非等高翅片平板热管散热器仿真研究与优化设计

陈善友， 黄坤荣， 王俊， 黄依

（南华大学 机械工程学院，湖南 衡阳421001）

0 引 言

平板热管是热管中非常重要的一类，相对于普通热管，其散热特性非常显著，尤其是针对集中热源散热，其良好均温性能较快地将热量传导至翅片实现散热[1-2]。陈金建[3]基于平板型热管散热器对LED进行了散热研究，通过实验证明平板热管散热器能够实现较长距离传热，且仿真结果与实验结果相吻合，可用于LED散热设计；程冉冉[4]用重力热管散热器研究余热回收，采用Fluent软件对重力热管散热器温度场、速度场进行仿真研究，分别研究不同翅片参数及运行环境对重力热管换热性能的影响，并对各参数进行优化，得到热管换热器最佳结构参数；李健等[5]基于Icepak研究热管冷板肋片结构优化设计，得出菱形截面肋片散热效果最好；王瑞[6]研究了纵向翅片热管散热器对LED芯片散热的优化，对该热管散热器翅片结构进行优化，研究发现，纵向翅片热管散热器翅片高度对散热影响显著；甘志坚[7]研究了热电制冷的热端采用平板热管散热，利用Icepak软件仿真分析，对比翅片板式散热器、普通热管散热器和平板热管散热器散热特性，研究发现，平板热管散热器散热效率最优，但热源功率越大，散热性能也相对较差；黄晓明等[8]通过数值仿真技术研究如何提高翅片散热器散热效率，并基于自然对流条件下，研究翅片参数对散热的影响，结合多目标遗传算法研究翅片散热器翅片表面传热系数和肋面效率，结果表明，翅片表面传热系数是影响翅片散热效率的主要因素；师春雨[9]将热电制冷技术与热管散热器相结合，针对自然对流状态下热阻较高的情况，通过优化热电制冷散热器热端翅片减小热阻，提高热电制冷性能，并提出了非等高翅片设计，研究非等高翅片最大高度差与翅片间距对散热影响，并对翅片散热器结构参数进行优化，不仅散热效果更好，而且成本也降低50.72%。

尽管很多专家学者将热管散热器优化聚焦于热管内部流动和传热，却很少有人针对热管翅片结构优化，而研究平板热管散热器翅片结构优化，对强化传热起着非常重要的作用。本文基于Icepak软件研究平板热管散热器非等长翅片在风冷条件下散热，并对非等长翅片参数进行优化。

1 模型建立

本文利用Icepak软件将平板热管模型简化，用面热源模拟芯片。传统散热翅片热阻较高，图1中平板热管散热器翅片尺寸为130 mm×100 mm×0.5 mm, 翅片间距为3.5 mm，翅片数为35，热源功率为1000 W,风速为7 m/s。本文采用非等长翅片设计，在迎风侧翅片缩短，在一定程度上可减小热流动阻力，增强平板热管散热器散热能力，仿真后效果如图2所示。

图1 传统等长翅片平板热管散热器简易模型

图2 非等长翅片平板热管散热器简易模型

2 影响因素

利用Icepak软件对平板热管散热器进行仿真分析，得到在不同环境温度、热源功率、风速等条件下的温度分布云图。将仿真所得各组数据绘制成折线图，探索平板热管散热器的散热规律。

图3所示是在热源功率为400 W, 风速为2 m/s时，环境温度对芯片温度影响。随着环境温度升高，平板热管散热器散热能力降低，芯片温度逐渐升高。因此，环境温度的控制对于散热非常重要。

图4所示是基于环境温度为20 ℃，风速为2 m/s时，热源功率对芯片温度的影响。随着热源功率升高，芯片温度也快速上升，因此控制热源功率也是控制芯片温度的重要手段。

图3 芯片温度随环境温度变化图

图4 芯片温度随热源功率变化图

为了能更好地散热，研究了风速对热管散热器散热影响，图5所示是在400 W功率下，环境温度为20 ℃时芯片温度随风速变化的关系，由图5可知，随着风速增大，增加空气与翅片间流动换热，温度明显降低，但随着风速逐渐增大，当风速大于8 m/s时，芯片温度降低并不显著。

图5 400 W功率下芯片温度随风速变化图

3 翅片结构对散热影响

在不同功率下，非等高翅片长短对散热影响也不同，在较高功率下使用非等高翅片，芯片有源区降温明显，而对于较低功率芯片，其优势并不突出。因为热管热量是借助翅片传热，故翅片面积过小对于散热也不利，选取最优翅片长度是本文研究重点。本文提出非等长翅片中最长翅片与最短翅片差p的概念, 分别取p值为8.5 mm、17.0 mm、25.5 mm 、34.0 mm,探究p值在不同功率热源下对热管散热器散热的影响。

图6 1000 W功率下芯片温度随翅片结构变化图

图7 800 W功率下芯片温度随翅片结构变化图

图8 600 W功率下芯片温度随翅片结构变化图

图6 ～图8是芯片有源区温度随翅片长度变化关系，分别基于热源功率为1000 W、800 W 和600 W 时通过Icepak 仿真所得关系曲线。由图可知，当功率较高时，翅片内部有较快流速，一定程度上促进芯片有源区散热。在600 ～1000 W 功率下，平板热管散热器翅片长度差在25 mm左右时，散热效率最高。

图9、图10是分别基于芯片功率为400 W、200 W时芯片有源区温度随翅片长度变化关系。当有源区热源温度较低时，通过减小中部翅片尺寸增加流动达到快速散热效果较差，以过度牺牲翅片面积方式不可取。当热源功率介于200 ～400 W时，平板热管散热器翅片长度差在8.5 mm左右时，散热效率最高。

图9 400 W功率下芯片温度随翅片结构变化图

4 结 论

本文对于气体流过传统等长翅片散热器流阻过大问题，提出非等长翅片热管散热器，通过Icepak仿真研究分析，得出以下结论：

1）随着环境温度升高，平板热管散热器散热能力降低，芯片温度逐渐升高；随着热源功率升高，芯片温度也快速上升；随着风速增大，增加空气与翅片间流动换热，温度明显降低。但随着风速进一步增大，当风速大于8 m/s，芯片温度降低并不显著。

2）在热源功率为600～1000 W，平板热管散热器翅片长度差在25 mm左右时，散热效率最高；当热源功率为200～400 W，平板热管散热器翅片长度差在8.5 mm左右时，散热效率最高。