CN103206879A - 石墨泡沫材料换热器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种石墨泡沫材料换热器及其制备方法。本换热器采用石墨泡沫材料作为散热器的散热材料。散热器散热芯体由6块20×10×5的石墨泡沫材料叠加而成，每块散热片材料的上下底面装有铜质分离隔板，两个侧面则安装边缘罩。散热芯片组合后再在上下分别安装加强型尼龙66注塑而成的水室。工作时，发动机冷却液从一侧流过散热器芯片，空气则从另一侧流过散热器芯片。本发明所制备的车用石墨泡沫材料换热器具有重量轻、体积小、结构模块化、综合散热效率高、材料来源广泛、耐腐蚀、生产工艺简单等特点。

Description

石墨泡沫材料换热器及其制备方法

技术领域

本发明属于汽车新材料及汽车零部件技术领域，涉及一种新型高性能石墨泡沫材料换热器的开发。

背景技术

换热器是水冷式内燃机冷却系统中不可缺少的一个组成部分。发动机在工作时机内的温度很高，所以为保证其能够正常工作，必须对其进行冷却。随着排放法规日益严格，对驾驶舒适性要求越来越高，使得车上使用的换热器数量越来越多。同时，电动车特别是燃料电池车对散热器设计提出了全新的要求，从而使得散热器技术有了许多新的发展，主要体现在散热器几何参数优化、传热系数高重量轻的散热器材料以及紧凑集成的散热器结构上面。

由于铜具有传热性能好、抗腐蚀能力强、具有足够的强度、有良好的钎焊性能、易于加工成型及好的经济性，最初散热器行业一直以铜及铜合金作为制造散热器的主要材料。随着工业的不断发展，铜材的消耗量日益增加。对于散热器行业来说，材料问题已成为亟待解决的问题。同时，由于铝制散热器具有质量轻、散热性能高、原材料成本低、可靠性好等优点，已逐渐取代铜散热器，在轿车上得到广泛使用。

但是随着发动机技术的发展，对散热器的散热量提出了更高的要求，主要体现在如下一些方面：

●欧IV与欧III相比，要求冷却液冷却量提高20％左右。

●为了减少NO_X排放，需要优化喷油正时，这会增加发动机机油热负荷。另外，为了提高机油使用周期，需要降低机油工作温度，这要求油冷器散热量提高15％，从而冷却液热负荷将会增加4％左右。

●为了提高重型卡车的运输成本，大功率卡车是未来的发展趋势，大概提高发动机功率5.5kW左右，从而散热量每年增加3kW左右。

②车上使用的换热器越来越多，包括散热器、油冷器、加热器、冷凝器、蒸发器、EGR冷却器、中冷器，在有限的发动机舱内布置这么多的部件，对各换热器提出了很苛刻的尺寸要求。

③燃料电池车、混合动力车及电动车散热器设计上出现的新要求。首先，燃料电池车热负荷非常大。在燃料电池系统中，大约有50％的能量转换成热量需要被冷却液带走散发到大气中去，与传统内燃机33％左右的热负荷相比，对散热器的散热能力提出了更高的要求。更重要的是，质子交换膜电堆冷却液温度相当低，典型为60℃～80℃，而传统内燃机冷却液温度最高接近120℃。因为散热器散热性能和冷却液与大气之间的初始温差大概成正比，传统内燃机在环境温度升高(一般设计要求为32～40℃)运行期间，散热能力大约为燃料电池的2～4倍。最后，燃料电池车由电动水泵驱动水循环，与传统内燃机发动机驱动相比，其工作雷诺数非常低，这降低了水侧的传热系数。综上所述，燃料电池车对散热器设计提出了全新的要求。一方面，散热器的散热量越来越大，要求增加散热器的散热面积，从而增加散热器的体积：另外一方面，换热器数量越来越多，而发动机舱空间是有限的，所以，必然要求使用体积小、重量轻、散热性能高的散热器，要求冷却系统越来越紧凑。

为此，要求采用轻型、高导热系数、高比面积的散热材料制作散热器。石墨泡沫材料能很好地满足这一要求。石墨泡沫材料密度为0.2～0.6g/cm³，导热率为40～187W/m.K。因为泡沫为蜂窝状的网形结构，接触表面积很大(＞4m²/g)，用石墨泡沫材料做成的散热器，其整体传热系数要比传统的散热器提高10倍以上。因此，对于横截面积为48cm×69cm的汽车散热器，在具有相同的散热量的情况下，其尺寸可以减少到20cm×20cm。这样就可以减少散热器的体积、重量和费用，从而提高燃油效率。

因此，采用石墨泡沫材料制作汽车用散热器将是提高汽车散热器效率，减少散热器体积和重量，从而提高汽车的燃油经济性的一项重要而有前途的技术。

发明内容

本发明的目的是采用新型高导热系数的石墨泡沫材料作为散热材料，开发出具有高效散热率、体积小、重量轻的车用散热器，满足上述由于汽车及发动机技术的发展对汽车散热器提出的发展要求。

解决其技术问题的方案是：

车用石墨泡沫材料散热器由散热器芯体、散热器水室及其他零部件构成。散热器芯体采用自制的石墨泡沫材料制成，散热器的水室采用增强型尼龙66注塑加工而成，散热器芯体与水室之间不用钎焊，用机械方式进行装配。散热器芯体是采用一片片石墨泡沫材料叠加而成，上下石墨泡沫材料片之间采用金属隔板隔开。石墨泡沫材料片分为冷却液片和空气片，冷却液片中流过的是发动机冷却液，空气片里流过的是经过滤后的空气。石墨泡沫材料片的左右两侧采用边缘罩密封。工作时，发动机冷却液流过石墨泡沫材料的冷却液片，将热量传递给石墨泡沫冷却液片，冷却液片将热量再传递给空气片，当空气流经空气片时将热量带走。

有益效果

本发明与现有的车用散热器相比具有以下技术优点：

1、散热效率高。石墨泡沫材料由于具有高的比导热系数，分别是铜和铝的4倍和8倍，特别是比表面积(＞4m²/g)远远大于铜和铝，因此其散热器的综合散热系数是现有车用散热器的10倍。

2、体积小、重量轻。石墨泡沫材料散热器由于综合散热效率高，是现有车用散热器的10倍，因此在相同散热量的条件下，其体积可以是现有车用散热器的十分之一，石墨泡沫材料密度低(＜0.65g/cm³)，因而其重量可达到现有车用散热器的十五分之一。

3、加工工艺简单、安装方面。本发明采用的石墨泡沫材料具有良好的机械加工性能，可以很方便的加工成各种复杂形状，且装配方式采用机械装配。现有车用散热器采用铜或铝通过焊接的方式制成，焊接及机械加工工艺复杂，设备投入量大。

4、价格便宜，原材料来源广泛。石墨泡沫材料采用煤基合成中间相沥青经过系列的发泡、碳化、石墨化制作而成，原材料来源广泛且价格低廉；石墨泡沫材料散热器加工工艺简单，设备投入少，装配方面，因此生产成本较低。

附图说明

附图1为本发明车用石墨泡沫材料散热器核心结构示意图。图中散热器由6片石墨泡沫材料散热片组成。每片上下安装铜质分离板，两个侧面安装有边缘罩。性能优良的石墨泡沫材料具有多孔结构的特点，孔隙率可达80％左右，且孔与孔之间互相连通。发动机冷却液从一侧流经石墨泡沫材料，而空气从另一侧流过石墨泡沫材料。当发动机冷却液从散热器的一侧流过石墨泡沫材料时，其热量会传给另一组石墨泡沫材料，然后再传给流过的空气带走。

具体实施方式

(1)将制作的石墨泡沫材料加工成长、宽、高分别为20×10×5cm的长方体；

(2)将长方体的上下底面(20×10cm面)及左右两个侧面(20×5cm面)与铜板粘接在一起；

(3)将上述制成的6块石墨泡沫片(片数按散热器散热量大小确定)按照附图1的形式组合在一起；

(4)上下两端安装水室即可做成石墨泡沫材料散热器。

Claims (2)

1.一种石墨泡沫材料换热器及其制备方法，其技术特征为：该散热器由散热器芯体、散热器水室和金属隔板构成；散热器芯体石墨泡沫材料制成，散热器的水室采用增强型尼龙66注塑加工而成，散热器芯体与水室之间不用钎焊，用机械方式进行装配；散热器芯体是采用一片片石墨泡沫材料叠加而成，上下石墨泡沫材料片之间采用金属隔板隔开；石墨泡沫材料片分为冷却液片和空气片，冷却液片中流过的是发动机冷却液，空气片里流过的是经过滤后的空气；石墨泡沫材料片的左右两侧采用边缘罩密封；工作时，发动机冷却液流过石墨泡沫材料的冷却液片，将热量传递给石墨泡沫冷却液片，冷却液片将热量再传递给空气片，当空气流经空气片时将热量带走。

2.根据权利要求1所述的石墨泡沫材料换热器及其制备方法，其技术特征为：

(1)将制作的石墨泡沫材料加工成长、宽、高分别为20×10×5cm的长方体；

(2)将长方体的上下底面(20×10cm面)及左右两个侧面(20×5cm面)与铜板粘接在一起；

(3)将上述制成的6块石墨泡沫片(片数按散热器散热量大小确定)按照附图1的形式组合在一起；

(4)上下两端安装水室即可做成石墨泡沫材料散热器。

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