散热片的材料
散热片选用导热系数较高的材料对提高热传导效率很有帮助,在金属的导热性方面,银的导热系数最高,其次是铜、铝。银的价格昂贵,不适宜做散热材料,目前比较常用是铜、铝及铝合金。铝的导热系数低,但通过增加鳍片增大散热面积,也能起到较好的散热效果。
散热片的主要材料和成型技术可分为:
全铝散热器
这是传统散热器,具有生产工艺简单、易于加工、材料成本低廉,价格便宜等优点。缺点是,整体散热效果欠佳。
铝是汽车工业使用较多的金属材料,也是汽车轻量化的首选材料。铝的最大优势是质量轻,比重仅为铜的三分之一,铝资源远较铜丰富,成本也远低于铜;虽然铝的热传导率较铜低,仅为铜的60%,但由于铜散热器存在热传导率更低的锡保护层,使得铝散热器的热效率反而要高于铜散热器。另外,铝还有良好的铸造加工性能。
但是,铝散热器焊接工艺性差、生产设备投入大是长期难以解决的问题,限制了铝散热器的广泛应用。直到20世纪80年代中期,美国采用钎焊工艺制造铝散热器取得成功后,才使铝散热器的规模化生产和应用成为可能。但是,铝散热器较差的耐蚀性,使得铝散热器在使用条件差的重型卡车、工程车及军用车上,则难于使用。
全铜散热器
铜是重要的有色金属,也是导热性最好的金属材料,具有优良的成形加工性、可钎焊性和耐蚀性,长期以来一直作为汽车散热器的首选材料。但铜的资源和价格一直是困扰铜散热器广泛应用的主要原因。
散热器的散热效率至关重要,所以对铜板的表面质量要求甚高,要求板材表面无划伤、起皮、氧化、油污等缺陷,要有良好的板型、平直度和导热性等。铜带用于制作散热器鳍片。要求有良好的导热性、焊接性、较高的强度、尺寸公差精确。铜管主要用于制作到热管,要求有良好的导热性、焊接性、内外表面清洁,较高的强度等。铜棒主要用于制作铜铝结合散热器的铜芯,表面直接和CPU粘合在一起,要求有良好的导热性、焊接性、表面清洁,较高的强度等。
为了增加铜散热器的耐腐蚀性,避免铜直接与腐蚀性物质接触,一般要在铜散热器的表面上覆盖锡保护层,但这样却会影响铜散热器的散热效率,使散热性能大幅度下降。近年来,为了进一步提高铜散热器的性能,对传统的铜锡散热器采取了许多改进措施。如在材质方面和加工工艺方面尽可能提高材料利用率,采取向铜中添加微量元素的方法,在不损失导热性的前提下,提高其强度和软化点,从而减薄带材的厚度,节省材料用量以减轻散热器的质量和降低成本。
著名的奥托昆普铜带公司于上世纪80年代研发成功的双波浪带自动生产线,生产出比0.04~0.045毫米普通波浪带更薄的0.03~0.035毫米铜带可以被滚制成波峰更小的波浪带,这样两条波浪带通过锡焊接牢牢地固定在一条中心带即普通铜带上,最后制成比普通波浪带更坚固、用材更省、散热性能更好的汽车散热器用传热元件——双波浪带。对比实验研究表明,用0.035毫米或更薄的双波浪带材料加工的芯子厚度为43毫米的散热器与用普通波浪带加工的芯子厚度为78毫米散热器相比,散热性能提高10%,风阻相同,散热器本身的厚度减少45%,效果不错。但并未从根本上解决材料来源问题。
铜铝结合散热器
目前比较流行的是把铜、铝结合应用,一般以纯铜板做散热器底板,铝合金做散热鳍片。利用铜的高导热系数特点,把热量传导至铝材质的鳍片,再通过风扇的对流作用散发至空气中。铜铝结合常用工艺有扦焊、螺丝锁合,热胀冷缩结合,机械式压合等方式。铜铝结合散热器具有散热效果好、重量、价格适中等优点。把铝材成本低、重量轻、散热快、易加工等特点与铜的高导热性能相结合。既保证其重量不超标又提高了散热效率。