太陽花散熱器的熱性能分析

賈磊，季璨，江亞柯，劉志剛

(齊魯工業大學(山東省科學院)，山東省科學院能源研究所，山東 濟南 250014)

太陽花散熱器(圖1)多采用鋁合金通過擠壓成型工藝加工，因鋁合金導熱系數高、密度小，用其加工的太陽花散熱器散熱性能良好、重量輕，因此在電子產品散熱、LED照明等行業有著廣泛的應用。

國內外學者深入地研究了太陽花散熱器的熱性能，對翅片數量、長度、高度及厚度等因素對散熱性能的影響進行了數值研究。周建輝等[1-2]對強制對流的太陽花CPU散熱器進行了研究，發現隨著翅片數增加，翅片換熱量增強，CPU溫度降低，但翅片數增加到一定數量后,換熱量提高緩慢，且會隨著翅片增多，風阻增大而導致氣流量減小，散熱發生惡化。李艷紅等[3]研究了風速對太陽花CPU散熱器的影響，結果表明風速越大，芯片表面溫度越低；在加熱功率為125 W的條件下，風速增大到1.4 m/s以后，再增大風速對降溫效果不再明顯。張遠波[4]研究表明對采用強制對流的太陽花CPU散熱器，芯片溫度隨著散熱器長度的增加先降低后升高；研究還表明長度為0.05 m、外徑為0.04 m且翅片數量為60時，其散熱能力最強。

圖1 散熱器橫截面Fig.1 Cross section of a sunflower radiator

針對熱源置于散熱器端部的太陽花散熱器的熱性能，國內部分學者對其進行了研究。李灝等[5]對太陽花散熱器進行了結構優化，在基本保持重量不變的情況下，最高溫度從75 ℃降低到了64 ℃。褚旭昭等[6]研究顯示，翅片從30片增加到40片，最高溫度由64.5 ℃降低到了62.6 ℃。向建化等[7]研究發現，結構參數對散熱影響從大到小的順序為翅片厚度、翅片數量、翅片高度及內孔直徑。李中等[8]研究表明，對于外徑為80.2 mm、內徑為48.4 mm太陽花散熱器，最佳翅片數量為26片。

綜上所述，針對熱源置于散熱器中心且采用自然對流的太陽花散熱器的熱性能目前研究較少。在強制對流下的熱性能和自熱對流下的熱性能不同，此外，熱源布置在不同位置導致熱量在散熱器內的傳導路徑亦不同，其散熱性能也不相同。鑒于此，本文將對熱源置于散熱器中心且以自然對流換熱方式的太陽花散熱器的熱性能進行數值研究，并以實驗相佐證，以系統闡釋其傳熱機理。

1 模擬模型

控制性方程[9]為連續性方程：

。

(1)

動量方程：

(2)

(3)

。

(4)

能量方程：

(5)

其中，ρ為密度；u、v、w為速度在x、y、z方向的分量；Fx、Fy、Fz為體積力在x、y、z方向的分量；P為壓力；μ為動力粘度；T為溫度；Cp為定壓比熱。

計算區域如圖2所示，在重力反方向的自由空間為200 mm，在重力下方自由空間為100 mm，在四周的自由空間為50 mm。計算區域的6個壁面設置為opening邊界。密度模型采用理想氣體模型，輻射模型采用DO(離散坐標輻射)模型，湍流選取零方程模型。散熱器設置為鋁合金材質，導熱系數為205 W/(m·℃)，輻射發射率設置為0.18。空氣溫度為20 ℃。

因散熱器外形復雜，不易在Icepak中直接建模，采用三維軟件SolidEdge建模后再導入Icepak中。Icepak可以通過設置assembly的方式劃分非連續網格，將散熱器建立一個assembly，在其內部進行網格加密，外部空間則采用相對稀疏的網格，橫截面的網格圖見圖3。

圖2 計算區域Fig 2 Numerical simulation area

圖3 網格劃分圖Fig 3 Numerical simulation grid

本文計算及實驗所用太陽花散熱器的參數如表1所示。

表1 太陽花散熱器尺寸參數

2 實驗驗證

為了驗證采用的模型是否合理，通過實驗對數值模擬進行了驗證，太陽花散熱器的結構參數如表1所示，實驗系統如圖4所示。

1計算機；2數據采集儀；3熱電偶；4太陽花散熱器；5電加熱棒；6可調直流電源；7電流表；8電壓表。圖4 實驗系統圖Fig.4 Experiment system

散熱器豎直布置于開放空間中，沒有物體阻礙其周圍氣流的流動。電加熱棒嵌入散熱器管中，其直徑和高度與散熱器一致。電加熱棒采用直流可調電源供電，電熱棒兩端的電壓和電流分別用電壓表和電流表測量。

在散熱器長度方向均勻布置了5個熱電偶，取其平均溫度作為翅片的溫度。采用2個熱電偶測量環境溫度，取其平均溫度作為環境溫度，測試期間環境溫度基本保持在23 ℃。溫度測量采用自制K型熱電偶(Omega)，并用數據采集儀采集(Agilent 34972A)。

實驗和模擬結果中翅片溫度的對比如圖5所示

圖5 實驗與模擬結果對比Fig.5 Comparison of experiment and simulation results

由圖5可知，在不同的散熱功率下，實驗和模擬結果中翅片溫度基本一致，兩者差距在3.5%以內，這表明數值模擬選用的模型和方法非常合理，模擬結果可靠。

3 模擬結果分析

3.1 翅片數量對熱性能的影響

保持其他結構參數和功率不變，翅片溫度和傳熱系數隨著翅片數量變化趨勢如圖6所示。

圖6 翅片溫度及傳熱系數與翅片數量的關系Fig.6 Varieties of fin temperature and heat transfer coefficient with fin number

由圖6可知，翅片溫度隨著翅片數量的增多而先降低后升高，在翅片數量為14時翅片溫度最低。翅片數量增量，其散熱面積也線性增加；但翅片數量增加阻隔氣體流動，因而會降低其傳熱系數。

不同翅片數量下翅片周圍的溫度場如圖7所示。

(1/2散熱器長度處橫截面)圖7 不同翅片數量下翅片周圍的溫度場Fig.7 Temperature field around the fins under different fin numbers

由圖7可知，隨著翅片數量的增多，翅片周圍空氣的溫度梯度逐漸降低，溫度場和速度場密切相關，翅間空氣的最大速度及空氣流量與翅片數量的關系如圖8所示。

圖8 翅間最大流速及翅間流量與翅片數量的關系Fig.8 Varieties of maximum velocity and flow rate with fin number

由圖8可知，隨著翅片數量的增多，翅片間的氣流速度和氣流量都在在降低，而翅片散熱量和冷空氣的溫度是不變的，因此空氣吸熱后溫度更高，導致空氣與翅片間的溫度梯度減小，進而使得對流傳熱系數降低。

3.2 散熱器長度對熱性能的影響

保持其他結構參數和功率不變，翅片溫度及傳熱系數隨著散熱器長度變化趨勢如圖9所示。

圖9 翅片溫度及傳熱系數與散熱器長度的關系Fig.9 Varieties of fin temperature and heat transfer coefficient with radiator length

由圖9可知，隨著散熱器長度的增加，翅片溫度在逐漸降低，但是溫度降低的幅度在減緩。隨著散熱器長度的增加，散熱面積也在增加，而傳熱系數則隨著散熱器的長度的增加而減小，這是因為翅片周圍空氣的溫度梯度隨著散熱器長度增加而逐漸降低(圖10)。

(1/2散熱器長度處橫截面)圖10 不同散熱器長度下翅片周圍的溫度場Fig.10 Temperature field around the fins under different radiator length

圖10對比了散熱器長度為4 cm、10 cm、16 cm時散熱器周圍的溫度場，隨著散熱器長度的增加，翅片周圍空氣的溫度梯度明顯降低，導致傳熱系數隨著散熱器的長度的增加而減小。

3.3 翅片高度對熱性能的影響

保持其他結構參數和功率不變，翅片溫度和傳熱系數與翅片高度的關系如圖11所示。

圖11 翅片溫度及傳熱系數與翅片高度的關系Fig.11 Varieties of fin temperature and heat transfer coefficient with fin height

由圖11可知，隨著翅片高度的增加，翅片溫度在逐漸降低。隨著翅片高度的增加，散熱面積在隨之增加，而傳熱系數則隨著翅片高度的增加逐漸降低。自然對流的驅動力是空氣密度差產生的浮升力，密度差由空氣溫差導致，空氣溫差越小，浮升力越小。隨著翅片高度增加，浮升力隨著空氣溫差降低而減小，自然對流減弱，傳熱系數隨之降低。

翅片高度越大，從翅根到翅頂的熱阻就越大，翅頂溫度越低，翅片散熱效果就越差。翅片的散熱效果可以用肋效率η表示，肋效率的定義為實際散熱量與假設整個肋片表面處于肋基溫度下散熱量的比值[10]。

對于本文研究的翅片，其肋效率計算公式[10]為

(6)

(7)

其中，H為翅片高度；h為對流傳熱系數；λ為翅片材料導熱系數；δ為翅片厚度。

據此計算的翅片在不同高度下的肋效率如圖12所示。

圖12 翅片肋效率與翅片高度的關系Fig.12 Varieties of fin efficiency with fin height

由圖12可知隨著翅高的增加，肋效率雖然在逐漸降低，但是都保持了很高的數值，在99%以上。由文獻[10]肋效率曲線可知，肋效率η與mH成反比，且mH=0.174時，η=99%。本研究中翅片高度在20 mm以內，經計算mH均小于0.174，因此其肋效率均大于99%。由此可見，在實際應用中，適當增加翅高不會顯著降低其肋效率，是一種可行的增強散熱能力的措施。

3.4 翅片厚度對熱性能的影響

保持其他結構參數和功率不變，翅片溫度及翅片肋效率隨翅片厚度的關系如圖13所示。

圖13 翅片溫度及翅片肋效率與翅片厚度的關系Fig.13 Varieties of fin temperature and fin efficiency with fin thickness

由圖13可知，隨著翅片厚度的增加，翅片溫度逐漸降低，但降低趨勢逐漸減緩，在厚度增加到1.2 mm后，翅片溫度不再隨著厚度增加而變化。翅片厚度對翅片溫度的影響不大，在翅片厚度由0.2 mm增加到1.4 mm的過程中，翅片溫度只降低了2.5 ℃。隨著翅片厚度的增加，肋效率也在逐漸增加，在達到1.2 mm以后，肋效率已經接近100%，因此再增加翅片厚度翅片溫度不再變化。在翅片厚度為0.2 mm時，肋效率為98.4%，肋效率依然很高，在實際應用中，在滿足機械加工能力和翅片強度的前提下，翅片厚度可以盡可能減小，以降低散熱器重量。

4 結論

(1)傳熱系數隨著翅片數量、散熱器長度及翅片高度增加而逐漸降低；

(2)翅片高度增加會降低翅片的肋效率，在翅片高度20 mm以內，肋效率均在99%以上，翅片肋效率的降低不顯著；翅片厚度增大會提高翅片肋效率，翅片厚度達到1.2 mm以后，肋效率已經接近100%；

(3)通過實驗對數值模擬進行了驗證，模擬與實驗差距在3.5%以內，模擬所選用的模型和方法合理，模擬結果可靠。

參考文獻：

[1]周建輝,楊春信.太陽花散熱器優化設計[J].電子學報,2009,37(2):387-392.

[2]周建輝,楊春信.CPU散熱器結構設計與熱分析[J].電子機械工程,2006,22(6):16-18．

[3]李艷紅,劉吉普.CPU熱柱散熱器實驗研究與溫度場數值模擬[J].現代電子技術,2010,33(6):178-180.

[4]張遠波.風冷式CPU散熱器的熱分析及其優化設計[D].武漢：華中科技大學,2006.

[5]李灝,錢新明,陳威.LED太陽花散熱器正交試驗模擬優化設計[J].照明工程學報,2016,27(1):119-123.

[6]褚旭昭,丁同言,楊潔翔,等.LED散熱器散熱性能優化分析[J].照明工程學報,2012,23(1):62-65.

[7]向建化,張春良,陳勝, 等.大功率LED太陽花相變散熱器數值優化研究[J].廣州大學學報(自然科學版),2015,14(2):61-65.

[8]李中,李勇,湯應戈, 等.大功率LED太陽花散熱器的結構優化[J].激光與光電子學進展,2012,49:102-201.

[9]陶文銓. 數值傳熱學[M].2版.西安:西安交通大學出版社,2001.

[10]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M]. 4版.北京:高等教育出版社,2006.