汽車散熱器的優(yōu)化設(shè)計及傳熱性能分析的研究

關(guān)鳳艷

（北汽摩有限公司 散熱器分廠，北京 101500）

0 引言

汽車散熱器是汽車?yán)鋮s系統(tǒng)中不可缺少的一個組成部分，其性能好壞對發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和可靠性有很大的影響。帶有百葉窗的散熱器具有切斷散熱帶上氣體邊界層的發(fā)展、減薄邊界層厚度、提高散熱器性能的作用。對其內(nèi)部的流動結(jié)構(gòu)、傳熱與阻力特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。目前國內(nèi)散熱器產(chǎn)品中，開百葉窗的散熱帶及管帶式散熱器產(chǎn)品所占比重明顯上升，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向緊湊、高效、低耗、輕量化方向發(fā)展。但國內(nèi)一些汽車散熱器生產(chǎn)廠家在散熱器設(shè)計和應(yīng)用過程中，對其傳熱與流動性能的計算方面的工作還比較欠缺，主要是通過實驗加以解決。2JC型汽車散熱器是一種鋁塑制帶百葉窗管帶式汽車散熱器，因其主要應(yīng)用在軍車上，軍工產(chǎn)品的特殊性及嚴(yán)格性，我公司為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品的散熱性能及產(chǎn)品的質(zhì)量，提出在盡量不改變散熱器生產(chǎn)的刀具、模具，保持原有裝配結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上，使該散熱器的散熱能力提高20%。為此，我們對帶百葉窗的管帶式散熱器內(nèi)的傳熱與流動阻力特性進(jìn)行了研究，編制了汽車散熱器的傳熱與流動阻力計算程序，并由此分析了散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)與材質(zhì)對散熱性能的影響，提出了提高2JC型汽車散熱器散熱能力的方案，為實現(xiàn)散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計計算機程序化、提高設(shè)計的準(zhǔn)確性和最優(yōu)性奠定了基礎(chǔ)，也為實施汽車散熱器散熱性能改善措施提供了有效的理論依據(jù)。

1 理論計算值與實驗值的比較

關(guān)于帶百葉窗散熱帶的汽車散熱器的換熱性能和空氣側(cè)流動阻力的理論分析和計算方法。以該理論模型為基礎(chǔ)，我們編制了計算散熱器流動阻力與傳熱性能的計算機程序，并計算了2JC型汽車散熱器的散熱量與風(fēng)阻。2JC型汽車散熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸見表1。散熱帶上百葉窗尺寸采用SUFCOM75A表面輪廓度、粗糙度測試儀測量，結(jié)果見表2。表中各符號的定義如表1所示。

表1 C6型汽車散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 百葉窗結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2為散熱器進(jìn)口水溫為90℃，進(jìn)口風(fēng)溫為30℃，冷卻水流量分別為50 L/min和80L/min時，C6型汽車散熱器傳熱性能計算值和實測值”的比較。

由圖中可知，理論值與實測值基本吻合，最大相對偏差為8.9%，且在高風(fēng)速區(qū)域誤差較大。圖3為風(fēng)阻的理論計算值與實測值的比較。風(fēng)阻的理論值在低速時與實驗值相差不大，但隨著速度的增加，偏差增大，理論值最多低于實測值35.5%。我們認(rèn)為在高風(fēng)速區(qū)風(fēng)阻理論值偏低的主要原因在于Webb的風(fēng)阻理論計算式中只涉及了散熱器芯內(nèi)部的沿程阻力而未計入空氣進(jìn)、出散熱器芯產(chǎn)生的局部阻力損失。但在常見的工況范圍內(nèi)理論值與實測值基本吻合。

圖1 散熱帶百葉窗結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 散熱器傳熱性能計算值與實測值比較

2 散熱帶結(jié)構(gòu)參數(shù)對散熱器性能的影響

筆者采用編制的計算程序?qū)Σ煌釒ЫY(jié)構(gòu)參數(shù)的散熱器的風(fēng)阻與傳熱特性進(jìn)行了計算，下面分別對各個結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響進(jìn)行討論。

2.1 散熱帶波距對散熱器性能的影響

圖3 散熱器風(fēng)阻計算值與實測值比較

其余參數(shù)不變，而散熱帶波距分別為3.5 mm、3.0 mm、2.5mm和2.0 mm的散熱器的傳熱與風(fēng)阻理論計算值，如圖4、圖5所示。散熱器的散熱量隨散熱帶波距的減小而增加，同時風(fēng)阻也隨之增大，散熱器芯的重量增加。

圖4 不同散熱帶波距的散熱器的傳熱性能

圖5 不同散熱帶波距的散熱器的風(fēng)阻特性

2.2 百葉窗開窗角度對散熱性能的影響

散熱器百葉窗開窗角度分別為25°、30°和35°時的性能示于圖6、圖7。由圖中可知，隨著開窗角度的增加，散熱器的散熱量和風(fēng)阻都隨之增加，但散熱量的增加幅度很小。

圖6 百葉窗開窗角度對傳熱性能的影響

圖7 百葉窗開窗角度對風(fēng)阻特性的影響

2.3 散熱帶材質(zhì)和厚度對散熱器性能的影響

散熱帶材料為鋁合金（導(dǎo)熱系數(shù)為180 W/m·oc）、百葉窗開窗角度為30°、冷卻水流量為40 Llmin時，散熱器的散熱量、風(fēng)阻與空氣流速的關(guān)系。散熱帶材質(zhì)對散熱器散熱性能影響較大。因此提高散熱帶材料的導(dǎo)熱系數(shù)主要使散熱帶肋化效率增加，從而提高了風(fēng)側(cè)換熱性能，使整臺散熱器的散熱量增大。通過大量的實驗證明，散熱器的散熱量和風(fēng)阻隨帶厚度的增加而增大，在本文的帶厚度變化范圍內(nèi)，帶厚度對散熱器的換熱和風(fēng)阻的影響較小。

3 2JC型汽車散熱器改進(jìn)方案

根據(jù)前述的分析結(jié)果，筆者將C6型汽車散熱器的散熱帶的波距由原來的3.5mm減小至3mm，同時將散熱帶厚度由原來的0.09mm減薄至0.07mm，其余結(jié)構(gòu)尺寸不變。改進(jìn)后的散熱器的散熱量將比原散熱器增加20.1%，風(fēng)阻增大11.0%，而散熱器芯重量由2.166kg增加到2.056kg，重量幾乎不變。從理論計算而言，這種方案完全能夠滿足生產(chǎn)廠家的要求，而且在實現(xiàn)該方案時，將不用改變各主要的生產(chǎn)工藝、刀具、模具。

由于新材料的引進(jìn)及對產(chǎn)品耐腐蝕性能進(jìn)一步研究，在這里我們簡單介紹一下散熱帶與散熱管材料的匹配，那么散熱管和散熱帶材料如何搭配才能起到電偶保護的作用呢？散熱管表層與散熱帶電位差最好在50～105之間，散熱管芯層電位與散熱帶電位差最好在70～140之間，注意散熱帶的電位要低于散熱管的電位，這種電位差異對腐蝕的影響很大。最佳合金的電位搭配對整個散熱器來講，在腐蝕方面，在同等條件下，首先腐蝕的是散熱帶，而在此過程中散熱管是完好的。只有散熱帶完全腐蝕了，散熱管才開始腐蝕。這樣就有效的保護了散熱器整體密封閉性能，并提高散熱器系統(tǒng)的抗腐蝕性能。

4 結(jié)論

文章主要討論了通過理論計算和實際實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。結(jié)果表明：散熱帶波距是影響散熱器性能的主要參數(shù)，散熱量隨散熱帶波距的減小而增加，而百葉窗開窗角度在25 °～35 °、散熱帶厚度在0.06～0.10 mm范圍內(nèi)變化對散熱器散熱量的影響較小。

通過實驗對比研究，對散熱器的散熱性能有了進(jìn)一步的了解。而且能很好的應(yīng)用在以后的設(shè)計中。

[1] 散熱器設(shè)計手冊[Z].