LED的發(fā)光效率與壽命隨溫度升高分別呈直線?指數(shù)規(guī)律下降,溫度每降低10℃,壽命就能延長2倍,溫度過高會導(dǎo)致芯片燒毀失效?因此,LED的散熱問題是阻礙其成為主流光源的瓶頸之一?散熱裝置的發(fā)展,如板翅式散熱器在電子器件中的應(yīng)用,使得散熱翅片的優(yōu)化設(shè)計(jì)成為主題?陳啟勇等針對空氣滯留區(qū),流動空氣不能順利進(jìn)入翅片內(nèi)部,設(shè)計(jì)了一種透空型散熱結(jié)構(gòu)?ShaeriMR等研究了開縫數(shù)目與開縫尺寸對提高對流換熱系數(shù)和減輕散熱器重量的影響?WongS等研究了散熱面積與對流換熱系數(shù)的作用,在兩者相互作用中存在最佳翅片間距值?莊四祥等通過正交試驗(yàn)方法對散熱器進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)?

1翅片開縫優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1開縫結(jié)構(gòu)模型

在自然對流換熱過程中,散熱器周圍與內(nèi)部空氣的流動狀態(tài),直接影響散熱性能?通常在散熱器底部位置存在空氣停滯區(qū)域,該區(qū)域中空氣流動困難,影響了散熱器的散熱效果?散熱器模型如圖1所示?

對熱管散熱器的翅片進(jìn)行開縫優(yōu)化研究,設(shè)計(jì)了I?II?III3種不同結(jié)構(gòu)形式的開縫結(jié)構(gòu),通過分析翅片開縫結(jié)構(gòu)的溫度場與速度場分布來評價(jià)開縫結(jié)構(gòu)是否有效?3種開縫結(jié)構(gòu)模型如圖2所示,開縫縫隙寬度分別為t=2mm與t=4mm?I型翅片開縫模型將翅片分為兩部分,兩部分寬度相同,如圖2(a)所示?II型翅片開縫模型將翅片分為長度不同的窄邊與寬邊,兩端為寬邊,并且兩部分寬度相同,中間部分為窄邊,如圖2(b)所示?III型翅片開縫模型將I?II兩種開縫模型交替布置,如圖2(c)所示?

1.2邊界層方程

穩(wěn)態(tài)?無熱源自然對流散熱的邊界層方程為:

在計(jì)算過程中采用零方程模型,零方程模型是最簡單的湍流模型,針對大多數(shù)電子散熱問題而言,零方程模型具有足夠的計(jì)算精確度,經(jīng)濟(jì)適用,可以完全滿足計(jì)算要求?

2結(jié)果討論

2.1溫度邊界層分布

圖3為未開縫翅片的俯視溫度云圖,在未開縫改進(jìn)前,翅片內(nèi)溫度分布不均勻?在溫度云圖中散熱器中間區(qū)域部分溫度最高,溫度沿散熱器中心線向兩邊遞減,呈對稱分布,散熱器四周靠近空氣側(cè)翅片溫度最低?距空氣側(cè)較近的翅片溫度低,是由于在空氣側(cè)空氣的流速最大,提高了對流換熱系數(shù),換熱效果強(qiáng)烈,距離周圍空氣遠(yuǎn)的翅片,翅片內(nèi)部流動阻力大,空氣流動困難,難以充分與翅片進(jìn)行換熱,換熱效果較弱?散熱器翅片中間部位溫度邊界層比較厚,之后溫度邊界層厚度沿翅片長度方向向兩側(cè)遞減,散熱器中間部位翅片間的溫度邊界層難以得到發(fā)展和分離,溫度邊界層連接在一起,形成一條帶狀分布?

開縫結(jié)構(gòu)能夠增加流體流動的擾動,流動程度增強(qiáng),使邊界層減薄,減小換熱熱阻,增強(qiáng)換熱效果?圖4(a)?(b)是在翅片中間部位開縫,翅片被分為兩部分,開縫結(jié)構(gòu)破壞了連接成帶狀的溫度邊界層分布,將其分離開來,有效提高了散熱器換熱效果?圖4(c)?(d)翅片開有兩道縫隙,翅片被分為3部分,靠近空氣側(cè)部分較長,中間部分較窄,此結(jié)構(gòu)同樣能增加翅片內(nèi)空氣流動擾動,將溫度邊界層分離,增加散熱器換熱量?圖4(e)?(f)是將上述兩種開縫結(jié)構(gòu)間隔布置,提高散熱器散熱性能原理相同?與翅片未開縫之前的溫度云圖(圖3)對比,翅片的開縫結(jié)構(gòu)能夠增加流動空氣擾動,增加空氣流入量,使翅片內(nèi)部空氣的流動趨于一致性,使翅片壁面附近的溫度邊界層分離,各翅片表面的換熱系數(shù)趨于均勻,每一個(gè)翅片的換熱效果得到最大提升,增強(qiáng)對流換熱的效果,翅片開縫結(jié)構(gòu)是有效的?

2.2速度邊界層分布

圖5所示是未對翅片進(jìn)行開縫前散片內(nèi)部空氣流速分布,散熱器內(nèi)流體流動不均勻,空氣速度分布一般為剛進(jìn)入翅片處時(shí)速度最大,翅片中間區(qū)域速度最小?這是因?yàn)樵谏崞髑昂罂諝鈦砹髁魉俜聪?/span>,翅片入口處速度有最大值,但是散熱翅片結(jié)構(gòu)阻礙了來流空氣的流動,流動過程中在翅片壁面附近形成速度邊界層,隨著向翅片內(nèi)部深入流體流速降低?在翅片中間部位,由于相反流速的來流空氣存在相互“抵消”作用,使得這一部位空氣流速降到最低,出現(xiàn)空氣滯留現(xiàn)象,形成一個(gè)空氣滯留區(qū)?

圖6是經(jīng)開縫優(yōu)化后翅片間的流場分布,速度云圖中顯示了開縫翅片之間空氣的流速分布?

翅片經(jīng)開縫優(yōu)化后,開縫結(jié)構(gòu)破壞了翅片的完整性,散熱器內(nèi)部流體在沿翅片長度方向流動的同時(shí),空氣還能繞過開縫間隙沿翅片厚度方向流動,空氣的流動由單向變?yōu)槎嘞?/span>,增加流體流動的擾動?與此同時(shí)帶動了各翅片間空氣相互流動,彼此之間能夠進(jìn)行換熱?

將開縫優(yōu)化后的結(jié)果列入表1中表示,從表中可以看出,III型結(jié)構(gòu)(t=4mm)對溫度降低最明顯,I型結(jié)構(gòu)(t=4mm)對速度的提升最顯著?

3結(jié)論

在3種翅片開縫結(jié)構(gòu)中,I型開縫結(jié)構(gòu)中開縫寬度t=4mm翅片之間空氣流速最大,流速提高了18%,III型開縫結(jié)構(gòu)中開縫寬度t=4mm翅片之間溫度最低,溫度降低了5%以上?翅片開縫結(jié)構(gòu),可以使空氣流動狀態(tài)由單向變?yōu)槎嘞?/span>,增加流動空氣的擾動,削弱空氣滯留作用,達(dá)到了強(qiáng)化傳熱的目的?

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