O3-02 电堆散热器与风扇/AGS 匹配

课程代码 O3-02 · 板块 O 燃料电池（FCEV）总成与专题 / 整车散热与集成 时长 约 4.0 小时（6 讲 + 1 次匹配算例） 适合对象 结构 / 仿真工程师；做电堆散热器选型与风扇 / AGS 匹配的人（FCEV 路线必修） 前置 O3-01 FCEV 大散热量前端散热系统（低温差挑战） FCEV 大散热量前端散热系统（低温差挑战）；G6-01 冷却风扇（无刷）气动与选型 冷却风扇（无刷）气动与选型；G7-03 前端进气量、格栅开度与散热能力匹配 前端进气量、格栅开度与散热能力匹配 本讲义定位 讲师授课蓝本 / 学员自学讲义

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你手上的事	直接看	还要配
收到一份电堆散热器的选型规格书，判它有没有把「电堆专用」这件事写进去	第 1 讲 三条约束链与接液件清单	第 6 讲 验证工况怎么写进规格书
判「这台散热器的水室 / 接头材料能不能用」	1.2 接液材料与电导率的因果链 · 1.3 材料黑白名单的建立方法	第 6 讲 6.4 老化后复测
芯体加密之后要重新选风扇，不知道从哪一步开始	第 2 讲 阻力曲线怎么上移 → 第 3 讲 工作点重算五步	第 3 讲 3.5 双风扇合成
手上有一台同平台 BEV 的风扇，想直接沿用	第 3 讲 3.1 三件必须重算的事 · 3.6 沿用判据	第 2 讲 2.4 面风速换算
写一版 AGS 开度控制逻辑，而车是燃料电池车不是燃油车	第 4 讲 4.2 输入优先级重排 · 4.3 开度函数与迟滞	第 4 讲 4.5 fail-open 底线不变
这台车是重卡 / 客车，没有格栅也没有 AGS	第 4 讲 4.6 退化情形：单执行器闭环	第 5 讲 5.5 无格栅车的位置权衡怎么变
前端要放三台换热器，争谁排最前面	第 5 讲 5.2 排序判据四条 · 5.3 独立进风通道	第 5 讲 5.4 维修与碰撞空间
做 DFMEA，要把风扇 / AGS 的失效影响写到电堆上	第 6 讲 6.1 失效链 · 6.5 DFMEA 条目怎么写	第 6 讲 6.2 降功率保护不是余量
排一份台架 + 环境舱的验证工况表	第 6 讲 6.3 四个必测工况点	第 3 讲 3.2 恶劣点的定义

⛔ 本课不覆盖—— 【栏一 · 不讲哪些题目】风扇本体的气动设计、P-Q 特性曲线的读法、比转速与相似定律、静效率与电机选型 → G6-01 冷却风扇（无刷）气动与选型（本课只用它的结论，⛔ 不重讲）；风扇 PWM 调速与噪声品质 → G6-02 风扇 PWM 调速与噪声品质控制；护风罩与散热器的贴合、死区与热风回流机理 → G6-03 护风罩与风扇—散热器匹配；风扇驱动方式（电驱 / 硅油离合器 / 液压马达）的三选一判据 → G6-05 发动机/液压驱动冷却风扇：硅油离合器、液压马达与驱动方式选型 与 P3-01 工程机械液压油与发动机热管理（本课只补一条：阻力曲线上移后这三种驱动各自还剩多少静压裕度，见 3.7）；AGS 的机构、执行器扭矩链、结冰与卡滞处置的通用做法 → G7-04 主动进气格栅（AGS）设计与控制策略（本课只改它的输入优先级）；多换热器层叠的空气侧串扰机理与预热量算法 → G7-02 多换热器层叠布置与空气侧串扰；前端进气量与格栅开度的通用匹配 → G7-03 前端进气量、格栅开度与散热能力匹配；行人保护与碰撞空间的具体校核 → G7-05 FEM 与机舱布置、行人保护、气动的协同；散热器芯体本身的翅片型式、扁管与百叶窗设计 → G2-04 散热器（水箱）设计与选型、A3-02 翅片管/扁管/微通道换热形式与传热强化；水室 / 卷边 / 边板的非芯体结构设计 → G2-11 散热器水室—卷边—边板的非芯体结构设计；去离子器的选型、树脂寿命与在线诊断 → O3-03 去离子器与冷却液电导率在线管理；冷却液配方与绝缘要求的原理 → H7-02 低电导率冷却液与绝缘要求；整车散热量的分层口径与放大倍数标度 → O3-01 FCEV 大散热量前端散热系统（低温差挑战）。

【栏二 · ⛔ 真正不给的数】① 标准条款的限值、等级号与试验条件：本课引用的散热器 / 风扇技术条件、燃料电池车安全规范、气动术语文件，均未独立核对原文 ⇒ 只写它承担什么角色、去哪里取，⛔ 不写任何条款内容；版次以现行目录为准，引用前须核。② 本项目自己的验收阈值：电堆冷却液温度上限 T_cl,max、降功率触发温度与迟滞带、AGS 开度的开 / 关阈值 θ_on / θ_off、风扇最低转速与最小风量、κ 的目标带上限 → 由电堆供应商规格连同本项目热管理与电安全方案给出，⛔ 禁止抄上一代平台或同平台 BEV。③ 某型产品的曲线：某款风扇的 P-Q 曲线与轴功率曲线、某台散热器芯体的空气侧压降曲线、某种覆膜铝的溶出速率 → 供应商数据包与本项目台架实测。

⚠ 平台相关量（面风速量级、可用温差量级、风扇电功率占电堆净输出的比例、双风扇并联的合成损失比例、AGS 关闭的气动收益量级）不在栏二里：本课照给典型参考与量级锚点，并在每一处写清「拿到它的路」。

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引言：芯体密了一档，链条断了三处

一台燃料电池乘用车的前端，第一眼看上去和燃油车没什么不同：格栅、冷凝器、散热器、风扇、护风罩，件还是那几件。真正的差别不在件的清单上，在每一件的边界条件被改写了——而改写它们的，是同一个源头：电堆能接受的冷却液温度上限被膜压得很低。

这条低上限往下传，会分成三条互不相干的支路，每一条都能独立把一个成熟的设计做法废掉：

• 支路一：温差不够 ⇒ 只能加面积、加密度。散热能力 Q 大体是 UA 与温差的乘积，温差被砍窄，UA 就得补上来。补 UA 的常规手段是加大迎风面积与加密翅片——而加密翅片会把空气侧阻力抬起来，于是原来那台风扇不够用了。这不是一句「风扇选大一点」能收场的事：阻力曲线整体上移之后，工作点会沿着风扇特性曲线向左滑，风量掉、静压涨，掉多少要重新求交才知道（第 2、3 讲）。
• 支路二：冷却液必须导电性极低 ⇒ 接液材料改道。电堆内部的双极板浸在冷却液里，冷却液的电导率 κ 一旦上去，堆内会出现分流电流（电流不走外电路，抄近路从冷却液里过去）。而散热器是整条回路上接液面积最大的那个件——一台常规散热器几平方米的内表面、几十个钎焊接头、一对铜或黄铜的接管，全都在往液里溶东西。于是散热器的选材要为一个跟散热毫无关系的量让路（第 1 讲）。
• 支路三：热负荷不随车速走 ⇒ 风量调节的控制逻辑要重排输入。燃油车与纯电动车的一条隐含前提是「车慢的时候热少」——怠速时发动机只出小功率、电驱只出小扭矩。燃料电池车没有这条前提：一台车在原地怠速、在爬长坡、在低速拖挂，电堆都可以稳稳地输出接近额定的功率，热负荷一点不打折，而迎面风为零。这一条直接推翻了 AGS「低速关小、高速看情况」的默认逻辑（第 4 讲）。

三条支路在前端汇合，形成本课要处理的那个耦合问题：散热器为了补 UA 变密 → 风扇工作点被推走 → 风扇要在怠速这个最没有冲压风的点上出全力 → 而 AGS 如果还按车速关小，就恰好在这一点上把风路掐住。链条上任何一环单独看都是「按惯例做的」，合起来就是那台在爬坡时报警的车。

本课要敲进去的三根钉子

钉子一：电堆散热器的选材，第一顺位不是导热与强度，是「往液里溶不溶东西」。这与所有传统散热器设计的排序都不一样。⛔ 一副铜接头能让整条回路的去离子器提前几个月耗尽，而它在任何散热性能试验里都不会露头。

钉子二：风扇不能沿用，必须重求交点。「同平台 BEV 用的这台风扇，风量够 FCEV 用」——这句话在两个地方不成立：一是散热量不同（属主是 O3-01 FCEV 大散热量前端散热系统（低温差挑战）），二是阻力曲线不同（本课第 2 讲）。⚠ 而第二条常常被跳过，因为它不体现在任何一份风扇规格书上：风扇规格书写的是这台风扇的能力，阻力曲线写的是这台车的需求，沿用了风扇不等于沿用了需求。

钉子三：AGS 的主导输入从车速换成电堆冷却液状态，而 fail-open 的底线一个字不改。换输入是因为热负荷特性变了；不改底线是因为失效后果的不对称性没变——卡在关闭位是热事故，卡在开启位只是多费点电。⚠ 两件事经常被一起改掉，那是错的（4.5）。

本课的符号口径与三处跨课桥

本课与 O3-01 FCEV 大散热量前端散热系统（低温差挑战）、G6-01 冷却风扇（无刷）气动与选型、G7-04 主动进气格栅（AGS）设计与控制策略、O3-03 去离子器与冷却液电导率在线管理 共用一批量。有三处同一个量在不同课里写法不同，必须先说清，否则读者互代会出错：

桥一 · Q 在本课一律是热量，⛔ 不是风量。G6-01 冷却风扇（无刷）气动与选型 通篇用 Q 表示空气体积流量（P-Q 特性曲线、ΔP = a·Q + b·Q² 都是这个 Q）；而 O3-01 FCEV 大散热量前端散热系统（低温差挑战） 与本课所在的 O 板块，Q 一律是散热量（单位 W）。⇒ 本课的做法是：Q ＝ 热量，空气体积流量另立符号 V̇_air（单位 m³/h 或 m³/s，用时声明）。⚠ 读 G6-01 冷却风扇（无刷）气动与选型 的图与式子时，请把它的 Q 读成本课的 V̇_air；⛔ 不要把两个 Q 直接互代——它们连量纲都不同，一旦混进同一张表就再也查不出来。

桥二 · 散热器进口冷却液温度与电堆出口冷却液温度是同两个数的两种叫法。换热器语境常写 T_liq,in（热侧进口）与 T_air,on（空气侧迎面来流温度）；O3-01 FCEV 大散热量前端散热系统（低温差挑战） 的架构语境写 T_cl,out（电堆冷却液出口）与 T_air,in（散热器进风温度）。在只考虑一段管路温降的近似下，T_liq,in ≈ T_cl,out，T_air,on ＝ T_air,in。本课统一用 O3-01 FCEV 大散热量前端散热系统（低温差挑战） 的那一组（T_cl,out / T_air,in），并沿用它的可用温差定义：

ΔT_avail ＝ T_cl,out − T_air,in

⚠ 沿用同时也沿用它的禁令：ΔT_avail 是端差，⛔ 不是对数平均温差 ΔT_lm（后者总是更小）。凡是要做 Q ＝ U·A_core·ΔT_lm 的热平衡校核，一律用 F_corr·ΔT_lm；凡是做架构层的量级比较，用 ΔT_avail。两者分列，⛔ 禁止互代。

桥三 · κ 沿用，φ 换下标。冷却液电导率 κ（µS/cm）完全沿用 H7-02 低电导率冷却液与绝缘要求 与 O3-03 去离子器与冷却液电导率在线管理 的定义与报数口径（阈值判定一律用归一到 25 ℃ 的 κ₂₅）。⚠ 而 O3-03 去离子器与冷却液电导率在线管理 用 φ_bp 表示去离子器侧流比例，本课要给 AGS 开度一个符号，故写作 φ_AGS（0 ＝ 全关，1 ＝ 全开）——下标不同、语境不同，⛔ 不是同一个量，两者也不会出现在同一个式子里。

其余符号见文末「术语与符号」一节。

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第 1 讲　电堆散热器的三条约束链

先把结论摆在前面：电堆散热器与常规发动机散热器，共用同一套制造工艺，却是两份不同的设计输入。差在三条约束链上，它们各自独立、各有各的失效方式，⛔ 不能合并成一句「要求更高」。

1.1 链一：可用温差窄，逼出「大流量、小温度带」的运行方式

O3-01 FCEV 大散热量前端散热系统（低温差挑战） 已经把可用温差为什么窄讲透了，本课只取它的结论并往下走一步：当 ΔT_avail 被压到 20~40 K 量级（40 ℃ 环境下的行业典型区间，沿用 O3-01 FCEV 大散热量前端散热系统（低温差挑战） 与 B2-04 燃料电池（FCEV）热管理架构与大散热量挑战，⚠ 讨论用的量级参考、⛔ 不是任何平台的设计输入），冷却液侧的运行方式会跟着变。

原因是这样的。电堆能容忍的不只是出口温度有上限，堆内的进出口温差同样有上限——温差大意味着堆内不同位置的膜工作在差别很大的温度上，含水量分布随之不均，性能与寿命都受影响。这个上限由电堆供应商给（⚠ 具体值属栏二②，⛔ 本课不给），但它的方向是确定的：比发动机冷却回路窄得多。发动机冷却液在缸体里走一圈升个 6~10 K 是常态，电堆这一路要窄不少。

温差窄，而热量不能少，于是由 Q ＝ ṁ·c_p·ΔT_cl 只剩一条路：把质量流量 ṁ 抬上去。

ṁ ＝ Q ÷ (c_p · ΔT_cl)

⇒ 同样的 Q，ΔT_cl 减半，ṁ 就要翻倍。这一句话把两个代价挂了上来：

• 泵功。回路压降随流量大体按平方走，泵的水力功率是压降乘流量 ⇒ 大体按流量的三次方走。流量翻倍，泵功涨到八倍量级（⚠ 这是理想标度，实际因流态、局部阻力占比与泵效率变化会偏离，只用来看方向）。而泵功是从电堆的净输出里扣的，扣掉的部分既不推车，又变成热重新回到这条回路里。
• 散热器的流道设计。大流量灌进一台按常规流量设计的散热器，冷却液侧压降会顶上去。这就是本讲下一节要处理的事。

⚠ 顺带澄清一个常见的误读：「大流量小温差」并不会让散热器变小。散热器的散热量由端差与 UA 决定，端差是 T_cl,out − T_air,in，它由电堆的温度上限与环境定，跟你在堆内摊了多大的温差没关系。O3-01 FCEV 大散热量前端散热系统（低温差挑战） 用一张两情形对照表把这件事算过：逆流布置下，大流量窄温度带与小流量宽温度带的端差完全相同，改的只是对数平均温差与冷却液侧压降。⇒ 大流量买到的是堆内均匀性，⛔ 不是散热能力。

1.2 链二：接液材料与电导率的因果链，以及散热器在链上的位置

这条链是本课与所有非燃料电池散热器课程分道扬镳的地方。链条是这样的：

接液件往液里溶出可溶物 → κ 上升 → 堆内分流电流增大 → 电堆效率下降、局部腐蚀与安全裕度下降

而散热器在这条链上的权重被系统性低估，原因很实在：它是整条回路上接液面积最大的一个件。一台乘用车散热器芯体，几十根扁管、每根内壁都是接液面，加上主片、水室内壁与几十个钎焊接头，内表面积是数平方米量级——比泵、阀、传感器、管路加起来还大一个档次。溶出速率大体正比于接液面积乘以单位面积溶出速率，⇒ 面积这一项就决定了散热器不可能是这条账上的小项。

要具体到「哪些东西在溶」，把散热器拆成四类接液界面来看：

① 钎焊接头与钎剂残留。铝换热器的可控气氛钎焊要用钎剂，钎焊后炉内残留的钎剂化合物、以及钎料区那一层富硅的显微组织，都可能在早期把离子交出来（⚠ 钎剂体系与残留机理归 H2-01 铝换热器钎焊原理与钎料/钎剂体系 与 H2-02 可控气氛钎焊（CAB/NOCOLOK）工艺，本课只取它作为一个源项）。这类溶出的特征是早期高、随时间衰减——所以它主要吃掉去离子器的初期容量，表现为「新车头几千公里树脂消耗得特别快」。

② 铜与黄铜。常规散热器上用铜或黄铜的地方不少：接管、放气螺塞、温度开关的螺纹座、有些平台的水室嵌件。铜在冷却液里溶出的离子不但导电，还会在铝件表面发生置换沉积形成微电偶，把铝的腐蚀点起来——一件坏两件。⇒ 这是电堆散热器最硬的一条黑名单：接液路径上不用铜、不用黄铜，包括螺纹座与嵌件。

③ 水室与密封件的析出。塑料水室（多为玻纤增强尼龙）与密封胶条会析出低分子物与离子型助剂。这一项的量级比金属溶出小，但它持续时间长，且随温度指数上升——高温耐久跑完之后复测常常能看出来。

④ 铝本体与涂层。铝本身在近中性的冷却液里溶出很慢，前提是钝化膜完好。而钝化膜靠冷却液里的缓蚀剂维持——⚠ 这就构成一个回路级的两难：低电导率冷却液为了压低 κ，缓蚀剂含量本就受限（属主是 H7-02 低电导率冷却液与绝缘要求），于是铝的保护比常规回路薄。⇒ 电堆散热器倾向于用覆膜铝（在铝箔或带材上预复合一层阻隔涂层）来把这一项直接封掉，而不是指望冷却液配方。

⚠ 这里要防一个很常见的推理错误：「我们配了去离子器，所以材料可以放宽」——这句话是错的，而且错在一个可算的地方。O3-03 去离子器与冷却液电导率在线管理 给过这条式子（本课只引用、不重推）：稳态电导率 κ_ss ＝ 溶出源项 ÷ 去离子能力。⇒ 加大去离子能力确实能把 κ_ss 压回去，仪表盘会好看；但树脂消耗的速率正比于溶出源项本身，与 κ_ss 无关。⇒ 用一副铜接头换来的，不是「κ 变差」，而是树脂寿命成倍缩短，而这件事在整车下线检测里完全看不见，要等到售后。

1.3 材料黑白名单怎么建：一张能落到图纸上的表

「低离子溶出」四个字落不到图纸上。落得下去的是一张按接液部位分列的材料清单，附三件配套：判据、试验方法、责任方。下面这张表给的是方法与倾向，⛔ 不是可直接抄的牌号表——牌号必须由本项目连同电堆供应商规格确定（栏二②）。

接液部位	常规散热器常见做法	电堆散热器的倾向	判据从哪来
扁管 / 翅片 / 主片	钎焊铝合金（牌号体系见 H1-01 热管理用铝合金牌号、性能与选材）	同左，但优先覆膜铝或经溶出筛选的复合带材	件级浸泡溶出试验（同温同液同面积体积比），结果按 µS/cm 当量记
水室	玻纤增强尼龙 / 铝	玻纤增强尼龙需按牌号筛选；铝水室需带覆膜或涂层	同上，另加高温老化后复测
接管 / 快接	常见铜或黄铜	⛔ 禁用；改铝、不锈钢或工程塑料	黑名单，⛔ 不做个案豁免
放气螺塞 / 传感器座	黄铜嵌件	⛔ 禁用黄铜嵌件；改不锈钢或塑料一体成型	黑名单
密封件（O 圈 / 胶条）	EPDM 通用牌号	按溶出筛选的低析出牌号	件级浸泡溶出试验
钎剂残留	常规 CAB，残留量按外观判	增加钎焊后清洗与出厂冲洗，并把冲洗液电导率纳入验收	过程能力项，归 H2-02 可控气氛钎焊（CAB/NOCOLOK）工艺 与 H6-03 表面处理的过程控制、检验判据与特殊过程审核

这张表要配一条流程规矩，否则它会在采购环节被绕过：接液件的材料变更（包括供应商的二级件、包括「同牌号换供应商」）必须走受控变更，且变更验证项里要含浸泡溶出复测。⚠ 理由很直接：溶出是批次与工艺敏感的，同一个牌号号不同的表面状态可以差出量级来，而这一层在常规散热器的变更管理里根本不存在（常规散热器只关心强度、耐蚀与尺寸）。变更管理的方法层归 M1-01 汽车研发流程（APQP/IATF16949）与热管理里程碑 与 M2-01 质量工具：PPAP/8D/SPC/MSA，本课要求的是把「浸泡溶出复测」这一项写进变更清单。

⚠⚠ 还有一条容易漏掉的：试验台与产线的加注设备本身也是溶出源。台架上一段临时用的黄铜接头、一台没换过管路的加注机，能把一台合格的散热器测成不合格，也能把不合格的测成合格（如果对照组共用同一套脏设备）。⇒ 做溶出试验之前，先把空白对照（不放试样、只走同一套设备与同一批液）跑一遍，这是这类试验里最容易省、也最不该省的一步。

1.4 链三的前半段：芯体加密与流道低压降，两个方向的拉扯

链三的完整故事在第 2~4 讲，这里先处理它在散热器本体上的那一半——因为它与 1.1 的大流量要求正好互相拉扯。

空气侧要密，冷却液侧要通。这两句话落在同一台散热器上：

• 空气侧：为了在窄温差下把 UA 补上来，翅片要密（翅片间距减小、百叶窗开度加大）、芯体要厚。这两样都抬高空气侧压降 ⇒ 阻力曲线上移（第 2 讲）。
• 冷却液侧：为了容纳 1.1 那个被抬高的流量，扁管的流通截面要够、内插件不能太堵、水室与主片的进出口要顺 ⇒ 这是低压降方向的优化，与常规散热器「用内插件强化液侧换热」的惯常做法方向相反。

⚠ 为什么常规做法会失效：常规发动机散热器的液侧换热系数远高于空气侧，热阻几乎全在空气侧，所以液侧多堵一点、多强化一点，对总 UA 影响不大，而换来的液侧传热提升还算划算。而在大流量小温差的电堆回路里，液侧流量本来就高、液侧换热系数更高，液侧热阻占比更小 ⇒ 液侧强化的边际收益进一步下降，而压降的代价按流量平方涨。⇒ 结论是方向性的：电堆散热器的液侧设计目标是低压降，⛔ 不是高换热系数。

具体落到设计上有三件事：① 扁管的水力直径与根数按目标流量下的压降反推，⛔ 不沿用常规平台的管型表；② 内插件（扰流带）默认不用，要用就必须给出「换来的 UA 提升 vs 付出的泵功」的两侧对照；③ 水室与主片的进出口过渡要按流量重新做，因为局部阻力在大流量下占比会升高。

1.5 链外但不能减配：常规散热器的耐久要求一条不少

最后要说一条反方向的话，防止「电堆专用」被读成「另一套东西」：常规散热器的所有结构耐久要求，在电堆散热器上一条都不减。

具体是这几项（本课只列清单与去向，方法层各有属主）：

• 压力脉冲耐久：回路的压力波动来自泵的启停与转速变化、阀的动作、温度引起的体积变化。⚠ 电堆回路在这一项上不是更轻而是更重——大流量意味着泵的工作点更高，启停与调速引起的水锤幅值更大。方法与判据归 I6-01 振动、热冲击与压力脉冲耐久设计。
• 振动耐久：散热器挂在前端框架上，承受整车路谱。⚠ 电堆散热器往往更大更重（面积补 UA 的直接后果），一阶模态更低、悬置载荷更大 ⇒ ⛔ 不能沿用同平台常规散热器的悬置方案而不做校核。归 G7-06 FEM 结构、抗石击与耐久设计 与 J5-03 振动、模态与随机振动疲劳。
• 盐雾与外部腐蚀：翅片与管外壁的防腐涂层体系，归 H6-01 铝换热器防腐涂层与耐盐雾设计。⚠ 与 1.2 的内侧防腐是两件事，别混：内侧管溶出（往液里），外侧管腐蚀（往大气里），涂层体系、试验方法与失效判据都不同。
• 抗石击：电堆散热器如果争到了最上游的位置（第 5 讲），它就直面石击，前面没有别的换热器替它挡。⇒ 这是位置权衡的一项代价，要在第 5 讲一并结账。归 G7-06 FEM 结构、抗石击与耐久设计。

本讲小结：电堆散热器与常规散热器差在三条独立的约束链上——① 窄温差逼出大流量小温度带，代价在泵功与液侧压降，而散热器并不因此变小；② 接液材料的第一顺位改为低离子溶出，散热器因面积最大而是这条账上的大项，四类界面各有阻断点，⛔ 不能把责任推给去离子器；③ 空气侧要密、液侧要通，液侧设计目标由高换热系数改为低压降，与常规做法方向相反。而链外的常规耐久要求（压力脉冲、振动、盐雾、抗石击）一条都不减，其中两条还因为「更大更重」和「排在最前」而变严。

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