汽车散热器之平底形换热带

设计・计算・研究　２ｏｏ８￣　第５期客车技术与研究　汽车散热器之平底形换热带　李　政　（山东济宁）　摘　要：简述将汽车散热器的波浪形换热带折弯处的圆弧形状改变成为平面形状后，能扩大冷却管向换热带　导热的面积，提高汽车散热器的换热性能，加强换热元件之间的钎焊连接强度，减少有色金属材料的消耗。　关键词：散热器；换热带；平底形　中图分类号：Ｕ４６４．１３８　．２　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００６—３３３１（２００８）０５—００２３—０３　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ａｒｃ　ｓｈａｐｅ　ｉｓ　ｃｈａｎｇｅｄ　ｉｎｔｏ　ｆｌａｔ　ｂｏｔｔｏｍ　ｓｈａｐｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｕｒｎｅｒ　ｏｆ　ｗａｖｅ—ｓｈａｐｅｄ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｏｆ　ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　ｒａｄｉａｔｏｒ，ｔｈｉｓ　ｗｉｌ　ｌｅｘｐａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｐｉｐｅ　ｔｏ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｒ　ｆｉｎｓ，ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅ　ｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　ｒａｄｉａｔｏｒｓ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｂ　ｒａｚｅ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｉｎｔｅｎｓｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ　ｐａｒｔｓ，ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎｏｎ—ｆｅｒｒｏｕｓ　ｍｉｎｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒａｄｉａｔｏｒ；ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｒ　ｆｉｎｓ；ｆｌａｔ　ｂｏｔｔｏｍ　ｆＯｒｍ　在管带式结构的汽车散热器中，换热带参与换热　的表面积约占整个散热器换热面积的８０％左有，在散　性限制了这种需求，成为＿ｒ汽车散热器热传导中的瓶　颈。　热器的整体换热功能中具有举足轻重的作用：合理扩　大当前换热带与冷却管之间的钎焊面积，将会增加冷　却管向换热带的导热量，从而提升散热器的整体散热　性能。这不仅会使贵重金属材料的消耗降低，同时冷　却管与换热带之间的钎焊强度也由此得以提高，对于　散热器总成的抗振能力、稳定传热和使用寿命等也将　产生直接而且重要的有益影响。　汽车散热器使用的换热带是平面开窗的波浪形结　构　，其折弯处为圆弧形状（见冈１），圆弧与冷却管　的平面相切处是它们的接触点，沿着冷却管的宽度，　接触点延伸成一条接触直线，散热器芯子在装配时，　冷却管将换热带的高度每侧压缩０．０５　ｍｉｌｌ左右，使换热　带的圆弧在与冷却管接触处出现微量变形，由原来半　圆形的圆弧出现少量扁圆形的改变，导致其与冷却管　的接触直线稍有加宽，但是，换热带与冷却管的接触　实际上还是线性接触。这条接触线承担两项工作：一　１　锡铅钎料的瓶颈作用　当前国内应用广泛的管带式铜质软钎焊汽车散热　器，是一种间壁式交叉流换热器，其流通冷却液的冷　却管采用的材料多为Ｈ７０黄铜，热导率为１０６ｗ／ｍ・Ｋ，　冷却管的外表面镀有一层含锡量为４０％的锡铅二元合金　钎料，热导率为４３．６Ｗ／ｍ・Ｋ…，最外面是换热带，材　料多为Ｔ３纯铜，热导率为３９８　ｗ，ｍ・Ｋ。冷却管通过锡　铅钎料与换热带钎焊在一起，冷却液的热量由管壁传　导给锡铅钎料，再由锡铅钎料传导给换热带，最后由　低温空气将热量带走。冷却扁管上没有钎焊换热带的　是钎焊连接冷却管和换热带；二是冷却管由此处向换　热带导热。由于接触线过于狭窄，在锡铅钎料和换热　带的材料热导率相差悬殊的现状下，从冷却管向换热　带传导的热量不能满足换热带高热导率的实际需要，　也难于向换热带与冷却管之间的焊合率和钎焊强度提　供充分的保证。　２　平底形换热带解决方案　如果合理加宽换热带与冷却管的这条接触线，将　其由线性连接状态改变成为窄矩形连接状态，使换热　带与冷却管之间的线性接触转变为平面接触，则不仅　能够扩大两者之间的钎焊连接面积，还能提高它们的　钎焊连接强度，重要的是还会增加冷却管向换热带的　导热量。把波浪形换热带折弯处的圆角改为平面后，　２３　部分，其热量直接经锡铅钎料与低温空气对流换热散　去。由于锡铅钎料的热导率约为Ｈ７０黄铜的４１％，热量　传导时在该处就出现了较大温度降　。而换热带的热导　率又是锡铅钎料的９倍，需要导入足够的热量，才能充　分发挥换热带的高传热作用。由于锡铅钎料的固有物　客车技术与研究２００８年　第５期　则能够实现上述要求，这种换热带称之为平底形换热　带（见图２）。　图Ｉ波浪形换热带　图２平底形换热带　平底形换热带与冷却管的钎焊面积一般是限用普通　换热带与冷却管有效钎焊面积的２～３倍。所谓有效钎焊　面积，是指热阻最小处的钎焊面积，不包括该钎缝两侧　的钎角处热阻显著递增的钎焊面积（见图３）。平底形　换热带与冷却管钎料层的平面接触，包容了更多的钎　窭　料，大幅度提高了冷却管上钎料镀层的利用率。由于接　触面积增大，在换热器芯子烘焊的过程中，熔化的钎料　在焊缝处的流失量会显著减少。在这种预置钎料的钎焊　中，钎焊间隙还可以减小　，即冷却管外表面上的钎料　镀层可以减薄，由此又降低了钎料镀层的热阻，增加了　向换热带的热流量　，同时也减少了钎料的消耗。当前　冷却管上锡铅钎料镀层的消耗量为２６０岛　左右，镀层　厚度为０．０２５—０．０４５　ｍｍ，具体镀层的减薄量可以通过抗　拉强度和抗剪强度实验后确定阎。　图３普通换热带散热器　由于平底形换热带与冷却管的接触面积增大，在　散热器的芯子烘焊时嘲，喷淋的钎剂完全涂覆焊缝有一　定难度，可以采用对换热带的平底表面预涂钎剂、干　燥后再装配芯子的方法，钎剂的浓度要有所提高。烘　焊过程中不再喷淋钎剂，这样最少可以降低烘焊工序　７０％钎剂的消耗量，同时烘焊炉中用于烘干钎剂水分　的电加热消耗也能够由此显著降低，烘焊时间也会随　之缩短。　冷却管上钎料镀层的减薄和换热带与冷却管钎焊　２４　设计・计算・研究　面积的扩大都会增加冷却管向换热带传导的热量。采　用普通换热带和平底形换热带的散热器在相同工况下　的传热过程见图３和图４。　图４平底形换热带散热器　图３和图４中：　、　、　分别为冷却管壁、钎　料镀层和换热带的热导率，ｗ，ｍ・Ｋ；各层厚度分别　为６，、６，、６　，ｍ；从高温至低温的各层温度为　、　、　、　，℃；ｈｃ为高温流体传热系数，ｗ／ｍ　・Ｋ；　ｒ为低温流体传热系数，ｗ，ｍ　・Ｋ；　为高温流体温　度，℃；　为低温流体温度，℃；６：　为图３中的与普通　换热带钎焊的冷却管上的钎料镀层厚度，并－￣Ｓｔａ为平底　形换热带与冷却管的钎焊面积，ｍ　；Ａｒ为普通换热带　与冷却管的有效钎焊面积，ｍ　。　导热方程：　二趣Ａ　＋　Ｌ＋Ａ　　Ａ　　（（）Ｉ）　由导热方程比较图３和图４的传热情况，两种散热　器的工况相同，其热流量　相同，但是　，Ａ＞Ａ　，　则去＜去，去＜鑫，去＜者　二　！！二　因而：且＋　＋　＋　＋　丑Ａ　Ａ　Ａ　Ａ　‘　Ａ　Ａ　所以，在传热量相等和传热系数也相同的情况　下，采用平底形换热带的散热器，其换热面积要小于　采用普通换热带的散热器。　合理扩大换热带与冷却管的钎焊面积，实质上是　扩大了换热带这一肋片在其肋基处的面积，从而实现　向换热带输入尽可能多的热量，充分发挥换热带的高　热导率特性，从其肋基处导入的热量见下式　：　ｔｈ（ｍＨ）＋　ｔｔｈ　＝ｍＺａＯｏ—　—＿丝　（２）　１＋　ｒｔｈ　ｔｈ（ｍＨ）　设计・计算・研究　此热量也是经换热带肋片传给四周流体的总热　量。　式中：　＝ＣｈＰ／（２Ａ））　，其中ｈ为肋片四周表面与流体的　表面传热系数，Ｗ／ｍ　・Ｋ；Ｐ为肋片截面周长，Ｉｎ；Ａ为　肋基而积，Ｉ１１　；　为叻片的热导率，Ｗ／ｉｎ・Ｋ；０　为过　余温度，ｏＣ；ｈ　为肋端面与流体的表面传热系数，　Ｗ／ｍ　・Ｋ；Ｈ为肋片高度即换热带波高的１／２，ｍ。　由式（２）也可以得　，肋基面积Ａ的合理增加，　换热带向四周流体的传热量　也随之增加。　３　平底形换热带的应用　平底形换热带虽然只是在普通波浪形换热带的局　部形态上作了改变，但是已经能够对采用换热带元件　的多种类换热器产生有益影响。　１）对铜质软钎焊汽车散热器、暖风散热器及其芯　子烘焊工艺可作以下变动：　①由于散热性能的提高，换热带的波数可以减　少，可由此降低贵重纯铜带的消耗。　②在满足冷却系统对冷却液流量要求的允许条件　下，可以通过减少冷却管的排数，增加换热带波数，　减少换热带宽度的方法改进散热器的设计，由此换热　带材料消耗变动不大，散热面积也没有减少，但是冷　却管材料的消耗得到降低，散热器重量有所减轻。　③减薄冷却管外表面的锡铅钎料镀层的厚度，降　低了热阻，也降低了钎料消耗。　④改进钎剂涂覆丁艺．降低了钎剂消耗和烘焊电　能损耗，并且缩短了烘焊时间。　２）双波带散热器中的双波带结构如罔５所示；改　为平底形双波带后如图６所示。其获益变动同本文第　３节中的１）。　冷却管璧　钎料镀层　中间带钎料镀层冷却管擘　图５双波带结构示意图　２００８：ｆ￣Ｅ　第５期客车技术与研究　冷却管璧　钎料镀层　ｔ　问带钎料镀层冷却管璧　罔６平底形双波带结构示意冈　３）对于铜质硬钎焊散热器　的冷却管外表面钎料　镀层的厚度，可以经实验后减薄，有益效果是钎料镀　层的热阻降低，钎料消耗减少。　４）铝质汽车散热器的冷却管是采用双层复合的带　料制作，其用于钎焊的复合层材料为４３４３，厚度为材　料总厚度的１０％。如果采用平底形换热带，该复合层的　厚度可以经实验后减薄，受益同本文第３节中的３）。　５）汽车空调蒸发器（铝质）是叠片与波浪形换热　带硬钎焊组合的结构，其叠片表面　分布有众多的凹　坑，换热带在这些凹坑处与叠片没有导热，是该种结　构的一项传热损失，采用平底形换热带，在叠片上与　换热带有接触的部位增加了钎焊面积，可以补充在凹　坑处向换热带的导热损失，同时也增强了蒸发器的整　体钎焊结构强度。　６）叠片式汽车发动机散热器有铜质和铝质，均采　用平底形换热带，其有益效果同本文第３节中的５）。　７）国外研制的一种铝质凹坑形的冷却管，在冷却　管的表面上制作有许多排列有序的凹坑，用于管带式　汽车散热器中，目的是为了增加冷却液的紊流度，以　提高散热性能。但由于其凹坑处与换热带没有接触，　因而形成导热损失，采用平底形换热带，可以补偿这　一损失。　４　结束语　平底形换热带散热器的换热性能大于相同规格、　型号的普通换热带的散热器；换热带是管带式换热器　中的关键换热元件，将其改变为平底形的结构，能提　高该元件的自身传热效能；平底形换热带有较广泛的　应用范围。　（下转第３７页）　２５　材料・工艺・设备　２００８年　第５期客车技术与研究　工艺流程的调整和涂装工艺中底漆工艺方法的改变。　５）由于大型客车的批量一般都不大（与小车相　车架，所以必须将车身（含底盘车架）涂装完成后，　再装配底盘，因此，整个工艺流程必须进行调整。　５）根据历史产量经验数据和发展趋势的预测，计　算　该电泳槽的更新期大约为１３个月；而随着科技进　步和原材料性能的提高，现在的阴极电泳漆更新期可　长达２０个月还能保证槽液的稳定（以前仅为３个月）。　比），加上槽体体积庞大，电泳槽液的更新周期长，　而更新期长的电泳槽液极不易管理好，运行和维护成　本高，也不容易得到高质量的电泳漆膜。　２　克服难题的方法　１）鉴于目前国内客车行业普遍采用人工前处理、　喷底漆或浸漆的方法生产的整车在使用２～３年后就出　现锈蚀、严重影响质量和售后成本很高的情况。金旅　公司认为通过采用阴极电泳涂装工艺进行质的突破去　所以选用一种性能优异、颜基比（颜料和树脂的比　例）低、更新期长的阴极电泳漆，既有利于槽液的稳　定和管理，又有利于质量的保证，还能降低成本。　３后续管理应注意的问题　１）为了减少生产成本压力，必须尽量减少倒槽，　赢取竞争激烈的市场是值得的，所以决定投资两亿多　元建设大　客车阴极电泳生产线；同时，与原材料供　应商密切协作，对原材料采用单元成本结算方式（简　称ＣＰＵ）来分散投资和成本压力　２）在车身结构中的冷轧板和镀锌板是适合于采用　除非万不得已。这就要求在车身进入生产线前必须将　锈蚀、油污、氧化皮和脏物彻底清理干净。　２）密切监控各工艺参数和涂膜质量情况，发现有　问题必须立即处理，使丁艺参数处于最佳范同。　３）为便于物流，电泳车问的位置处于焊装后、涂　阴极电泳１］＿．艺的，而玻璃钢件却不适合，铝板不适合　进行通常的磷化处理，铸铁件表面的锈蚀和氧化皮很　装前。南于场地受限，电泳设备布置紧凑、实行多层布　置的方式，一旦设备｝｛Ｊ现故障，维修将不方便，所以必　须严密监视设备的运行情况，绝不允许因设备故障而造　成停机。否则，将直接影响到大槽液的稳定性。　４）必须加强现场各方面的管理，包括人员不得随　意进入工作间、现场的整洁、人员安全设施的配备以　严重。一方面采取的措施有：将能用冷轧板替代玻璃　钢和铝板的部位全部予以替代；不能替代的玻璃钢件　在进电泳生产线前拆下，电泳完成后再装上以进行后　续的处理；铸铁件在上线前人　将锈和氧化皮处理干　净。另一方面是采用一种既适合冷轧板、镀锌板磷　化，又适合铝板磷化的新磷化处理液。　３）在不影响结构强度的情况下，焊接骨架的矩形　管在下料时就钻通孑Ｌ，孔径为８—１０　ｍｍ，间距根据不　同情况在２０～３０　ｃｍ左右。这样既防止了串液情况的发　及设备定员定机等。　４　结束语　我国第一条大型客车整车阴极电泳生产线的建成　投产，必将对我国客车行业产生深远的影响，尤其是　客车的涂装质量水平得以大幅度的提高。我们也期待　生，又能保证骨架矩形管内部泳上电泳漆。　４）国内客车行业普遍的生产工艺是车身骨架及蒙　皮焊接一人工前处理一喷底漆一直到整个涂装完成　着它能带动我国客车行业的水平再上一个新的台阶。　参考文献：　［１］王锡春．汽车涂装工艺技术［Ｍ】．北京：化学工业出版　社．２００５．１．　（中间过程略）。此车身不含底盘车架，然后将此车　身装配在已经分装配完成的底盘上，而后进入总装配　和调试。采用阴极电泳工艺彻底颠覆了原来涂装中的　喷底漆工序；同时，由于电泳的车身已经包含有底盘　（上接第２５页）　收稿日期：２００８—０８—２８　参考文献：　［１］张启运，庄鸿寿．钎焊手册【Ｍ］．北京：机械工业出版社，　１９９９．　［５］方洪渊．简明钎焊工手册【Ｍ】．北京：机械工业出版社，２０００．　［６］赵越，等．钎焊技术及应用【Ｍ】．北京：化学工业出版社，　２００４．　【２】张奕，郭恩震．传热学［Ｍ］．南京：东南大学出版社，２０１３４．　【３］薛松柏，顾文华．钎焊技术问答［Ｍ】．北京：机械工业出版社，　２ｏｏ７．　［７］俞佐平．传热学（第二版）【Ｍ】．北京：高等教育出版社，１９８４．　【８］周明．铜硬钎焊散热器工艺技术的应用［Ｊ】＿汽车技术，　２００３，（２）：２５—２８．　［４杨家骐．汽车散热器［４］Ｍ］．北京：人民交通出版社，１９８２．　收稿日期：２００８—１０—３０　３７・—－—