张海娟;王霞;卢晨燕;邹勇
【摘 要】本文利用Fluent对翅片散热器和针形散热器的散热性能进行了模拟.结果表明:对平行翅片散热器,增大基板尺寸可以增大散热面积,但同时散热器的体积增加,从而使成本增加;针形翅片散热器相对于平行翅片散热器有更高的散热效率,热阻更低. 【期刊名称】《河南科技》
【年(卷),期】2018(000)025
【总页数】so.csdn/api/v3/search?p=1&t=all&q=3页(P60-62)
【关键词】平行翅片散热器;针形翅片散热器;优化
【作 者】张海娟;王霞;卢晨燕;邹勇
【作者单位】安徽省马鞍山工业学校,安徽 马鞍山 243000;安徽工业大学,安徽 马鞍山 243000;安徽工业大学,安徽 马鞍山 243000;安徽工业大学,安徽 马鞍山 243000
【正文语种】山药种植开沟机中 文
【中图分类】TK172
散热器的散热性能与其和空气的接触面积有关，又考虑到材料成本，所以在工业生产中一般采用翅片散热器，其中最常见的是铝及其合金或者铜材料制作的翅片散热器。翅片散热器的散热性能与翅片的高度、宽度、厚度等参数都有密切的关系［1，2］。
本文运用数值模拟的方法对平行翅片散热器及针形翅片散热器的散热特性进行研究，并对平行翅片散热器的翅片进行优化设计，为散热器的实际应用提供参考。
平行翅片散热器模型结构如图1所示。本模型LED为热源，LED发热功率为1W。空气的自由对流换热系数设定为15W/m2·K。LED的材料设为GaN，导热率为65.6W/m·K，基板和翅片的材料均设定为铝，导热率为202.4W/m·K。
2 数值模拟过程
忽略辐射传热，LED与散热器固体接触区域采用标准的共轭传热耦合模式求解。模型计算均只涉及LED产生的热量在散热器中的热传导，所以仅对能量方程进行求解。其方程为：
其中，ρ为密度，c为比热，k为导热系数，T为热力学温度，Sk是热源项。环境温度设为300K。
图1 平行翅片散热器模型
经过数值模拟计算得到LED散热器模型的温度分布，如图2所示。图2显示，LED芯片处温度最高为314.4K，边缘翅片温度最低为313.3K，本模型的芯片温度与环境温度相差约14K，散热效果良好。自然对流换热的换热量可以用牛顿冷却公式来计算：
其中，Q为换热量，A为接触面积，k=15W/m2·K为自由对流换热系数，ΔT为换热面上空气与接触固体的温差，此模型的空气接触总面积A=4 705mm2，由式（2）得本模型的每个面元上的换热量，然后通过积分，得到模型的热流量Q=0.999W，在误差允许的范围内与LED的热耗散功率（1W）相等。因此，Fluent模拟计算得到的温度分布是正确的。平行翅片模型温度分布见图2。
塑料拖把头
图2 平行翅片模型温度分布
3 结果与分析
3.1 基板尺寸对LED芯片散热的影响固液分离装置
设计了9种不同尺寸的基板，基板规格分别为：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，散热翅片均采用厚度为1mm，间隔1mm，高度5mm的平行翅片组。对应翅片数目分别为4、6—13。
仿真显示，翅片数为4的模型的最高温度达到449K，超过了LED的正常工作温度，实际生产生活中不宜采用此种散热器。除该模型外，其他散热器均能满足散热需求，并且随着散热面积的增加，芯片的结温随之降低，散热面积与结温的乘积近似为固定值，这与理论结果一致。
为了更好地对比这几种散热器的性能，图3给出了基板尺寸（翅片数量）与热阻及散热器体
积、面积之间的关系。从图3可知，当翅片数目为6～8时，热阻随基板尺寸增加而降低的幅度较大，之后再增加基板尺寸，热阻降低幅度减小。模拟分析旨在得到耗材少而散热效果好的散热器，即散热器的热阻低，散热面积大，体积小。从图3得出，随着散热器基板的增大，散热器的体积与散热面积近似同比增长，因此，无法得到体积小散热面积大的散热器。
3.2 散热器翅片优化
将基底为15mm×15mm×1mm的散热器模型的平行翅片改为针形翅片，将针形翅片阵列每个针翅的长宽都设为1mm，横向间隔为1.5mm，纵向间隔1mm，使针形散热器的散热面积与平行翅片散热器的面积相同，实现在不改变散热面积的前提下减小散热器体积。针形翅片模型如图4所示。
图3 基板尺寸（翅片数目）与散热器体积、面积及热阻的关系
图4 针形散热器模型图
仿真得到针形翅片散热器的最低温度为345.47K，最高温度为346.65K，热阻为46.65K/W。
散热器体积为465mm3，散热面积为1 445mm2。与相同散热面积的平行翅片散热器相比，热阻上升了0.83K/W，但其散热器体积显著降低。因此，针形翅片散热器相对于平行翅片散热器有较好的散热效果，其温度分布如图5所示。
图5 针形翅片模型温度分布图
对比图1和图5发现，对于平行翅片模型，距离热源较远的翅片及基板部分，温度梯度较小，这部分区域基本起不到散热作用，说明平行翅片模型存在材料浪费的现象。而针形翅片模型的最低温出现在基板四角针形翅片底端的很少一部分，即最远离热源的位置，从而达到优化的目的。
4 结论
收获时间到移通智能手机本文利用Fluent对大功率LED的散热器进行模拟，结果表明：增大基板尺寸（整体加大散热器的体积）虽然能改善LED芯片散热，但其是建立在增大散热器耗材的基础上，因此增加了成本。通过分析平行翅片散热器的温度分布，采用针形翅片代替平行翅片是一种十分有效的优化方案，在保证散热面积不变的情况下，可以有效减小散热器体积，降低耗材，同时对散热器的热阻无较大影响。
参考文献：
【相关文献】
［1］Gondipalli S，Sammakia B，Lu S，et al.Fin-shape Optimi⁃zation of An Impingement-parallel Plate Heat Sink［C］//Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems.IEEE，2010.
［2］胡明钰，吴懿平，杨卓然.大功率LED片式COB光源散热设计［J］.电子工艺技术，2015（2）：63-68.
