新型鋁合金電散熱器的結構優化

王坤迪 史文學 張雙喜 陶冶 金龍

依據JGJ236-2008標準進行結構優化的新型鋁合金電散熱器是一種對流式電采暖散熱器，其鋁合金散熱片被一次擠壓成型后絲扣連接起來，由三部分組成：發熱元件、散熱元件、溫控元件。如圖1所示。鋁合金散熱片作為散熱部件，發揮了鋁型材易成形、質量輕、一次成型、導熱快、易于機械化生產、散熱性能好的優點。碳晶板作為發熱元件，其熱電轉化率高，一般98%以上。溫控系統，滿足智能控制要求。

圖1 新型鋁合金電散熱器示意圖

1 新型鋁合金電散熱器的結構及其優化依據

1.1新型鋁合金電散熱器的結構及其參數

圖2 新型鋁合金電散熱器散熱片的結構示意圖

本文所要研究的新型鋁合金電散熱器的結構型式如圖2所示。其中A表示單柱鋁合金散熱片的兩個肋片的間距，B表示單柱鋁合金散熱器片的肋高，在內部嵌入碳晶板作為發熱元件。

新型鋁合金電散熱器有關參數的確定：

1.1.1 高度

目前市場用量最多（約60%的份額）的散熱器為中心距不大于600mm的型式。因此本文選擇中心距為525mm的新型鋁合金電散熱器作為研究對象。

1.1.2 寬度

寬度和肋高有關，大概等于兩個肋高，結構為平齊型。選擇肋高30～50mm的鋁合金散熱片作為研究對象。

1.1.3 厚度

通過對大量散熱片的實驗驗證，鋁合金散熱片肋片間距為15～20mm的散熱效果比較好。考慮到室內房間的使用面積，厚度不宜超過100mm。因此，選擇間距為15～20mm散熱器作為研究對象。

1.1.4 鋁合金散熱片的肋片對數

根據鋁合金散熱片肋片間距為15～20mm的散熱效果比較好的原則，再根據所選散熱器厚度不超過100mm，本文選擇鋁合金散熱片對數為六對的新型鋁合金電散熱器作為研究對象。因為直接作用式電散熱器最大輸入功率較大，一般2000W左右，單柱散熱片功率在200W左右，功率較大，不宜選取四對的作為研究對象，否則散熱片的表面溫度會過高。如果選取八對肋片的話勢必會大幅度增加耗材，所以本文以鋁合金散熱片對數為六對作為研究對象。

表1 直接作用式電采暖散熱器產品性能分級及要求

1.1.5 新型鋁合金電散熱器肋片厚度

同樣一種結構的鋁合金散熱片厚度分別為0.8、0.9和1.0mm時，對散熱量的影響很小，散熱量相差只有1W/柱；同時考慮鋁型材加工廠生產成品率的要求，本文確定鋁合金散熱片厚度為1.0mm[2]。

1.1.6 輸入功率

直接作用式電散熱器輸入功率一般比較大，以本文研究的新型鋁合金電散熱器為例，其柱數為12柱，最大額定輸入功率為2400W，因電熱轉換效率高，一般98%以上，故認為這種新型鋁合金電散熱器的熱工性能為其輸入功率。本文所作研究是在最大額定輸入功率基礎上進行的，新型鋁合金電散熱器采用三級調節功率。

1.2新型鋁合金電散熱器的優化依據

1.2.1 JGT236-2008標準中的要求

本文為了更大限度的保證老人和孩子的安全，以表1中直接作用式電采暖散熱器產品性能和要求的III級要求為依據，即外表面溫度小于70℃。

1.2.2 金屬熱強度的依據

金屬熱強度是衡量散熱器經濟性能的一個重要指標，也是體現耗材多少的重要表現，指散熱器內熱媒平均溫度與室內空氣溫度相差為1℃時，每千克質量的散熱器單位時間散出的熱量[3]。本文以標準過余溫差作為計算金屬熱強度的依據：

式中：

q—散熱器的金屬熱強度，w/kg·℃；

Q—散熱器的散熱量，w；

Δt—溫差，標準過余溫差為64.5℃；

G—散熱量為Q的散熱器的質量，kg。

由于設定的電散熱器輸入功率是一個恒定值，所以本文中散熱量認為是不變的，優化的目標也是最大輸入功率的情況下，滿足標準中外表面溫度要求下，找到耗材最少的鋁合金散熱片結構尺寸。

2 新型鋁合金電散熱器的理論分析和試驗驗證

2.1理論分析

經分析本文研究的新型鋁合金電散熱器的散熱主要包括三部分（且依據能量守恒定律和輸入功率相等）：一部分是各肋片和間距的導熱量；二部分是兩外表面的輻射散熱量；三部分是空腔內空氣流動的散熱量。

2.1.1 肋片散熱量的理論計算

肋片看作是具有負熱內源的一維穩態導熱。依據傅里葉定律和能量守恒定律建立數學模型，可得單個肋片的散熱量q'計算公式[4]如下:

式中：

λ—肋片的導熱系數，w/(m·k)；

Tw—肋片的基部溫度，K；

H—肋片高度，m；

AL—肋片橫截面積，m2；

C1，C2—與λ，Tw，AL有關的量[4]。

2.1.2 兩外表面的輻射散熱量

散熱器的兩外表面與室內空氣主要是通過輻射方式進行換熱。因為新型鋁合金電散熱器的單柱散熱器外表輻射面積與采暖房間面積的比值非常小，所以可以把散熱器與周圍空間的輻射換熱看作是空腔與內包壁之間的輻射換熱[5]。可利用下列公式直接計算：

式中：

ε0—散熱器表面的輻射系數；

A0—單柱散熱器的外表面面積，m2；

Eb1—散熱器表面的輻射力，w/m2；

Eb2—周圍空氣的輻射力，w/m2。

2.1.3 空腔內空氣流動的散熱量

由圖2可以看出，新型鋁合金電散熱器散熱片的內腔在水平面上近似形成幾個近似封閉形狀，可以形成“煙囪效應”。所謂“煙囪效應”是指像煙囪一樣，由于外界冷空氣和空腔內熱空氣的密度差而使空腔內產生循環動力，冷空氣下降，熱空氣上升。所產生的循環動力是鋁合金散熱片空腔與室內空氣進行對流換熱的主要動力。按文獻[6]中的方法計算空腔內的散熱量：式中：

α—空腔內氣體的表面傳熱系數；

A—空腔壁面面積，m2；

Δt—為空腔壁面平均溫度與空腔內空氣溫度之差，℃。

2.2計算結果

經分析計算，對間距A為15～20mm，肋高B為30～50mm的不同結構尺寸的新型鋁合金電散熱器進行外表面溫度、金屬熱強度（只考慮了鋁的質量）計算，結果如下：

圖3 區間內滿足要求外表面溫度要求的電散熱器金屬熱強度

圖4 滿足要求的電散熱器金屬熱強度的趨勢線

由圖3和圖4可知：在間距為15-20mm的區間中，滿足要求的電散熱器金屬熱強度與其結構尺寸的三次方存在很強相關性。本文所研究的新型鋁合金電散熱器為對流型散熱器，其結構尺寸對散熱器空腔內空氣的流速、狀態、采暖小室內換熱次數及小室內氣流分布都有影響。

考慮到室內裝修和裝飾方面，在滿足JGT236-2008標準要求下選取A=15mm、B=39mm，A=16mm、B=38mm，A=17mm、B=38mm肋片間距較小的三個樣本進行實驗測 試 ，A=18mm、B=38mm，A=19mm、B=38mm，A=20mm、B=37mm不予考慮，下面將會對這三個結構尺寸的樣品：A=15mm、B=39mm，A=16mm、B=38mm，A=17mm、B=38mm進行試驗分析。

2.3試驗分析驗證

表2 測試數據

2.3.1 試驗方法

依據JGT236-2008標準中直接作用式電采暖散熱器采暖裝置及要求的規定進行試驗測試。

2.3.2 試驗結果及分析

2.3.3.1 啟動和運行：

調節變壓器，分別使三個電采暖散熱器在額定電壓90%和110%條件下穩定運行10min切斷電源，檢查電采暖各部件未發現異常。

2.3.3.2 升溫時間：

電采暖散熱器從通電啟動運行開始記時，初步達到穩定運行時三個結構的電散熱器分別用時：12分49秒、12分56秒、13分5秒。升溫時間即是新型鋁合金電散熱器達到穩定運行的時間，影響因素有：材料的導熱系數，環境溫度，結構尺寸等。該新型電散熱器采用鋁合金為散熱片，質輕，導熱系數高，可相應的縮短升溫時間，但測得的結果仍比JGT236-2008標準表中直接作用式電采暖散熱器產業性能和要求的III級要求略高，基本滿足要求。測試可知隨結構尺寸的增大，升溫時間也相應的增加。

2.3.3.3 熱工性能：

在最大輸入功率實驗工況下達到穩定30min后進行測試，測試電采暖散熱器的輸入功率（W），測試時間為30min，讀數見表2。

熱工性能主要由發熱元件所決定，該新型電散熱器主要采用碳晶材料作為發熱元件，可依據需要加工得到相應功率的碳晶板。

2.3.3.4 外表面溫度：

外表面熱電偶布點示意圖如圖5。

外表面各點實測數值如圖6所示。

圖5 外表面熱電偶布點示意圖

外表面最高溫度72.8℃，外表面平均溫度65.1℃。

外表面最高溫度69.8℃，外表面平均溫度64.1℃。

外表面最高溫度69.7℃，外表面平均溫度63.6℃。

2.3.3.5 溫度測量：

圖6 A=15mm、B=39mm電散熱器的外表面溫度變化

圖7 A=16mm、B=38mm電散熱器的外表面溫度變化

圖8 A=17mm、B=38mm電散熱器的外表面溫度變化

圖9 采暖小室環境溫度的變化

經試驗測試A=15mm、B=39mm，A=16mm、B=38mm，A=17mm、B=38mm 三個結構的新型鋁合金電散熱器中，A=16mm、B=38mm，A=17mm、B=38mm 符合JGT236-2008標準中直接作用式電采暖散熱器產業性能和要求的III級要求，結合圖4中金屬熱強度大小，故選擇A=16mm、B=38mm作為最優結構尺寸。另由圖6到圖8看出在采集次數120次以后，新型鋁合金電散熱器兩側的表面溫度略有升高，分析是由于環境溫度升高引起的。小室環境溫度在兩個小時以后可達到29℃左右，比開始時的15℃增加了14℃左右。

3.結論

本文通過對新型鋁合金電散熱器的厚度、寬度、翼片的對數的確定，給出了本文所要優化的散熱器的外形結構形式。間距與肋高組合出不同外形尺寸的結構，對這些結構的散熱器進行了理論計算，計算所取區間內比較好的結構尺寸分別為A=15mm、B=39mm，A=16mm、B=38mm，A=17mm、B=38mm，A=18mm、B=38mm，A=19mm、B=38mm，A=20mm、B=37mm。并對樣品為A=15mm、B=39mm，A=16mm、B=38mm，A=17mm、B=38mm的新型鋁合金電散熱器進行試驗分析驗證，分析了新型鋁合金電散熱器的啟動與運行、升溫時間、熱工性能及其外表面溫度。并在金屬熱強度和JGT236-2008標準的要求下選擇A=16mm、B=38mm為最優結構尺寸。

本文僅僅研究了等間距和等肋高的新型鋁合金電散熱器，對于其他結構形式的電散熱器未作深入研究。但是對于適當增加外表面間距減少內部間距也可取得效果，具體的未作深入研究，有待進一步研究。

在實驗中發現升溫時間和JGT236-2008標準中直接作用式電采暖散熱器產品性能和要求的III級要求略有不符，由于對時間因數建立模型太為復雜，影響因素太多，故在這一方面的研究有待加強。

[1]JGT236-2008《電采暖散熱器標準》

[2]陳建芳，張雙喜.散熱器肋片的數值計算和結構優化，建筑熱能通風空調，2004.2

[3]肖曰嶸，牟靈泉，董重成.民用供暖散熱器.清華大學出版社，1996

[4]徐冬梅.雙銅管復合柱翼型散熱器的優化，青島理工大學，2010

[5]章熙民.傳熱學.北京：中國建筑工業出版社，2001

[6]余才銳.帶閉式空腔的銅鋁復合柱翼型散熱器理論研究及優化.青島理工大學，2006