關(guān)鍵詞：車用散熱器；冷卻液滲漏；疲勞開(kāi)裂；散熱管帶

0前言

根據(jù)采用的材質(zhì)，車用散熱器可分為鋁制和銅制2 種，其中鋁制散熱器具有強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕、不會(huì)磁化和美觀等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在機(jī)械、汽車、航空航天和艦船等領(lǐng)域。車用散熱器作為汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的主要機(jī)件，是車輛的重要組成部分。鋁制散熱器以其在材料輕量化方面的明顯優(yōu)勢(shì)，在轎車和輕型車領(lǐng)域已逐步取代了銅制散熱器，成為車用散熱器的主流產(chǎn)品。

車用鋁制散熱器最常見(jiàn)的故障為散熱器滲漏，特別是在我國(guó)寒冷地區(qū)時(shí)有發(fā)生。鋁制散熱器發(fā)生滲漏的常見(jiàn)原因包括使用的冷卻液不合規(guī)、散熱器減振措施不合理、散熱器制造工藝存在缺陷［1］、散熱器結(jié)構(gòu)不合理［2］等，這些原因已經(jīng)過(guò)大量的分析論證，此處不再贅述。

本文對(duì)實(shí)際使用過(guò)程中的車用鋁制散熱器的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行分析，采用試驗(yàn)方法研究不同容量冷卻液對(duì)散熱器總成的影響。通過(guò)測(cè)量散熱器總成各個(gè)水管的內(nèi)部溫度，模擬推算散熱器內(nèi)流場(chǎng)，研究不同容量冷卻液時(shí)散熱器總成內(nèi)流場(chǎng)的情況及其對(duì)散熱器的影響，以期為散熱器滲漏故障提供排查方向和依據(jù)。

1試驗(yàn)內(nèi)容

1. 1試驗(yàn)平臺(tái)

本研究共搭建2 個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)，即流場(chǎng)分析試驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)車試驗(yàn)平臺(tái)。流場(chǎng)分析試驗(yàn)用于分析不同容量冷卻液時(shí)散熱器總成內(nèi)流場(chǎng)，實(shí)車試驗(yàn)用于研究冷卻液缺少對(duì)散熱器的影響。

1. 2流場(chǎng)分析試驗(yàn)

為了解散熱器總成內(nèi)部冷卻液流場(chǎng)的情況，在實(shí)車上進(jìn)行測(cè)試。因散熱管內(nèi)部縫隙僅2 mm，無(wú)法布置流量傳感器，故測(cè)試時(shí)將測(cè)量溫度的熱電偶插入散熱管內(nèi)部，如圖1 所示，對(duì)流經(jīng)散熱管內(nèi)部的冷卻液溫度進(jìn)行監(jiān)控，以此推斷散熱器總成內(nèi)部冷卻液流場(chǎng)的情況。溫度數(shù)據(jù)每秒采集1 次。

在散熱管距上、下水室主板20～30mm處芯體的左部（進(jìn)水口一側(cè)）、中部、右部（出水口一側(cè)）共布置14 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，如圖2 所示。具體布置為散熱器芯體左部起向右第10、18、27、35、70、110 及120 根散熱管的上、下位置。

試驗(yàn)時(shí)，環(huán)境溫度約為15 ℃，車輛駐車，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)冷卻液進(jìn)行溫度控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器處于時(shí)開(kāi)時(shí)閉狀態(tài)，以模擬在寒冷地區(qū)的行車工況。散熱管下部測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)為經(jīng)風(fēng)扇冷卻后的溫度，據(jù)此判斷內(nèi)部流場(chǎng)的準(zhǔn)確性較差，因此以采集的對(duì)應(yīng)散熱管的上部溫度來(lái)判斷內(nèi)部流場(chǎng)。圖3～圖5 為實(shí)車測(cè)試的散熱管上部溫度曲線。由圖3～圖5 可以看出：在冷卻系統(tǒng)內(nèi)氣體未排凈、缺少冷卻液的情況下，散熱器總成左部與右部存在較大的溫差，且隨著冷卻液的進(jìn)一步減少，左部與右部的溫差會(huì)變大，即散熱器左右兩端流場(chǎng)分布不均。

1. 3實(shí)車試驗(yàn)

為研究散熱器中缺少冷卻液時(shí)對(duì)散熱器總成的影響，在低溫環(huán)境艙中進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，以模擬寒冷地區(qū)環(huán)境。試驗(yàn)時(shí)冷卻系統(tǒng)缺少冷卻液8 L，艙內(nèi)環(huán)境溫度保持在?27 ℃（車輛持續(xù)進(jìn)行熱交換時(shí)環(huán)境艙在100% 負(fù)荷下可保持的溫度）。

試驗(yàn)時(shí)，車輛駐車，在試驗(yàn)艙外通過(guò)遠(yuǎn)程油門控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制冷卻液溫度，使發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器處于時(shí)開(kāi)時(shí)閉狀態(tài)，以模擬在寒冷地區(qū)的行車工況。測(cè)試時(shí)，在散熱器上共布置14 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。測(cè)溫?zé)犭娕贾糜? 根散熱管之間的散熱帶上，可通過(guò)該處溫度判斷散熱管內(nèi)的溫度趨勢(shì)。試驗(yàn)過(guò)程中低溫艙內(nèi)的溫度監(jiān)測(cè)情況如圖6 所示。由圖6 可以看出：在冷卻系統(tǒng)缺液情況下散熱器總成右部區(qū)域溫度變化較小，而左部區(qū)域散熱管因有冷卻液通過(guò)，此處溫度變化很大。在低溫工作試驗(yàn)過(guò)程中該現(xiàn)象持續(xù)循環(huán)出現(xiàn)。

在低溫工作試驗(yàn)過(guò)程中持續(xù)觀察散熱器有無(wú)滲漏。在試驗(yàn)進(jìn)行到15 h 左右發(fā)現(xiàn)散熱器總成發(fā)生滲漏，按照QC/T 468—2010《汽車散熱器》［3］的相關(guān)要求，對(duì)滲漏的散熱器總成進(jìn)行密封性能試驗(yàn)，以查找滲漏位置，結(jié)果如圖7 和圖8 所示。

打開(kāi)故障件散熱管開(kāi)裂處并清洗干凈后，將其置于體式顯微鏡下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂處無(wú)明顯的宏觀塑性變形，斷面干凈，且在斷面可看到清晰的疲勞擴(kuò)展紋，擴(kuò)展方向由外向內(nèi)，如圖9 所示。

將散熱管開(kāi)裂面置于掃描電鏡下進(jìn)行觀察，其微觀形貌如圖10 所示。散熱管開(kāi)裂處具有明顯的疲勞擴(kuò)展輝紋［4］，擴(kuò)展方向由外向內(nèi)，與宏觀下的觀察情況一致。通過(guò)理化分析可知，散熱器總成滲漏由散熱管疲勞開(kāi)裂所致。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

在散熱器總成缺少冷卻液的情況下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器開(kāi)度較小時(shí)，散熱器總成左部區(qū)域與右部區(qū)域的溫差很大，且存在右部區(qū)域溫度趨于環(huán)境溫度的情況。這種情況會(huì)造成以下影響：

（1） 節(jié)溫器開(kāi)啟后，散熱器左部區(qū)域溫度升高，散熱管受熱膨脹；當(dāng)散熱器內(nèi)低溫冷卻液被發(fā)動(dòng)機(jī)水泵抽回至發(fā)動(dòng)機(jī)后，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)冷卻液溫度降低，隨即節(jié)溫器關(guān)閉。節(jié)溫器關(guān)閉后，左部散熱管內(nèi)冷卻液因外部冷卻風(fēng)扇吸風(fēng)換熱，此處溫度很快降至接近環(huán)境溫度，左部散熱管受冷收縮。散熱管內(nèi)高溫與低溫的差值越大，散熱管因冷熱交變而產(chǎn)生的變形量也會(huì)越大。

（2） 右部區(qū)域散熱管因通過(guò)的冷卻液流量極小或無(wú)冷卻液通過(guò)，此處溫度趨近于環(huán)境溫度，變形量較小。

（3） 由于散熱器左、右區(qū)域散熱管變形量不同，造成上水室不能整體隨散熱管變形而產(chǎn)生較小的上下位移，特別是在寒冷區(qū)域行車過(guò)程中，這一現(xiàn)象會(huì)持續(xù)進(jìn)行。這可能會(huì)導(dǎo)致散熱器總成左部散熱管因溫度交變產(chǎn)生疲勞斷裂，造成散熱器總成左下部滲漏，且隨著冷卻液的持續(xù)滲漏，散熱器總成左部區(qū)域滲漏區(qū)域會(huì)擴(kuò)大。

3結(jié)語(yǔ)

在冷卻系統(tǒng)內(nèi)部氣體未排凈的狀態(tài)下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器開(kāi)度較小時(shí)，散熱器總成左部區(qū)域與右部區(qū)域溫度相差較大，且存在右部區(qū)域通過(guò)的冷卻液流量極小或無(wú)冷卻液通過(guò)的情況，導(dǎo)致此處溫度趨于環(huán)境溫度。特別是車輛在寒冷區(qū)域行車過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器開(kāi)度始終較小，右部區(qū)域散熱管因溫度趨近于環(huán)境溫度其變形量較小，而左部區(qū)域散熱管因冷熱交變而產(chǎn)生的變形量較大。上水室因右側(cè)散熱管的約束造成其不能整體隨散熱管變形而產(chǎn)生較小的上下位移，易導(dǎo)致左部區(qū)域散熱管產(chǎn)生疲勞斷裂，造成散熱器總成滲漏。

散熱器中存在的氣體會(huì)嚴(yán)重影響流場(chǎng)分布，在汽車散熱器設(shè)計(jì)之初可以考慮結(jié)合內(nèi)流場(chǎng)分析，作為散熱器優(yōu)化的主要內(nèi)容。散熱器內(nèi)流場(chǎng)分布不均會(huì)導(dǎo)致左右管帶變形量不一致，進(jìn)而影響散熱器的使用壽命，因此可開(kāi)發(fā)新型材料，在不影響換熱效率的情況下減小材料因熱脹冷縮而產(chǎn)生的變形。在散熱器使用維護(hù)過(guò)程中，特別是在換季保養(yǎng)更換冷卻液時(shí)，需要嚴(yán)格按照使用維護(hù)說(shuō)明書(shū)進(jìn)行保養(yǎng)，確保冷卻系統(tǒng)中冷卻液充足，以提高散熱器的使用壽命。