散热器翅片间距的选取及其与微型风扇的匹配

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Determination of the Fin Gap of Heat Sink and its Match with Miniature FanWENG Jian-hua ，GUO Guang-pin ，CUI Xiao-yu(1.School of Energy＆Mechanical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China；2.School ofEnergy and Power Engineering，University ofShanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)Abstract：With the wind tunnel tests，the system impedance curve and the miniaturefan charteristics curve ofa laptap havebeen obtained.Meanwhile，the pressure drop ofairflOW through the heat sink and the total heat transfer ratefront the heatsink to the air has been calculated an d results have been an alyzed.It shows that the hydrodynamic entrance length an dthermal entratwe length take up a 恸 percentage ofthe totalflow channel length，and the efects ofentrance ofbothflow andheat transfer are evident.With the increase ofairflow rate，the amount ofheat d siP n increases，but after certain airflowrate，the increase of heat d sip on is not evident.However，minimizing the fin gap Can reduce the air flow rate whiled s ng sn，n amount of heat.Based on the system impedance curve and the miniature fan characteristics curve，thereduction ofair low rate Can lower the pressure drop ofthe whole system，resulting in low power consumption and low noise ofthe miniaturefan，which is beneficial to the operation ofthe laptap。

Key W ords：Heat Dissipation；Heat Sink；M iniature Fan；Laptopl l西随着电子器件集成度及功能的不断提高，电子产品及电子设备中-些器件热流密度也随之增大，给散热技术提出了越来越高的要求。某些军用功率器件的热流密度已达到 1 kW/cm 或更高1。

目前主要的冷却技术有空气冷却、微槽道、射流(Jet Impingement)等。由于采用液态冷却剂进行冷却的微槽道热沉存在压降偏大、易发生冷却剂泄漏等问题，目前强制对流空气冷却仍是笔记本电脑散热冷却的主要技术手段。笔记本电脑中散热量比较大的器件有CPU、 E桥和南桥，其中南桥多采甩单独的散热器进行散热，而CPU与北桥的热量则通过热管将热量传递至另-散热器 对用于笔记本电脑及可移动电子产品的微小型散热器的优化设计已有-些讨论 ，但这些讨论均未将散热器的优化设计与微型风扇及整个笔记本电脑系统联系起来。翅片间距是散热器设计中的-个主要参数。

由于空间限制，散热器的尺寸较小，翅片间距仅为 (12)mm，甚至更小，但仍可按常规尺寸下的流动来处理 另外，散热器的传热与流动计算应考虑入口段的效应。在考虑笔记本电脑散热器传热与流动特 以及散热器设计参数与微型风扇及整个笔记本电脑系统阻抗(System Impedance)之间关系的基础上，计算并分析散热器翅片间距对电脑散热系统及电脑运行的影响。

2系统阻抗特性曲线与微型风扇性能曲线的测试空气在微型风扇的抽吸作用下，由笔记本电脑后盖壳上的通风孔进入电脑系统内部 ，经主板上的元器件，再通过散热器流出。系统阻抗特性曲线及微型风扇性能曲线均可通过风洞测试平台进行测试后获得。测试得到的某型号笔记本电脑的系统阻抗特性曲线，如图1所示。其中横坐标为风量，纵坐标为静压降。测试得到的该型号笔记本电脑所用微型风扇的性能曲线，如图 2所示。其中横坐标为风量，纵坐标为风扇提供的全压，风扇的转速为 4200r/min。由系统阻抗特性曲线与微型风扇性能曲线即可来稿日期：2012-08-10作者简介：翁建华，(1968-)，男，江苏吴江人，博士，讲师，主要研究方向：传热与流体流动第 6期 翁建华等：散热器翅片间距的选劝其与微型风扇的匹配 53确定风扇的工作点。当散热量变化时 ，通过改变微型风扇的转速，改变微型风扇的性能曲线，使其工作点改变，从而使空气流量增加或减校70605O4O。。

、邑30201O0qxlO (m。。s )图 1系统阻抗特性曲线Fig.1 System Impedance CurveO 1 2 3 4 5q xlO (m ·s )图2微型风扇性能曲线Fig.2 Miniature Fan Characteristics Curve3散热器的传热与流动计算由于特性尺寸小，速度不高，空气在散热器翅片间的流动通常为层流流动.流动与对流换热的入口段-般并不重合≌气在散热器翅片间的对流换热按流动与换热同时发展(SimultaneouslyDeveloping Flow)进行计算。其次，由于通道的高与宽之比接近或大于 1O，将空气流经散热器翅片问的流动近似为平行平板间的流动。另外，散热器翅片各处温度之间的差值较小，将空气在翅片问的流动近似为等壁温流动。平行平板间流动入口段长度及其平均阻力系数可由以下两式计算 ：h - 丽 0诱.31 5l 0.01 O.0175R 1 ～ x )240.674/(4x，)-3.44/( )10.000029 x )(1)(2)式中：z ；，J厂 流动入口段长度；D厂 流道水力直径，对平行平板为板间距的两倍； -流动的雷诺数； 发展段平均摩擦系数 (fanning friction factor)； -流道某处至人口处的距离。

考虑充分发展段的阻力系数，整个流道平均阻力系数：户 ，(1- (3)等壁温条件下，平行平板间考虑入口段，且人口段为流动与换热同时发展的对流换热平均努赛尔数 ：Nu7.551003 58 L㈩ . ( 1式中： L ； -空气的普朗特数。

空气流经散热器的总换热量：QNmC( -Ti)[1- c ] (5)式中： V-流道个数；m-空气流经单个流道的质量流量；G-空气比热容； ， -翅片表面温度及空气入口温度；A-单个流道的换热面积；-流道平均对流换热系数。

平行平板入口段为流动与换热同时发展的局部努赛尔数目：№ 5 二 ： ： 6 Ⅳ 7.- - - - - - - - - - - - - 生 ---- ( )(10.0358( ) pro )具 th-D - 。R pr局部努赛尔数为充分发展努赛尔数的 1.05倍时，可认为换热入口段结束，由此可确定换热入口段的长度.等壁温条件下平行平板间充分发展努赛尔数可取为7.54m。

4计算结果与分析按上述方法，对某型号笔记本电脑散热器的流动与传热特性进行了计算。散热器翅片表面温度58C，空气入口温度40C。

散热器翅片高 1lmm，宽 22.3mm，厚 0.2mm.翅片间距 1.2mm时，共有翅片 54个。翅片间距 1.2mm时不同空气流速下流动与换热入 El段长度，如表 1所示。对流动而言，散热器出口基本上已处于充分发展段≌气流速6.0m/s时，散热器出口刚好处于充分发展段。换热入口段长度小于流动入口段长度。散热器翅片间距1.2ram时，散热量随空气流量的变化，如图3所示。散热量随空气流量的增加而增加，但流量越大，散热量随流量的增加值则变小，即空气流量增加到-定值后，散热量的增加就越来越不明显。

表 1不同散热器入口速度下的流动入口段长度与换热入口段长度Tab.1 Hydrodynamic and Thermal EntranceLength with Diferent Air Inlet Velocities叽xl03(m s )图3散热量随空气流量的变化Fig.3 Variation of Heat Transfer Rate with Air Flow Rate散热器散热量均为 19.5W条件下，如表2所示。不同翅片间距散热器入口的空气平均流速，空气流量及压降。由表可见，翅片间距越小，散失相同热量所需的空气流量就越校翅片间距越小，相同散热量下，散热器的压降可能会增加，也可能会减校但空气流量的减小，可使整个系统的压降有较大的下降，从而有利于减少风扇的功耗。不仅如此，空气流量的减泄可使风扇的转速下降，从而降低笔记本电脑运行时的噪音。 (下转第57页)No.6June.2013 机械设计与制造 57在此基础上，可以加丁出铝合金轮毂，并进行相关的试验。