非等高翅片平板熱管散熱器仿真研究與優化設計

陳善友， 黃坤榮， 王俊， 黃依

（南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽421001）

0 引 言

平板熱管是熱管中非常重要的一類，相對于普通熱管，其散熱特性非常顯著，尤其是針對集中熱源散熱，其良好均溫性能較快地將熱量傳導至翅片實現散熱[1-2]。陳金建[3]基于平板型熱管散熱器對LED進行了散熱研究，通過實驗證明平板熱管散熱器能夠實現較長距離傳熱，且仿真結果與實驗結果相吻合，可用于LED散熱設計；程冉冉[4]用重力熱管散熱器研究余熱回收，采用Fluent軟件對重力熱管散熱器溫度場、速度場進行仿真研究，分別研究不同翅片參數及運行環境對重力熱管換熱性能的影響，并對各參數進行優化，得到熱管換熱器最佳結構參數；李健等[5]基于Icepak研究熱管冷板肋片結構優化設計，得出菱形截面肋片散熱效果最好；王瑞[6]研究了縱向翅片熱管散熱器對LED芯片散熱的優化，對該熱管散熱器翅片結構進行優化，研究發現，縱向翅片熱管散熱器翅片高度對散熱影響顯著；甘志堅[7]研究了熱電制冷的熱端采用平板熱管散熱，利用Icepak軟件仿真分析，對比翅片板式散熱器、普通熱管散熱器和平板熱管散熱器散熱特性，研究發現，平板熱管散熱器散熱效率最優，但熱源功率越大，散熱性能也相對較差；黃曉明等[8]通過數值仿真技術研究如何提高翅片散熱器散熱效率，并基于自然對流條件下，研究翅片參數對散熱的影響，結合多目標遺傳算法研究翅片散熱器翅片表面傳熱系數和肋面效率，結果表明，翅片表面傳熱系數是影響翅片散熱效率的主要因素；師春雨[9]將熱電制冷技術與熱管散熱器相結合，針對自然對流狀態下熱阻較高的情況，通過優化熱電制冷散熱器熱端翅片減小熱阻，提高熱電制冷性能，并提出了非等高翅片設計，研究非等高翅片最大高度差與翅片間距對散熱影響，并對翅片散熱器結構參數進行優化，不僅散熱效果更好，而且成本也降低50.72%。

盡管很多專家學者將熱管散熱器優化聚焦于熱管內部流動和傳熱，卻很少有人針對熱管翅片結構優化，而研究平板熱管散熱器翅片結構優化，對強化傳熱起著非常重要的作用。本文基于Icepak軟件研究平板熱管散熱器非等長翅片在風冷條件下散熱，并對非等長翅片參數進行優化。

1 模型建立

本文利用Icepak軟件將平板熱管模型簡化，用面熱源模擬芯片。傳統散熱翅片熱阻較高，圖1中平板熱管散熱器翅片尺寸為130 mm×100 mm×0.5 mm, 翅片間距為3.5 mm，翅片數為35，熱源功率為1000 W,風速為7 m/s。本文采用非等長翅片設計，在迎風側翅片縮短，在一定程度上可減小熱流動阻力，增強平板熱管散熱器散熱能力，仿真后效果如圖2所示。

圖1 傳統等長翅片平板熱管散熱器簡易模型

圖2 非等長翅片平板熱管散熱器簡易模型

2 影響因素

利用Icepak軟件對平板熱管散熱器進行仿真分析，得到在不同環境溫度、熱源功率、風速等條件下的溫度分布云圖。將仿真所得各組數據繪制成折線圖，探索平板熱管散熱器的散熱規律。

圖3所示是在熱源功率為400 W, 風速為2 m/s時，環境溫度對芯片溫度影響。隨著環境溫度升高，平板熱管散熱器散熱能力降低，芯片溫度逐漸升高。因此，環境溫度的控制對于散熱非常重要。

圖4所示是基于環境溫度為20 ℃，風速為2 m/s時，熱源功率對芯片溫度的影響。隨著熱源功率升高，芯片溫度也快速上升，因此控制熱源功率也是控制芯片溫度的重要手段。

圖3 芯片溫度隨環境溫度變化圖

圖4 芯片溫度隨熱源功率變化圖

為了能更好地散熱，研究了風速對熱管散熱器散熱影響，圖5所示是在400 W功率下，環境溫度為20 ℃時芯片溫度隨風速變化的關系，由圖5可知，隨著風速增大，增加空氣與翅片間流動換熱，溫度明顯降低，但隨著風速逐漸增大，當風速大于8 m/s時，芯片溫度降低并不顯著。

圖5 400 W功率下芯片溫度隨風速變化圖

3 翅片結構對散熱影響

在不同功率下，非等高翅片長短對散熱影響也不同，在較高功率下使用非等高翅片，芯片有源區降溫明顯，而對于較低功率芯片，其優勢并不突出。因為熱管熱量是借助翅片傳熱，故翅片面積過小對于散熱也不利，選取最優翅片長度是本文研究重點。本文提出非等長翅片中最長翅片與最短翅片差p的概念, 分別取p值為8.5 mm、17.0 mm、25.5 mm 、34.0 mm,探究p值在不同功率熱源下對熱管散熱器散熱的影響。

圖6 1000 W功率下芯片溫度隨翅片結構變化圖

圖7 800 W功率下芯片溫度隨翅片結構變化圖

圖8 600 W功率下芯片溫度隨翅片結構變化圖

圖6 ～圖8是芯片有源區溫度隨翅片長度變化關系，分別基于熱源功率為1000 W、800 W 和600 W 時通過Icepak 仿真所得關系曲線。由圖可知，當功率較高時，翅片內部有較快流速，一定程度上促進芯片有源區散熱。在600 ～1000 W 功率下，平板熱管散熱器翅片長度差在25 mm左右時，散熱效率最高。

圖9、圖10是分別基于芯片功率為400 W、200 W時芯片有源區溫度隨翅片長度變化關系。當有源區熱源溫度較低時，通過減小中部翅片尺寸增加流動達到快速散熱效果較差，以過度犧牲翅片面積方式不可取。當熱源功率介于200 ～400 W時，平板熱管散熱器翅片長度差在8.5 mm左右時，散熱效率最高。

圖9 400 W功率下芯片溫度隨翅片結構變化圖

4 結 論

本文對于氣體流過傳統等長翅片散熱器流阻過大問題，提出非等長翅片熱管散熱器，通過Icepak仿真研究分析，得出以下結論：

1）隨著環境溫度升高，平板熱管散熱器散熱能力降低，芯片溫度逐漸升高；隨著熱源功率升高，芯片溫度也快速上升；隨著風速增大，增加空氣與翅片間流動換熱，溫度明顯降低。但隨著風速進一步增大，當風速大于8 m/s，芯片溫度降低并不顯著。

2）在熱源功率為600～1000 W，平板熱管散熱器翅片長度差在25 mm左右時，散熱效率最高；當熱源功率為200～400 W，平板熱管散熱器翅片長度差在8.5 mm左右時，散熱效率最高。