散热器的智能温控探索

【摘 要】本设计为80KW的轿车设计散热器，选择直流式散热器型式，芯部选用管带式型式。用变量泵代替传统的定量水泵，实现冷却水量随着汽车负荷的变化而变化，进行散热器的二次温度控制；对散热器安装电动风扇，当温度升高时转速随之升高，实现散热器的一次温度控制。

【关键词】散热器 变量泵 二次温度控制 一次温度控制

1. 水冷散热器的发展现状及趋势

1.1. 发展现状

随着车用换热器越来越多，对各换热器进行优化布置设计，能够极大地影响汽车空气阻力、换热器的效率及汽车安全性。车用换热器紧凑化布置设计基于两种考虑，一种为布置紧凑化，从而减少装配空间；另外一种为充分利用各换热器之间存在的热耦合作用，提高废热利用率和换热效果。与传统的轴流式冷却系统不同的是，紧凑型冷却系统CCS（CompactCooling System）系统为径流式系统（基于离心式风扇），热交换器（水散热器，中冷器及冷凝器）都布置在风扇附近，从而CCS系统每单位体积的性能比轴流式冷却系统提高了42%，噪音降低了6dB左右，同时径流式风扇功率消耗为轴流式风扇的70%，从而极大地节省了燃料消耗。在多用换热器设计中，将车辆中的散热器和冷凝器连接成一个单一模块。假如能够巧妙设计来避免散热器和冷凝器之间的热过度区，这种技术可以满足散热器和空调回路冷凝器的性能要求，它也能够使该模块的气侧压降最小化，也能够极大减少装配空间及其制造费用。匹配这种多用换热器的车辆风洞实验表明：体积减少了将近30%，重量减少了5%～10%，热性能也得到了提高。

1.2. 汽车散热器的发展趋势

散热器在限定的空间内应具有足够的散热性能和较长的使用寿命，所以整个散热器总成必须降低原材料消耗，改善生产工艺和结构，降低生产成本，实现薄壁、轻型、高效。在焊接部位，应采取扩大焊接面积的方法来降低应力，如主片和水室采用双面焊接的窄沟槽形式，尽可能减小壁厚，不容许采用增加壁厚的方法来提高总成强度。如散热器的主片和水室的壁厚应控制在0.6～0.8mm范围内，冷却管的料厚应在0.11～0.13mm范围内，散热带的厚度为0.043～0.06mm。铜散热器的料厚如超过上述值会使成本增加，但强度提高不大。采用低锡焊料、有机焊剂和高效率的氮气保护硬钎焊工艺，生产铜、铝散热器是今后发展的趋势。

2. 轿车水冷散热器的结构与材料的选择

2.1. 散热器的结构

汽车水冷发动机散热器由冷却用的散热器芯部、上水室、下水室、主片、档板、散热器盖等部分组成。冷却液在散热器芯内流动，空气从散热器芯外高速流过，冷却液和空气通过散热器芯部进行热量交换，也就是说散热器是一个热交换器。

理想的散热器应具有尺寸小、重量轻、制造工艺简单、结构可靠耐久、散热性能好、风阻小等优点。对于本设计课题选取的汽车散热器的结构形式为直流式。直流式散热器的冷却液自上水室通过散热管到下水室，冷却液由上自下，所以流通效果更好，这种型式冷却液压降低，水泵消耗功率低，进出口装配位置设计灵活，可能有更好的排气。直流型散热器是大多数汽车发动机采用的型式。

2.2. 水冷散热器的材料及其选择

散热系数是评价散热器散热性能优劣的重要参数，影响因素众多，其中散热器材料的导热性能和焊接质量对其影响很大。提高散热系数可以改善散热效能，使散热器以较小的尺寸和质量达到上佳的散热效果。因此，导热性能对散热器材料至关重要。本设计中选取了铜散热器。

3. 散热器的温度控制节能技术

3.1. 变流量节能的基本原理

变流量的含义是流体（液体/气体）在特定管道或风道流通时，其流量是按照某种特定的规律变化的。采用变流量输送流体的目的是在满足终端负荷需要的前提下，实现输送系统的节能。

一般情况下，液体在管道内流通，输送到预定的负荷终端；或者气体在风道内流通，传送到使用的目的地。为了传输的流量满足使用者的要求，必须采用电动机为动力，带动水泵或风机，传输一定流量的液体或气体。驱动电动机的能源是电能。此时，输送的风量和水量都是恒定的，消耗的能源就是电动机所能消耗的电能，其数值也是恒定的，这种传输系通称为定流量系统。这种系统虽然很简便，但是不可能实现节能。

在许多情况下，汽车在行驶中，发动机产生了大量的热量，冷却水实时吸收这些热量，带离发动机，保障发动机的正常运行工况。当发动机负荷加大时，发动机发热量增加，必须增加冷却水量；当发动机发热量减少时，可以减少冷却水量，从而实现冷却水流量实时跟踪发动机负荷的变化，既满足发动机优化运行的工况，又实现变流量节能。

3.2. 散热器的一次温度控制

汽车发动机的水冷系统均为强制循环水冷系统，即利用水泵提高冷却液的压力，强制冷却液在发动机中循环流动。这种系统的组成包括：水泵、散热器、冷却风扇、节温器、补偿水箱、发动机机体和汽缸盖中的水套以及其他附加装置等。

冷却液在水泵中增压后，经分水管进入发动机的机体水套。冷却液从水套壁周围流过并从水套壁吸热而升温。然后向上流入气缸盖水套，从汽缸盖水套壁吸热之后经节温器及散热器进水软管流入散热器。在散热器中冷却液向流过散热器周围的空气散热而升温，最后冷却液经散热器出水软管返回水泵，如此循环不止。

本设计中加装了电动风扇，很多轿车发动机的水冷系统采用电动风扇，尤其横置发动机前轮驱动的汽车更是如此。电动风扇由电动机驱动并由蓄电池供电，所以风扇转速与发动机转速无关。

风扇转速由温控热电阻开关控制。当冷却液流出散热器的温度为92～98 时，热敏开关接通风扇电动机的1档，风扇转速为2300R/MIN。当冷却液温度升高到98～105 时，热敏开关接通风扇电动机的2档，这是风扇转速为2800R/MIN。若冷却液温度降到92～98 时，风扇电动机恢复1档转速。档冷却液温度降到84～91 时，热敏开关切断电源，风扇停转。

3.3. 散热器的二次温度控制

在传统的水冷系统的基础上，对水泵加装可控制调节线圈，在散热器入水管处加装水温传感器，根据检测到的温度，传感器将其转变为电信号，由此输出相对应的电流信号。设定冷却水进水温度和冷却水出水温度，检测冷却水出水温度，将冷却水出水温度实测值进行比较，在规定的采样周期内，计算出冷却水出水温度实测值与设定值的偏差及偏差变化率，将这些量值送人计算机进行计算，实时调节电流大小。通过控制进入发动机气缸水套的冷却水量来控制散热器的温度，实现散热器的二次循环控制。

当检测到的冷却水出水温度高于设定值时，意味着汽车发动机负荷加重，计算机控制输出电流加大，以致控制线圈中电流增大而向右移动，定子偏心距增大，使泵的排量增加，加大冷却水进水流量，弹簧被拉伸，满足发动机负荷需求时，冷却水出水温度将降低至设定值，此时计算机控制电流输出恢复至正常值，定子也平衡在某一个偏心距，弹簧恢复正常长度；当检测到冷却水温度低于设定值时，意味着发动机负荷减轻，计算机控制输出电流减小，以致控制线圈中电流减小而向左移动，定子偏心距减小，使泵的排量减小，减少冷却水的进水流量，弹簧被压缩，满足汽车发动机负荷需要时，冷却水出水温度将上升至设定值。

4. 总结

汽车发动机大多采用强制循环式水冷系统，散热器是汽车发动机冷却系统中起核心作用的部件。本设计先从材料结构考虑，对于散热器芯所选用的结构是直流型的管带式。直流型的散热器芯的冷却液压降低，水泵消耗功率低，进出口装配位置设计灵活，可能有更好的排气。

通过对散热器安装电动风扇，使其高温时转速升高，低温时转速降低，实时地控制散热器的温度，使其始终处于最佳的工作温度，延长了使用寿命，也有利于发动机的正常运转，这是对散热器的一次温度控制系统。其次，当发动机的温度过高时，通过单片机控制电流的输出，改变变量泵的偏心距，使其的排量增大，加大冷却水的输出，降低发动机的温度，以此来降低散热器的温度；当发动机的温度过低时，通过单片机控制电流的输出，减小变量泵的偏心距，使其的排量减小，减少冷却水的输出量，使发动机的温度回升，以此来升高散热器的温度，通过控制发动机的温度来调节散热器的温度，这就实现了散热器的二次温度控制。在两个控制系统的作用下，实现了更好的散热器温度控制。

参考文献

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