铜铝复合散热器
                             编辑：森远散热器  2012-09-28
铜铝复合散热器是一种把铜管与铝型材用精密涨压工艺做成散热元件的新型高效节能散热器。是国家推广的新产品，是传统散热器的替换产品。散热方式以对流为主连接方式可以同侧上进下出，底部下进下出。其造型高贵典雅，散热性能优良，承压能力高。又因导热性能优异，
热效率高。适合各种中、高档住宅和办公场所。
典型铜管对流散热器特点如下 :
 (1)0.6米高1米长，标准机型的散热量可达2687W，为国内最大
 (2)外观美，前进风面板可拆，方便清理，长期使用不减热量
 (3)承压高，适用于高层建筑
 (4)高精度二次翻边散热片，机械涨管，保证管片结合紧密，传热效果最佳
 (5)全铜水道寿命长，防腐好
 (6)内腔干净，光亮，可方便的用于分户计量
铜铝复合型散热器的型式设计研究分析与建议: 
内容提要：文内所指的铜铝复合型散热器，包括铜铝复合柱翼型散热器及铜管铝片对流散热器两大类。本文将根据近些年来的发展状况，对这两类散热器的型式设计方面存在的问题及技术改进，提出一些具体的设想和建议，可供同行参考。 
关键词：铜铝 散热器 型式设计
一、 发展情况概述及技术要求 铜管铝片对流散热器是近十年从国外引进并发展生产的一种轻型散热器，为有罩型对流散热器。铜铝复合柱翼型散热器是我国近几年来研制和发展起来的一种新型散热器，具有中国特色。这两种散热器的共同特点，是其过水部件均为铜管，而散热部件主要是铝板翼片或铝翼管。它充分发挥了铜材在一般供暖水质中耐蚀能力大大高于钢材（约为钢材的25倍），及铝材易成型、热工性能好的优点，具有承压能力及寿命长的特点，符合对轻型散热器“安全可靠、轻薄美新”的综合要求。这一要求中，安全可靠是必要的前提条件，内容包括在有效使用内不漏水、热工性能稳定及不对人体有伤害隐患因素等各方面。在此前提下，才能谈轻、薄、美、新的问题。 国家“采暖通风及空气调节设计规范”（GB 50019－2003）第4.3.1条，也对工程设计中选用散热器作了规定，共有七款，其中第3、5、6、7款是分别对于放散粉尘的工业厂房、钢制散热器、铝制散热器和铸铁散热器的相关规定，其余第1、2、4三款，与本文所述的散热器有关，现分述如下：
1．  散热器的工作压力，应满足系统的工作压力，并符合国家现行有关产品标准的规定； 
2．  民用建筑宜采用外形美观，易于清扫的散热器；
3．  具有腐蚀性气体的工业建筑或相对湿度较大的房间，应采用耐腐蚀的散热器（笔者认为是指散热器的外表面耐腐蚀）。 可以看出，这三款规定与前述的安全可靠，轻薄美新的原则要求，是完全一致的。就本文所述的两种散热器而言，通过选材及多年的工业制造技术方面的研究，已能保证产品的承压能力及耐久使用。尽管在具体的制造技术本身还有很多值得改进和提高的地方。而对“轻薄美新”、“便于清扫”等方面，则是我们需要不断进行研究和努力提高的课题。 
二、 铜铝复合柱翼型散热器型式设计研究 
1．  型式设计方面存在的问题 铜铝复合柱翼型散热器的基本结构形式为铜管立柱先与铝合金翼形散热管复合（胀接），然后与上、下铜管联箱组焊成一组散热器。为求美观，在上下两端联箱处加设了横条式的装饰罩。其铝翼管的翅片形状，受过去已有的铝制柱翼型散热器影响很大。归纳起来，大致可分为三类，即开式翼片、闭式翼片、综合式翼片三类。参见参考文献
2.   开式翼片具有热工性能好的突出优点，对铜铝复合柱翼型散热器而言，其金属热强度可达2.5~2.8w/kg.℃。但缺点是薄翼片外露，不易清洁，翼片刚性差及感观简易粗糙。闭式翼片的金属热强度较低，其前、后两面的平板造型很受市场欢迎。综合式翼片是闭式与开式的结合。在上述三种翼管样式中，均是以厚度小于1.0mm的薄铝片示众，使人易产生单薄、简易、低档的感觉，不利于提高散热器的档次和价位。除此而外，散热器上下两条连续通栏的装饰罩，其比例尺寸、外形和加工制造，也极难适应不同规格散热器的要求，难以提高档次和外观质量水平。 
2．  几点设想和建议 笔者认为，铜铝复合柱翼型散热器改进型式设计原则性的考虑为：在安全可靠的前提下，在已有薄型产品的基础上，力争在美、新方面有较大的进展；在易于清扫和外观质量和产品档次方面有较大的提高。
     具体建议如下： 
（1）打破散热器上、下通拦连续装饰罩的做法，改为单柱单罩。这样可使每柱散热器从底到顶形成一“片”的感觉，以适应人们习惯上对散热器（暖气片）的认知。同时，上、下两端的小装饰罩，可通过整体冲压或其他工艺，采用不同材料（如铸铝、铝合金、钢板、工程塑料等）精工制作，外形圆滑美观，真正起到提高产品档次的装饰作用。 
（2）铝翼管的翼片形状采用闭式翼片，并力求圆滑流畅无尖角薄棱，易清扫，外观厚实敦重。要解决易清扫的问题，一是要求散热器上下端的装饰罩能自由装卸；二是翼管的片形尽量圆滑简单，不设或尽量少设内置的直翼，减少纤维性污物积挂的可能。这样，在必要时就可打开上、下的装饰罩进行清污。 翼片形状的圆滑，无薄片尖角，这既是出于美观的要求和防止划伤人体的可能，更是满足人们对“建筑设备”要敦实耐用的观感要求。根据国内已有的情况，笔者建议翼管前、后面的平板改弧形板，以摈除平板的朵板；此外，前、后弧形板面不出现两侧明露的薄边，而是弯曲封闭，外观应有一定的体积和厚度，解决人们一般认为薄铝片简单、低档次的看法，提高产品的庄重华贵等外观品质。当然，进行这些考虑的时候，必须以保持和提高散热器的热工性能即金属热强度为主要方面，要 能达到金属热强度也提高（但不一定是绝对最高），翼片形态又能符合上述要求。按此做法，可使新的铜铝复合柱翼散热器的外观没有薄铝片的印痕，成为内铜（铜水道）、外铝（铝片）、形似钢的新型散热器，给人的敦实、华贵的直观感觉。这样的产品，已有厂家生产，其金属热强度达2.4w/kg.℃，应当还是不错的。 
（3）提高外表面处理质量。外表面处理，虽然不属型式设计本身的内容，但却是实现型式设计要求，上挡次、上水平的重要保证。首先要选用合适的铝材，不能使用废铝型材，并经良好的挤压成型，保证前面孤面的光洁平整无划痕，在粗糙的金属表面单靠喷漆、喷塑是无法提高表面质量的。其后是严格做好喷漆前的予处理，最后要选用优质的涂料和喷涂设备，以及符合工艺要求的烘干设备，层层把关，一气呵成。可以说，目前我国的多数企业对外表面处理的要求和认识还存在很大差距，不舍得下大力气，这对本产品的进一步发展是极为不利的。 按上述要求形成的产品，其综合特征可表述为：立面弧形、单柱单罩、线型流畅、敦重厚实、内清外洁、外表精良，成为内铜、外铝、形似钢的精品散热器。能与已有的精品钢制散热器相比美。加上铜管耐蚀能力强的优点，就更具有竞争力。当然，高档次的产品也对包装和运输提出了更高的要求，要相应解决。 
三、 铜管铝片对流散热器型式设计探讨 几十年来，随着我国经济发展的不同阶段，对流散热器经过了无罩（去消外对流罩）、薄塑罩（罩壁厚0.5mm）阶段，散热元件多为钢制。近些年引进和开发的铜管铝片对流散热器，原在北美国家也是主打产品，广泛用于不同档次的建筑物中，也是符合我国国情和使用要求的优质产品，现结合我国的实际情况，对这一产品的形体、尺寸、美观、清扫等各项问题，提出一些建议和看法。
1 .  外罩设计：由于过去的几十年中，我们强调和更多的进行了该型散热器的热工研究，使之在散热器研究方面已达到相当的水平，国外几十年来也进行了大量的相关研究，但我国目前对外罩的理解、认识和重视不够。所以笔者首先提出外罩问题，以求使该产品以新的姿态和面貌问世。具体意见如下：
     (1) 薄型厚罩（壁厚）、条块并举：结合我国目前情况，对轻型散热器而言，其基本要求可综合为“安全可靠、轻薄美新”。其中“薄”就是指薄型，亦即散热器的厚度要小。我国过去罩式对流散热器（如钢制翅片管散热器），其厚度以140mm为主，这一尺寸普遍认为厚了一些，希望减薄。笔者认为，铜铝对流散热器的厚度可取60、80、100、120mm系列，或60、90、120mm系列。60mm的厚度也适合踢脚板安装等使用方式。试验证明，在同一散热元件的条件下，罩厚增加会提高散热量。但是散热器是一个建筑设备，是在室内使用，有时就不得不牺牲一点热工方面之所长，以换取建筑使用和装修协调等方面之所需。这两方面之舍取是有条件的，热工要求是前提，但不应绝对化，任何人绝不会把散热为零的东西视作为散热器并安装于室内。 对于外罩所用钢板过去过分追求低价位而采用0.5mm钢板，难以保证耐久性及外形美观，建议采用1.0mm钢板，加上正规而良好的冲压成型，可以保证必要的平整、线条等外形美观要求。外罩的板面，可借鉴欧洲钢制板型散热器的模样，作成外板（外观似板型）内翅的新型对流散热器。外罩的高度，对散热量的影响极大，但限于采暖设备安装条件的限制，单根散热管时外罩可取120mm，用于踢脚板安装；二根或四根散热管时外罩可取500及600mm。其他特殊型号可另行考虑。 该型散热器的突出优点之一是可做成长条连续安装；可极好的与建筑配合，成为建筑的一部分，形成一个完整的线条。而其他独立式散热器则突出其单个安装的优点。所以开发本型散热器不能只单纯生产的一种，如果这样做，就首先摈除了该型散热器最突出的优点之一，不利于推广。应当是条形和块形（单位式）都要生产。
     (2) 背面保温、靠墙安装：前已述及，贴墙安装可少占建筑面积，并且使散热器显得较轻巧美观。 
     (3) 横条（孔）出风、外斜导流：出风口目前多为竖形孔，虽然可以使用较小的冲压设备，但形式不美   观。建议像风机盘管空调器那样做成横形条孔，而冲成向外斜的导流片，使热气流尽量离墙面远一些，以减少对墙面的污染。
     (4) 面板可拆、方便清理：前已所述，翅片间距过密会容易引起污物堵塞问题，如不能及时清理，会大大的影响散热。前面板如能拆卸，则提供了清理的可能，有利于保证长期而稳定的散热能力。
     (5) 保证抽力、减少阻力：如前所述，该型散热器空气流动的原动力，是靠器内外空气温度差而形成的，其计算公式为： H＝h.△ρ·g 式中H为热压头，Pa； h为封闭罩内加热中心至出风口中心高度的距离，m； △ρ为散热器内外空气的密度差，kg/m3； g为重力加速度，9.81m/s2。 从上式可以看出，当水温已定及散热元件已定时，这一热压头的大小就取决于“h”的大小。所以要在散热器外形高度要求的前提下尽量争取加大“h”值。器内的散热管应尽量在下部设置。从这一要求出发，下部的进风孔从侧面开启，就减少了封闭罩的高度，对抽力是不利的；而上部的出风口侧开，也减少了h值，也是不利的。至于出于型式的其他考虑是另一个方面的问题。也有的散热器尽管侧面的下半部开了进风口，但仍有较高散热量，仅此并不能说明抽力未减少，而可能是阻力也同步减少所致，是一个更复杂的对流换热过程。 出风量的多少，除了与热压头有关外，还取决于空气在流动过程中的阻力，亦即要满足H＞Σ（R·L+Z）的条件。R·L为气流流动过程中的磨擦阻力；Z为流动过程中的局部阻力，包括进风口和出风口的阻力。由于该散热器内空气流动的复杂性，这一阻力的大小极难计算。但制造者尽量减少出风口的阻力，保证开孔率不小于散热器平面面积的50％，还是可以做到的。而散热管翅片的间距，绝不能像强制对流的风机盘管那样取2.7mm上下，而应根据自然对流的要求放大，合理的间距值自然与翅片的形状及尺寸有关。对目前采用较多的矩形翅片而言，大致在6.5~7.2mm范围，过密会使空气流通阻力过大。 
2.   散热器内散热管（散热元件）的制造：作为对流散热器，散热元件的优劣是第一影响因素，有以下几个问题值得考虑： (1) 合理选管、适应系统：散热管是由铜管外串铝片、通过胀管使之紧密结合而制成的。所用铜管的管径，目前有Φ16、Φ21、Φ27mm多种，相当于焊接钢管的DN15、DN20、DN25。细管多根有利于传热的均匀，可提高散热管的散热效率，但容易引起热媒水的杂质造成管道堵塞。就我国目前热媒水的实际状况而言，这一问题还是应当充分重视的。而在经济发展水平很高的国家，可能出现堵塞的几率较少。除此而外，还应考虑散热器在采暖系统中的连接方式。对于双管并联系统（垂直或水平）而言，由于流经散热器的水量很少（进出水温差为25℃），散热管径的选择不宜过大。而对于单管串联系统（垂直或水平）而言，在无闭合管的情况下，整个串联环路的全部热媒水通过各组散热器。这时随着串联组数的增加，散热器内铜管的水流量也相应增加。现行设计手册中的单管串联的层数为十二层，所以采暖设计时要控制接管直径，以控制系统管道流速。采暖系统的阻力值包括摩擦阻力和局部阻力两部分，其中局部阻力约占全阻力的50%上下。局部阻力与管内水流速的平方成正比。采暖系统的阻力计算中，对于散热器形成的阻力是作为局部阻力计算的。其值等于局部阻力系数乘以动压头。动压头计算所用的水流速为散热器外接管道的水流速，而不是散热器内散热管的水流速。这样一个固定的局部阻力系数不能反映不同长度散热器阻力的差别。此外，采暖系统的配管，考虑了静度和排气的要求，所配管径较大，管内水流速较低。如果出现配管大于散热器管口的情况，则散热器阻力计算依据的水流速，应改为散热器接管口的水流速。在此情况下，不仅使散热器阻力增大，而且由于散热器内水流速较高，会引起震动和噪声，在工程设计中这是不适宜的。在以局部阻力系数表示散热器本身阻力大小的情况下，应当给出不同散热器长度的修正系数，否则很难保证散热器本身阻力计算的准确。误差过大会使整个采暖系统阻力计算失准，给系统配管及运行调节造成极大的困难。室外热网留给建筑物进口的资用压头，一般为5.0mH2O，而允许建筑物内采暖系统耗用的压头更小，一般为2.0 mH2O上下。所以对于单管串联系统的情况，散热器所用铜管的直径不宜过小，以求散热管内的水流速不致过高，要与串联组数、所配立管直径相调协。虽然从传热学的角度讲，高流速可强化传热，但局部阻力按管内水流速的平方倍率变化的规律对散热器     内的水阻力计算也是同样的，这也是工程设计中必须注意的问题。生产厂在订货、供货时也应当了解供出产品的设计使用条件，避免出现难以调控的困难，以使该散热器能在
     适宜的采暖系统设计及运行条件下正常工作。 至于铜管的材质，以选用TP2紫铜管为主，壁厚可按工作压力选定，大都在0.6－1.0mm的范围。其连接弯头可以采用成品弯头或铜管弯管，但应注意弯管后对壁厚的减薄，弯头用管的壁厚应比直管增加一定的厚度，数值应根据工艺及实际情况决定。 (2) 片型选择、注意清理：国内外对各种对流换热器中对流片的研究已很充分。对空调所用的强制对流表冷器研究，已证明对光片、波纹片、切口片三种基本片型的散热效率相差很大，大致为100%、115%、130%，切口片散热效率最高。这一趋势在自然对流时也是一致的，但差别的百分数大小会不同。从热工和使用多种因素综合考虑，建议按波纹片采用。因为它比光片提高了散热效率，同时也能减少污物积存和便于清理。切口片在清理方而更困难一些。