汽车散热器优化设计及传热性能分析

1 散热器设计

1.常用散热器介绍

对于安装在PCB表面的元器件来说，其内部热量主要通过热传导的方式进入PCB和元器件表面，之后通过对流换热和热辐射的方式进入周围环境；由于元器件表面的面积要远小于PCB表面积，所以通过元器件表面散热的热量相对较少，因此我们在元器件表面安装散热器，使得元器件上方的散热面积得到扩展（如上图所示），更多热量通过热传导的方式进入元器件上表面，之后再由散热器进入周围环境中。

散热器的材料、加工工艺和表面处理是散热器生产的三个重要因素，会影响到散热器的性能和价格。

1.1散热器材料

散热器的材料主要有：铝、铝合金、铜、铁等。铝是自然界中存储最丰富的金属元素，而且质量轻、抗腐蚀性强、热导率高，非常适合作为散热器的原材料。在铝中添加一些金属形成铝合金，可以答复提升材料的硬度。

在上章的材料介绍中，我们知道铜的导热率是最好的（比铝高将近一倍），但是它的密度也比铝要大3倍，所以相同体积的散热器要比铝重很多；铜存在着加工难度大、熔点高、不易挤压加工以及成本高等缺点，所以铜散热器的应用要比铝合金少很多，但是随着对电子产品性能要求的越来越高，导致单位体积的功耗大幅增加，所以铜材料散热器的应用越来越多。

1.2散热器加工工艺

散热器的加工工艺主要有CNC、铝挤、压铸、铲齿、插齿、扣Fin。

1. 铝挤型：铝挤型散热器是将铝锭加热至460℃左右，在高压下让半固态铝流经具有沟槽的挤型模具，挤出散热器的初始形状，之后再进行切断和进一步加工。

——铝挤型工艺无法精确保证散热器的平面度等尺寸要求，所以通常后期还需要进一步加工。

1, 铝挤型散热器模具成本可以分摊到每一个散热器中，对于大批量产的应用成本较低；

2, 齿片高度和齿片间距的比值（Z/X）有限制，通常不建议超过15。 2

2.

压铸：压铸是一种将熔化合金液体在高压的作用下高速填充钢制模具的型腔，并使合金液体在压力下凝固而形成铸件的加工方法；压铸散热器如下图所示，其尺寸不够精确、表面不光洁（热辐射小）以及星体复杂等特点，后期需要进一步加工；

散热器的热负荷计算与系统优化方法

引言：

随着工业化和科技进步的发展，许多机械设备和电子产品在运行过程中会产生大量的热能。为了保证这些设备的正常运行，避免因高温而引发的故障，散热器的设计与优化变得尤为重要。散热器作为热交换装置的重要组成部分，起着将热能从高温区域传递到低温区域的关键作用。本文将从散热器的热负荷计算和系统优化方法两方面，对散热器进行详细探讨。

一、散热器的热负荷计算

1. 热负荷的概念与计算公式

热负荷是指在设备或系统运行过程中所产生的热能，一般以功率的形式表示。热负荷的计算公式为：热负荷 = 负荷密度 × 容积 × 系数。

其中，负荷密度是指单位体积或单位表面积的负荷功率；容积是指散热器的容积大小；系数是考虑冷却介质对传热效果的修正系数，可以根据实际情况进行调整。

2. 热负荷计算的方法

（1）经验法：

这种方法是根据历史数据和经验公式进行计算，通常适用于简单的散热器设计。根据物体的体积、形状、材料等参数，选择适当的经验公式进行计算。

（2）数值模拟法：

数值模拟法是利用计算机模拟的方法对散热器进行热传导分析，通过数学模型计算散热器内部的温度分布和传热效果。这种方法可以更准确地预测散热器的热负荷，但需要借助专业的建模软件和计算能力。

（3）试验法： 试验法是通过实际的实验测试来测量散热器的热负荷。根据散热器和冷却介质的特性，设计合适的实验设备和测试方法，通过测量温度、流速等参数，得到散热器的热负荷数据。

二、散热器的系统优化方法

1. 散热器的材料选择

散热器的材料直接影响其散热效果和使用寿命。常见的散热器材料有铝合金、铜、塑料等。铝合金具有优良的散热性能和轻质化特点，广泛应用于电子产品散热器；铜的传导性能较好，适用于高功率设备的散热器；塑料散热器轻巧且价格低廉，适用于一些低功率设备。

2. 散热器的结构设计

散热器的结构设计是影响散热效果的关键因素之一。设计合理的结构可以增强热能传递、降低温度梯度，提高散热效率。常见的结构设计有片状散热器、翅片式散热器、管式散热器等。选择合适的结构设计根据实际需求和操作条件，可以提高散热器的适应性和散热能力。

汽车散热器行业标准

汽车散热器是汽车冷却系统中不可或缺的部件，其作用是通过散热器将发动机冷却液中的热量散发到空气中，以保持发动机的正常工作温度。随着汽车工业的发展，汽车散热器的质量和性能要求也越来越高。因此，制定和遵守汽车散热器行业标准显得尤为重要。

首先，汽车散热器行业标准需要明确规定散热器的材料和制造工艺。散热器的材料应具有良好的导热性能和耐腐蚀性能，以确保散热器在长期使用过程中不会出现渗漏或腐蚀现象。同时，制造工艺也需要严格控制，确保散热器的内部结构紧密、焊接牢固，不会因为振动或温度变化而出现损坏。

其次，汽车散热器行业标准还应规定散热器的性能测试方法和指标要求。散热器的散热效率、风阻、压力损失等性能指标是衡量散热器质量的重要依据，因此需要明确规定测试方法和要求数值。只有通过严格的性能测试，才能保证散热器在实际使用中能够正常工作，确保发动机的正常运行。

此外，汽车散热器行业标准还需要对散热器的安装和使用提出规范要求。散热器的安装位置、安装方式、与其他部件的连接方式等都需要有明确的规定，以确保散热器能够有效地发挥作用。同时，还需要对散热器的日常维护和保养提出相应的要求，延长散热器的使用寿命，确保汽车冷却系统的正常运行。

总的来说，汽车散热器行业标准的制定和执行对于保障汽车散热器的质量和性能具有重要意义。只有严格遵守行业标准，制造和使用高质量的散热器，才能确保汽车冷却系统的正常运行，保障驾驶安全和汽车的可靠性。希望未来能够有更加严格和完善的汽车散热器行业标准，推动整个行业向着更加规范和健康的方向发展。

第 1 页 共 41 页 散热器的认识：

散热器在1901年第一次被展出。散热器的产值在汽车的全部零件中占有较要的地位，例如：在发动机中占14%，在汽车全部零件中占2.5%，仅次于电器和减震器而占第三位。

长期以来，散热器一直用铜和铜质合金制造，这是由于铜的导热性能良好，能防腐，易于焊接和加工而且也由于过去取材交易等。但鉴于铜系战略物质，近年来铜价暴长、波动甚剧、更兼汽车日多、能源紧张、污染严重、较大的汽车生产国又相继立法，限制车重，迫使各散热器公司竟相进行以铝代铜的研究。因此，散热器的发展趋势是以铝代铜。

又由于发动机功率和行驶速度的提高，动力转向，自动变速和空调设备等的普遍使用，以及冷却系统的发展等都对散热器提出了更高的要求。各生产企业在制造工艺上做出许多改进，不仅使成本大为降低，而且质量也大有提高。

世界上主要产散热器的国家及其公司：美国、俄罗斯、英国、法国、德国、日本。

美国最大的通用公司的哈里逊(Harrison)散热器厂。

英国的联合工程公司(Associated Engineering Co,)系统的可弗拉特(Covrad)公司、赛克热交换和服务公司(Serck Heat transfer&Service)、玛尔斯登散热器服务服务公司(Marston Raditor Service Co.)、雷特—赖泼公司(Rad—Reps Co.)。

西德的以贝尔散热器厂较为著名。

法国的以肖松公司最大。

日本的以东洋散热器公司、日本散热器公司、东京散热器公司较大。

一.为什么要安装散热器，是不是散热能力越大越好？

1. 由于大多数物体在受热后都要膨胀，温度越高，膨胀越大。内燃机的零件在工作时受热膨胀后，会使零件变形，过分的膨胀，则使相互配合零件见间的正常间隙受到破坏。 第 2 页 共 41 页 2. 金属零件在高温下会降低强度，不能很好的工作。

3. 润滑油在高温下，它的粘度也要大大降低。如果润滑油的粘性降低，油膜的承载力下降，不能在运动附中保持良好的润滑，加剧零件的磨损。同时气缸壁温度太高时，将会使进入燃烧室的润滑油迅速燃烧，引起润滑油的消耗量增加，并且使燃烧室积炭。