汽車水冷發動機散熱器由冷卻用的散熱器芯部、進水室和出水室三部分組成。冷卻液在散熱器芯內流動，空氣從散熱器芯外高速流過，冷卻液和空氣通過散熱器芯部進行熱量交換。
目前，汽車散熱器的結構形式可分為直流型和橫流型兩大類。
散熱器芯部的結構形式主要有管片式和管帶式兩大類。管片式散熱器芯部是由許多細的冷卻管和散熱片構成，冷卻管大多采用扁圓形截面，以減小空氣阻力，增加傳熱面積。
管帶式散熱器是由波紋狀散熱帶和冷卻管相間排列經焊接而成。與管片式散熱器相比，管帶式散熱器在同樣的條件下，散熱面積可以增加12%左右，另外散熱帶上開有擾動氣流的類似百葉窗的孔，以破壞流動空氣在散熱帶表面上的附著層，提高散熱能力。開百葉窗波狀帶的散熱器傳熱效率同普通平片散熱片相比可提高160%。
二、散熱器對材料的要求
傳熱系數是評價散熱器散熱性能的重要參數，散熱器材料的導熱性能和焊接質量對其影響很大。散熱器的工作條件惡劣，一般位于汽車前端迎風處，不僅要經受風吹雨淋和汽車廢氣的污染，還要承受反復的熱循環和周期性的振動。另外，散熱器內長期流動著冷卻液，對散熱器有銹蝕及腐蝕作用。因此，為保證散熱器可靠地發揮散熱作用，對其材料性能有如下要求：必須具有良好的導熱性能，具有一定的強度和較強的耐腐蝕性，具有良好的加工性能及釬焊性能，具有良好的經濟性。目前，常用的散熱器材料主要有銅、鋁和工程塑料等。
三、散熱片的材料
散熱片選用導熱系數較高的材料對提高熱傳導效率很有幫助，在金屬的導熱性方面，銀的導熱系數*高，其次是銅、鋁。銀的價格昂貴，不適宜做散熱材料，目前比較常用是銅、鋁及鋁合金。鋁的導熱系數低，但通過增加鰭片增大散熱面積，也能起到較好的散熱效果。
散熱片的主要材料和成型技術可分為：
全鋁散熱器 這是傳統散熱器，具有生產工藝簡單、易于加工、材料成本低廉，價格便宜等優點。缺點是，整體散熱效果欠佳。
鋁是汽車工業使用較多的金屬材料，也是汽車輕量化的優選材料。鋁的*大優勢是質量輕，比重僅為銅的三分之一，鋁資源遠較銅豐富，成本也遠低于銅;雖然鋁的熱傳導率較銅低，僅為銅的60%，但由于銅散熱器存在熱傳導率更低的錫保護層，使得鋁散熱器的熱效率反而要高于銅散熱器。另外，鋁還有良好的鑄造加工性能。
但是，鋁散熱器焊接工藝性差、生產設備投入大是長期難以解決的問題，限制了鋁散熱器的廣泛應用。直到20世紀80年代中期，美國采用釬焊工藝制造鋁散熱器取得成功后，才使鋁散熱器的規模化生產和應用成為可能。但是，鋁散熱器較差的耐蝕性，使得鋁散熱器在使用條件差的重型卡車、工程車及**車上，則難于使用。
全銅散熱器 銅是重要的有色金屬，也是導熱性*好的金屬材料，具有優良的成形加工性、可釬焊性和耐蝕性，長期以來一直作為汽車散熱器的優選材料。但銅的資源和價格一直是困擾銅散熱器廣泛應用的主要原因。
散熱器的散熱效率至關重要，所以對銅板的表面質量要求甚高，要求板材表面無劃傷、起皮、氧化、油污等缺陷，要有良好的板型、平直度和導熱性等。銅帶用于制作散熱器鰭片。要求有良好的導熱性、焊接性、較高的強度、尺寸公差**。銅管主要用于制作到熱管，要求有良好的導熱性、焊接性、內外表面清潔，較高的強度等。銅棒主要用于制作銅鋁結合散熱器的銅芯，表面直接和CPU粘合在一起，要求有良好的導熱性、焊接性、表面清潔，較高的強度等。
為了增加銅散熱器的耐腐蝕性，避免銅直接與腐蝕性物質接觸，一般要在銅散熱器的表面上覆蓋錫保護層，但這樣卻會影響銅散熱器的散熱效率，使散熱性能大幅度下降。近年來，為了進一步提高銅散熱器的性能，對傳統的銅錫散熱器采取了許多改進措施。如在材質方面和加工工藝方面盡可能提高材料利用率，采取向銅中添加微量元素的方法，在不損失導熱性的前提下，提高其強度和軟化點，從而減薄帶材的厚度，節市材料用量以減輕散熱器的質量和降低成本。
有名的奧托昆普銅帶公司于上世紀80年代研發成功的雙波浪帶自動生產線，生產出比0.04～0.045毫米普通波浪帶更薄的0.03～0.035毫米銅帶可以被滾制成波峰更小的波浪帶，這樣兩條波浪帶通過錫焊接牢牢地固定在一條中心帶即普通銅帶上，*后制成比普通波浪帶更堅固、用材更市、散熱性能更好的汽車散熱器用傳熱元件——雙波浪帶。對比實驗研究表明，用0.035毫米或更薄的雙波浪帶材料加工的芯子厚度為43毫米的散熱器與用普通波浪帶加工的芯子厚度為78毫米散熱器相比，散熱性能提高10%，風阻相同，散熱器本身的厚度減少45%，效果不錯。但并未從根本上解決材料來源問題。
銅鋁結合散熱器 目前比較流行的是把銅、鋁結合應用，一般以純銅板做散熱器底板，鋁合金做散熱鰭片。利用銅的高導熱系數特點，把熱量傳導至鋁材質的鰭片，再通過風扇的對流作用散發至空氣中。銅鋁結合常用工藝有扦焊、螺絲鎖合，熱脹冷縮結合，機械式壓合等方式。銅鋁結合散熱器具有散熱效果好、重量、價格適中等優點。把鋁材成本低、重量輕、散熱快、易加工等特點與銅的高導熱性能相結合。既保證其重量不超標又提高了散熱效率校
四、銅硬釬焊新技術
銅硬釬焊技術通過采用特殊的銅、錫和磷的釬焊合金，將黃銅和紫銅分別制成管和散熱帶釬焊成一個整體，即散熱器和熱交換器。銅硬釬焊技術的核心是無焊劑、無鉛焊合金以及抗退火材料。其工作原理是用奧托昆普公司開發的銅硬焊金屬填料OKC600在高溫590℃～610℃時熔化，依靠金屬毛細管作用力流入焊接間隙，與母體材料(抗退火銅材)發生反應，在交界處形成合金金屬連續體，構成高強度的金屬一體化結構。
銅硬釬焊技術使用極薄的銅合金材料，與冷卻液接觸的管料采用銅帶經激光焊接而成，厚度僅有0.085毫米，與空氣接觸的帶料采用導熱性能好、強度高、軟化點高的高銅合金，璧厚僅有0.025～0.03毫米。雖然銅的比重較鋁大，但銅加工成極薄型材料，可以減少用材，降低重量和成本。
銅硬釬焊工藝采用無鉛低溫焊接，不需要使用焊劑，焊接溫度容易控制 ( 熔點溫度允差范圍大 )，焊接速度快，成品率高。由于工藝中市卻了危害環境的去油工序，且生產過程中無需清洗，因而不會產生廢水、毒氣等有害物質校因而改善了工作環境，減少了污染。用這種工藝生產的銅散熱器一旦報廢后，還可以100%地回收。
銅硬釬焊散熱器使用的材料與釬焊合金擁有幾乎相等的惰性，使產生電化學腐蝕的風險降至*小。釬焊合金對管子來說也是一種保護涂層。銅硬釬焊散熱器一般說來比錫焊銅或黃銅散熱器有更高的抗腐蝕能力，與鋁散熱器相比更有競爭力；鋁散熱器更傾向于局部腐蝕形式，而對于銅硬釬焊散熱器腐蝕形式通常是均等的，不會產生局部腐蝕。目前，銅硬焊散熱器已經在公共汽車、重型卡車和其他工程設備中得到應用;我國也已經從奧托昆普公司引進該項技術。
五、結語
汽車散熱器材料與制造技術發展很快。鋁散熱器以其在材料輕量化上的明顯優勢，在轎車與輕型車領域逐步取代銅散熱器的同時，銅散熱器制造技術和工藝有了長足的發展，銅硬釬焊散熱器在客車、工程機械、重型卡車等發動機散熱器方面優勢明顯。國外轎車配套的散熱器多為鋁散熱器，主要是從保護環境的角度來考慮 ( 尤其是歐美國家 )。在歐洲新型的轎車中，鋁散熱器占有的比例平均為64％。從我國汽車散熱器生產的發展前景看，硬釬焊生產的鋁散熱器逐漸增多。硬釬焊銅散熱器也在公共汽車、載貨汽車和其他工程設備上得到應用。

散熱片作為強化傳熱的重要技術之一，廣泛地應用于提高固體壁面的傳熱速率校比如飛機、空調、電子元件、機動車輛的散熱器、船用散熱器等［1］。對散熱片強化傳熱的研究引起國內外眾多學者的關注，如對散熱片自然對流的研究［2-7］，對散熱片強制對流的研究［8-12］。前人對散熱片的研究大致可分為兩類：其一，采用實驗的手段，在一定范圍內改變散熱片組的結構尺寸和操作參數，比較其傳熱性能，從而得出散熱片組*優的結構尺寸和*優的操作參數；其二，采用數學方法，對某一具體情況推導出偏微分方程，簡化其邊界條件，求其數值解。本文深入分析散熱片組間流體的流動特性及傳熱特性，總結各種因素對傳熱的影響，采用*優化技術及先進的計算機軟件技術，對自然對流情況下矩形散熱片組的散熱過程進行了優化研究，并設計典型實驗，檢驗優化結果。

2　散熱片散熱過程分析

　　散熱片多用于強化發熱表面向空氣散熱的情況，故本文以與空氣接觸的散熱片為研究對象。由于散熱片表面溫度(一般不超過250 ℃)不高，散熱片組對空氣的輻射換熱量采用式(1)計算可知，它所占比例小于總散熱量的3%。因此，散熱片表面與周圍環境之間的散熱主要是對流傳熱。式(1)中的F為輻射角系數，本文散熱片組的輻射角系數由G N ELLISON［13］介紹的方法求得。

散熱片傳熱是一個比較復雜的物理過程，對此過程，國內外學者進行了深入的實驗研究，他們的工作主要著重于傳熱系數大小、傳熱系數與流體流速以及流道的幾何形狀等因素的內在聯系。在實驗研究中得到了許多適用于具體實驗條件的準數關聯式。這些結果對傳熱過程的了解和散熱片的設計有重要的意義。

在自然對流條件下，散熱片組的結構參數(散熱片的間距、高度、厚度)是散熱片散熱的主要影響因素，散熱片組的結構見文獻［14］。

2.1　間距對散熱片散熱的影響

描述流體與固體間對流傳熱的基本方程式為：Q=hAΔT

從上式可以看出，通過提高傳熱系數h，增大傳熱面積來強化流體與散熱片表面間的對流傳熱效果。當基面寬度W給定時，假定傳熱溫差ΔT，傳熱系數h不變，這樣散熱量Q的提高就取決于換熱面積A的大小。增加散熱片數量就可以增加換熱面積，有利于散熱。但散熱片數目的增多，減小了散熱片間的距離S，傳熱系數h也隨之降低。

2.2　高度對散熱片散熱的影響

提高散熱片的高度H可以增加換熱面積A，從而達到強化傳熱的目的。但增加高度會使散熱片頂部的局部傳熱系數降低，導致平均傳熱系數的降低。此外，高度也影響著從散熱片基面到端部的溫度降。高度越大，溫度降也越大，導致散熱片表面與周圍大氣的平均溫度差就隨之降低，不利于散熱。實際上，散熱片的高度還將受到整機外型尺寸的限制。

2.3　厚度對散熱片散熱的影響

散熱片越薄，則單位長度上可裝載的散熱片的數量就越多，從而增大散熱面積，強化散熱片的散熱；隨著散熱片厚度的增大，散熱片表面與周圍大氣的平均換熱溫度差ΔT就隨之降低，這對于散熱是不利的。在實際的應用中，厚度δ的大小往往受工藝水平高低所限。一般鑄造散熱片的厚度δ不小于2 mm，機加工散熱片的厚度δ不小于1 mm。

3　模型

根據以上的分析可知，在散熱片的設計中，散熱片結構參數的選取是問題的關鍵。本文以文獻［7］的實驗研究為基礎，在限定散熱量及基面面積的條件下，以設備的一次投資費用*少為目標函數，對散熱片組的結構尺寸進行了計算機模擬優化計算。目標函數為：Y=CX

對于密集散熱技術中采用散熱片的形狀較為簡單，而且一般是經機械加工制成的，因此，式(3)中的C可取為常數。這樣，目標函數就簡化為所用散熱材料的質量。散熱材料由純鋁制成，其密度在本研究范圍內變化很小，可以忽略。為了便于研究，把散熱材料的質量轉化為其體積，即以所用散熱材料的體積為實際的目標函數，其計算公式為：

式中：x、y、z分別為散熱片的高度、厚度、間距。

約束條件：

①散熱片高度：0≤x≤Hmax；②散熱片厚度：δ0≤y≤δmax；③散熱片間距：S0≤z≤Smax；④散熱量：Q≤Q0±ηQ0。

4　實例與分析

上述的優化問題是一個比較復雜的帶有約束條件的非線性規劃。對此問題，首先采用罰函數法(外點法)將其化為無約束非線性規劃；其次采用坐標輪換法再將多維非線性規劃化為一維非線性規劃；*后采用一維搜索法之進退法求解該問題。在上述算法基礎上，采用Borland C++語言設計出通用的優化程序。

我們預先設定：可裝翅空間的體積(長×寬×高)為250 mm×180 mm×60 mm，壁溫為175 ℃，環境溫度為25 ℃，額定的散熱量為300±30 W。計算結果見表1

表1　自然對流條件下散熱片組的優化計算　　mm7

優化值(初始值) 優化值(初始值)

高度 厚度 間距 高度 厚度 間距

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)

根據表1的優化結果，可計算出平均*優的散熱片組結構尺寸為59.80×1.04×13.62，散熱片數為13片(散熱片組基面寬度為176.96 mm)。由此可計算出其單位質量散熱材料的傳熱速率為：Qopt=599 W/kg。

對于結構尺寸為60×1×13和60×1×14的散熱片組分別進行實驗研究，*后得到單位質量散熱材料的傳熱速率分別為：Q1=457 W/kg和Q2=540 W/kg。

從上述三個結構可以看出，優化結果比結構尺寸為60×1×13的散熱片組實驗值高23.7%，比結構尺寸為60×1×14的散熱片組實驗值高9.8%。

為進一步檢驗計算結果的可靠性，把計算結果和文獻［7］中的實驗結果進行了比較。

在自然對流條件下散熱片組傳熱性能的實驗研究中，在所研究的范圍內(溫差為150 ℃，散熱量為300 W，散熱片組的結構參數范圍為，高度：30～60 mm；厚度：3～15 mm；間距：3～40 mm)，得到的*優高度為60 mm。在這一點上，優化結論與實驗結果是相符的。

在上述實驗研究中，沒有得出全局的*優間距和厚度值，僅得到了一些局部*優點。本文把這些*優點和優化結論進行了比較。

當散熱片高度為60 mm、厚度為3 mm時，*優的間距為10 mm，此時，散熱片組單位質量散熱材料的傳熱速率為：Q′=154 W/kg，其與優化結果相差74.3%。

當散熱片高度為40 mm、間距為9 mm時，*優的厚度為3 mm，此時散熱片組單位質量散熱材料的傳熱速率為：Q′=169 W/kg，其與優化結果相差71.8%。

從上述的比較可以看出優化后的散熱片組，不僅滿足了散熱要求，而且顯著地提高了散熱片的材料利用率，亦大大降低了一次投資的費用，優化效果是顯著的。

5　結論
(1)自然對流條件下散熱片組優化設計是一三變量(散熱片高度、間距及厚度)的非線性規劃。

(2)優化設計的散熱片組可較大地提高其材料利用率，*大散熱量也有所增大。

符號說明

A為傳熱面積，m2；AT為散熱片組總的傳熱面積，m2；C為單位質量材料的加工費￥/kg；H為散熱片高度，m；h為傳熱系數，W/(m2.℃)；L為基面長度，m；S為間距，m；α為空氣的平均溫度，K；f為散熱片組中散熱片的平均溫度，K；W為基面寬度，m；Y為總投資，￥；X為設備總重，kg；δ為散熱片厚度，m；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，W/(m2.K4)。