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汽車散熱器材料選型
2013-02-21 09:12:18 來源：上海涵潮汽車散熱器材料選型汽車水冷發(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，也是汽車輕量化的首選材料。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)�；a(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首選材料。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、尺寸公差精確。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)省材料用量以減輕散熱器的質(zhì)量和降低成本。
*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、用材更省、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。
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。由于工藝中省卻了危害環(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)。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
汽車散熱器發(fā)展方向
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