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前面我們分別介紹了散熱器串聯(lián)式和并聯(lián)式熱平衡計(jì)算的基本知識(shí)，能夠通過(guò)尋找系統(tǒng)的平衡點(diǎn)作出簡(jiǎn)單的性能設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足基本的散熱要求。在此基礎(chǔ)上，我們還可以做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

這是某款5排散熱器風(fēng)阻、散熱系數(shù)曲線(xiàn)與風(fēng)扇風(fēng)量—靜壓曲線(xiàn)的合成圖。

圖片1.png

這是某款3排散熱器風(fēng)阻、散熱系數(shù)曲線(xiàn)與風(fēng)扇風(fēng)量 —靜壓曲線(xiàn)的合成圖。其中風(fēng)扇的直徑、葉片形狀角度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與前款圖中的相同。

圖片2.png

采用同一款風(fēng)扇，選取同一風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，散熱器外形尺寸也完全相同，兩組曲線(xiàn)疊加在同一坐標(biāo)系中。我們可以發(fā)現(xiàn)兩種散熱器平衡點(diǎn)不同，對(duì)應(yīng)的散熱系數(shù)也不同。

圖片3.png

從圖中我們可以看出：3排管的散熱器不僅散熱系數(shù)較高，質(zhì)量風(fēng)速也較大。這意味著，流經(jīng)散熱器的空氣吸收同樣的熱量，溫升較小，根據(jù)算數(shù)平均溫差公式：

ΔTrm≈ [（Tw1+Tw2）-（Ta1+Ta2）] / 2

式中Ta2減小，則ΔTrm變大。

根據(jù)散熱量計(jì)算公式：

Qw = Uw * S*ΔTm

Uw 和ΔTm加大，

用較小的散熱面積S即可滿(mǎn)足散熱量的要求。

找到最佳的平衡點(diǎn)，即滿(mǎn)足性能要求，又降低成本，這是設(shè)計(jì)的主要工作。

二．風(fēng)扇選擇

在強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)中，帶走熱量的空氣完全依靠風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)，而風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)需消耗一定的功率，一般情況下，分配給風(fēng)扇的功率占總功率的5~8%。

好的風(fēng)扇

風(fēng)扇消耗的功率可用下式計(jì)算：

Nf = Va * H / η f

式中： Va —— 通過(guò)散熱器的空氣流量 m3/s

H —— 風(fēng)扇的全壓 Pa

η f —— 風(fēng)扇效率 %

由于風(fēng)扇效率是除數(shù)，因此效率為20%與30%的風(fēng)扇提供同樣的壓力和風(fēng)量，消耗的功率相差50%。

平衡點(diǎn)在風(fēng)扇風(fēng)量—靜壓曲線(xiàn)上的位置

圖片4.png

利用圖形很重要

從上圖我們可以看出，風(fēng)扇的效率并不是固定不變的，而是隨風(fēng)量的逐漸增加不斷提高再逐漸降低的。將平衡點(diǎn)選在高效區(qū)需要經(jīng)驗(yàn)的積累。

風(fēng)扇間隙及風(fēng)罩形狀

理論上，風(fēng)扇與風(fēng)罩之間的間隙越小，風(fēng)扇效率越高，但過(guò)小的間隙會(huì)導(dǎo)致噪音加大。當(dāng)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)時(shí)還會(huì)發(fā)生撞擊，損壞葉片。推薦單邊間隙為風(fēng)扇直徑的0.8~1.5%。這取決于零部件的制造精度和裝配精度。

3．散熱器內(nèi)部的優(yōu)化通過(guò)改進(jìn)散熱器管、帶的匹配，提高散熱器自身的散熱系數(shù)是我們長(zhǎng)期的工作。

散熱器熱流道模型

圖片5.png

下圖是散熱器芯體的局部：

熱量移動(dòng)的路徑1

散熱器中，熱量移動(dòng)的第一個(gè)過(guò)程是熱量從高溫Tw的冷卻液到散熱管管壁T1，需用到散熱管的面積Aw和冷卻液與管壁間的熱傳遞αw，此時(shí) ：

Q=Awαw（Tw-T1）

熱量移動(dòng)的路徑2

第二個(gè)過(guò)程是管壁內(nèi)T1的熱量傳導(dǎo)到管壁外T2，經(jīng)過(guò)的路徑是管料的厚度d ，可按熱傳導(dǎo)公式計(jì)算：

Q=Aw（λt/d）（T1-T2）

熱量移動(dòng)的路徑3

第三個(gè)過(guò)程分兩部分，一部分是熱量直接從管壁外T2傳遞到空氣中Ta，另一部分是從管壁T2到散熱帶Tn，有兩個(gè)公式來(lái)表達(dá)：

Q1=Atαa（T2-Ta） Q2=Afαa（Tn-Ta）

在散熱帶上溫度Tn的分布是變化的，我們可以用散熱帶效率來(lái)把他轉(zhuǎn)化為一固定值，

ψ=Afαa（Tn-Ta）/Afαa（Tn-Ta）

式Q2=Afαa（Tn-Ta）就可轉(zhuǎn)化為：

Q2=Afαaψ（T2-Ta）

總的熱量Q=Q1+Q2，則：

Q= （Atαa+Afαaψ）（T2-Ta）

根據(jù)三個(gè)過(guò)程的溫度差，將上面各式合并，就得到溫度差、熱流量和熱阻的關(guān)系式：

Tw- Ta=Q[1/Awαw+d/Awλt+1/（Atαa+Afα aψ）]

局部的散熱量可以不考慮平均溫差，將ΔTm替換為（Tw-Ta）

Q=UA（Tw-Ta）

轉(zhuǎn)換上式得到

1/（UA）=（Tw-Ta）/Q，

再帶入Tw-Ta，得到：

1/（UA）=1/Awαw+d/Awλt+1/ （Atαa+Afαaψ）

因?yàn)锳=Af+At，再將公式左面氣側(cè)散熱面積A、及管的面積At消除，

1/U=1/（Awαw/A）+d/（Awλt/A）+1/αa[1 -Af/A（1-ψ）]

公式簡(jiǎn)化

把1-Af/A（1-ψ）當(dāng)作一綜合系數(shù)看待，得到：

ηa=1-Af/A（1-ψ）

我們得到一比較簡(jiǎn)單的公式：

1/U=1/（Awαw/A）+d/（Awλt/A）+1/αa ηa

式中：At：散熱管與空氣的接觸面積 Af：帶兩面與空氣的接觸面積Aw：散熱管內(nèi)部與冷卻液的接觸面積

d：管料壁厚繼續(xù) 帶入實(shí)際參數(shù)計(jì)算后，公式中各部分占總數(shù)“1”的比例如下：

（100%）=（11%）+（0.1%）+（88.9%）

內(nèi)部?jī)?yōu)化方向

三項(xiàng)熱阻中，氣側(cè)占到了88.9%，因此αa是其中的關(guān)鍵因素，調(diào)整開(kāi)窗角度、長(zhǎng)度、提高焊合率等有很大的必要。水側(cè)熱阻占到11%，通過(guò)改變內(nèi)部流速或在在管壁上增加凸起，提高αw，也是提高散熱性能的途徑。而管壁內(nèi)外的熱阻僅占0.1%，可忽略不記。

修正系數(shù)

前面提到過(guò)算數(shù)平均溫差，為了精確計(jì)算，還要用到對(duì)數(shù)平均溫差，公式如下：

ΔTrm=[（Tw1-Ta2）-（Tw2-Ta1）]／ ln[（Tw1-Ta2）/（Tw2-Ta1）]

氣水當(dāng)量

即使這樣，還要再做修正，引入修正系數(shù)FT ；影響FT值的因素為氣水當(dāng)量P、Q、R，

P=（Ta2-Ta1）／（Tw1-Ta1）

Q=（Tw1- Tw2）／（Tw1-Ta1）

R=（Tw1- Tw2）／（Ta2-Ta1）=Cw／Ca

影響1

當(dāng)P值較小時(shí)（一般情況下，芯子較薄，在 50mm以下）此時(shí)可以認(rèn)為

FT≈1

影響2