車輛封閉型冷卻系統設計

摘要：車輛的動力系統與轉向系統在運轉過程中會產生大量的熱能，此外，某些車輛會將系統封閉於車內，需藉由冷卻系統搭配風扇及流道的設計將熱排出車外。本文主要討論冷卻系統相關參數的設計與分析，並且結合壓降計算的參數，使散熱性能最佳化。
Abstract：The power system and steering system of the vehicle will generate a lot of heat during operation, and in some cases, these systems are enclosed inside vehicles. Hence, it is necessary to dissipate the heat out of the vehicle by using the design of cooling system that matches the fan and fluid passage. This article mainly discusses the design and analysis of the relevant parameters of the cooling system, and combined with the parameters from the pressure drop calculation to propose an optimized heat dissipation solution.

關鍵詞：冷卻系統、封閉式、散熱
Keywords：Cooling system, Enclosed, Heat dissipation

前言
車輛的驅動力來自於動力系統的輸出，然而，運轉過程中會產生的大量熱能，為防止系統超過工作溫度而引起熱變形、動力降低、冷卻液汽化等危險情況，需採用冷卻系統控制溫度，讓動力系統內部（引擎、變速箱）維持在適當的溫度範圍，以提升動力系統的表現，因此，冷卻系統性能優劣，會直接影響到車輛的動力性。在冷卻系統中，熱交換器佔據體積最大，其性能對冷卻系統影響尤其顯著。在設計過程中期望產出性能更好、耗材更少、體積更小的熱交換器，以滿足動力系統及轉向系統在各種狀況的正常運作。常見車用的熱交換器，管側通常為扁管結構，工作流體為水或製冷劑。
冷卻系統的設計中，因主要熱阻高的地方為空氣的熱傳效率，所謂的熱阻，指的是物體傳熱能力的好壞，熱阻越高，表示傳熱能力越低，因此，一般熱交換器的設計會在空氣側增設鰭片，以增加熱傳面積，並且增強氣流擾動，同時使原有的表面能夠在三維空間中擴展，以提升熱交換器的效能。因其結構緊湊能夠妥善運用空間，使熱交換器的體積縮小。而熱交換器鰭片上的設計以百葉窗結構為主，透過間斷的表面可以使熱傳量增加，同時使空氣側的熱傳係數也隨之提升。
除了熱傳量估算外，在散熱設計中，流體通過熱交換器的壓降扮演了同等重要性，其中熱傳量估算可決定我們設計熱交換器是否適當，太大會造成材料及投資金錢上的浪費，並且佔據車輛中的空間，對於空間設計錙銖必較的車輛而言，是非常不利的；而太小則造成散熱效果不足，而影響系統散熱性能，使溫度過高，造成動力及轉向系統性能降低。而壓降的計算則可作為我們選取流體機械之標準（如：風扇fan，壓縮機compressor，泵pump）。若風扇與熱交換器搭配後，發現其操作點的風量比設計的操作風量低時，風扇將無法達到所需的性能，因此，實務上需更換更大功率的風扇，或藉由調整轉速使風扇功率提升，以達到設計需要的操作風量。在冷卻系統的設計中，風扇與熱交換器尺寸設計相互搭配，缺一不可。
熱交換器系統設計
本文針對車輛封閉型冷卻系統（Charge Air Cooler (CAC), Hydraulic Oil Coolers(Hyd. Oil Cooler), Radiator）進行優化設計，其中Charge Air Cooler (CAC)的功能為冷卻渦輪增壓之後的熱空氣，將其導入引擎岐管進行燃燒，Hydraulic Oil Coolers(Hyd. Oil Cooler)則為冷卻轉向系統的液壓油，而Radiator則是將冷卻水流經引擎及變速箱內部，將這兩者的熱量帶走，其中Radiator的散熱需求最大。考量到製造上的限制，我們使用百葉窗與扁管業界廠商常用尺寸規格，並且將此規格代入熱交換器計算公式，設計結果包括熱交換器尺寸、鰭片結構與尺寸（間距、厚度等），並且依此求得散熱參數，包括總熱傳量(Q)、空氣側壓降、出口溫度。
1. 熱交換器熱傳性能估算方法
本計算針對百葉窗型鰭管式扁管熱交換器，此熱交換的扁管裡流動為冷媒，各個熱交換器的冷媒會經由各個扁管集中到管路出口，三種熱交換器分別流經動力系統及轉向系統內部，將各系統內部的熱量帶走，並且回到熱交換器的管路入口，再經由扁管流到百葉窗結構的位置，冷媒的熱量經由扁管傳導至百葉窗鰭片上，再經由風扇吸入外部冷空氣，將百葉窗鰭片上的熱量帶走。由已知冷媒側與空氣側之入口條件、熱交換器之外型尺寸與鰭片（百葉窗）、冷媒管(扁管)尺寸參數如表1所示，透過熱交換器Rating中的ε-NTU法，計算給定尺寸下的熱交換器之總熱傳量與出口條件。