汽车散热器的优化设计及传热性能分析的研究

关凤艳

（北汽摩有限公司 散热器分厂，北京 101500）

0 引言

汽车散热器是汽车冷却系统中不可缺少的一个组成部分，其性能好坏对发动机的动力性、经济性和可靠性有很大的影响。带有百叶窗的散热器具有切断散热带上气体边界层的发展、减薄边界层厚度、提高散热器性能的作用。对其内部的流动结构、传热与阻力特性进行了系统的研究。目前国内散热器产品中，开百叶窗的散热带及管带式散热器产品所占比重明显上升，产品结构向紧凑、高效、低耗、轻量化方向发展。但国内一些汽车散热器生产厂家在散热器设计和应用过程中，对其传热与流动性能的计算方面的工作还比较欠缺，主要是通过实验加以解决。2JC型汽车散热器是一种铝塑制带百叶窗管带式汽车散热器，因其主要应用在军车上，军工产品的特殊性及严格性，我公司为了进一步提高产品的散热性能及产品的质量，提出在尽量不改变散热器生产的刀具、模具，保持原有装配结构尺寸的基础上，使该散热器的散热能力提高20%。为此，我们对带百叶窗的管带式散热器内的传热与流动阻力特性进行了研究，编制了汽车散热器的传热与流动阻力计算程序，并由此分析了散热器结构参数与材质对散热性能的影响，提出了提高2JC型汽车散热器散热能力的方案，为实现散热器结构设计计算机程序化、提高设计的准确性和最优性奠定了基础，也为实施汽车散热器散热性能改善措施提供了有效的理论依据。

1 理论计算值与实验值的比较

关于带百叶窗散热带的汽车散热器的换热性能和空气侧流动阻力的理论分析和计算方法。以该理论模型为基础，我们编制了计算散热器流动阻力与传热性能的计算机程序，并计算了2JC型汽车散热器的散热量与风阻。2JC型汽车散热器的主要结构尺寸见表1。散热带上百叶窗尺寸采用SUFCOM75A表面轮廓度、粗糙度测试仪测量，结果见表2。表中各符号的定义如表1所示。

表1 C6型汽车散热器结构参数

表2 百叶窗结构参数

图2为散热器进口水温为90℃，进口风温为30℃，冷却水流量分别为50 L/min和80L/min时，C6型汽车散热器传热性能计算值和实测值”的比较。

由图中可知，理论值与实测值基本吻合，最大相对偏差为8.9%，且在高风速区域误差较大。图3为风阻的理论计算值与实测值的比较。风阻的理论值在低速时与实验值相差不大，但随着速度的增加，偏差增大，理论值最多低于实测值35.5%。我们认为在高风速区风阻理论值偏低的主要原因在于Webb的风阻理论计算式中只涉及了散热器芯内部的沿程阻力而未计入空气进、出散热器芯产生的局部阻力损失。但在常见的工况范围内理论值与实测值基本吻合。

图1 散热带百叶窗结构简图

图2 散热器传热性能计算值与实测值比较

2 散热带结构参数对散热器性能的影响

笔者采用编制的计算程序对不同散热带结构参数的散热器的风阻与传热特性进行了计算，下面分别对各个结构参数的影响进行讨论。

2.1 散热带波距对散热器性能的影响

图3 散热器风阻计算值与实测值比较

其余参数不变，而散热带波距分别为3.5 mm、3.0 mm、2.5mm和2.0 mm的散热器的传热与风阻理论计算值，如图4、图5所示。散热器的散热量随散热带波距的减小而增加，同时风阻也随之增大，散热器芯的重量增加。

图4 不同散热带波距的散热器的传热性能

图5 不同散热带波距的散热器的风阻特性

2.2 百叶窗开窗角度对散热性能的影响

散热器百叶窗开窗角度分别为25°、30°和35°时的性能示于图6、图7。由图中可知，随着开窗角度的增加，散热器的散热量和风阻都随之增加，但散热量的增加幅度很小。

图6 百叶窗开窗角度对传热性能的影响

图7 百叶窗开窗角度对风阻特性的影响

2.3 散热带材质和厚度对散热器性能的影响

散热带材料为铝合金（导热系数为180 W/m·oc）、百叶窗开窗角度为30°、冷却水流量为40 Llmin时，散热器的散热量、风阻与空气流速的关系。散热带材质对散热器散热性能影响较大。因此提高散热带材料的导热系数主要使散热带肋化效率增加，从而提高了风侧换热性能，使整台散热器的散热量增大。通过大量的实验证明，散热器的散热量和风阻随带厚度的增加而增大，在本文的带厚度变化范围内，带厚度对散热器的换热和风阻的影响较小。

3 2JC型汽车散热器改进方案

根据前述的分析结果，笔者将C6型汽车散热器的散热带的波距由原来的3.5mm减小至3mm，同时将散热带厚度由原来的0.09mm减薄至0.07mm，其余结构尺寸不变。改进后的散热器的散热量将比原散热器增加20.1%，风阻增大11.0%，而散热器芯重量由2.166kg增加到2.056kg，重量几乎不变。从理论计算而言，这种方案完全能够满足生产厂家的要求，而且在实现该方案时，将不用改变各主要的生产工艺、刀具、模具。

由于新材料的引进及对产品耐腐蚀性能进一步研究，在这里我们简单介绍一下散热带与散热管材料的匹配，那么散热管和散热带材料如何搭配才能起到电偶保护的作用呢？散热管表层与散热带电位差最好在50～105之间，散热管芯层电位与散热带电位差最好在70～140之间，注意散热带的电位要低于散热管的电位，这种电位差异对腐蚀的影响很大。最佳合金的电位搭配对整个散热器来讲，在腐蚀方面，在同等条件下，首先腐蚀的是散热带，而在此过程中散热管是完好的。只有散热带完全腐蚀了，散热管才开始腐蚀。这样就有效的保护了散热器整体密封闭性能，并提高散热器系统的抗腐蚀性能。

4 结论

文章主要讨论了通过理论计算和实际实验数据进行对比。结果表明：散热带波距是影响散热器性能的主要参数，散热量随散热带波距的减小而增加，而百叶窗开窗角度在25 °～35 °、散热带厚度在0.06～0.10 mm范围内变化对散热器散热量的影响较小。

通过实验对比研究，对散热器的散热性能有了进一步的了解。而且能很好的应用在以后的设计中。

[1] 散热器设计手册[Z].