基于ANSYS的空調散熱器結構對其散熱性能的影響分析

周 峰

(馬鋼股份公司第一鋼軋總廠設備保障部，安徽 馬鞍山 243011)

基于ANSYS的空調散熱器結構對其散熱性能的影響分析

周 峰

(馬鋼股份公司第一鋼軋總廠設備保障部，安徽 馬鞍山 243011)

空調散熱器的散熱性能是影響空調工作性能的重要因素，如何合理設計散熱器結構以提高空調散熱性能是目前亟待解決的問題。現利用ANSYS軟件建立了散熱器的有限元模型，并對其進行了熱學性能分析，研究了散熱性能與散熱器結構的關系，然后對結果進行了對比分析，得到了散熱器溫度分布云圖、相同結構不同鰭片數對散熱器散熱性能影響的關系曲線圖以及不同結構相同鰭片數對散熱器散熱性能影響的關系曲線圖，為空調散熱器的優化設計提供了重要的依據。

散熱器；ANSYS；有限元模型；結構；鰭片；散熱性能

0 引言

空調是一種用于調節空間區域溫度變化的空氣調節器。空調散熱器中最主要的部分就是散熱鰭片，散熱鰭片的質量、質地和型號都會影響散熱器的散熱功能。近些年來，國內外大量研究分析了計算機CPU散熱器的熱學性能，杜平安、黃潔、李德勝等在他們的文章中著重從CPU散熱器的材料、幾何尺寸、鰭片間距與厚度以及導熱結構等幾個方面分析了其對散熱器性能的影響。而在空調散熱器領域，研究散熱器的結構、材料等方面對散熱性能影響的甚少。故本文以有限元分析軟件ANSYS為工具，運用ANSYS的熱分析功能著重對散熱性能與空調散熱器結構的關系進行了研究，分析了相同結構不同散熱鰭片數對空調散熱器散熱性能的影響以及不同結構相同散熱鰭片數對空調散熱器散熱性能的影響。

1 有限元模型的建立

本文的分析對象為直板式空調散熱器和扇形式空調散熱器。直板式散熱器尺寸為：散熱器底座長203 mm、寬96 mm、厚4.5 mm；散熱器整體高45.8 mm；散熱鰭片側面為梯形，上底1.5 mm，下底2 mm。扇形式散熱器尺寸為：散熱器底座長102 mm、寬102 mm；散熱器整體高50 mm；散熱鰭片側面為矩形，厚2 mm。

1.1 幾何模型的建立

本文2種結構的散熱器所使用的材料均為6063-T5型鋁合金。根據6063-T5型鋁合金所具有的材料屬性，其導熱系數為201 W/(m· ℃)，比熱為900 J/(kg· ℃)，密度為2 690 kg/m3。

1.2 結構離散

本文采用ANSYS自由網格劃分方式劃分網格。在ANSYS中熱分析涉及的單元大約有40種，本文選取熱單元為20節點的Solid90單元。網格模型分別如圖1、圖2所示。

圖1 直板式散熱器ANSYS網格劃分模型圖

圖2 扇形式散熱器ANSYS網格劃分模型圖

1.3 邊界條件

根據空調散熱器的實際工作環境、施加載荷以及約束條件，將溫度載荷施加在底面，同時散熱鰭片上存在對流約束。本文中設定周圍空氣環境溫度為20 ℃，空氣對流交換系數為50 W/(m2· ℃)，空調所產生的熱通量設定為50 000 W/m2。

2 計算結果分析

下面就不同空調散熱器結構對其散熱性能的影響進行計算分析。

2.1 不同散熱鰭片數對直板式空調散熱器散熱性能的影響

本文運用ANSYS的熱分析功能，計算分析了散熱鰭片數為7、9、11的情況下，散熱器結構對其散熱性能的影響，并繪制出了這3種結構下的散熱器溫度分布云圖，如圖3所示。

圖3 鰭片數為7、9、11的散熱器溫度分布云圖

從上面的3個散熱效果圖中可以發現，隨著鰭片數的增加，散熱器的最高溫度有明顯下降。當鰭片數為7時，直板式散熱器上的最高溫度為189.7 ℃；當鰭片數為9時，直板式散熱器上的最高溫度為158.6 ℃；當鰭片數為11時，直板式散熱器上的最高溫度為137.8 ℃。由此可知，散熱鰭片數量的增加即散熱鰭片間距的減少，可以提高散熱器的散熱性能，增強空調的工作性能。下面的曲線圖(圖4)形象生動地反映了散熱鰭片數與散熱器溫度最高值之間的關系，同時進一步說明了散熱鰭片數與散熱器散熱性能之間的關系。

圖4 散熱鰭片數與散熱器溫度最高值的關系曲線圖

2.2 不同散熱鰭片數對扇形式空調散熱器散熱性能的影響

針對不同散熱鰭片數對扇形式空調散熱器散熱性能的影響所建立的模型與上文相似，可以從圖5所示散熱器溫度分布云圖中得出結論。

圖5 鰭片數為11、17、21的散熱器溫度分布云圖

從上面的3個散熱效果圖可以發現，隨著鰭片數的增加，散熱器的最高溫度有明顯下降。當鰭片數為11時，扇形式散熱器上的最高溫度為133.9 ℃；當鰭片數為17時，扇形式散熱器上的最高溫度為97.5 ℃；當鰭片數為21時，扇形式散熱器上的最高溫度為84.0 ℃。由此可知，散熱鰭片數量的增加即散熱鰭片間距的減少，可以加大散熱面積，提高散熱器的散熱性能。圖6顯示了散熱鰭片數與散熱器散熱性能之間的關系。

圖6 散熱鰭片數與散熱器溫度最高值的關系曲線圖

3 結論

通過分析可以得出以下結論：(1) 當直板式空調散熱器和扇形式空調散熱器的其他參數保持不變時，通過增加2種散熱器的散熱鰭片數，可以加大散熱面積，使散熱器的散熱性能提高，進而使散熱器上的溫度降低。但是散熱鰭片間距過小會導致風道尺寸減少，風阻增大。所以，合理減小散熱鰭片間距可以有效提高空調散熱器的散熱性能。(2) 當扇形式空調散熱器與直板式空調散熱器的散熱鰭片數都為11且其他參數保持不變時，扇形式散熱器溫度最高值比直板式散熱器溫度最高值要低，這就說明在相同的條件下，扇形式空調散熱器的散熱性能要比直板式空調散熱器的散熱性能好。

[1]黃潔，杜平安.CPU散熱器熱學性能的有限元分析[J].計算機應用技術，2006(10)

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[7]杜平安.建立有限元模型的基本原則[J].機械與電子，2001(4)

[8]杜平安.結構有限元分析建模方法[M].北京：機械工業出版社，1998

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2014-03-03

周峰(1979—)，男，山東濟寧人，工程師，研究方向：空調散熱器散熱性能的熱物性等。