汽车散热器材料应用分析

吴忠奎

【摘 要】散热器是汽车发动机冷却系统中起核心作用的部件。散热器性能的好坏直接影响汽车发动机的散热效果，进而对汽车的动力性、经济性和可靠性会产生很大影响。

【关键词】汽车散热器；材料应用

汽车发动机大多采用强制循环式水冷系统。散热器是汽车发动机冷却系统中起核心作用的部件。散热器性能的好坏直接影响汽车发动机的散热效果，进而对汽车的动力性、经济性和可靠性会产生很大影响。随着汽车发动机性能的不断强化，热负荷愈来愈高，对冷却系统的要求也越来越高，人们对包括散热器在内的发动机冷却系统的研究愈加重视，新技术、新材料不断涌现，在保证散热器具有足够散热能力和强度的前提下，体积更小、重量更轻、散热效率更高成了散热器发展的必然趋势。

1.散热器结构型式及其对材料要求

散热器由冷却用的散热器芯部、进水室和出水室三部分组成。冷却液在散热器芯内流动，空气从散热器芯外高速流过，冷却液和空气通过散热器芯部进行热量交换。理想的散热器应具有尺寸小、重量轻、制造工艺简单、结构可靠耐久、散热性能好、风阻小等优点。

1.1散热器及其芯部的结构型式

汽车散热器的结构型式可分为直流型和横流型两大类。直流型散热器的进出水室分别位于散热器芯部的上下方，由于散热器芯部垂直布置，因而高度尺寸较大。直流型散热器是大多数汽车发动机采用的型式，如桑塔纳1.8L、奥迪1.8L、富康1.36L等轿车发动机均采用了直流型散热器。横流型散热器采用散热器芯部水平布置，用左右两侧的水室替代上下结构的水室，冷却液水平流动。这种散热器水平尺寸大，在一些发动机罩盖较低的车型上应用，如国产依维柯轻型车等。

散热器芯部应具有足够的通流面积，让冷却液通过；同时也应具备足够的空气通流面积，让足量的空气通过以带走冷却液传给散热器的热量；还必须具有足够的散热面积，来完成冷却液、空气和散热片之间的热量交换。因此，散热器芯部是散热器不可缺少的核心部件，起主要的散热作用。

1.2散热器对材料的要求

散热系数是评价散热器散热性能优劣的重要参数，影响因素众多，其中散热器材料的导热性能和焊接质量对其影响很大。提高散热系数可以改善散热效能，使散热器以较小的尺寸和质量达到上佳的散热效果。因此，导热性能对散热器材料至关重要。

散热器的工作条件恶劣，一般位于汽车前端迎风处，不仅要经受风吹雨淋和汽车排出的废气以及沙土、泥浆的污染，而且还要承受反复的热循环和周期性振动。另外，散热器内长期流动着冷却液，其中可能混有腐蚀性及有害的成分，对散热器有锈蚀及腐蚀作用。因此，为保证散热器可靠的发挥散热作用，对散热器材料性能有如下要求：

（1）具有良好的导热性能。

（2）具有一定的强度和较强的耐腐蚀性。

（3）良好的加工性能及钎焊性能。

（4）良好的经济性。

2.常用散热材料

目前，常用的散热器材料主要有铜、铝和工程塑料等。

2.1铜

铜是重要的有色金属，也是导热性最好的金属材料，具有优良的成型加工性、可钎焊性和耐蚀性，长期以来一直作为汽车散热器的首选材料。铜的资源问题和价格问题一直是困扰铜散热器应用的主要原因。铜在工业上应用极为广泛。随着工业的不断发展，铜的消耗量日益增加，但因铜储量有限，随着消耗量的不断上升，价格居高不下，因而铜散热器的成本一直难以大幅下降。

近年来，为了进一步提高铜散热器的性能，对传统的铜锡散热器采取了许多改进措施。如在材质方面和加工工艺方面尽可能提高材料利用率，采取向铜中添加微量元素的方法，在不损失导热性的前提下，提高其强度和软化点，从而减薄带材的厚度，节省材料用量，以减轻散热器的质量和降低成本。例如，管带式散热器散热带的厚度可以达到0.045mm，最薄的可达0.025mm。

2.2铝

随着汽车技术的发展，节约能源和环境保护等方面的原因对汽车轻量化的要求越来越迫切。汽车材料的发展趋势是轻量化、高性能和强功能，散热器材料也是这样。人们一直在寻找价格低廉、性能优良的材料来取代铜。近十几年来，散热器新材料的应用有了很大的进展，尤其是在铝散热器方面发展速度很快。

铝是汽车工业使用较多的金属材料，也是汽车轻量化的首选材料。铝的最大优势是质量轻，比重仅为铜的三分之一，相同体积情况下，质量可以大大降低；铝资源远较铜丰富，成本也远低于铜；虽然铝的热传导率较铜低，仅为铜的60%，但由于铜散热器存在热传导率更低的锡保护层，使得铝散热器的热效率反而要高于铜散热器；另外，铝还有良好的铸造加工性能。虽然铝散热器具有质量轻、原料成本低、散热性能好等优点，但其焊接工艺性差、生产设备投入大是长期难以解决的问题，限制了铝散热器的广泛应用。

直到20世纪80年代中期，美国采用钎焊工艺制造铝散热器取得成功后，才使铝散热器的规模化生产和应用成为可能。铝散热器在结构和材料方面优势明显，在相同的散热性能条件下，采用铝散热器重量可减轻25%～40%。铝散热器的难点在于耐蚀性差，汽车发动机常用的冷却介质水对铝合金是一种恶劣的腐蚀介质，长时间工作容易出现点蚀问题。此外，散热器还要承受大气中其他腐蚀介质的侵蚀。对于冷却液引起的内部腐蚀，可采用向冷却水中添加防锈剂或在冷却水管内侧加一层耐蚀铝合金的方法处理；对于外部腐蚀物质引起的外部腐蚀，可采取表面处理和在金属表面涂耐蚀合金来处理。

目前，铝散热器比较成熟的生产工艺有两种：一种是机械装配式，此种形式生产的散热器冷却水管是圆形或椭圆形，采用机械压制而成，生产成本较低，但是由于这种工艺受自身形状的局限性，工作效率不高；另外一种是钎焊式，这种形式生产的冷却水管是扁状的，不受散热器自身几何形状的限制，采用焊接一次成型，工作效率高。

由于铝散热器的重量轻，并能做到与汽车同寿命（约5年），因此得到迅速推广。在欧洲和美国应用广泛，主要用于使用条件较好的城市小轿车和轻型车。北美部分地区开始在大客车、轻型货车上使用。但是，铝散热器较差的耐蚀性，使得铝散热器在使用条件差的重型货车、工程车辆及军用车辆上，则难于使用。

国内汽车散热器仍以铜散热器为主，铝散热器仅在轿车等小型发动机上应用较广泛。我国于1992年引进第一条铝散热器生产线以来，现已有多条生产线，开始是机械装配式，后来引进钎焊工艺生产线。但同国外相比，总体上生产工艺落后，生产效率低。

2.3工程塑料

为了减轻质量，提高耐腐蚀性和节约有色金属，许多新材料开始应用在散热器上。在实际应用中，散热器上下水室材料逐渐由工程塑料取代了铜材。常用的是用加入玻璃纤维的尼龙66（PA66）注塑加工成散热器的水室，并以机械方式与散热器芯部接合装配，通过橡胶密封圈使接合面上达到良好密封，同时还起防振作用。另外，尼龙66具有非常优良的耐腐蚀性，对散热器十分有利；良好的可塑性使得散热件轻巧而美观；耐高温性可使散热器的底盘保持完好而不会产生任何弯曲，不会减少散热器的气体流动。

目前，国内生产的轿车已广泛使用铜塑或铝塑结构的散热器，如夏利1.3L轿车、桑塔纳轿车等。这种散热器质量轻，生产工艺简单，可以注塑加工一次成型，成本较低。

【参考文献】

[1]杨连生.内燃机设计（第一版）[M].北京：中国农业机械出版社，1981.