自然对流翅片散热器的设计和优化

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1、http://www.paper.edu.cn自然对流翅片散热器的设计和优化高一博，罗小兵，黄素逸，刘君华中科技大学能源学院工程热物理实验室，武汉（430074）E-mail:gaohustht@gmail.com摘要：翅片散热是目前电子元器件冷却最常见的方式。本文通过计算模型优化设计水平放置的翅片散热器，以实现最大散热量和最少耗材为目标，对翅片高度、厚度和间距等进行优化分析。在计算过程中，翅片的换热系数的计算最为困难。许多情况下，由于两个相临翅片的边界层互相重合，使得求解边界层方程异常困难。因此借助实验关联式并依靠计算机进行迭代计算非等温翅片表面达到稳态，即均匀热流

2、时的对流换热系数相对简单。利用编写的程序，以几个实例开展计算，结果表明：翅片间距与高度的比值对散热器平均对流换热系数的影响较大。通过计算，在文章最后的表格中得出了最少耗材和最小空间体积时散热器的尺寸。关键词：散热器；自然对流；对流换热系数；最少耗材；翅片尺寸；优化中图分类号：TK1.引言随着电子器件集成度的提高，散热量也呈几何式增长，为了保证电子设备可靠工作，热设计越来越重要。目前，仅靠封装外壳的散热无法满足散热要求，一般采用翅片散热器来增大电子器件与环境的有效接触面积来强化换热，因此翅片散热器的设计越来越得到重视。翅片散热器是一种在电子器件中使用范围比较广的散热器，

3、换热方式为与空气进行对流换热。按照引起流动的原因而论，可分为自然对流和强迫对流。自然对流的表面传热系数虽然比较低（<10W/K-㎡），但因为其无活动部件、性能稳定并且制造成本低这些优点，得到最广泛应用。关于自然对流散热器的设计优化，AvramBar-Cohen、J.RichardCulham和M.[1][2][3]MichaelYovanovich已经做了大量的研究，在这些文章中，基本研究的是垂直布置的翅片散热器，但是在实际应用中，很多翅片的基板都是水平放置，比如LED路灯上的翅片。本文根据前人的成果对翅片散热器水平放置时的设计尺寸进行优化，以得到满足散热要求的情况下

4、，最小的散热器耗材。同时分析设计尺寸与表面换热系数、换热量和耗材的关系。优化过程根据实验关联式通过迭代计算（牛顿迭代公式）表面传热系数，利用自己编写的程序计算翅片散热器的相关参量。程序针对的实际问题是，如何在散热量为110W的情况下，基板尺寸分别为250×250mm，300×300mm，350×350mm时，分别设计出相应的翅片散热器，使得耗材最少或者空间体积最小。并且在基板尺寸为300×300mm，基板下表面温度和环境温度一定的情况下，计算不同的翅片高度、厚度和间距时相应的散热器换热系数、散热量和耗材，从而对散热器的设计提出优化建议。[4]因为铝具有价格低、质量轻和

5、高导热系数等特点，故翅片散热器制造材料广泛使用铝。同时考虑到散热器的制造和强度因素，翅片尺寸的范围是：厚度1~3mm，间距1~15mm，高度25~50mm。假设散热器基板下表面温度恒定为65℃，环境温度为35℃。2.假设⑴沿翅片长度方向无温度变化，温度变化只发生在沿翅片高度方向；⑵翅片端部绝热；⑶翅片材料各向同性且热物理性质为常数；-1-http://www.paper.edu.cn⑷空气为不可压缩流体且热物理性质为常数；⑸无接触热阻和扩散热阻；⑹散热器基板下表面和未被翅片覆盖的上表面温度均匀；⑺整个分析过程是在翅片达到稳态，即热平衡的情况下进行的。3.模型介绍电子器

6、件在工作过程中产生的热量必须通过散热器迅速散发到环境（在此为空气）中，以免结温过高而烧毁电子器件。在此模型中，电子器件即热源产生的热量先传导至散热器基板下表面；然后热量经过基板传导至上表面和翅片；基板上表面和翅片与环境进行对流换热，[5]最终将电子器件产生的热量散发到环境中。3.1参数说明：2Abp基板上表面未被覆盖部分面积mQbp基板上表面未被翅片覆盖的部分2Afin单个翅片表面积m与空气的换热量W2Ahs散热器的表面积mQfin单个翅片散热量WCp空气的比热容J/kg-KQfins所有翅片的散热量W32GrGrashof数Gr=gβθδ/νQhs散热器的总散热量H

7、翅片高度mRaRaleighRa=GrPrL翅片长度（基板长度）ms翅片间距m2g重力加速度m/st翅片厚度m2hfin翅片的对流换热系数W/m-Ktb基板厚度mhbp两翅片间基板部分对流换热系数Tbl基板下表面温度℃2W/m-KTbp基板上表面温度℃2hfin翅片平均对流换热系数W/m-KTsur环境温度℃23ha散热器面积换热系数W/m-KVfin单个翅片体积m3hm散热器质量换热系数W/kg-KVfins翅片阵列的总体积m33hv散热器体积换热系数W/m-KVhs散热器所占空间m3kfin散热器材料的导热系数W/m-KVm基板体积mkf空气导热