关键词：CFD；匀热板；散热器热阻

Abstract: In this paper, the heat sink with uniform heat plates is studied. By analyzing the heat transfer process of the uniform heat plate,the heat transfer calculation model of the uniform heat plate is reduced to one-dimensional Fourier heat conduction law, and the thickness, position and number of the uniform heat plate are further determined as the main factors of heat dissipation.Use the single factor method to study the above influencing factors. The research results show that the heat dissipation capacity of heat sink with uniform heat plate is improved to different degrees compared to the original structure. The law of improvement basically conforms to the one-dimensional Fourier heat conduction law, but the amount of improvement varies depending on the specific parameters.

Key words: CFD; Uniform heat plate; Heat sink thermal resistance

1  前言

随着5G时代的到来，电子元器件的功率密度越来越大，而供其散热的空间却越来越小，毋庸置疑，散热问题已成为目前电子产品设计的关键问题之一。如何提高单位体积内的散热效率成为大家关注的重点，研究者们从多方面进行技术改进，如开发导热性能更好的材料，如AlSic，制备高导热的热界面材料，如相变化导热硅脂，高效散热设备的普及应用，如之前消费电子产品常用的热管散热器已经开始在变频器等工程电子产品中得到应用等等^[1~2]。CFD模拟数据可信，可以方便的得到测试中难以采集的数据，便于研究不同影响因素对最后结果的影响，在业内获得广泛应用^[3]。

如图1所示是传统铝基板翅片散热器结构示意图，该散热器是电子产品行业中最为普遍的散热设置之一，该散热系统是由“热源—散热器—空气”组成，其中空气作为热沉，热源的热量由散热器传递到空气中，被流动的空气带走。多数情况下，系统的热阻可看做“热源—散热器导热热阻”、“散热器自身导热热阻”以及“散热器与空气的对流换热热阻”的串联，总热阻为三个热阻之和。

图1 常用散热系统

如前文所述，因散热器的体积越来越小，热源也可能因器件布局未能占据最佳散热位置、基板不能做到最佳厚度等原因，使散热器的热阻成为该类型散热系统的瓶颈热阻，因此在不增大原散热器空间体积的前提下降低散热器的热阻对于提高系统散热能力具有重大意义。

本文研究一种带有匀热板的散热器，该散热器与传统散热器所占据的最大空间相同，具有成型方式简单，易于工业化、成本低、便于推广等优点。

2  匀热板散热器模型介绍

如图2所示为匀热板散热器的基本结构，该散热器与普通的铝基板翅片散热器相比，最显著的特点是在各个翅片之间搭接有导热的匀热基板，该基板的存在除了可增大散热面积外，更重要的是使得翅片和翅片之间可以进行热量传递，降低散热器热阻，提高散热效率。为与安装热源的基板区分开来，本文将其称之为匀热基板。本文所研究的匀热基板散热器的基本尺寸参数见表1，热源尺寸及其在散热器上的位置如图3所示，选取的风扇性能参数如表2所示。

如图4所示，匀热基板的主要作用是提供翅片与翅片之间的传热通路，为确定主要的研究变量，作以下假设：                                                                                           

（1）因匀热板的厚度相较于翅片的温度变化梯度的尺度而言较小，因此可假设两翅片间的匀热基板所接触的翅片的温度均匀为T2、T1；

（2）因只比较有匀热板的情况下的影响因素，在两翅片之间的匀热板的表面积相同，因此可忽略导热侧面的对流换热量，即将匀热基板的上下侧面为绝热面。

基于以上假设，便可将影响单位长度匀热板的三维传热和对流换热的因素，简化为影响在两翅片间匀热基板的一维导热因素，由傅里叶导热定律^[4]可知，两翅片间传递的热量为：

P=（T2-T1）/（δ/λA）                     （1）

式（1）中：P：两翅片间传递的热量，W；T1、T1：两翅片的温度，℃；δ：匀热板厚度，m；A：匀热板垂直于翅片的横截面积，m²；λ：匀热板的导热系数，w/m k。

图4  匀热板传热过程简化示意图

由式（1）可知，对于同一款散热器而言，影响传热量P的因素主要有匀热基板的厚度δ、横截面积A，以及两翅片的温差，因此确定影响因素为匀热基板的厚度δ、匀热板位置以及匀热板的个数。

匀热板一方面通过提供翅片与翅片间的传热路径而降低散热器热阻，另一方面却会增大系统阻力，使得风量减小，增大对流换热热阻，因此采用单因素变量法研究上述各个因素对散热能力的影响。

3  各因素对散热能力的影响

如图5所示是前文所述的无匀热基板的散热系统温度温度云图，从该图中可以明显看出热量在散热器上扩散导致的温度变化，按照温度梯度的变化范围，从图中可以观察得出区域的边界扩散边界。

3.1  匀热基板厚度的影响

由式（1）可知，匀热基板厚度δ越厚，传热量P越大，确定匀热板的个数为1个，几何位置位于整个散热器的中心，研究匀热板厚度分别为2mm、5mm和8mm时的散热能力，结果如图6至图8所示。

由风机工作点和计算得出截面平均风速可知，因匀热板的增加导致额风量减少幅度比较小，平均风速几乎不变，因此可看做无明显影响。由各散热器仿真温度云图可知，匀热板所在区域的温度云图边界相较于原结构而言，都一定程度的向下一阶温度梯度扩散，其中8mm的匀热基板的现象最明显，体现在数据上为散热器的最大温差随匀热板厚度的增大而降低，表明因匀热板提供了翅片与翅片之间的传热路径，温差得以减小；散热器的最高温度随匀热板厚度的增大而降低，这是因为匀热板厚度越大，式（1）所计算得出的传热量越大，进而整体散热器的热阻越小，温升降低。

3.2  匀热基板位置的影响

由式（1）可知，匀热板两端的翅片温差（T2-T1）越大，传热量P越大。翅片温度随与基板的距离的不同而不同。确定匀热板的个数为1个，匀热板厚度为5mm，位置几何位置为位于整个散热器的中心及其上下20mm，结果如图9至图11所示。

由各散热器仿真温度云图可知，匀热板所在区域的温度云图边界相较于原结构而言，都一定程度的向下一阶温度梯度扩散，体现在数据上为散热器的最大温差随匀热板厚度的增大而降低，表明因匀热板提供了翅片与翅片之间的传热路径，温差得以减小；散热器的最高温度虽都比原结构要低，但改善量却随匀热板与基板距离的增大而降低，分析原因是因为匀热板占据的翅片的最大温差随匀热板与基板距离的增大而降低，由式（1）可知，传热量随温差的减小而减小。

由风机工作点和计算得出截面平均风速可知，平均风速降低幅度很小，且几乎不随位置的变化而变化，因此可看做无明显影响。

3.3  匀热基板个数的影响

匀热板的个数越多，相当于翅片间传递的热量越多，但由于散热器整体尺寸原因，匀热基板不会无限增大，一般建议不要超过3个，否则会造成加工成型苦难、增大系统阻力和降低风量。确定匀热板的个数为1个，匀热板厚度为5mm，匀热板个数为1、2、3个，以前文分析得到的较优位置即靠近基板的匀热板位置为基础位置，结果如图12至图14所示。

由风机工作点和计算得出截面平均风速可知，三层匀热板时，平均风速降低幅度稍大，对流换热热阻稍大，这也解释了三层匀热板相较与两层匀热板而言，系统的最高温度并无改善。由各散热器仿真温度云图可知，每层匀热板所在区域的温度云图边界相较于原结构而言，都一定程度的向下一阶温度梯度扩散，体现在数据上为散热器的最大温差与原始结构相比都有一定程度的降低，且随着匀热板层数的增加，最大温差减小，表明因匀热板提供了翅片与翅片之间的传热路径，温差得以减小；散热器的最高温度虽都比原结构要低，但增加匀热板层数后，最高温度却不再降低，比较表2和表3，分析不同层数匀热板占据翅片的最大温差可知，随着匀热板层数的增加，每层匀热板的所占据翅片的最大温差较单独存在时降低，因此三层匀热板共同作用下的传热量是小于单独存在时的传热量之和。

4  结论

通过以上分析，针对本文中的散热系统可得出以下结论：

（1）在散热器的热阻为系统瓶颈热阻，尤其是在扩散热阻比较大的情况下，可通过设置匀热板降低系统热阻，提高散热能力；

（2）匀热板的厚度在不明显降低风量的情况下，散热改善量随厚度的增加而增加；

（3）匀热板所处位置的变化对风量无明显改变，其散热改善量与距离两端所处的翅片温差成正相关；

（4）多层匀热板的散热改善量小于每层匀热板单独存在时的散热改善量之和，建议不超过2层。

本文在得出以上结论的同时也存在着一定的不足，本文所用的仿真手段虽已在工程行业广泛应用且作为大多数工程师的设计依据，但未能制备实际样品取得测试数据进行深入研究。虽有上述不足，但本文的结论仍可为多层匀热板的设计提供思路，规避设计问题，本文的分析思路以及判据对相关研究者有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]刘一兵, 黄新民, 刘安宁,等. 基于电子散热新技术的研究[J]. 低温与超导, 2008, 036(003):54-57,61.

[2]朱锦超. 机载大功率LED灯散热优化研究[D]. 上海交通大学，2017.

[3]常贺, 袁兆成. 基于CFD方法的汽车散热器仿真研究[J]. 硅谷, 2009(19):14-16.

[4]杨世铭, 陶文铨. 传热学(第4版) [Heat Transfer][M]. 高等教育出版社, 2006.

作者简介：

郭盼盼（1993 年-）女，硕士，热设计工程师，就职于上海辛格林纳新时达电机有限公司 研究方向为变频器散热设计。