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(jìn)行了模擬。結(jié)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(shí)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(guān)鍵詞：平行翅片散熱器;針形翅片散熱器;優(yōu)化

中圖分類號：TK172 文獻(xiàn)標(biāo)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(guān)，又考慮到材料成本，所以在工業(yè)生產(chǎn)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(shù)都有密切的關(guān)系[1，2]。

本文運(yùn)用數(shù)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(jìn)行研究，并對平行翅片散熱器的翅片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為散熱器的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

3 結(jié)果與分析

3.1 基板尺寸對LED芯片散熱的影響

設(shè)計(jì)了9種不同尺寸的基板，基板規(guī)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(yīng)翅片數(shù)目分別為4、6—13。

仿真顯示，翅片數(shù)為4的模型的最高溫度達(dá)到449K，超過了LED的正常工作溫度，實(shí)際生產(chǎn)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(jié)溫隨之降低，散熱面積與結(jié)溫的乘積近似為固定值，這與理論結(jié)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(shù)量）與熱阻及散熱器體積、面積之間的關(guān)系。從圖3可知，當(dāng)翅片數(shù)目為6～8時(shí)，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(yōu)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(gè)針翅的長寬都設(shè)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(shí)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，對于平行翅片模型，距離熱源較遠(yuǎn)的翅片及基板部分，溫度梯度較小，這部分區(qū)域基本起不到散熱作用，說明平行翅片模型存在材料浪費(fèi)的現(xiàn)象。而針形翅片模型的最低溫出現(xiàn)在基板四角針形翅片底端的很少一部分，即最遠(yuǎn)離熱源的位置，從而達(dá)到優(yōu)化的目的。

4 結(jié)論

本文利用Fluent對大功率LED的散熱器進(jìn)行模擬，結(jié)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(chǔ)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(yōu)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(shí)對散熱器的熱阻無較大影響。

參考文獻(xiàn)：

[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(shè)計(jì)[J].電子工藝技術(shù)，2015（2）：63-68.