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（）

　　E-mail: gaohustht@

　　摘要：翅片散热是目前电子元器件冷却*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*大散热量和*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*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*后的表格中得出了*少耗材和*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；*少耗材；翅片尺寸；优化

　　中图分类号：TK

　　1. 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，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

　　*广泛应用。关于自然对流散热器的设计优化，Avram Bar-Cohen 、J. Richard Culham和M.

　　[1][2][3]，在这些文章中，基本研究的是垂直布置的翅

　　Michael Yovanovich 已经做了大量的研究

　　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，*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*少或者空间体积*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；

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　　⑷ 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