某型车辆的散热器产品改进设计分析

谷 操，姜红霞，芦柯京

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

某型车辆的散热器产品包括有水散热器、空－空中冷器和传动油散热器，其中水散热器为铜双波浪带管带式结构，空－空中冷器和传动油散热器为铝板翅结构，三者为各自独立的单体产品，这3种散热器通过钢结构的安装框架装配成一个整体(见图1)，吊装在车辆的冷却空气进气百叶窗下面.

该产品在随车进行的各项试验以及正常使用中均较好地满足了各项要求，但随着车辆使用环境的变化，该车在高原高温恶劣环境下使用时，当车辆运行较长的时间后，有时会发生水散热器散热能力不足的现象，因此提出了希望能进一步提高水散热器的散热能力以及减轻整体质量的需求.

图1 车辆改进前用散热器总成三维图

1 改进设计方案

1.1 车辆总体提出的改进要求

根据车辆的改进要求，该产品在改进过程中所有的对外安装及接口不变、系统的冷却风扇不变、各散热器产品的散热性能指标要求不变，保证与原方案的互换性，但希望能将水散热器的散热能力提高10%～20%，产品的整体质量能减轻10%～20%.

1.2 对高原高温环境下水散热器散热能力不足原因的分析

对于该车在高原高温恶劣环境下使用时，当车辆较新、散热器上覆盖的杂物灰尘较少时，可以满足车辆的散热要求，说明散热器的设计，无论是在平原还是在高原，其散热能力能够满足散热需求.

但是当运行较长的时间，散热器上覆盖上较多的杂物灰尘后，会发生水散热器散热能力不足的现象.说明当车辆运行一段时间后，散热器上的灰尘、杂物增多后会影响换热器的散热，其原因主要在于高原环境下冷却空气的密度降低、冷却空气质量流量会下降.由于水散热器采用的铜双波浪带的节距比其他两个散热器的节距要小得多，容易造成水散热器的散热带堵塞，从而使流经水散热器的冷却空气减少更多;另一方面，由于该散热器整体是吊装在冷却空气进气百叶窗的下面，若进行保养，就需要放水、放油，将百叶窗与散热器整体从车辆上拆下来后再将散热器与百叶窗分开，因此日常没有办法对散热器的进气表面进行保养.

再有就是散热器在设计时，虽然留有一定的裕度，但是没有充分考虑灰尘杂物对散热性能的影响程度，散热器在设计时留有的散热设计裕度不是很充足.

1.3 改进设计思路分析

针对以上分析，对其进行改进的整体思路是提高换热器的散热面积

思路之一:根据对高原高温环境下水散热器散热能力不足原因的分析，由于改进设计时依然要采用整体吊装在进气百叶窗上的安装方式，不能通过采取加强日常保养散热器进气表面的办法来改善水散热器的使用中的散热能力，因此在改进设计时3种散热器要采用同样节距的气侧散热带，以保证3种散热器产品对气侧堵塞的敏感度一致，不至于出现其中某一种散热器相对容易暴露出散热能力不足的现象.

思路之二:由于系统的冷却风扇不变，因此只能通过提高散热器的散热面积来获得散热器本体散热能力的提高，以及通过增加散热器的冷却空气侧有效流通面积、合理设计散热器芯体厚度、在保证散热能力要求的前提下尽可能减小散热器的冷却空气侧阻力，提高系统的冷却空气流量以保证系统散热能力的提高.

思路之三:通过近几年对整体式散热器技术的深入研究与使用验证，采用全铝板翅式焊接结构的整体式散热器设计技术，减少部件的数量以及黑金属的使用，优化结构布局减小部件间的结合距离来增加空气侧有效流通面积，合并及公用部件间的连接界面，减少零件数量，以获得减轻散热器整体质量的效果.

1.4 改进设计方案

根据以上改进设计思路，完成了改进设计［1］，改进后的散热器总成如图2所示.

图2 车辆改进后用散热器总成三维图

2 改进设计方案与原产品的对比分析

2.1 设计计算结果对比

表1列出了原产品与改进方案设计计算各项指标的对比情况.

2.2 台架试验结果对比

根据各散热器部件单体试验件台架性能试验结果进行推算，得到各部件的额定工况的性能，对比情况见表2.

表1 改进前后换热器有关性能技术指标及设计计算结果

表2 额定工况台架试验性能对比

2.3 对改进方案的分析

根据对设计计算结果及部件台架试验结果的对比分析［2］，表明改进设计方案很好地满足了车辆总体提出的在不改变其他任何部件及安装的前提下，水散热器散热能力提升及部件整体质量减轻的要求.

由于散热器的整体厚度较原方案减薄，有助于改善冷却风道的流动阻力;同时散热器本体的风阻下降，有助于提升系统的冷却风量，从而提高整个冷却系统的散热量.

采用铝制板翅式整体式散热器技术，与原结构相比，取消了原散热器安装框架、简化了总成的装配环节，同时整体焊接式结构对产品一致性的保证要好于螺栓压紧式固定结构.

整体式结构因将3种散热器焊接在一起，是不可拆分的，存在即使一种散热器报废必须整体报废的隐患，需要进一步加强对产品品质的控制.因整体拼焊完成后，要比原状态增加一次3种产品分别进行气密及耐压强度性能试验的过程，故从过程控制方面已经采取了相应的加严措施。此外，这种整体式散热器技术产品在其他车辆及工程机械的长期使用表明均未暴露出散热器产品的故障，表明可靠性是有保证的.

3 结论

分析结果表明散热系统改进设计方案可以提高整个系统的散热性能，能够满足车辆在高原环境的散热要求.

1)增加散热器的换热面积、改善冷却风道的流动阻力可以提高整个散热系统的散热量.

2)散热器整体式结构可以增大散热器的换热面积，提高换热空间的利用率，同时简化总成装配环节.

3)由于高原环境比平原环境的空气密度小很多，同样温度条件下所使用的散热器，需要留有更大的散热裕度.

4)散热器在设计时应根据散热要求选择翅片的形式和结构，但也要兼顾考虑污垢对其散热性能的影响，尤其是要注意在灰尘、杂物较多的环境条件，应尽量选择可以兼顾性能和流动阻力的翅片形式.

［1］章慧锦，李仁业.车辆冷却系统设计手册 ［M］.北京:国防工业出版社，1984.

［2］罗森诺，WM.谢 力，译.传热学应用手册 ［M］.北京:科学出版社，1992.