车用散热器材料的缺陷与发展

　　车用散热器材料的缺陷与发展孙海超（太原理工大学机械工程学院，山西太原，030024）散热器及其材料的使用进行前瞻性的研究。

　　1汽车散热器简介散热器是汽车发动机冷却剂与空气进行热交换的换热设备，其作用是将发动机水套内冷却液从高温零件所吸收的热量散发到空气中，其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、经济性和可靠性会有很大影响。如果散热能力太小，发动机零件会过热变形（甚至会使零件损坏），降低发动机机械强度和刚度，破坏润滑油膜，汽油机中的高温可燃混合气常常会产生早燃或爆燃，导致不正常工作；如果冷却水的工作温度高于沸腾温度，将会使发动机出现开锅“现象，这些都会使发动机性能下降；如果散热器散热能力过高，将热量过多地散发到大气中去，就必然要损耗一部分热能，影响汽车运行的经济性。并且机油在低温时黏度增高，零件运动的摩擦阻力增加，输出功率减少，影响汽车的动力性。因此，设计和使用优良的散热器是保障汽车良好运行的必要条件。随着汽车发动机转速和功率的不断提高，热负荷也越来越高，对冷却系统的要求也越来越高，人们对包括散热器在内的冷却系统的研究越加重视，新技术、新材料不断涌现，使得汽车散热器正朝着轻型、高效、经济的方向发展。

　　1.1散热器的结构汽车水冷发动机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。冷却液在散热器内流动，空气从散热器外高速流过，冷却液和空气通过散热器芯部进行热量交换。目前，汽车散热器的结构形式可分为直流型和横流型两大类，散热器芯部的结构形式主要有管片式和管带式两大类。管片式散热器里面是由许多细的冷却管和散热片构成，冷却管大多采用扁圆形截面，以减小空气阻力，增加传热面积。管带式散热器是由波绞状散热带和冷却管相间排列经焊接而成。与管片式散热器相比，管带式散热器在同样的条件下散热面积可以增加12左石，另外散热带上开有扰动气流的类似百叶窗的孔，以破坏流动空气在散热带表面上的附着层，提高散热能力。开百叶窗波状带的散热器传热效率同普通平片散热片相比可提高160. 1.2散热器对材料的要求传热系数是评价散热器散热性能的重要参数，散热器材料的导热性能和焊接质量对其影响很大。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废气的污染，还要承受反复的热循环和周期性的振动。另外，散热器内长期流动着冷却液对散热器有锈蚀及腐蚀作用。因此，为保证散热器可靠地发挥散热作用，对其材料性能有如下要求：必须具有良好的导热性能，具有一定的强度和较强的耐腐蚀性，具有良好的加工性能及钎焊性能，具有良好的经济性。

　　2铜和铝及其他材料的应用与发展汽车散热器芯体的材料根据散热器的用途和操作条件等不同而选择，常用的材料有纯铝、铝合金、铜、黄铜、镍、铁、不锈钢、镍合金等，铜和铝材料是目前用得多的散热器材料。

　　在20世纪70年代以前，铜一直是汽车散热器的材料。铜是导热性好的金属材料，具有优良的成形加工性、可钎焊性和耐蚀性，基于散热器工作条件对材料的要求，铜就无可争议地成为佳选择。但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，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。

　　20世纪80年代，的奥托昆普Outokumpu）铜带公司研发成功双波浪带自动生产线，生产出比0.04mm/0.045mm普通波浪带更薄的0.03mm/0.035mm铜带，可以被滚制成波峰更小的波浪带，这样两条波浪带通过锡焊接牢牢地固定在一条中心带普通铜带）上，后制成比普通波浪带更坚固、用材更省、散热性能更好的汽车散热器用传热元件双波浪带。对比实验研究表明，用0.035mm或更薄的双波浪带材料加工的芯子厚度为43mm的散热器与用普通波浪带加工的芯子厚度为78mm散热器相比，散热性能提高10；风阻相同，散热器本身的厚度减少45，效果不错，但这也并未从根本上解决材料来源问题。

　　另外，为了增加铜散热器的耐腐蚀性，避免铜直接与腐蚀性物质接触，延长其工作寿命，一般要在铜散热器的表面上覆盖锡保护层，但这样会影响铜散热器的散热效率，使散热性能大幅度下降。

　　基于以上因素，20世纪70年代，铝散热器应运而生。与铜相比，铝的大优势是质量轻，比重仅为铜的1/3，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。据统计，1960―1970年期间，铜矿的价格比铝矿的价格高2倍多。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。

　　尽管铝散热器具有质量轻、原料成本低、散热性能好等优点，但自身也存在难以克服的硬伤，其焊接工艺性差、生产设备投入大是长期难以解决的问题，大大限制了铝散热器的广泛应用。另外，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卡车、工程车及军用车上也难于使用。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。从那时起，铝散热器异军突起，取得了长足的发展，尤其在轿车和轻型客车领域的应用一举超越了铜制散热器。特是在欧洲，占据了6070的市场份额。

　　在铝质散热器大行其道之时，铜带制造商岂能坐视不理。在这些制造商之中，年产量约为45万（1998年的实际产量）并且是大的铜带制造商之一的奥托昆普铜带公司对面临的危机感受尤为深刻。在20世纪80年代后期，该公司开始开发新一代铜质散热器技术。作为国际铜业协会ICA）的主要成员，奥托昆普一直都在与该机构携手合作开发新一代技术。终，在20世纪90年代末，两家机构合作开发出了铜硬钎焊（CuproBmze）散热器生产技术，由此开创了汽车散热器制造技术更新和飞跃的时代。铜硬钎焊技术通过采用特殊的铜、锡和磷的钎焊合金，将黄铜和紫铜分制成管和散热带钎焊成一个整体即散热器和热交换器。铜硬钎焊技术的核心是无焊剂、无铅焊合金以及抗退火材料，其工作原理是用奥托昆普公司开发的铜硬焊金属填料OKC600在高温590 610*C熔化，依靠金属毛细管作用力流入焊接间隙，与母体材料抗退火铜材）发生反应，在交界处形成合金金属连续体，构成高强度的金属一体化结构。

　　铜硬焊散热器具有铝散热器不可替代的优点：铜硬钎焊技术使用极薄的铜合金材料，与冷却液接触的管料采用铜带经激光焊接而成，厚度仅有0.085mm；与空气接触的带料采用导热性能好、强度高、软化点高的高铜合金，璧厚仅有0.025mm）。03mm.虽然铜的比重较铝大，但铜可以加工成极薄型材料，减少用材，降低重量和成本。

　　铜硬钎焊工艺采用无铅低温焊接，不需要使用焊剂，焊接温度容易控制熔点温度允差范围大），焊接速度快，成品率高。由于工艺中省却了危害环境的去油工序，且生产过程中无需清洗，因而不会产生废水、毒气等有害物质，因而改善了工作环境，减少了污染。用这种工艺生产的铜散热器一旦报废后，还可以100地回收，再次用于制作新散热器。因此，铜硬钎焊技术是一种既能降低成本又可保护环境的新工艺、新技术。

　　铜硬钎焊散热器使用的材料与钎焊合金拥有几乎相等的情性，使产生电化学腐蚀的风险降至小。钎焊合金OKC600CuNiSnP）对管子来说也是一种保护涂层。铜硬钎焊散热器一般说来比锡焊铜铜散热器有更高的抗腐蚀能力，并且与铝散热器相比更有竞争力：铝散热器更倾向于局部腐蚀形式，而对于铜硬钎焊散热器腐蚀形式通常是均等的，不会产生局部腐蚀。实践证明，铜硬焊技术在客车、工程机械等发动机散热器方面优势明显。在同样的散热条件下，铜硬钎焊散热器重量更轻，尺寸明显减小，再加上耐蚀性好，使用寿命长。

　　据奥托昆普宣称，新型铜硬钎焊散热器与铝质散热器相比，其成本降低了10或更多。除了技术因素之外，铜价降低也是成本下降的原因之一。如前所述，I960―1970年期间，铜矿的价格比铝矿的价格高2倍多。然而，到1999年，二者的价格几乎降到了同等水平，铜带的价格甚至比铝带的价格还低。

　　目前，从世界范围来看，铜散热器和铝散热器占有同等地位。铝散热器以其在材料轻量化上的明显优势，在轿车与轻型车领域逐步取代铜散热器的同时，铜散热器制造技术和工艺有了长足的发展，铜硬钎焊散热器在客车、工程机械、重型卡车等发动机散热器方面优势明显。而把铜、铝结合应用于散热器，也是当前的一个趋势：一般以纯铜板作散热器底板，铝合金作散热鳍片，利用铜的高导热系数特点，把热量传导至铝材质的鳍片，再通过风扇的对流作用散发至空气中。铜铝结合常用的工艺有钎焊、螺丝锁合、热胀冷缩结合、机械式压合等方式，铜铝结合散热器具有散热效果好、重量轻、价格适中等优点，把铝材成本低、重量轻、散热快、易加工等特点与铜的高导热性能相结合，既保证其重量不超标，又提高了散热效率。

　　随着汽车技术的不断发展，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密封的目的，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芫整而不会产生任何的弯曲，不会减少散热器的气体流动。

　　3汽车新技术的发展及其对散热器材料的影响世界进入信息化时代，随着现代技术的不断发展以及计算机技术在汽车制造领域的深入运用，一些全新的冷却设计理念开始出现并成为可能，典型的如可控式冷却系统。传统的发动机冷却系统的设计标准是解决满负荷时的散热问题，因而部分负荷时过大的散热能力将导致发动机功率浪费，这对轻型车辆来说尤为明显，这些车辆大多数时间都在市区内部分负荷下行驶，只利用部分发动机功率，但引起冷却系统较高损耗。理想的发动机热工作状态是气缸盖温度较低而气缸体温度相对较高：气缸盖温度较低可提高充气效率，增大进气量。温度低且进气量大可促进芫全燃烧，降低CO和NQ的形成，也提高输出功率。研究表明，若气缸盖温度降低到50*C，点火提前角可提前3*4*而不发生爆震，充气效率提高2，发动机工作特性改善，并有助于优化压缩比和参数选择，取得更好的燃油效率和排放性能。较高气缸体温度会减小摩擦损失，直接改善燃油效率，间接地降低缸内峰值压力和温度。研究表明，发动机工作温度对摩擦损失有很大影响。将冷却液排出温度提高到150C，使气缸温度升高到195C，油耗则下降44；将冷却液温度保持在90C 115C范围内，使发动机机油的高温度为140C，则油耗在部分负荷时下降10.可控式冷却系统可以弥补以上的不足，它包括传感器、执行器和电控模块。在这种系统中，可以根据发动机的工况、区位、温度等情况，通过不同的回路调整冷却量，降低发动机功率损耗，创造理想的发动机温度分布。随着研究的一步步深入，正逐步地变为现实。

　　另外一些新技术的出现则彻底颠覆了散热器的传统形式。英国布里斯托尔大学航天系于1998年研制出了一种微型汽车散热器，它只有一个火柴盒大小，体积为普通汽车散热器的0.1，散热能力却与后者不相上下。据美国〈科学家》杂志报道，这种微型散热器由415个细微的不锈钢管组成，每个不锈钢管直径为0.38mm，中间装有液态氦。测试表明，这些细微不锈钢管组成的面积为160mm的阵列，散热能力可以达到13kW.与目前的汽车散热器相当的散热器相比，其体积缩小，不但减轻了质量，增加了其他零部件的布置空间，还减少了责重金属的使用量；液氦的使用消除了水冷却介质的不利影响，提高了发动机的抗寒性。该系统存在的问题是液氦的制备和储藏比较复杂，对储藏设备的要求较高。

　　随着能源和环境问题的曰益突出，世界常规汽车生产开始面临着的挑战。进入新世纪以来，以混合动力、纯电动、燃料电池技术为代表的新一代环保汽车正在范围内掀起一场汽车技术革命。尽管在目前，常规动力汽车仍然占据统治地位，但无可否认的是，它必将为新型动力汽车所取代。而传统的散热器形式也将随之变化，新材料新技术的出现也必将导致散热器材料的更新换代甚至是彻底改变。