IND4動力總成丨散熱器結構型式、參數與材料設計

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(1)散熱器結構型式與參數

目前廣泛使用的有兩種結構：管片式結構和管帶式結構。

轎車、輕型車及部分中型貨車以管帶式為主。礦山車、重型車工程機械越野車的散熱器仍以管片式結構為主體，以保證在惡劣的使用條件下有很高的可靠性。不僅如此，對礦山車、工程機械等車輛的散熱器，由於使用環境灰塵過多，不宜採用改善二次換熱表面的措施(在散熱片上衝百葉窗孔)來提高散熱能力。

從散熱角度來看兩種結構的散熱器在其他外界條件相同時散熱能力相差，生產成本低，單位質量的散熱能力大。

散熱量結構參數中對散熱性能影響最大的是芯子正面面積Ff。按影響的大小各參數排列次序為：

正面面積Ff一散熱帶(片)形狀一冷卻水管尺寸與排量一芯厚丁一散熱面積S。

在諸多結構參數散中對散熱器可靠性影響的大小次序是：

結構型式一冷卻水管一芯厚一主片與水室結構參數一系統壓力的大小一生產工藝水平。

在設計或選用現有散熱器時要依據設計任務書的要求，結合不同車型和使用工況的區別。全面綜合分析結構型式、參數、系統壓力值大小及生產工藝水平對散熱器的相互影響，充分考慮生產成本、生產工藝及裝備，在此基礎上首先確定結構型式，之後再確定其他各參數。切不可盲目追求單項指標。

(2)芯子正面面積Ff

通常總是希望在安裝尺寸允許的前提下，儘可能把正面面積Ff選擇大一些。並接近正方形。根據使用經驗推薦正面面積Ff應達到34cm2／kW。

散熱器的發展趨勢之一是擴大正面面積Fr並減少芯厚了。當散熱面積基本不變情況下，增大正面面積Ff必然會減小於值和風阻△Pa，增大通過散熱器芯體的風量，大幅度地提高散熱能力。從統計數據得知；在其他部件不變的前提下；正面面積Ff增大17％時散熱能力增加11％，沸騰風溫提高5℃。

散熱器設計過程中常採用計算法來估算芯子正面面積Ff。現介紹常用的三種方法：

Ff≥0．1+0．032Vn (5)

式中 Ff——芯子正面面積，m2；

Vn——發動機排量，L。

Ff=(0．0027～0．0034)Nemax。 (6)

式中 Nemax——發動機標定功率，kW；

Nemax<73．5kW取上限，Nemax>73．5kW取下限。

③對管片式結構的散熱器在求得Qmax之後，參考JB2291-2292-78附錄的數據，按初步選擇的芯厚T和片距t,依據式(7)進行估算；

Ff=Fn·Qmax／Qn (m2) (7)

因為Fn為1m2，因此式(7)也可以簡化成

Ff=Qmax／Qn (m2)

表11-5示出了A4及B3型散熱器芯子風洞試驗的數據。

A4和B3為芯子正面面積為1m2時兩種冷卻水管排列方式；A4為四排冷卻水管，B3為三排冷卻水管。

按式(7)求出Ff後，與總布置限定的尺寸相差不大於15％時，就可以按JB2291～2292～78的數據來詳細地確定芯寬和芯高。如果相差大於15％，應進一步與總布置協商，在總布置允許的空間範圍內適當地更改尺寸，再重新計算，按JB2291～2292～78重新選擇芯寬和芯高。

表11-6列出了管片式散熱器芯寬和芯高的具體尺寸供參考。A和B分別代表冷卻水管不同排列方式。

(3)散熱帶(片)形狀

從式(1)中可以看出；提高散熱係數K值就可以實現在不增加生產成本和不增大空間尺寸的前提下提高熱能力。

經驗證明散熱係數K與氣側傳熱係數aa及水側停熱係數aw有如下函數關係：

1/K=1/aa+1/(aw.ε) 8

式中 ε──氣側散熱面積與水側散熱面積的比值，ε的數值通常為7-9。

在式（8），aa對K影響效果最大，aw對K值的影響化僅為10%左右。

增大aa和aw就能提高K值。當前的發展皺勢之一就是改善二次換熱表面（散熱帶或散熱片)的換熱條件，即在二次換熱表面上衝壓一系列密集的有一定角度的百葉窗孔。通過改變散熱帶或散熱片的表面形狀，有效地減小二次換熱表面附面層的平均厚度。

當空氣流經二次換熱表面時，這些具有一定角度的密集的百葉窗孔有效地增大了空氣擾流運動。而密集的百葉窗孔又大幅度阻斷了附面層厚度的增大，從而使平均附面層大為減小。

使二次換熱表面的熱阻大幅度降低，最終使氣側散熱係數aa增加很多，可以提高散熱能力l5％～20％左右。

實踐證明百葉窗孔的參數要與散熱帶的節距合理匹配才能收到預想的效果。百葉窗孔寬度C和角度θ與節距t應符合式(9)的數值，提高散熱係數K值效果最佳。風阻△Pa增加不太大，而散熱能力可大幅度增加。

C·tanθ／t≈0．3～0．4 (9)

從上式可見：當t值一定時，寬C與角度θ成反比；當寬度C值一定時，節距t與角度θ成正比。

(4)散熱器冷卻水管，多採用扁管

扁管可以在相同流通截面時獲取與空氣最大的按觸面積，從而實現最大接觸面積而空氣阻力小的最佳效果。近來發展趨勢是減小冷卻水管的尺寸。這樣不僅能提高冷卻水管的強度，減少滲漏的機率，而且在其他參數和水泵不變的條件下增大冷卻液流速Vw。從而增加液側傳熱係數口aw的值，最終的效果使散熱能力有所提高。減小冷卻水管尺寸對流量影響不大。目前水管的尺寸規格有：水管尺寸2．0X13mm、2．0X14mm、2．5X14mm、2．0X16mm、2．2X19mm。

外周長L28．28mm、30，28mm、31．85mm、34．28mm、40．5mm。

(5)芯厚T也是散熱器一個較為重要的參數

T值大小取決於冷卻水管的排列和尺寸的大小。試驗結果證實，在其他參數不變時芯厚T值增加1倍，散熱面積S和生產成本也隨之增大1倍，而散熱能力只增加25％左右，表11—8列出CA-72散熱器不同芯厚時散熱能力的變化。

無論是試驗的結果還是統計數據都充分地說明：不適當的增加芯厚T值來提高散熱能力是不宜採用的。．芯厚了值的大小要與車型，冷卻系統壓力的高低，焊料強度及材料強度相適應。當前國內汽車散熱器芯厚T大致分為：

轎車散熱器芯厚為20和34二擋，輕型車散熱器芯厚為34和52二擋，中型車散熱器芯厚為52和70二擋。重型車、礦山車散熱器芯厚為70、90、110這三擋。如果按散熱器結構型式分：

管帶式散熱器芯厚為20、34、52、70四擋。

管片式散熱器芯厚為50、75、90、110四擋。

芯厚丁值可按式(10)計算：

T=S／(Ff·φ) (10)

式中 S——散熱面積，m2；甲容積緊湊性係數，甲：500—1 000，m2／m3；

T——芯厚，mm；

Ff——正面面積，m2，轎車、輕型車的φ取上限，中型車以上貨車取下限。

(6)節距和片矩

節距是相鄰兩個散熱帶波峰的距離。片距是相鄰的兩個散熱片的距離。在空間尺寸不變的條件下減小節距t可增大散熱面積S，同時也會引起風阻△Pa增大。t值大小與芯厚丁成正比。t值變化要結合芯厚T、散熱面積S及風阻△Pa三者綜合地選取。t值減小風阻必然增大，因此風扇也應與比相適宜。

通常採用的t值如下：

節距t分為2．5、3．0、3．5、4．0、4．5五擋。

片距t分為2．50、2．75、3．00、3．25、3．50、4．00、4．50七擋。

(7)散熱面積S是與散熱能力成正比

從某種意義上講散熱面積S可以表明某一具體型號的散熱器的散熱能力。但是採用散熱面積S來標明散熱能力的大小是不準確的。散熱面積S不能客觀全面地真實反映散熱能力的大小。正如式(11)所表示的那樣；散熱能力取決於散熱面積S、散熱係數K、液片平均溫差(tucp—tacp)三者的乘積。

計算散熱面積s的數值可採用式(11)和式(12)。

S=S比·Nemax (11)

式中 S——散熱面積，m2；

S比——比散熱面積，m2／kW。

S比的數值大致如下：

轎車的S比為0．316～0．170；國外轎車的S比為0．082～0．316；國內載重車S比為0．170～0．270；國外載重車的S比為0．150～0．218。

S也可按下式計算：

S=Qmax／(k·△t) (12)

式中 K——散熱係數，kJ／(m2h℃)。

K值通常為290kJ／(m2h℃)～420kJ／(m2h℃)；

△t液氣平均溫差，℃。

△t=twcp-tacp(℃)

當系統壓力為29．4kPa時，twcp≈90℃～95℃。當系統壓力為49kPa時，twcp≈100℃～105℃。當系統壓力為98．7kPa時，twcp≈105℃～110℃。

tacp=tal+2/1△ta (℃) (13)

式中 ta——進風溫度，℃；

標準型冷卻系的ta1=40r；tal=52℃，輕型冷卻系的ta1=34℃；

△ta——散熱器進出風溫差，℃。

△ta也可以用式(14)計算：

△ta=Qmax／3600FfCpaγaVa (℃) (14)

式中 Cpa—一空氣定壓比熱，Cpa=1．0048kJ／(m2h℃)；

γaVa——質量風速，kg／m2s。

△ta的具體數值可以按經驗數據選取或計算求得；通常△ta與芯厚T大小按下述數據選取：T=20mm～50mm時，△ta取8℃～18℃；T=50mm～70mm時，△ta取12℃～32℃；T=90mm～110mm時，△ta取15℃～30℃。

表11—9給出了目前國內汽車散熱器的主要結構參數，供參考。

當正面面積蘆Ff，芯厚T，節距t，及冷卻水管尺寸等參數確定之後，就可以根據參數的實際數值再重新按下式計算散熱面積S。

S=2Sf+St (15)

式中 S——散熱面積，m2；

Sf——散熱帶(片)散熱面積；

St——冷卻水管散熱面積，m2。

管帶式散熱器的Sf按式(16)計算；管片式散熱器的Sf按式(17)計算。St按式(18)計算。

管帶式散熱器 Sf=T·L·n2 (16)

式中Sf—管帶式散熱器的面積，m2；

L——散熱帶展開長度，m；

n——散熱帶的條數。

管片式散熱器 Sf=n片·(W·T-m·Fφ) (17)

式中 n片-——散熱片數；

W——芯寬，mm；

T——芯厚，mm；

Fφ——冷卻水管單孔截面積，mm2；

m——冷卻水管數。

St=m·H·Lo×l0—6 (18)

式中H——芯高，mm；

Lo——冷卻水管外周長，mm。

80%

1

步