壓電風扇與散熱器組合系統的散熱性能及其改進

岳佳斌 朱敏波 嚴松

摘要： 為提高散熱器的散熱性能，將壓電風扇分別與直肋和針肋式散熱器組合進行散熱，利用FLUENT軟件仿真其散熱流場并計算其協同角，分析2種散熱器的散熱性能特點。考慮壓電風扇的振動特性，將直肋式散熱器的肋片改為扇形布置，并根據仿真結果進一步將該散熱器扇形肋片的后端改為針肋，設計新型散熱器。根據散熱器溫度和協同角分布對散熱器的散熱性能進行評價分析，結果表明：自然散熱時，針肋散熱器的散熱性能最好，且協同角相對較小;當壓電風扇工作時，新型散熱器散熱性能最好，可比原直肋散熱器組合溫度降低4 K，比原針肋散熱器組合溫度降低2 K。新型散熱器僅通過改變散熱器的肋片布置即可明顯改善散熱器的散熱性能。

關鍵詞： 壓電風扇; 散熱器; 協同角; 仿真

中圖分類號： TP391.99; TN606 ? 文獻標志碼： B

Abstract： To improve the heat dissipation performance of the heat sink， the piezoelectric fan is combined with the plate-fin heat sink and the pin-fin heat sink respectively to dissipate heat， and FLUENT software is used to simulate the heat dissipation flow field and calculate the synergy angle， and then the heat dissipation characteristics of two kinds of heat sink are analyzed. Considering the vibration characteristics of piezoelectric fans， the plate-fin heat sink is improved to fan-shaped arrangement. According to the simulation results， the rear fin of the fan-shaped plate-fin heat sink is further improved to the pin-fin， and then the new heat sink is obtained. According to the heat sink temperature and synergy angle distribution， the heat dissipation performances of the heat sinks are evaluated and analyzed. The results show that： under natural heat dissipation， the heat dissipation performance of pin-fin heat sink is the best， and the synergy angle is relatively small; when combined with the piezoelectric fan， the heat dissipation performance of the new heat sink is the best， which is about 4 K lower to the plate-fin heat sink combination， and 2 K lower to the pin-fin heat sink combination. The heat dissipation performance of the new heat sink is obviously improved only by changing the fin arrangement.

Key words： piezoelectric fan; heat sink; synergy angle; simulation

0 引 言

隨著電子技術的快速發展，電子產品向高性能、多功能和小型化方向發展，導致電子設備的功耗和發熱量增加。為不影響電子產品正常工作，須發散多余的熱量。壓電風扇占用空間小、工作聲音小、功耗低，能夠較好地應用于小型電子設備。[1-3]在實際應用中，通常將壓電風扇與散熱器相結合對電子元件進行組合散熱。國內外專家研究分析壓電風扇置于散熱器外部不同位置時的散熱性能[4-5]、壓電風扇置入散熱器內部時的散熱性能[6-7]、壓電風扇與散熱器結合其他散熱方式共同散熱時的散熱性能[8]等。由場協同理論可知，協同角取值范圍為0～90°，且角度越小越有利于傳熱[9-11]。本文將壓電風扇分別與直肋、針肋2種常用散熱器結合，設計新型散熱器，利用協同角的分布對散熱器進行評價分析。

1 仿真模型搭建

以直肋散熱器為例建立仿真模型，見圖1。散熱器長、寬、高分別為40、40和20 mm，材料為鋁合金;其下方熱源長、寬、高分別為30、30和2 mm，發熱功率為5 W;環境溫度為297.15 K（24 ℃）;壓電風扇垂直水平面放置于散熱器前端，距散熱器2 mm。

2 壓電風扇與2種常用散熱器組合

2.1 與直肋散熱器組合

直肋散熱器結構見圖2，其底板厚度為3 mm，肋片高度為17 mm，肋片厚度為1.50 mm，肋片間距為2.65 mm。在FLUENT仿真軟件中，分別仿真自然散熱時和壓電風扇工作時直肋散熱器的散熱性能。自然散熱時，熱源表面平均溫度為337 K。壓電風扇工作時散熱器溫度云圖見圖3，熱源表面最高溫度為322 K。

因為壓電風扇工作時產生的風難以到達兩端肋片之間，且風速主要集中在散熱器前端中部位置，使得此處溫度最低，所以熱源表面溫度呈現前端中部溫度較低、后側兩端溫度較高的特點。

在FLUENT中編寫程序計算協同角，得到直肋散熱器協同角分布圖見圖4。

從場協同來看，壓電風扇在工作過程中產生漩渦，使風速方向時刻改變，導致風扇附近的協同角一直變化，但不會很大。散熱器附近的風速方向基本恒定，均沿肋片長度方向，所以協同角幾乎呈現90°。綜上所述，壓電風扇與直肋散熱器結合的散熱性能較差。

2.2 與針肋散熱器組合

針肋散熱器結構見圖5，其底板厚度為3 mm，肋片高度為17 mm，長度方向肋片厚度為2.65 mm、肋片間距為1.50 mm，寬度方向肋片厚度為1.50 mm、肋片間距為2.35 mm。

在FLUENT中分別仿真自然散熱時和壓電風扇工作時針肋散熱器的散熱性能。自然散熱時，熱源表面平均溫度為335 K。壓電風扇工作時針肋散熱器溫度云圖見圖6，熱源表面最高溫度為320 K，且前端溫度偏低、后端溫度偏高，說明壓電風扇主要作用于針肋散熱器的前端。

在FLUENT中生成的針肋散熱器協同角分布圖見圖7。

從場協同來看，因為壓電風扇產生的風速方向時刻改變，所以風扇附近的協同角也改變，且角度均偏小。相比直肋散熱器，針肋散熱器在肋片之間存在擾流，因此協同角有所改善。

3 新型散熱器

3.1 新型散熱器Ⅰ

壓電風扇的工作原理是通過周期性往復振動帶動周圍空氣流動，使風速方向不斷變化，類似于生活中使用的風扇。為提升壓電風扇與散熱器的配合效果，考慮壓電風扇的振動特性，將直肋散熱器的肋片由平行布置改為扇形布置，設計新型散熱器Ⅰ，其結構見圖8。新型散熱器Ⅰ底板厚度為3 mm，肋片高度為17 mm，肋片厚度為1.50 mm，前端肋片間距為2.65 mm。

在FLUENT中分別仿真自然散熱時和壓電風扇工作時新型散熱器Ⅰ的散熱性能。自然散熱時，熱源表面平均溫度為337 K，與直肋散熱器一致。壓電風扇工作時新型散熱器Ⅰ溫度云圖見圖9，熱源表面最高溫度為319 K。因為風速主要集中分布于散熱器的前端，并且后端的風速很小，所以熱源表面前端溫度低、后端溫度偏高。

在FLUENT中生成新型散熱器Ⅰ的協同角分布圖見圖10。從場協同來看，壓電風扇附近的協同角呈現與直協散熱器相同的特點，但散熱器附近的協同角基本在90°左右。因為新型散熱器Ⅰ的肋片根據壓電風扇振動特性設計，所以每個肋片間的風速方向基本沿肋片長度方向，與溫度梯度方向垂直。因此，新型散熱器Ⅰ能夠有效利用壓電風扇，提升散熱器兩端的散熱性能。

3.2 新型散熱器Ⅱ

根據前文分析，新型散熱器Ⅰ能夠提高散熱器左、右兩端的散熱性能，但是分析流場風速矢量圖（見圖11）可知，在散熱器遠離壓電風扇的一側風速很小，說明壓電風扇產生的風無法到達遠距離。在不改變壓電風扇與散熱器位置的前提下，壓電風扇很難對散熱器的后端產生強迫對流散熱。

壓電風扇對散熱器后端的作用很小，散熱器后端主要是自然散熱。由前文可知，自然散熱時，針肋散熱器的散熱效果最好。為提高整體散熱性能，以新型散熱器Ⅰ為基礎，將其肋片后端部分改為針肋分布，從而增加后部整體散熱面積，設計的新型散熱器Ⅱ結構見圖12。

在FLUENT中分別仿真自然散熱時和壓電風扇工作時新型散熱器Ⅱ的散熱性能。自然散熱時，熱源表面平均溫度為336 K，低于直肋散熱器自然散熱時。壓電風扇工作時新型散熱器Ⅱ的溫度云圖見圖13，熱源表面最高溫度為318 K，前端溫度偏低，后端呈現中部高、兩側低的特點，符合新型散熱器Ⅱ的流場特性。

在FLUENT中生成新型散熱器Ⅱ的協同角分布圖見圖14。

從場協同來看，與新型散熱器Ⅰ相比，新型散熱器Ⅱ結合針肋散熱器，使散熱器整體協同角變小，更有利于散熱。

綜上所述，新型散熱器Ⅱ集合前3種散熱器的優點，能夠有效利用壓電風扇，提升整體散熱性能。4種散熱器熱源的表面平均溫度對比見表1。

由表1可知：自然散熱時，針肋散熱器的散熱性能最好;壓電風扇工作時，新型散熱器Ⅱ的散熱性能最好，其熱源溫度比直肋散熱器組合降低4 K左右，比與針肋散熱器組合降低2 K左右。新型散熱器Ⅱ僅通過改變肋片的布置即可明顯改善散熱性能。

4 結 論

本文將壓電風扇分別與直肋和針肋2種散熱器組合進行散熱，仿真結果表明：自然散熱時，針肋散熱器的散熱性能最好，因為針肋的肋片能夠改善協同角的分布，所以更有利于散熱;壓電風扇工作時，新型散熱器Ⅱ的散熱性能最好，熱源溫度比與直肋散熱器組合時降低4 K左右，說明新型散熱器Ⅱ能夠有效利用壓電風扇，提升整體散熱性能。

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（編輯 章夢）