鋸齒形翅片散熱器風(fēng)冷性能試驗(yàn)研究

周 仝，辛?xí)苑?/p>

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

鋸齒形翅片散熱器風(fēng)冷性能試驗(yàn)研究

周 仝，辛?xí)苑?/p>

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

文中從試驗(yàn)的角度研究了鋸齒形翅片散熱器的風(fēng)冷性能。鋸齒形翅片散熱器具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易仿真實(shí)施的特點(diǎn)。文中系統(tǒng)介紹了鋸齒形風(fēng)冷散熱器的典型結(jié)構(gòu)形式以及風(fēng)冷性能測(cè)試系統(tǒng)原理、性能和測(cè)試分析結(jié)果，從試驗(yàn)實(shí)測(cè)的角度研究了鋸齒形翅片散熱器的應(yīng)用選型及其與散熱量、風(fēng)量、風(fēng)壓等的關(guān)系，分析了翅片參數(shù)(翅高、翅寬、翅片節(jié)距)對(duì)散熱性能的影響，對(duì)電子產(chǎn)品散熱的風(fēng)冷設(shè)計(jì)具有較高的參考價(jià)值。

鋸齒形翅片散熱器；熱設(shè)計(jì)；風(fēng)冷

引 言

隨著電子設(shè)備向高功率、高密度組裝和小型化的方向發(fā)展，散熱問(wèn)題變得越來(lái)越突出。因?yàn)閺?qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，成本低，工程上易實(shí)現(xiàn)，所以分析研究風(fēng)冷散熱器的性能特性以及恰當(dāng)?shù)娘L(fēng)量、風(fēng)壓對(duì)散熱設(shè)計(jì)有著重要的指導(dǎo)意義[1-3]。

鋁制鋸齒形翅片散熱器以其自身結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕和散熱好等突出優(yōu)點(diǎn)，在電子設(shè)備中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[4]。鋸齒翅片能強(qiáng)化傳熱的主要原因有二：一是翅片沿流動(dòng)方向的不斷錯(cuò)位使邊界層的發(fā)展屢遭中斷，故邊界層較薄，降低了傳熱熱阻；二是翅片尾部對(duì)流體的擾動(dòng)作用，上游翅片引發(fā)的尾渦對(duì)下游翅片的換熱有強(qiáng)化作用[5]。

目前，如文獻(xiàn)[6-10]主要是在理論上研究和分析翅片散熱器的傳熱特性，建立相關(guān)理論模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算，但能準(zhǔn)確給出散熱器性能特性的仿真還比較困難。

本文針對(duì)各種翅高的鋸齒形散熱器，進(jìn)行發(fā)熱量、冷卻風(fēng)量和發(fā)熱體表面溫度關(guān)系的測(cè)試，找出發(fā)熱功率與風(fēng)量、溫度以及風(fēng)量與壓損之間的特性曲線關(guān)系，為熱設(shè)計(jì)中的鋸齒形散熱器應(yīng)用提供依據(jù)。

1 鋸齒形散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

翅片散熱器通常分多孔型翅片和鋸齒形翅片2種。翅片的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 6892—2000。文中所指散熱器均為鋸齒形散熱器。

鋸齒形翅片如圖1所示，相關(guān)的幾何參數(shù)有翅片節(jié)距A、翅高H、翅厚t、齒長(zhǎng)P、長(zhǎng)度L、寬度B。鋸齒翅片被釬焊于上下蓋板之間，沿流動(dòng)方向錯(cuò)位排列。

圖1 鋸齒形散熱器結(jié)構(gòu)示意圖

所選鋸齒形散熱器的材料為3A21鋁錳合金系的鋁合金，該合金焊接性好，耐腐蝕性強(qiáng)，狀態(tài)為退火狀態(tài)(0)，退火狀態(tài)下有較高的塑性。

2 散熱器性能測(cè)試原理

2.1 測(cè)試原理

發(fā)熱組件的熱量傳導(dǎo)給散熱器。風(fēng)機(jī)通過(guò)風(fēng)管將風(fēng)送至靜壓箱，風(fēng)在靜壓箱均壓后被送至散熱器將熱量帶走。風(fēng)機(jī)可調(diào)速，控制散熱器的進(jìn)風(fēng)量。壓差傳感器測(cè)量進(jìn)出散熱器風(fēng)壓差。數(shù)據(jù)采集儀記錄發(fā)熱組件溫度、送風(fēng)溫度和出風(fēng)溫度。熱線風(fēng)速儀測(cè)量散熱器出口風(fēng)速。圖2為散熱器性能測(cè)試系統(tǒng)原理圖。

圖2 鋸齒形風(fēng)冷散熱器性能測(cè)試系統(tǒng)原理圖

2.2 被測(cè)試散熱器規(guī)格

總共測(cè)試了6種規(guī)格的散熱器，除了節(jié)距、厚度、齒長(zhǎng)、寬度等參數(shù)有變化外，最明顯的表征不同型號(hào)的參數(shù)是高度參數(shù)，高度從6.5 mm到22 mm，各不相同。被測(cè)試的鋸齒形散熱器規(guī)格詳見(jiàn)表1。

表1 散熱器的型號(hào)及參數(shù) mm

序號(hào)種類高度節(jié)距厚度齒長(zhǎng)寬度165J30032/356．53．00．323．0300280J30032/358．03．00．323．0300395J26025/309．52．60．252．31604138J26025/2313．82．60．252．31605158J26025/2315．82．60．252．31606220J2903/5022．02．90．35．0160

2.3 被測(cè)試組件的幾何結(jié)構(gòu)

如圖3所示，總共有6塊發(fā)熱組件，每2塊組件安裝在一塊銅板上，共有3塊銅板。銅板安裝在鋸齒形散熱器的鋁基板上，鋁基板的另外一側(cè)釬焊鋸齒形散熱翅片。散熱翅片的兩側(cè)和頂端封裝鋁板，以保護(hù)翅片不因受外力而變形。

圖3 測(cè)試組件和散熱器結(jié)構(gòu)尺寸

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 壓損測(cè)試結(jié)果

圖4為散熱器壓損曲線圖，橫坐標(biāo)為散熱器出口平均風(fēng)速，縱坐標(biāo)為散熱器進(jìn)出口風(fēng)壓損，6條曲線分別對(duì)應(yīng)6.5～22 mm的6種不同翅高的散熱器。針對(duì)這6種不同翅高的散熱器可以發(fā)現(xiàn)：翅高大的散熱器壓損最小，且風(fēng)阻隨風(fēng)速的變化最??；而翅高小的散熱器壓損最大，風(fēng)阻隨風(fēng)速的變化也最大。在風(fēng)冷熱設(shè)計(jì)中，需要選擇合適的散熱器和風(fēng)機(jī)，尤其是在因結(jié)構(gòu)受限而選擇翅高較小的鋸齒形散熱器時(shí)，由于壓損隨風(fēng)量變化較為顯著，需要嚴(yán)格選擇合適風(fēng)量和壓頭的風(fēng)機(jī)。

圖4 散熱器壓損曲線

3.2 溫度測(cè)試結(jié)果

發(fā)熱組件的發(fā)熱功率可調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)產(chǎn)生6檔發(fā)熱功率。單個(gè)組件的發(fā)熱功率除以組件管體和法蘭的接觸面積得到組件熱流密度，見(jiàn)表2。

表2 組件的發(fā)熱量及熱流密度

圖5～圖10分別對(duì)應(yīng)6個(gè)不同翅高的散熱器。橫坐標(biāo)為散熱器出口平均風(fēng)速，縱坐標(biāo)為組件最高殼溫與送風(fēng)溫度的溫差。在風(fēng)的流動(dòng)方向上，下游的組件殼溫比上游的殼溫高，縱坐標(biāo)的最高殼溫為下游組件的平均溫度。一條曲線表示一個(gè)散熱器的熱流密度。

圖5為6.5 mm翅高的散熱器性能測(cè)試圖，3條曲線分別對(duì)應(yīng)3檔熱流密度，分別為1.6 W/cm2、3.2 W/ cm2、8 W/ cm2，風(fēng)速?gòu)? m/s逐步遞增到3.5 m/s。

圖5 6.5 mm翅高散熱器性能

圖6為8mm翅高的散熱器性能測(cè)試圖，5條曲線分別對(duì)應(yīng)5檔熱流密度，分別為1.6W/cm2、3.2 W/cm2、4.8 W/cm2、8 W/cm2、12.8 W/cm2，風(fēng)速?gòu)?.5 m/s逐步遞增到5 m/s。

圖6 8 mm翅高散熱器性能

圖7為9.5 mm翅高的散熱器性能測(cè)試圖，5條曲線分別對(duì)應(yīng)5檔熱流密度，分別為1.6 W/cm2、3.2 W/cm2、8 W/cm2、12.8 W/cm2、15.8 W/cm2，風(fēng)速?gòu)? m/s逐步遞增到4 m/s。

圖7 9.5 mm翅高散熱器性能

圖8為13.8 mm翅高散熱器性能測(cè)試圖，4條曲線分別對(duì)應(yīng)4檔熱流密度，分別為1.6 W/cm2、3.2 W/cm2、8 W/cm2、15.8 W/cm2，風(fēng)速?gòu)?.5 m/s逐步遞增到4 m/s。

圖8 13.8 mm翅高散熱器性能

圖9為15.8 mm翅高的散熱器性能測(cè)試圖，5條曲線分別對(duì)應(yīng)5檔熱流密度，分別為1.6W/cm2、3.2 W/cm2、8 W/cm2、12.8 W/cm2、15.8 W/cm2，風(fēng)速?gòu)? m/s逐步遞增到4 m/s。

圖9 15.8 mm翅高散熱器性能

圖10為22 mm翅高散熱器性能測(cè)試圖，4條曲線分別對(duì)應(yīng)4檔熱流密度，分別為3.2W/cm2、8 W/cm2、12.8 W/cm2、15.8 W/cm2，風(fēng)速?gòu)? m/s逐步遞增到5 m/s。

圖10 22 mm翅高散熱器性能

圖5～圖10給出了6種典型翅高的散熱器針對(duì)不同熱流密度的溫度測(cè)試結(jié)果，不同的熱設(shè)計(jì)需求需要針對(duì)試驗(yàn)曲線選擇不同翅高的散熱器和風(fēng)機(jī)，對(duì)風(fēng)冷熱設(shè)計(jì)具有非常重要的參考價(jià)值。

4 測(cè)試結(jié)果分析

本文選取了6種典型翅高的散熱器，試驗(yàn)研究了其選型和散熱量、風(fēng)量、風(fēng)壓等的關(guān)系，得到的試驗(yàn)結(jié)論如下：

1)相同的風(fēng)速下，翅高小的翅片壓損大，翅高大的壓損小。翅高大的翅片具有“大風(fēng)量，低壓損”特點(diǎn)，因此應(yīng)盡量采用翅高大的翅片，除非有嚴(yán)格的尺寸限制。

2)對(duì)翅高小的散熱器，風(fēng)速設(shè)計(jì)宜控制在低風(fēng)速，以避免較大的壓損，在風(fēng)機(jī)的選型上有了更多的選擇。

3)隨著風(fēng)速的增大，溫差迅速減小；風(fēng)速達(dá)到一定值以后，風(fēng)速繼續(xù)增大，溫差減少變慢，存在一個(gè)拐點(diǎn)。在拐點(diǎn)之前，風(fēng)速增大，散熱器散熱效果改善明顯，在拐點(diǎn)之后，風(fēng)速持續(xù)增大，散熱器散熱能力的增強(qiáng)并不明顯。

4)從降噪的角度考慮，風(fēng)速應(yīng)該設(shè)計(jì)在低速區(qū)，以避免高風(fēng)速導(dǎo)致的“嘯叫”噪音。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了常用的鋸齒形翅片散熱器的幾何結(jié)構(gòu)、散熱器性能測(cè)試原理、散熱器性能以及測(cè)試分析結(jié)果。測(cè)試的數(shù)據(jù)以及分析總結(jié)的規(guī)律對(duì)電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的散熱器選型、風(fēng)量風(fēng)壓的設(shè)計(jì)、散熱溫度的預(yù)計(jì)和仿真有較高的參考價(jià)值。

[1] 平麗浩，錢吉裕, 徐德好. 電子裝備熱控新技術(shù)綜述(上)[J]. 電子機(jī)械工程，2008, 24(1): 1-10.

[2] 謝德仁. 電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[M]. 南京：東南大學(xué)出版社，1989.

[3] 邱成悌，趙悖殳，蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].南京：東南大學(xué)出版社，2001.

[4] 李媛, 凌祥, 虞斌. 鋁板翅式換熱器翅片表面性能的試驗(yàn)研究[J].石油機(jī)械，2005，33(10):1-4.

[5] 顧學(xué)崎，陳瑛. 冷板的熱工設(shè)計(jì)[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，23(4): 43-48.

[6] 董軍啟，陳江平，陳芝久. 鋸齒翅片的傳熱與阻力性能試驗(yàn)[J]. 化工學(xué)報(bào)，2007，58(2): 281-285.

[7] 吳東波, 胡晴滔, 陸承理. 鋸齒翅片的阻力性能研究[J]. 杭氧科技，2010, 126(2):4-9.

[8] 施晨潔，陳亞平，施明恒. 板翅式換熱器空氣冷卻側(cè)傳熱性能的數(shù)值模擬[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2007，28(4):664-666.

[9] 祝銀海，厲彥忠. 板翅式換熱器翅片通道中流體流動(dòng)與傳熱的計(jì)算流體力學(xué)模擬[J]. 化工學(xué)報(bào)，2006，57(5):1102-1106.

[10] 黃鈺期, 俞小莉，陸國(guó)棟. 鋸齒形翅片單元的流動(dòng)與傳熱數(shù)值模擬[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2008，42(8):1462-1468.

周 仝(1978-)，男，碩士，主要從事電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)、環(huán)境控制等方面的研究。

Thermal Performance Test of an Air-cooling Radiator with Slit Fins

ZHOU Tong，XIN Xiao-feng

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

The thermal performance of an air-cooling radiator with slit fins is presented. The radiator has complicated structure characteristics and is not easy to study by simulation. The typical structure of the radiator, the thermal performance test system principle and the test analysis result are introduced. The type selection of the radiator and its relationship with the air pressure, air volume and dissipation volume are analyzed based on the test. The influence of fin parameters (fin height, fin width, gap width) on the thermal performance is experimentally analyzed. It can be used as a reliable criterion for designing slit fins of air-cooling radiators.

radiator with slit fins; thermal design; air-cooling

2013-04-18

TK414.2+12

A

1008-5300(2013)04-0005-04