翅片散熱器和針形散熱器性能對比研究

摘 要：本文利用Fluent對翅片散熱器和針形散熱器的散熱性能進行了模擬。結果表明：對平行翅片散熱器，增大基板尺寸可以增大散熱面積，但同時散熱器的體積增加，從而使成本增加;針形翅片散熱器相對于平行翅片散熱器有更高的散熱效率，熱阻更低。

關鍵詞：平行翅片散熱器;針形翅片散熱器;優化

中圖分類號：TK172 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）25-0060-03

散熱器的散熱性能與其和空氣的接觸面積有關，又考慮到材料成本，所以在工業生產中一般采用翅片散熱器，其中最常見的是鋁及其合金或者銅材料制作的翅片散熱器。翅片散熱器的散熱性能與翅片的高度、寬度、厚度等參數都有密切的關系[1，2]。

本文運用數值模擬的方法對平行翅片散熱器及針形翅片散熱器的散熱特性進行研究，并對平行翅片散熱器的翅片進行優化設計，為散熱器的實際應用提供參考。

3 結果與分析

3.1 基板尺寸對LED芯片散熱的影響

設計了9種不同尺寸的基板，基板規格分別為：7mm×7mm×1mm、11mm×11mm×1mm、13mm×13mm×1mm、15mm×15mm×1mm、17mm×17mm×1mm、19mm×19mm×1mm、21mm×21mm×1mm、23mm×23mm×1mm、25mm×25mm×1mm，散熱翅片均采用厚度為1mm，間隔1mm，高度5mm的平行翅片組。對應翅片數目分別為4、6—13。

仿真顯示，翅片數為4的模型的最高溫度達到449K，超過了LED的正常工作溫度，實際生產生活中不宜采用此種散熱器。除該模型外，其他散熱器均能滿足散熱需求，并且隨著散熱面積的增加，芯片的結溫隨之降低，散熱面積與結溫的乘積近似為固定值，這與理論結果一致。

為了更好地對比這幾種散熱器的性能，圖3給出了基板尺寸（翅片數量）與熱阻及散熱器體積、面積之間的關系。從圖3可知，當翅片數目為6～8時，熱阻隨基板尺寸增加而降低的幅度較大，之后再增加基板尺寸，熱阻降低幅度減小。模擬分析旨在得到耗材少而散熱效果好的散熱器，即散熱器的熱阻低，散熱面積大，體積小。從圖3得出，隨著散熱器基板的增大，散熱器的體積與散熱面積近似同比增長，因此，無法得到體積小散熱面積大的散熱器。

3.2 散熱器翅片優化

將基底為15mm×15mm×1mm的散熱器模型的平行翅片改為針形翅片，將針形翅片陣列每個針翅的長寬都設為1mm，橫向間隔為1.5mm，縱向間隔1mm，使針形散熱器的散熱面積與平行翅片散熱器的面積相同，實現在不改變散熱面積的前提下減小散熱器體積。針形翅片模型如圖4所示。

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圖4 針形散熱器模型圖

仿真得到針形翅片散熱器的最低溫度為345.47K，最高溫度為346.65K，熱阻為46.65K/W。散熱器體積為465mm3，散熱面積為1 445mm2。與相同散熱面積的平行翅片散熱器相比，熱阻上升了0.83K/W，但其散熱器體積顯著降低。因此，針形翅片散熱器相對于平行翅片散熱器有較好的散熱效果，其溫度分布如圖5所示。

對比圖1和圖5發現，對于平行翅片模型，距離熱源較遠的翅片及基板部分，溫度梯度較小，這部分區域基本起不到散熱作用，說明平行翅片模型存在材料浪費的現象。而針形翅片模型的最低溫出現在基板四角針形翅片底端的很少一部分，即最遠離熱源的位置，從而達到優化的目的。

4 結論

本文利用Fluent對大功率LED的散熱器進行模擬，結果表明：增大基板尺寸（整體加大散熱器的體積）雖然能改善LED芯片散熱，但其是建立在增大散熱器耗材的基礎上，因此增加了成本。通過分析平行翅片散熱器的溫度分布，采用針形翅片代替平行翅片是一種十分有效的優化方案，在保證散熱面積不變的情況下，可以有效減小散熱器體積，降低耗材，同時對散熱器的熱阻無較大影響。

參考文獻：

[1]Gondipalli S，Sammakia B，Lu S，et al. Fin-shape Optimization of An Impingement-parallel Plate Heat Sink[C]// Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems. IEEE，2010.

[2]胡明鈺，吳懿平，楊卓然.大功率LED片式COB光源散熱設計[J].電子工藝技術，2015（2）：63-68.