壓電風(fēng)扇與散熱器組合系統(tǒng)的散熱性能及其改進(jìn)

岳佳斌 朱敏波 嚴(yán)松

摘要： 為提高散熱器的散熱性能，將壓電風(fēng)扇分別與直肋和針肋式散熱器組合進(jìn)行散熱，利用FLUENT軟件仿真其散熱流場并計(jì)算其協(xié)同角，分析2種散熱器的散熱性能特點(diǎn)?？紤]壓電風(fēng)扇的振動特性，將直肋式散熱器的肋片改為扇形布置，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)一步將該散熱器扇形肋片的后端改為針肋，設(shè)計(jì)新型散熱器。根據(jù)散熱器溫度和協(xié)同角分布對散熱器的散熱性能進(jìn)行評價分析，結(jié)果表明：自然散熱時，針肋散熱器的散熱性能最好，且協(xié)同角相對較小;當(dāng)壓電風(fēng)扇工作時，新型散熱器散熱性能最好，可比原直肋散熱器組合溫度降低4 K，比原針肋散熱器組合溫度降低2 K。新型散熱器僅通過改變散熱器的肋片布置即可明顯改善散熱器的散熱性能。

關(guān)鍵詞： 壓電風(fēng)扇; 散熱器; 協(xié)同角; 仿真

中圖分類號： TP391.99; TN606 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract： To improve the heat dissipation performance of the heat sink， the piezoelectric fan is combined with the plate-fin heat sink and the pin-fin heat sink respectively to dissipate heat， and FLUENT software is used to simulate the heat dissipation flow field and calculate the synergy angle， and then the heat dissipation characteristics of two kinds of heat sink are analyzed. Considering the vibration characteristics of piezoelectric fans， the plate-fin heat sink is improved to fan-shaped arrangement. According to the simulation results， the rear fin of the fan-shaped plate-fin heat sink is further improved to the pin-fin， and then the new heat sink is obtained. According to the heat sink temperature and synergy angle distribution， the heat dissipation performances of the heat sinks are evaluated and analyzed. The results show that： under natural heat dissipation， the heat dissipation performance of pin-fin heat sink is the best， and the synergy angle is relatively small; when combined with the piezoelectric fan， the heat dissipation performance of the new heat sink is the best， which is about 4 K lower to the plate-fin heat sink combination， and 2 K lower to the pin-fin heat sink combination. The heat dissipation performance of the new heat sink is obviously improved only by changing the fin arrangement.

Key words： piezoelectric fan; heat sink; synergy angle; simulation

0 引 言

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品向高性能、多功能和小型化方向發(fā)展，導(dǎo)致電子設(shè)備的功耗和發(fā)熱量增加。為不影響電子產(chǎn)品正常工作，須發(fā)散多余的熱量。壓電風(fēng)扇占用空間小、工作聲音小、功耗低，能夠較好地應(yīng)用于小型電子設(shè)備。[1-3]在實(shí)際應(yīng)用中，通常將壓電風(fēng)扇與散熱器相結(jié)合對電子元件進(jìn)行組合散熱。國內(nèi)外專家研究分析壓電風(fēng)扇置于散熱器外部不同位置時的散熱性能[4-5]、壓電風(fēng)扇置入散熱器內(nèi)部時的散熱性能[6-7]、壓電風(fēng)扇與散熱器結(jié)合其他散熱方式共同散熱時的散熱性能[8]等。由場協(xié)同理論可知，協(xié)同角取值范圍為0～90°，且角度越小越有利于傳熱[9-11]。本文將壓電風(fēng)扇分別與直肋、針肋2種常用散熱器結(jié)合，設(shè)計(jì)新型散熱器，利用協(xié)同角的分布對散熱器進(jìn)行評價分析。

1 仿真模型搭建

以直肋散熱器為例建立仿真模型，見圖1。散熱器長、寬、高分別為40、40和20 mm，材料為鋁合金;其下方熱源長、寬、高分別為30、30和2 mm，發(fā)熱功率為5 W;環(huán)境溫度為297.15 K（24 ℃）;壓電風(fēng)扇垂直水平面放置于散熱器前端，距散熱器2 mm。

2 壓電風(fēng)扇與2種常用散熱器組合

2.1 與直肋散熱器組合

直肋散熱器結(jié)構(gòu)見圖2，其底板厚度為3 mm，肋片高度為17 mm，肋片厚度為1.50 mm，肋片間距為2.65 mm。在FLUENT仿真軟件中，分別仿真自然散熱時和壓電風(fēng)扇工作時直肋散熱器的散熱性能。自然散熱時，熱源表面平均溫度為337 K。壓電風(fēng)扇工作時散熱器溫度云圖見圖3，熱源表面最高溫度為322 K。

因?yàn)閴弘婏L(fēng)扇工作時產(chǎn)生的風(fēng)難以到達(dá)兩端肋片之間，且風(fēng)速主要集中在散熱器前端中部位置，使得此處溫度最低，所以熱源表面溫度呈現(xiàn)前端中部溫度較低、后側(cè)兩端溫度較高的特點(diǎn)。

在FLUENT中編寫程序計(jì)算協(xié)同角，得到直肋散熱器協(xié)同角分布圖見圖4。

從場協(xié)同來看，壓電風(fēng)扇在工作過程中產(chǎn)生漩渦，使風(fēng)速方向時刻改變，導(dǎo)致風(fēng)扇附近的協(xié)同角一直變化，但不會很大。散熱器附近的風(fēng)速方向基本恒定，均沿肋片長度方向，所以協(xié)同角幾乎呈現(xiàn)90°。綜上所述，壓電風(fēng)扇與直肋散熱器結(jié)合的散熱性能較差。

2.2 與針肋散熱器組合

針肋散熱器結(jié)構(gòu)見圖5，其底板厚度為3 mm，肋片高度為17 mm，長度方向肋片厚度為2.65 mm、肋片間距為1.50 mm，寬度方向肋片厚度為1.50 mm、肋片間距為2.35 mm。

在FLUENT中分別仿真自然散熱時和壓電風(fēng)扇工作時針肋散熱器的散熱性能。自然散熱時，熱源表面平均溫度為335 K。壓電風(fēng)扇工作時針肋散熱器溫度云圖見圖6，熱源表面最高溫度為320 K，且前端溫度偏低、后端溫度偏高，說明壓電風(fēng)扇主要作用于針肋散熱器的前端。

在FLUENT中生成的針肋散熱器協(xié)同角分布圖見圖7。

從場協(xié)同來看，因?yàn)閴弘婏L(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)速方向時刻改變，所以風(fēng)扇附近的協(xié)同角也改變，且角度均偏小。相比直肋散熱器，針肋散熱器在肋片之間存在擾流，因此協(xié)同角有所改善。

3 新型散熱器

3.1 新型散熱器Ⅰ

壓電風(fēng)扇的工作原理是通過周期性往復(fù)振動帶動周圍空氣流動，使風(fēng)速方向不斷變化，類似于生活中使用的風(fēng)扇。為提升壓電風(fēng)扇與散熱器的配合效果，考慮壓電風(fēng)扇的振動特性，將直肋散熱器的肋片由平行布置改為扇形布置，設(shè)計(jì)新型散熱器Ⅰ，其結(jié)構(gòu)見圖8。新型散熱器Ⅰ底板厚度為3 mm，肋片高度為17 mm，肋片厚度為1.50 mm，前端肋片間距為2.65 mm。

在FLUENT中分別仿真自然散熱時和壓電風(fēng)扇工作時新型散熱器Ⅰ的散熱性能。自然散熱時，熱源表面平均溫度為337 K，與直肋散熱器一致。壓電風(fēng)扇工作時新型散熱器Ⅰ溫度云圖見圖9，熱源表面最高溫度為319 K。因?yàn)轱L(fēng)速主要集中分布于散熱器的前端，并且后端的風(fēng)速很小，所以熱源表面前端溫度低、后端溫度偏高。

在FLUENT中生成新型散熱器Ⅰ的協(xié)同角分布圖見圖10。從場協(xié)同來看，壓電風(fēng)扇附近的協(xié)同角呈現(xiàn)與直協(xié)散熱器相同的特點(diǎn)，但散熱器附近的協(xié)同角基本在90°左右。因?yàn)樾滦蜕崞鳍竦睦咂鶕?jù)壓電風(fēng)扇振動特性設(shè)計(jì)，所以每個肋片間的風(fēng)速方向基本沿肋片長度方向，與溫度梯度方向垂直。因此，新型散熱器Ⅰ能夠有效利用壓電風(fēng)扇，提升散熱器兩端的散熱性能。

3.2 新型散熱器Ⅱ

根據(jù)前文分析，新型散熱器Ⅰ能夠提高散熱器左、右兩端的散熱性能，但是分析流場風(fēng)速矢量圖（見圖11）可知，在散熱器遠(yuǎn)離壓電風(fēng)扇的一側(cè)風(fēng)速很小，說明壓電風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)無法到達(dá)遠(yuǎn)距離。在不改變壓電風(fēng)扇與散熱器位置的前提下，壓電風(fēng)扇很難對散熱器的后端產(chǎn)生強(qiáng)迫對流散熱。

壓電風(fēng)扇對散熱器后端的作用很小，散熱器后端主要是自然散熱。由前文可知，自然散熱時，針肋散熱器的散熱效果最好。為提高整體散熱性能，以新型散熱器Ⅰ為基礎(chǔ)，將其肋片后端部分改為針肋分布，從而增加后部整體散熱面積，設(shè)計(jì)的新型散熱器Ⅱ結(jié)構(gòu)見圖12。

在FLUENT中分別仿真自然散熱時和壓電風(fēng)扇工作時新型散熱器Ⅱ的散熱性能。自然散熱時，熱源表面平均溫度為336 K，低于直肋散熱器自然散熱時。壓電風(fēng)扇工作時新型散熱器Ⅱ的溫度云圖見圖13，熱源表面最高溫度為318 K，前端溫度偏低，后端呈現(xiàn)中部高、兩側(cè)低的特點(diǎn)，符合新型散熱器Ⅱ的流場特性。

在FLUENT中生成新型散熱器Ⅱ的協(xié)同角分布圖見圖14。

從場協(xié)同來看，與新型散熱器Ⅰ相比，新型散熱器Ⅱ結(jié)合針肋散熱器，使散熱器整體協(xié)同角變小，更有利于散熱。

綜上所述，新型散熱器Ⅱ集合前3種散熱器的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效利用壓電風(fēng)扇，提升整體散熱性能。4種散熱器熱源的表面平均溫度對比見表1。

由表1可知：自然散熱時，針肋散熱器的散熱性能最好;壓電風(fēng)扇工作時，新型散熱器Ⅱ的散熱性能最好，其熱源溫度比直肋散熱器組合降低4 K左右，比與針肋散熱器組合降低2 K左右。新型散熱器Ⅱ僅通過改變肋片的布置即可明顯改善散熱性能。

4 結(jié) 論

本文將壓電風(fēng)扇分別與直肋和針肋2種散熱器組合進(jìn)行散熱，仿真結(jié)果表明：自然散熱時，針肋散熱器的散熱性能最好，因?yàn)獒樌叩睦咂軌蚋纳茀f(xié)同角的分布，所以更有利于散熱;壓電風(fēng)扇工作時，新型散熱器Ⅱ的散熱性能最好，熱源溫度比與直肋散熱器組合時降低4 K左右，說明新型散熱器Ⅱ能夠有效利用壓電風(fēng)扇，提升整體散熱性能。

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（編輯 章夢）