汽车散热器技术
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。
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。管片式散热器芯部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纹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%左右，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%。
二、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
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。管片式散热器芯部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纹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%左右，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%。
二、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。目前，常用的散热器材料主要有铜、铝和工程塑料等。
三、散热片的材料
散热片选用导热系数较高的材料对提高热传导效率很有帮助，在金属的导热性方面，银的导热系数最高，其次是铜、铝。银的价格昂贵，不适宜做散热材料，目前比较常用是铜、铝及铝合金。铝的导热系数低，但通过增加鳍片增大散热面积，也能起到较好的散热效果。
散热片的主要材料和成型技术可分为：
全铝散热器 这是传统散热器，具有生产工艺简单、易于加工、材料成本低廉，价格便宜等优点。缺点是，整体散热效果欠佳。
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，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。
但是，铝散热器焊接工艺性差、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
三、散热片的材料
散热片选用导热系数较高的材料对提高热传导效率很有帮助，在金属的导热性方面，银的导热系数最高，其次是铜、铝。银的价格昂贵，不适宜做散热材料，目前比较常用是铜、铝及铝合金。铝的导热系数低，但通过增加鳍片增大散热面积，也能起到较好的散热效果。
散热片的主要材料和成型技术可分为：
全铝散热器 这是传统散热器，具有生产工艺简单、易于加工、材料成本低廉，价格便宜等优点。缺点是，整体散热效果欠佳。
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，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。
但是，铝散热器焊接工艺性差、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。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卡车、工程车及军用车上，则难于使用。
全铜散热器 铜是重要的有金属，也是导热性最好的金属材料，具有优良的成形加工性、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。但铜的资源和价格一直是困扰铜散热器广泛应用的主要原因。
散热器的散热效率至关重要，所以对铜板的表面质量要求甚高，要求板材表面无划伤、起皮、氧化、油污等缺陷，要有良好的板型、平直度和导热性等。铜带用于制作散热器鳍片。要求有良好的导热性、焊接性、较高的强度、尺寸公差精确。铜管主要用于制作到热管，要求有良好的导热性、焊接性、内外表面清洁，较高的强度等。铜棒主要用于制作铜铝结合散热器的铜芯，表面直接和CPU粘合在一起，要求有良好的导热性、焊接性、表面清洁，较高的强度等。
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，一般要在铜散热器的表面上覆盖锡保护层，但这样却会影响铜散热器的散热效率，使散热性能大幅度下降。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
全铜散热器 铜是重要的有金属，也是导热性最好的金属材料，具有优良的成形加工性、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。但铜的资源和价格一直是困扰铜散热器广泛应用的主要原因。
散热器的散热效率至关重要，所以对铜板的表面质量要求甚高，要求板材表面无划伤、起皮、氧化、油污等缺陷，要有良好的板型、平直度和导热性等。铜带用于制作散热器鳍片。要求有良好的导热性、焊接性、较高的强度、尺寸公差精确。铜管主要用于制作到热管，要求有良好的导热性、焊接性、内外表面清洁，较高的强度等。铜棒主要用于制作铜铝结合散热器的铜芯，表面直接和CPU粘合在一起，要求有良好的导热性、焊接性、表面清洁，较高的强度等。
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，一般要在铜散热器的表面上覆盖锡保护层，但这样却会影响铜散热器的散热效率，使散热性能大幅度下降。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。
著名的奥托昆普铜带公司于上世纪80年代研发成功的双波浪带自动生产线，生产出比0.04～0.045毫米普通波浪带更薄的0.03～0.035毫米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即普通铜带上，最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0.035毫米或更薄的双波浪带材料加工的芯子厚度为43毫米的散热器与用普通波浪带加工的芯子厚度为78毫米散热器相比，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。但并未从根本上解决材料来源问题。
铜铝结合散热器 目前比较流行的是把铜、铝结合应用，一般以纯铜板做散热器底板，铝合金做散热鳍片。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。铜铝结合常用工艺有扦焊、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、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。
四、铜硬钎焊新技术
著名的奥托昆普铜带公司于上世纪80年代研发成功的双波浪带自动生产线，生产出比0.04～0.045毫米普通波浪带更薄的0.03～0.035毫米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即普通铜带上，最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0.035毫米或更薄的双波浪带材料加工的芯子厚度为43毫米的散热器与用普通波浪带加工的芯子厚度为78毫米散热器相比，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。但并未从根本上解决材料来源问题。
铜铝结合散热器 目前比较流行的是把铜、铝结合应用，一般以纯铜板做散热器底板，铝合金做散热鳍片。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。铜铝结合常用工艺有扦焊、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、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。
四、铜硬钎焊新技术
铜硬钎焊技术通过采用特殊的铜、锡和磷的钎焊合金，将黄铜和紫铜分别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℃时熔化，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0.085毫米，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0.025～0.03毫米。虽然铜的比重较铝大，但铜加工成极薄型材料，可以减少用材，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。
铜硬钎焊散热器使用的材料与钎焊合金拥有几乎相等的惰性，使产生电化学腐蚀的风险降至最小。钎焊合金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或黄铜
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0.085毫米，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0.025～0.03毫米。虽然铜的比重较铝大，但铜加工成极薄型材料，可以减少用材，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。
铜硬钎焊散热器使用的材料与钎焊合金拥有几乎相等的惰性，使产生电化学腐蚀的风险降至最小。钎焊合金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或黄铜
散热器有更高的抗腐蚀能力，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。目前，铜硬焊散热器已经在公共汽车、重型卡车和其他工程设备中得到应用;我国也已经从奥托昆普公司引进该项技术。
五、结语
汽车散热器材料与制造技术发展很快。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。国外轿车配套的散热器多为铝散热器，主要是从保护环境的角度来考虑 ( 尤其是欧美国家 )。在欧洲新型的轿车中，铝散热器占有的比例平均为64％。从我国汽车散热器生产的发展前景看，硬钎焊生产的铝散热器逐渐增多。硬钎焊铜散热器也在公共汽车、载货汽车和其他工程设备上得到应用。
五、结语
汽车散热器材料与制造技术发展很快。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。国外轿车配套的散热器多为铝散热器，主要是从保护环境的角度来考虑 ( 尤其是欧美国家 )。在欧洲新型的轿车中，铝散热器占有的比例平均为64％。从我国汽车散热器生产的发展前景看，硬钎焊生产的铝散热器逐渐增多。硬钎焊铜散热器也在公共汽车、载货汽车和其他工程设备上得到应用。
散热片作为强化传热的重要技术之一，广泛地应用于提高固体壁面的传热速率。比如飞机、空调、电子元件、机动车辆的散热器、船用散热器等［1］。对散热片强化传热的研究引起国内外众多学者的关注，如对散热片自然对流的研究［2-7］，对散热片强制对流的研究［8-12］。前人对散热片的研究大致可分为两类：其一，采用实验的手段，在一定范围内改变散
热片组的结构尺寸和操作参数，比较其传热性能，从而得出散热片组最优的结构尺寸和最优的操作参数；其二，采用数学方法，对某一具体情况推导出偏微分方程，简化其边界条件，求其数值解。本文深入分析散热片组间流体的流动特性及传热特性，总结各种因素对传热的影响，采用最优化技术及先进的计算机软件技术，对自然对流情况下矩形散热片组的散热过程进行了优化研究，并设计典型实验，检验优化结果。
2 散热片散热过程分析
散热片多用于强化发热表面向空气散热的情况，故本文以与空气接触的散热片为研究对象。由于散热片表面温度(一般不超过250 ℃)不高，散热片组对空气的辐射换热量采用式(1)计算可知，它所占比例小于总散热量的3%。因此，散热片表面与周围环境之间的散热主要是对流传热。式(1)中的F为辐射角系数，本文散热片组的辐射角系数由G N ELLISON［13］介绍的方法求得。
散热片传热是一个比较复杂的物理过程，对此过程，国内外学者进行了深入的实验研究，他们的工作主要着重于传热系数大小、传热系数与流体流速以及流道的几何形状等因素的内在联系。在实验研究中得到了许多适用于具体实验条件的准数关联式。这些结果对传热过程
的了解和散热片的设计有重要的意义。
在自然对流条件下，散热片组的结构参数(散热片的间距、高度、厚度)是散热片散热的主要影响因素，散热片组的结构见文献［14］。
2.1 间距对散热片散热的影响
描述流体与固体间对流传热的基本方程式为：Q=hAΔT
从上式可以看出，通过提高传热系数h，增大传热面积来强化流体与散热片表面间的对流传热效果。当基面宽度W给定时，假定传热温差ΔT，传热系数h不变，这样散热量Q的提高就取决于换热面积A的大小。增加散热片数量就可以增加换热面积，有利于散热。但散热片数目的增多，减小了散热片间的距离S，传热系数h也随之降低。
2.2 高度对散热片散热的影响
提高散热片的高度H可以增加换热面积A，从而达到强化传热的目的。但增加高度会使散热片顶部的局部传热系数降低，导致平均传热系数的降低。此外，高度也影响着从散热片基
面到端部的温度降。高度越大，温度降也越大，导致散热片表面与周围大气的平均温度差就随之降低，不利于散热。实际上，散热片的高度还将受到整机外型尺寸的限制。
2.3 厚度对散热片散热的影响
散热片越薄，则单位长度上可装载的散热片的数量就越多，从而增大散热面积，强化散热片的散热；随着散热片厚度的增大，散热片表面与周围大气的平均换热温度差ΔT就随之降低，这对于散热是不利的。在实际的应用中，厚度δ的大小往往受工艺水平高低所限。一般铸造散热片的厚度δ不小于2 mm，机加工散热片的厚度δ不小于1 mm。
3 模型
根据以上的分析可知，在散热片的设计中，散热片结构参数的选取是问题的关键。本文以文献［7］的实验研究为基础，在限定散热量及基面面积的条件下，以设备的一次投资费用最少为目标函数，对散热片组的结构尺寸进行了计算机模拟优化计算。目标函数为：Y=CX
对于密集散热技术中采用散热片的形状较为简单，而且一般是经机械加工制成的，因此，式(
3)中的C可取为常数。这样，目标函数就简化为所用散热材料的质量。散热材料由纯铝制成，其密度在本研究范围内变化很小，可以忽略。为了便于研究，把散热材料的质量转化为其体积，即以所用散热材料的体积为实际的目标函数，其计算公式为：
式中：x、y、z分别为散热片的高度、厚度、间距。
约束条件：
①散热片高度：0≤x≤Hmax；②散热片厚度：δ0≤y≤δmax；③散热片间距：S0≤z≤Smax；④散热量：Q≤Q0±ηQ0。
4 实例与分析
上述的优化问题是一个比较复杂的带有约束条件的非线性规划。对此问题，首先采用罚函数法(外点法)将其化为无约束非线性规划；其次采用坐标轮换法再将多维非线性规划化为一维非线性规划；最后采用一维搜索法之进退法求解该问题。在上述算法基础上，采用Borland C++语言设计出通用的优化程序。
我们预先设定：可装翅空间的体积(长×宽×高)为250 mm×180 mm×60 mm，壁温为175 ℃，环境温度为25 ℃，额定的散热量为300±30 W。计算结果见表1
表1 自然对流条件下散热片组的优化计算 mm7
优化值(初始值) 优化值(初始值)
高度 厚度 间距 高度 厚度 间距
60.00(60) 1.03(5) 13.76(20) 59.89(50) 1.03(5) 13.70(20)
59.24(40) 1.03(5) 13.34(20) 58.05(30) 1.03(5) 12.69(20)
57.45(20) 1.03(5) 12.37(20) 59.95(60) 1.02(11) 13.76(20)
60.00(60) 1.06(1) 13.67(20) 59.85(60) 1.03(5) 13.68(35)
59.98(60) 1.03(5) 13.75(30) 59.96(60) 1.05(5) 13.69(10)
59.57(60) 1.09(5) 13.37(5) 59.89(50) 1.02(8) 13.73(18)
59.24(40) 1.01(6) 13.41(21) 60.00(55) 1.08(10) 13.63(30)
根据表1的优化结果，可计算出平均最优的散热片组结构尺寸为59.80×1.04×13.62，散热片数为13片(散热片组基面宽度为176.96 mm)。由此可计算出其单位质量散热材料的传热速率为：Qopt=599 W/kg。
对于结构尺寸为60×1×13和60×1×14的散热片组分别进行实验研究，最后得到单位质量散热材料的传热速率分别为：Q1=457 W/kg和Q2=540 W/kg。
从上述三个结构可以看出，优化结果比结构尺寸为60×1×13的散热片组实验值高23.7%，比结构尺寸为60×1×14的散热片组实验值高9.8%。
为进一步检验计算结果的可靠性，把计算结果和文献［7］中的实验结果进行了比较。
发动机水箱 在自然对流条件下散热片组传热性能的实验研究中，在所研究的范围内(温差为150 ℃，散热量为300 W，散热片组的结构参数范围为，高度：30～60 mm；厚度：3～15 mm；间距：3～40 mm)，得到的最优高度为60 mm。在这一点上，优化结论与实验结果是相符的。
在上述实验研究中，没有得出全局的最优间距和厚度值，仅得到了一些局部最优点。本文把这些最优点和优化结论进行了比较。
当散热片高度为60 mm、厚度为3 mm时，最优的间距为10 mm，此时，散热片组单位质量散热材料的传热速率为：Q′=154 W/kg，其与优化结果相差74.3%。
当散热片高度为40 mm、间距为9 mm时，最优的厚度为3 mm，此时散热片组单位质量散热材料的传热速率为：Q′=169 W/kg，其与优化结果相差71.8%。
从上述的比较可以看出优化后的散热片组，不仅满足了散热要求，而且显著地提高了散热片的材料利用率，亦大大降低了一次投资的费用，优化效果是显著的。
5 结论
(1)自然对流条件下散热片组优化设计是一三变量(散热片高度、间距及厚度)的非线性规划。
(1)自然对流条件下散热片组优化设计是一三变量(散热片高度、间距及厚度)的非线性规划。
(2)优化设计的散热片组可较大地提高其材料利用率，最大散热量也有所增大。
符号说明
A为传热面积，m2；AT为散热片组总的传热面积，m2；C为单位质量材料的加工费￥/kg；H为散热片高度，m；h为传热系数，W/(m2.℃)；L为基面长度，m；S为间距，m；α为空气的平均温度，K；f为散热片组中散热片的平均温度，K；W为基面宽度，m；Y为总投资，￥；X为设备总重，kg；δ为散热片厚度，m；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，W/(m2.K4)。
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