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冷熱交換專家Vital中冷器工廠探究

2018.07.01  作者:童國輔  

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協力/佶羱科技(04)2452-8234
 
不論是汽車、工作母機、家用電腦或農業機械等,只要是自動化機器就一定會有散熱的需求,而想要達成此目的,加裝散熱器就成了唯一的手段,不過看似簡單的散熱器,因應用途或不同的降溫介質,製造與設計的方向就有所不同,為此OPTION特別深入散熱器的製造工廠,一起來探究當中的奧妙吧。
 
 
何謂中央冷卻器?
降低進氣溫度之用
這次OPTION要帶領大家深入了解散熱器的工廠名稱為-「佶羱科技」,其創立至今已有6年時間,時間跟一些國外的散熱器大廠相比,雖然不算久,但公司內部的核心團隊,著墨於散熱器的研發與製造已超過10年以上時間,掌門人-陳靖羱總經理過去更是在專門製造散熱器的外商公司任要職達多年時間,該外商公司是設計與製造大型機械與家用電腦設備散熱器的知名公司,因此對於如何製造優質散熱器,有著極專業的技術背景。
 

▲正在跟筆者(左一)討論中冷器設計理念的正是佶羱科技-陳靖羱總經理(右一),其著墨於散熱器的研發與製造已超過10年以上時間,對於如何製造優質散熱器,有著極專業的技術背景。
 
目前「佶羱科技」旗下的產品,主要著重於大型機械使用的液壓油散熱器、汽車引擎用的機油散熱器與渦輪引擎所需的中冷卻器等,其中又以後者是目前主力發展的產品之一,目前已針對多部車款推出專車專用的Vital中冷器升級套件,眾多店家與車主換裝後,都給予極高評價,因此筆者將針對Vital中冷器的設計與製造,請教佶羱科技,藉此了解一款優質的中冷器該具備那些特質。
 

▲目前「佶羱科技」旗下的Vital中冷器款式已相當齊全,可對應的車款也陸續開發中,圖中為Smart專用中冷器,左側為原廠部品,右側為Vital中冷器,可提供更好的進氣溫度冷卻效果。
 

▲這款帶12V風扇的液壓油散熱器,已拿到多國專利認證,構造與傳統的散熱器大不相同,是透過白努利定律設計而成的產品,外觀上看不到散熱鰭片,卻能透過加速氣流的方式來強化散熱效果,目前提供給農機使用。
 

▲所有Vita中冷器的焊接工作,都是由這位擁有多年鋁合金焊接技術的蕭于盛負責,不論是魚鱗焊、脈波焊或平焊等,或是不銹鋼、碳鋼等材質,都難不倒他,所以Vita中冷器也接受客製化服務。
 
想信很多剛換渦輪新車的車主們,可能連中冷器是什麼東西都還搞不清楚,中冷器的安裝目的,主要是為降低進氣溫度,因渦輪增壓的工作原理,使渦輪本體處於極高溫狀態,相對會提高進氣渦輪端的空氣溫度,加上壓縮過的空氣同樣也會產生熱度,如果不降溫就進入燃燒室中,很容易導致引擎工作溫度過高,接著就會發生爆震,嚴重影響引擎壽命,且過高的空氣溫度也會因空氣熱膨脹而大幅降低含氧量,這樣一來便會降低進氣效益,自然就無法產生應有的動力輸出。
 
此外,進氣溫度太高,水溫與油溫通常也不會低到那裡,對引擎來說很傷,若不設法降低溫度,就很容易增加引擎故障機率,因此才需安裝足夠散熱的中冷器來降低進氣溫度。
 

▲只要是渦輪車都一定會有中央冷卻器,差別只在於水冷或空冷設計,其作用在冷卻進氣溫度,使引擎工作效率得以維持穩定狀態,有些大排氣量的V型引擎,還會配置兩具中冷器。

組成中冷器的零件
Fin+Tube+Tank
至於中冷器的構造部分,請讀者們先看圖一,這張類似千層糕的東西,就是中冷器的剖面圖,由這張圖中我們可以看出中冷器主要是由兩個部分所組成。第一個部分名稱為Tube,也就是圖中第一層,其主要的功能在於提供一個通道,容納「壓縮空氣」使之流過,接著進到引擎燃燒室中,因此Tube必須是密閉空間,如此才不至於發生洩漏進氣壓力的問題,且Tube的外形還分成四方形、橢圓形與長錐形三種,其差別在於風阻與冷卻效率間的取捨。
 
第二部分的名稱為Fin,也就是俗稱的「鰭片」,通常位於上下兩層Tube間,並緊密的與Tube相黏在一起,是對外散熱之用,車輛高速行駛時,風會從Fin之間通過,進而帶走中冷器的高溫,達到冷卻進氣溫度的目的。
 

▲Tube管內跑的是準備進到引擎內的空氣,也就是進氣通道,Fin則是給車頭撞風空氣通過的鰭片,也就中冷氣外觀上看得到的外部鰭片。
 
而經由上述兩部分不斷重疊一起,直到10~20層的結構物,則稱為Core,這部分也就是所謂的「中冷器主體」。另外,為了使來自於渦輪的壓縮氣體在進入Core前,能有緩衝及蓄壓的空間,及出Core後能提昇空氣流速,通常都會在Core的兩側,再裝上名為Tank的零件,其外型就像「方形漏斗狀」,其上還會設置圓形進出口,以方便連接矽膠管。而中冷器就是經由上述四個部分所組成。
 

▲Core就是所謂的「中冷器主體」,而為了使來自於渦輪的壓縮氣體在進入Core前,能有緩衝及蓄壓的空間,及出Core後能提昇空氣流速,通常都會在Core的兩側,再裝上名為Tank的零件,其外型就像「方形漏斗狀」。
 
至於中冷器散熱的原理就如同剛才提到的一般,是利用眾多的橫向Tube分割壓縮空氣,然後來自車頭的外界直向冷風,再經過與Tube相連的散熱鰭片,就可達到冷卻壓縮空氣的目的,使進氣溫度較為接近外界溫度,因此若要增加中冷器的散熱效率,只要加大其面積及厚度,以增加Tube數量、長度和散熱鰭片等,就可以達到此目的。
 
但事情有這麼容易嗎?其實不然,因為愈長、面積愈大中冷器,就愈容易產生進氣壓力耗損的問題,而這也是製造優質中冷器時一定會遇到的問題。
 


▲中冷器不是大就好,Tube管徑太大或Core體積太大,雖然冷卻效果很好,但如果裝在小排氣量引擎上,卻會出現加速反應變差的問題,因此如何在「散熱能力」vs.「壓力損失」之間取得平衡,是中冷器製造時須考量的要點,因此有些車款才會推出不同大小的Vita中冷器產品。
 

▲後方為Levorg原廠中冷器,為節省成本其Tank採用塑鋼材質,缺點除了無法承受高增壓場合外,不易散熱的特性,更容易成為蓄熱的來源,且用久了還可能出漏氣,也因為如此前方的Vita中冷器,才會採用全鋁合金的製品。
 
強化散熱效率關鍵
提高速度+增加面積
據佶羱科技-陳靖羱總經理表示,所有的物體想要有好的散熱效果,都是從兩個面向來進行,分別是提高「熱傳導速度」與增加「散熱面積」,而佶羱科技旗下的Vital中冷器,就是遵循這兩個原則來設計製造。
 
首先是增加「散熱面積」部分,佶羱科技利用在Tube管路裡,額外設置「內網」的方式,來增加熱空氣的散熱面積,以提高熱傳達量,自然散熱效率也就能增加,且內網的結構是採用「交錯網」+上下接觸點為「平面式」的鰭片,前者可讓空氣在Tube裡面流動時會產生擾動現象,使冷熱交換更完全;後者是讓內網的上下處呈現平面形狀,藉此增加內網與Tube表面的接觸面積,讓這些吸收高溫的內網,可以更快速的將高熱傳遞到外界,降溫效果自然會更加明顯。
 

▲Vita中冷器的Tube內網是採用交錯式設計,可讓空氣在Tube裡面流動時會產生擾動現象,使冷熱交換更完全。
 

▲這是原廠中冷器的Tube構造,在成本考量下,有不少的缺點。
 

▲這是Vita中冷器的Tube構造,在加入許多有助於散熱的製造技術後,才能在相同面積下,提供更優異的散熱效果。
 
而車主看得到的外部鰭片部分,一般型中冷器的鰭片,其形狀通常為直條狀無任何開口,從前面可以直接看透到後面,這種鰭片設計的價格較低,但缺點是撞風時空氣會快速通過,散熱效果不夠好,而佶羱科技認為既然鰭片在整個中冷器裡,扮演散熱功能的主要角色,只要增加其接觸冷空氣的面積,就能提高熱交換功率,因此旗下Vital中冷器的鰭片,都採用「波浪狀」或是俗稱「百葉窗」設計的鰭片,可以讓通過的空氣進行擾動,以帶走更多的高熱。
 

▲Vital中冷器的Fin外部鰭片,都採用「波浪狀」設計的鰭片,可以讓通過的空氣進行擾動,以帶走更多的高熱。
 
至於提高「熱傳導速度」部分,則是透過將Tube上下管徑厚度,減少到最薄程度的方時來達成,這個地方也是Tube與外部鰭片接觸的地方,如此一來就可以提高熱傳導速度。此外,Vital中冷器採用的鋁合金材質,也是針對散熱部分進行最適化設計,中央Core散熱本體是採用熱傳導速度比較好的4字頭鋁合金,左右Tank則是採用硬度比較高的7字頭鋁合金,以減少安裝管路時出現變形的問題。
 

▲Vita中冷器的管路與Tank(左側),都是採用表面平滑的航太鋁合金材料所焊接而成,可提供更低的空氣流動阻力,使進氣效率更順暢。右側為一般的改裝中冷器,Tank是採用翻模製造,表面很容易出現氣孔而不平滑。

實測降溫效果
油冷溫差達20度
而為了驗證Vital中冷器與機油冷卻器的效果,佶羱科技特別透過廠內特製的檢測機器進行測試,首先測試機油冷卻器的降溫效果,將加熱到75.7度的機油,注入機油冷卻器內,然後在冷卻器前方擺放一具風速達時速28公里的鼓風機,模擬車輛行進時的散熱環境,接著利用紅外線測溫槍,測試入口與出口處的溫度,可以發現出口的機油溫度已降低至55.8度,降溫效果達20度左右,如果風速在提高,相信降溫校果會更明顯,也代表Vital機油冷卻器確實擁有極佳的散熱效率。
 


▲Vita機油冷卻器的測試方式,是將75.7度的機油,注入機油冷卻器內,然後利用風速達28公里的鼓風機,模擬車輛行進時的散熱環境,接著利用紅外線測溫槍,測試入口與出口處的溫度,可以發現出口的機油溫度已降低至55.8度,降溫效果達20度左右。
 
至於Vital中冷器部分,則是取五代CR-V的原廠中冷器與Vital中冷器進行測試,中冷器前方同樣擺放鼓風機,然後使用吹風機將熱風灌入中冷器內,測量入口與出口處的溫度,且同時透過紅外線熱像儀觀察整體的降溫變化,測試數據如下:原廠中冷器的入口處溫度達91.7度左右,出口處的溫度為61.7度,溫差達30度。而Vital中冷器的入口溫度為71.4度,出口溫度為31.8度,溫差達39.6度。
 


▲利用吹風機將熱風灌入中冷器內進行測試,可以發現原廠五代CR-V的中冷器入口處溫度達91.7度左右,出口處的溫度為61.7度,這條件下降溫效果為30度。
 
 
透過這個測試數據,相信對兩者間的散熱效能可以一覽無疑,Vital中冷器不只出入口溫差大,代表降溫效果優異外,入口處的溫度也只有71.4度而已,這說明採用鋁合金材質的Tank,確實能一開始就能進行降溫動作,加上內部Tube管的空氣阻力小,因此溫度才不會蓄積在入口處。反觀原廠中冷器,由於入口Tank採用不易散熱的塑鋼材質,加上Tube管的空氣阻力大,因此溫度才會累積到91.7度,相當驚人。
 


▲相同的測試條件下,Vital中冷器的入口溫度只有71.4度,出口溫度更降低製31.8度,降溫效果可達39.6度。
 
而這兩者的降溫表現,也可以透過熱像儀清楚看出差異,原廠中冷器的整體亮度相當亮,代表溫度高,在中間點還有66.5度,而Vital中冷器則只有出口處的亮度比較亮,到中央位置的亮度就大幅減少,溫度也已降低到37.6度,在在證明Vital中冷器的降溫效果非常顯著。
 


▲利用熱像儀觀察,原廠中冷器的整體亮度相當亮,代表溫度高,在中間點還有66.5度,而Vital中冷器則只有出口處的亮度比較亮,到中央位置的亮度就大幅減少,溫度也已降低到37.6度,在在證明Vital中冷器的降溫效果非常顯著。
 
中冷器測試數據對照表(單位:℃)
           
原廠中冷器    入口溫度 91.7  出口溫度61.7
Vital中冷器    入口溫度 71.4  出口溫度31.8
溫差                             20.3                29.9
 
Levorg實車安裝測試
提升4.6hp/2.5kgm
為了進一步驗證Vital中冷器的效果,這次還進行實車換裝拉馬力的測試,測試車輛為一部原廠狀態的Subaru Levorg 1.6 CVT車款,測試時會進行三次,取中間值數據,如果三筆中的一筆數據差異過大,會再進行第四次測試,筆者先進行原廠中冷器的測試,測試出來的最大輪上馬力與扭力為129.1hp/25.0kgm。
 

▲我們透過一部原廠狀態的Subaru Levorg 1.6 CVT,來進行Vita中冷器的實裝測試。
 


▲各組馬力測試時會進行三次,取中間值數據,如果三筆中的一筆數據差異過大,會再進行第四次測試,筆者先進行原廠中冷器的測試,測試出來的最大輪上馬力與扭力為129.1hp/25.0kgm。
 
接著換上Vital中冷器並等待30分鐘,讓引擎冷卻後,再進行馬力測試,測得出來的最大輪上馬力與扭力為133.7hp/27.5kgm,相較於原廠中冷器的數據,提升了4.6hp/2.5kgm的性能,提升幅度比預期的來得小,筆者認為關鍵原因在於車輛拉馬力時引擎蓋都會打開,而這部Levorg所搭載的FA16 DIT引擎,所採用的中冷器安裝位置保留Subaru的傳統上置式設計,相較於前置中冷器而言,上置式中冷器的撞風效果會比較不好,連帶影響其降溫效率,相信實際上路駕駛狀態下,應該更能發揮Vital中冷器的全部功效,以上數據提供給大家參考。
 


▲接著換上Vital中冷器並等待30分鐘,讓引擎冷卻後,再進行馬力測試,測得出來的最大輪上馬力與扭力為133.7hp/27.5kgm,相較於原廠中冷器的數據,提升了4.6hp/2.5kgm的性能。
 
Levorg安裝測試數據
原廠中冷器     最大馬力129.1hp   最大扭力25.0kgm
Vital中冷器     最大馬力133.7hp   最大扭力27.5kgm
差距                                +4.6hp                +2.5kgm

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