(jī)動車輛的散熱器、船用散熱器等［1］。對散熱片強(qiáng)化傳熱的研究引起國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注，如對散熱片自然對流的研究［2-7］，對散熱片強(qiáng)制對流的研究［8-12］。前人對散熱片的研究大致可分為兩類：其一，采用實驗的手段，在一定范圍內(nèi)改變散熱片組的結(jié)構(gòu)尺寸和操作參數(shù)，比較其傳熱性能，從而得出散熱片組*優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸和*優(yōu)的操作參數(shù)；其二，采用數(shù)學(xué)方法，對某一具體情況推導(dǎo)出偏微分方程，簡化其邊界條件，求其數(shù)值解。本文深入分析散熱片組間流體的流動特性及傳熱特性，總結(jié)各種因素對傳熱的影響，采用*優(yōu)化技術(shù)及先進(jìn)的計算機(jī)軟件技術(shù)，對自然對流情況下矩形散熱片組的散熱過程進(jìn)行了優(yōu)化研究，并設(shè)計典型實驗，檢驗優(yōu)化結(jié)果。

2　散熱片散熱過程分析

　　散熱片多用于強(qiáng)化發(fā)熱表面向空氣散熱的情況，故本文以與空氣接觸的散熱片為研究對象。由于散熱片表面溫度(一般不超過250 ℃)不高，散熱片組對空氣的輻射換熱量采用式(1)計算可知，它所占比例小于總散熱量的3%。因此，散熱片表面與周圍環(huán)境之間的散熱主要是對流傳熱。式(1)中的F為輻射角系數(shù)，本文散熱片組的輻射角系數(shù)由G N ELLISON［13］介紹的方法求得。

散熱片傳熱是一個比較復(fù)雜的物理過程，對此過程，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入的實驗研究，他們的工作主要著重于傳熱系數(shù)大小、傳熱系數(shù)與流體流速以及流道的幾何形狀等因素的內(nèi)在聯(lián)系。在實驗研究中得到了許多適用于具體實驗條件的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。這些結(jié)果對傳熱過程的了解和散熱片的設(shè)計有重要的意義。

在自然對流條件下，散熱片組的結(jié)構(gòu)參數(shù)(散熱片的間距、高度、厚度)是散熱片散熱的主要影響因素，散熱片組的結(jié)構(gòu)見文獻(xiàn)［14］。

2.1　間距對散熱片散熱的影響

描述流體與固體間對流傳熱的基本方程式為：Q=hAΔT

從上式可以看出，通過提高傳熱系數(shù)h，增大傳熱面積來強(qiáng)化流體與散熱片表面間的對流傳熱效果。當(dāng)基面寬度W給定時，假定傳熱溫差ΔT，傳熱系數(shù)h不變，這樣散熱量Q的提高就取決于換熱面積A的大小。增加散熱片數(shù)量就可以增加換熱面積，有利于散熱。但散熱片數(shù)目的增多，減小了散熱片間的距離S，傳熱系數(shù)h也隨之降低。

2.2　高度對散熱片散熱的影響

提高散熱片的高度H可以增加換熱面積A，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。但增加高度會使散熱片頂部的局部傳熱系數(shù)降低，導(dǎo)致平均傳熱系數(shù)的降低。此外，高度也影響著從散熱片基面到端部的溫度降。高度越大，溫度降也越大，導(dǎo)致散熱片表面與周圍大氣的平均溫度差就隨之降低，不利于散熱。實際上，散熱片的高度還將受到整機(jī)外型尺寸的限制。

2.3　厚度對散熱片散熱的影響

散熱片越薄，則單位長度上可裝載的散熱片的數(shù)量就越多，從而增大散熱面積，強(qiáng)化散熱片的散熱；隨著散熱片厚度的增大，散熱片表面與周圍大氣的平均換熱溫度差ΔT就隨之降低，這對于散熱是不利的。在實際的應(yīng)用中，厚度δ的大小往往受工藝水平高低所限。一般鑄造散熱片的厚度δ不小于2 mm，機(jī)加工散熱片的厚度δ不小于1 mm。

3　模型

根據(jù)以上的分析可知，在散熱片的設(shè)計中，散熱片結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取是問題的關(guān)鍵。本文以文獻(xiàn)［7］的實驗研究為基礎(chǔ)，在限定散熱量及基面面積的條件下，以設(shè)備的一次投資費(fèi)用*少為目標(biāo)函數(shù)，對散熱片組的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了計算機(jī)模擬優(yōu)化計算。目標(biāo)函數(shù)為：Y=CX

對于密集散熱技術(shù)中采用散熱片的形狀較為簡單，而且一般是經(jīng)機(jī)械加工制成的，因此，式(3)中的C可取為常數(shù)。這樣，目標(biāo)函數(shù)就簡化為所用散熱材料的質(zhì)量。散熱材料由純鋁制成，其密度在本研究范圍內(nèi)變化很小，可以忽略。為了便于研究，把散熱材料的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為其體積，即以所用散熱材料的體積為實際的目標(biāo)函數(shù)，其計算公式為：

式中：x、y、z分別為散熱片的高度、厚度、間距。

約束條件：

①散熱片高度：0≤x≤Hmax；②散熱片厚度：δ0≤y≤δmax；③散熱片間距：S0≤z≤Smax；④散熱量：Q≤Q0±ηQ0。

4　實例與分析

上述的優(yōu)化問題是一個比較復(fù)雜的帶有約束條件的非線性規(guī)劃。對此問題，首先采用罰函數(shù)法(外點法)將其化為無約束非線性規(guī)劃；其次采用坐標(biāo)輪換法再將多維非線性規(guī)劃化為一維非線性規(guī)劃；*后采用一維搜索法之進(jìn)退法求解該問題。在上述算法基礎(chǔ)上，采用Borland C++語言設(shè)計出通用的優(yōu)化程序。

我們預(yù)先設(shè)定：可裝翅空間的體積(長×寬×高)為250 mm×180 mm×60 mm，壁溫為175 ℃，環(huán)境溫度為25 ℃，額定的散熱量為300±30 W。計算結(jié)果見表1

表1　自然對流條件下散熱片組的優(yōu)化計算　　mm7

優(yōu)化值(初始值) 優(yōu)化值(初始值)

高度 厚度 間距 高度 厚度 間距

60.00(60) 1.03(5) 13.76(20) 59.89(50) 1.03(5) 13.70(20)

59.24(40) 1.03(5) 13.34(20) 58.05(30) 1.03(5) 12.69(20)
 

57.45(20) 1.03(5) 12.37(20) 59.95(60) 1.02(11) 13.76(20)

60.00(60) 1.06(1) 13.67(20) 59.85(60) 1.03(5) 13.68(35)

59.98(60) 1.03(5) 13.75(30) 59.96(60) 1.05(5) 13.69(10)

59.57(60) 1.09(5) 13.37(5) 59.89(50) 1.02(8) 13.73(18)

59.24(40) 1.01(6) 13.41(21) 60.00(55) 1.08(10) 13.63(30)

根據(jù)表1的優(yōu)化結(jié)果，可計算出平均*優(yōu)的散熱片組結(jié)構(gòu)尺寸為59.80×1.04×13.62，散熱片數(shù)為13片(散熱片組基面寬度為176.96 mm)。由此可計算出其單位質(zhì)量散熱材料的傳熱速率為：Qopt=599 W/kg。

對于結(jié)構(gòu)尺寸為60×1×13和60×1×14的散熱片組分別進(jìn)行實驗研究，*后得到單位質(zhì)量散熱材料的傳熱速率分別為：Q1=457 W/kg和Q2=540 W/kg。

從上述三個結(jié)構(gòu)可以看出，優(yōu)化結(jié)果比結(jié)構(gòu)尺寸為60×1×13的散熱片組實驗值高23.7%，比結(jié)構(gòu)尺寸為60×1×14的散熱片組實驗值高9.8%。

為進(jìn)一步檢驗計算結(jié)果的可靠性，把計算結(jié)果和文獻(xiàn)［7］中的實驗結(jié)果進(jìn)行了比較。

在自然對流條件下散熱片組傳熱性能的實驗研究中，在所研究的范圍內(nèi)(溫差為150 ℃，散熱量為300 W，散熱片組的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍為，高度：30～60 mm；厚度：3～15 mm；間距：3～40 mm)，得到的*優(yōu)高度為60 mm。在這一點上，優(yōu)化結(jié)論與實驗結(jié)果是相符的。

在上述實驗研究中，沒有得出全局的*優(yōu)間距和厚度值，僅得到了一些局部*優(yōu)點。本文把這些*優(yōu)點和優(yōu)化結(jié)論進(jìn)行了比較。

當(dāng)散熱片高度為60 mm、厚度為3 mm時，*優(yōu)的間距為10 mm，此時，散熱片組單位質(zhì)量散熱材料的傳熱速率為：Q′=154 W/kg，其與優(yōu)化結(jié)果相差74.3%。

當(dāng)散熱片高度為40 mm、間距為9 mm時，*優(yōu)的厚度為3 mm，此時散熱片組單位質(zhì)量散熱材料的傳熱速率為：Q′=169 W/kg，其與優(yōu)化結(jié)果相差71.8%。

從上述的比較可以看出優(yōu)化后的散熱片組，不僅滿足了散熱要求，而且顯著地提高了散熱片的材料利用率，亦大大降低了一次投資的費(fèi)用，優(yōu)化效果是顯著的。

5　結(jié)論
(1)自然對流條件下散熱片組優(yōu)化設(shè)計是一三變量(散熱片高度、間距及厚度)的非線性規(guī)劃。

(2)優(yōu)化設(shè)計的散熱片組可較大地提高其材料利用率，*大散熱量也有所增大。

符號說明

A為傳熱面積，m2；AT為散熱片組總的傳熱面積，m2；C為單位質(zhì)量材料的加工費(fèi)￥/kg；H為散熱片高度，m；h為傳熱系數(shù)，W/(m2.℃)；L為基面長度，m；S為間距，m；α為空氣的平均溫度，K；f為散熱片組中散熱片的平均溫度，K；W為基面寬度，m；Y為總投資，￥；X為設(shè)備總重，kg；δ為散熱片厚度，m；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，W/(m2.K4)。