太陽(yáng)花散熱器的熱性能分析

賈磊，季璨，江亞柯，劉志剛

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院能源研究所，山東 濟(jì)南 250014)

太陽(yáng)花散熱器(圖1)多采用鋁合金通過(guò)擠壓成型工藝加工，因鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)高、密度小，用其加工的太陽(yáng)花散熱器散熱性能良好、重量輕，因此在電子產(chǎn)品散熱、LED照明等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者深入地研究了太陽(yáng)花散熱器的熱性能，對(duì)翅片數(shù)量、長(zhǎng)度、高度及厚度等因素對(duì)散熱性能的影響進(jìn)行了數(shù)值研究。周建輝等[1-2]對(duì)強(qiáng)制對(duì)流的太陽(yáng)花CPU散熱器進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著翅片數(shù)增加，翅片換熱量增強(qiáng)，CPU溫度降低，但翅片數(shù)增加到一定數(shù)量后,換熱量提高緩慢，且會(huì)隨著翅片增多，風(fēng)阻增大而導(dǎo)致氣流量減小，散熱發(fā)生惡化。李艷紅等[3]研究了風(fēng)速對(duì)太陽(yáng)花CPU散熱器的影響，結(jié)果表明風(fēng)速越大，芯片表面溫度越低；在加熱功率為125 W的條件下，風(fēng)速增大到1.4 m/s以后，再增大風(fēng)速對(duì)降溫效果不再明顯。張遠(yuǎn)波[4]研究表明對(duì)采用強(qiáng)制對(duì)流的太陽(yáng)花CPU散熱器，芯片溫度隨著散熱器長(zhǎng)度的增加先降低后升高；研究還表明長(zhǎng)度為0.05 m、外徑為0.04 m且翅片數(shù)量為60時(shí)，其散熱能力最強(qiáng)。

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

針對(duì)熱源置于散熱器端部的太陽(yáng)花散熱器的熱性能，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。李灝等[5]對(duì)太陽(yáng)花散熱器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)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(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)散熱影響從大到小的順序?yàn)槌崞穸?、翅片?shù)量、翅片高度及內(nèi)孔直徑。李中等[8]研究表明，對(duì)于外徑為80.2 mm、內(nèi)徑為48.4 mm太陽(yáng)花散熱器，最佳翅片數(shù)量為26片。

綜上所述，針對(duì)熱源置于散熱器中心且采用自然對(duì)流的太陽(yáng)花散熱器的熱性能目前研究較少。在強(qiáng)制對(duì)流下的熱性能和自熱對(duì)流下的熱性能不同，此外，熱源布置在不同位置導(dǎo)致熱量在散熱器內(nèi)的傳導(dǎo)路徑亦不同，其散熱性能也不相同。鑒于此，本文將對(duì)熱源置于散熱器中心且以自然對(duì)流換熱方式的太陽(yáng)花散熱器的熱性能進(jìn)行數(shù)值研究，并以實(shí)驗(yàn)相佐證，以系統(tǒng)闡釋其傳熱機(jī)理。

1 模擬模型

控制性方程[9]為連續(xù)性方程：

。

(1)

動(dòng)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(dòng)力粘度；T為溫度；Cp為定壓比熱。

計(jì)算區(qū)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(jì)算區(qū)域的6個(gè)壁面設(shè)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(biāo)輻射)模型，湍流選取零方程模型。散熱器設(shè)置為鋁合金材質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)為205 W/(m·℃)，輻射發(fā)射率設(shè)置為0.18?？諝鉁囟葹?0 ℃。

因散熱器外形復(fù)雜，不易在Icepak中直接建模，采用三維軟件SolidEdge建模后再導(dǎo)入Icepak中。Icepak可以通過(guò)設(shè)置assembly的方式劃分非連續(xù)網(wǎng)格，將散熱器建立一個(gè)assembly，在其內(nèi)部進(jìn)行網(wǎng)格加密，外部空間則采用相對(duì)稀疏的網(wǎng)格，橫截面的網(wǎng)格圖見(jiàn)圖3。

圖2 計(jì)算區(qū)域Fig 2 Numerical simulation area

圖3 網(wǎng)格劃分圖Fig 3 Numerical simulation grid

本文計(jì)算及實(shí)驗(yàn)所用太陽(yáng)花散熱器的參數(shù)如表1所示。

表1 太陽(yáng)花散熱器尺寸參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證采用的模型是否合理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行了驗(yàn)證，太陽(yáng)花散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。

1計(jì)算機(jī)；2數(shù)據(jù)采集儀；3熱電偶；4太陽(yáng)花散熱器；5電加熱棒；6可調(diào)直流電源；7電流表；8電壓表。圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.4 Experiment system

散熱器豎直布置于開(kāi)放空間中，沒(méi)有物體阻礙其周圍氣流的流動(dòng)。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(diào)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(cè)量。

在散熱器長(zhǎng)度方向均勻布置了5個(gè)熱電偶，取其平均溫度作為翅片的溫度。采用2個(gè)熱電偶測(cè)量環(huán)境溫度，取其平均溫度作為環(huán)境溫度，測(cè)試期間環(huán)境溫度基本保持在23 ℃。溫度測(cè)量采用自制K型熱電偶(Omega)，并用數(shù)據(jù)采集儀采集(Agilent 34972A)。

實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果中翅片溫度的對(duì)比如圖5所示

圖5 實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of experiment and simulation results

由圖5可知，在不同的散熱功率下，實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果中翅片溫度基本一致，兩者差距在3.5%以內(nèi)，這表明數(shù)值模擬選用的模型和方法非常合理，模擬結(jié)果可靠。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 翅片數(shù)量對(duì)熱性能的影響

保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和功率不變，翅片溫度和傳熱系數(shù)隨著翅片數(shù)量變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 翅片溫度及傳熱系數(shù)與翅片數(shù)量的關(guān)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(shù)量的增多而先降低后升高，在翅片數(shù)量為14時(shí)翅片溫度最低。翅片數(shù)量增量，其散熱面積也線性增加；但翅片數(shù)量增加阻隔氣體流動(dòng)，因而會(huì)降低其傳熱系數(shù)。

不同翅片數(shù)量下翅片周圍的溫度場(chǎng)如圖7所示。

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

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

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

由圖8可知，隨著翅片數(shù)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(dǎo)致空氣與翅片間的溫度梯度減小，進(jìn)而使得對(duì)流傳熱系數(shù)降低。

3.2 散熱器長(zhǎng)度對(duì)熱性能的影響

保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和功率不變，翅片溫度及傳熱系數(shù)隨著散熱器長(zhǎng)度變化趨勢(shì)如圖9所示。

圖9 翅片溫度及傳熱系數(shù)與散熱器長(zhǎng)度的關(guān)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(zhǎng)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(zhǎng)度的增加，散熱面積也在增加，而傳熱系數(shù)則隨著散熱器的長(zhǎng)度的增加而減小，這是因?yàn)槌崞車諝獾臏囟忍荻入S著散熱器長(zhǎng)度增加而逐漸降低(圖10)。

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

圖10對(duì)比了散熱器長(zhǎng)度為4 cm、10 cm、16 cm時(shí)散熱器周圍的溫度場(chǎng)，隨著散熱器長(zhǎng)度的增加，翅片周圍空氣的溫度梯度明顯降低，導(dǎo)致傳熱系數(shù)隨著散熱器的長(zhǎng)度的增加而減小。

3.3 翅片高度對(duì)熱性能的影響

保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和功率不變，翅片溫度和傳熱系數(shù)與翅片高度的關(guān)系如圖11所示。

圖11 翅片溫度及傳熱系數(shù)與翅片高度的關(guān)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(shù)則隨著翅片高度的增加逐漸降低。自然對(duì)流的驅(qū)動(dòng)力是空氣密度差產(chǎn)生的浮升力，密度差由空氣溫差導(dǎo)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(duì)流減弱，傳熱系數(shù)隨之降低。

翅片高度越大，從翅根到翅頂?shù)臒嶙杈驮酱?，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(shí)際散熱量與假設(shè)整個(gè)肋片表面處于肋基溫度下散熱量的比值[10]。

對(duì)于本文研究的翅片，其肋效率計(jì)算公式[10]為

(6)

(7)

其中，H為翅片高度；h為對(duì)流傳熱系數(shù)；λ為翅片材料導(dǎo)熱系數(shù)；δ為翅片厚度。

據(jù)此計(jì)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(guān)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(shù)值，在99%以上。由文獻(xiàn)[10]肋效率曲線可知，肋效率η與mH成反比，且mH=0.174時(shí)，η=99%。本研究中翅片高度在20 mm以內(nèi)，經(jīng)計(jì)算mH均小于0.174，因此其肋效率均大于99%。由此可見(jiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中，適當(dāng)增加翅高不會(huì)顯著降低其肋效率，是一種可行的增強(qiáng)散熱能力的措施。

3.4 翅片厚度對(duì)熱性能的影響

保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和功率不變，翅片溫度及翅片肋效率隨翅片厚度的關(guān)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(guān)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(shì)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(duì)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(guò)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(dá)到1.2 mm以后，肋效率已經(jīng)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(shí)，肋效率為98.4%，肋效率依然很高，在實(shí)際應(yīng)用中，在滿足機(jī)械加工能力和翅片強(qiáng)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(jié)論

(1)傳熱系數(shù)隨著翅片數(shù)量、散熱器長(zhǎng)度及翅片高度增加而逐漸降低；

(2)翅片高度增加會(huì)降低翅片的肋效率，在翅片高度20 mm以內(nèi)，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(huì)提高翅片肋效率，翅片厚度達(dá)到1.2 mm以后，肋效率已經(jīng)接近100%；

(3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行了驗(yàn)證，模擬與實(shí)驗(yàn)差距在3.5%以內(nèi)，模擬所選用的模型和方法合理，模擬結(jié)果可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1]周建輝,楊春信.太陽(yáng)花散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電子學(xué)報(bào),2009,37(2):387-392.

[2]周建輝,楊春信.CPU散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱分析[J].電子機(jī)械工程,2006,22(6):16-18．

[3]李艷紅,劉吉普.CPU熱柱散熱器實(shí)驗(yàn)研究與溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33(6):178-180.

[4]張遠(yuǎn)波.風(fēng)冷式CPU散熱器的熱分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].武漢：華中科技大學(xué),2006.

[5]李灝,錢新明,陳威.LED太陽(yáng)花散熱器正交試驗(yàn)?zāi)M優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].照明工程學(xué)報(bào),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(yōu)化分析[J].照明工程學(xué)報(bào),2012,23(1):62-65.

[7]向建化,張春良,陳勝, 等.大功率LED太陽(yáng)花相變散熱器數(shù)值優(yōu)化研究[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,14(2):61-65.

[8]李中,李勇,湯應(yīng)戈, 等.大功率LED太陽(yáng)花散熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2012,49:102-201.

[9]陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué)[M].2版.西安:西安交通大學(xué)出版社,2001.

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