第12卷第4期2017年2月
中国科技论文
CHINA SCIENCEPAPER
Vol. 12 No.4
Feb.2017
翅片结构对金属-聚合物散热器散热性能
影响的数值模拟研究
庄俭S黄漫玲2，张亚军S何晓祥S吴大鸣1
(1.北京化工大学机电工程学院，北京100029; 2.北京政法职业学院安全防范系，北京100024)
摘要:针对芯片的冷却问题，基于热量传递平衡原理,提出了 1种新型的金属-聚合物复合式散热器，该散热器利用金属基板优 良的导热性能和聚合物微结构翅片优良的散热性能实现热量的高效导出和高效散出。采用FloEFD热分析软件对翅片的高度、厚度、间距等翅片结构对复合式散热器散热性能的影响进行了研究。结果表明当翅片高度为50 m m时，热源温度最低；当翅片 厚度和间距分别为1 mm和2. 5 m m时，对流换热系数存在最大值，分别为32. 54和31. 93 W/(m2? K)，为高效、低成本的金属- 聚合物散热器的推广和应用提供依据。
关键词:散热器;金属-聚合物复合;数值模拟;散热性能；热量传递平衡
中图分类号:TQ320. 72 文献标志码：A 文章编号：2095 - 2783(2017)04 - 0439 - 05
Numerical study on the effect of fin structures on heat transfer
performance of metal-polymer compound radiator
ZHUANG Jian1, HUANG Manling2, ZHANG Yajun1 , HE Xiaoxiang1, WU Darning1
(1. College o f Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University o f Chemical Technology，Beijing 100029, China；2. Department o f Security and Protection，Beijing College o f Politics and Law，Beijing 100024, China) Abstract：A new type of metal-polymer composite radiator is proposed based on the principle of heat transfer balance, which is based on the excellent thermal conductivity of metal substrates and the excellent heat dissipation of performance polymer micro-structure fins to achieve highly efficient heat export and efficient release. The influence of fin structure such as height, thickness and pitch on the heat dissipation performance of composite radiator is studied by using FloEFD thermal analysis software. The re-sults show that when the fin thickness is 50 mm, the heat source temperature is the lowest. When the fin thickness and pitch are 1 mm and 2. 5 mm respectively, the convective heat transfer coefficient has the maximum value of 32. 54 W/(m2? K) and 31. 93 W/(m2? K) , respectively. This work provides a basis for the promotion and application of high-efficiency and low-cost metal- polymer radiators.
Keywords：radiator；metal-polymer composite；numerical simulation；heat transfer performance；heat transfer balance
随着高集成度电器元器件的推广应用，其热量 集中问题日益显现[1]。对于常见的金属散热器，由于金属的导热系数较高，使得由热源导出的热量远 远大于翅片散出的热量，使得热量堆积在翅片散热 表面，严重制约着热量高效地散发到空气中。聚合 物散热器具有较低的导热率，使得热量无法高效地 传递到翅片表面，热量集聚在热源处，严重影响元器 件的使用性能和寿命&4]。迫切需要研发高效、低成 本的金属与聚合物复合散热器，以满足热量平衡需求。
目前，对散热器的研究主要集中在性能提高及 翅片结构等方面。胡艳等[4]研究了翅片参数对直肋 散热器性能的影响，实验结果表明，翅片越厚、翅片 越高、肋间距越小，散热效果越好;Elnaggar[5]对翅片 数量和翅片厚度对散热器性能的影响进行了分析，结果表明翅片数量和厚度的增加都会提高传热效率，但是翅片数量的增加比翅片厚度的增加对传热 速率有更显著的影响；陈占秀等M分析了不同翅片 材料下翅片高度对散热性能的影响;Mohan等^研
究了翅片的数量和分布形式、翅片材料和基板厚度 又#散热性能的影响;Saini等m对导管和撞击流装置
中的散热器翅片的最佳几何形状进行了分析研究，结果表明管流中散热器的最佳几何尺寸为：翅片间 距为2.8 mm，翅片厚度为0. 9 mm，对于冲击射流，当翅片间距为1. 6 mm、翅片厚度为0.3 m m时，散热 性能最好。尽管对传统散热器的研究在材料制备、结构优化、测试手段等方面不断拓展[￡W2]，但是对于 复合式散热器的研究甚少，因此，有必要对金属-聚合 物复合式散热器的翅片结构对散热器性能的影响进 行深入研究。
本文采用具有高导热系数的金属和大散热面积 的聚合物微结构翅片进行复合设计，提出了 1种新
收稿日期：2016-07-25
基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（2012001020006)
第一作者：庄俭(1975 —），女，副教授，主要研究方向为聚合物微纳制造，zhuangjian@mail. buct. edu. cn
钢铝复合翅片管散热器具有其它类型翅片管散热器不可替代的优势，翅片管散热器一般用于加热或冷却空气，具有结构紧凑，单位换热面积大等特点。广泛应用于纺织，印染，石油，化工，干燥，电力等各个领域。翅片式散热器目前使用最广泛的是钢铝翅片管，它利用了钢管的耐压性和铝的高效导热性能，在专用的机床上复合而成。其接触热阻在210℃的工作情况下几乎为零。 （翅片管散热器-图片） 【翅片管散热器使用误区】 翅片管散热器的良好保养，可以很好的保障散热器的供热效果，提高散热器使用寿命。但是，若保养方法不当也会带来不良的影响。下面介绍翅片管散热器保养存在的三大误区： 误区一：将散热器包起来。 散热器被包起来后，罩内会出现卫生死角，容易滋生细菌、堆积灰尘。在来年供暖时，堆积的灰尘和细菌会随着空气对流而满屋飞扬，影响室内环境，对家人的身体健康造成危害。 误区二：铝质散热器不怕腐蚀。
这种观点是错误的。铝质散热器抗氧化腐蚀性强，但易发生碱腐蚀和氯离子腐蚀。因此，要避免铝制散热器和碱性（PH>7）或是氯离子含量较高的东西接触，以免发生腐蚀漏水的情况出现。 翅片管散热器保养的三大误区 误区三：把散热器中的水倒掉，保持干燥能更好的保养散热器。 （翅片管散热器-图片） 这种观点是错误的。因为散热器中的水是经过防腐、防霉、防锈、防污垢处理过的，水中的氧气含量很低，散热器不易生锈。若是将水排出，空气中氧气含量比水中高，散热器和空气中的氧气大面积接触，更容易发生氧化反应，且氧化的更快。所以，把水倒掉，散热器更容生锈长污垢，严重影响使用寿命。 翅片管散热器保养是必要的，但要注意避免出现以上误区，以免保养不当影响翅片管散热器的使用寿命。 【翅片管散热器性能特点】 1.散热面积大，散热效率高，升温速度快，温差小。
翅片管散热器是气体与液体热交换器中使用最为广泛的一种换热设备。它通过在普通的基管上加装翅片来达到强化传热的目的。基管可以用钢管；不锈钢管；铜管等。翅片也可以用钢带；不锈钢带，铜带，铝带等。花卉对温度和湿度的要求是非常严格的，因此花卉大棚内必须要安装好的散热器和暖风机设施，翅片管散热器就是比较常见和常用的温室加温设备。下面华益散热器给大家介绍一下花卉大棚专用翅片管散热器结构原理及性能特点。 【花卉大棚专用翅片管散热器的四个特点】 1、翅片管散热器的特殊性 采暖散热器作为建筑部品，不同于一般的家具，其特殊性在于它还是热水压力容器，存在着(腐蚀)渗漏的风险。因此业主在装修房屋选择散热器时，一定要有一定的风险意识，慎重对待。 2、翅片管散热器要与供暖系统相匹配 南方地区的水质特点决定了尽可能选择耐腐蚀性强的散热器或新型散热器，这两种散热器使用寿命可达25年和50年以上。散热器凭借存水量大，散热效果好，重量轻、承压高、喷塑表面美观而且价
格合理的优点，更值得用户推荐使用。 3、考虑翅片管散热器的材料 因为材质决定了它的供热性能、安全性、可靠性及寿命的长短。从散热性能来讲，和纯铝的最好，其次是钢质的，再次是。但散热器以其安全耐用，并且近几年的发展其样式已经多样化，装饰性也非常不错，因此翅片管散热器也是不错的选择。 4、翅片管散热器供水管道的因素 因为翅片管散热器在取暖季节管道一直是储水的，因此安全性非常重要。购买翅片管散热器及配件时消费者应选择大型建材超市或专卖店，并由翅片管散热器生产厂家或销售店专业人员上门安装，否则翅片管散热器一旦漏水就会酿成大损失。
【翅片管散热器结构原理】 凡在换热管上加装翅片，以达到增加散热面积的冷热交换器，均可归纳为“翅片管散热器”。 翅片管散热器按翅片的结构形式可分为绕片式；串片式；焊片式；轧片式。常用的材料为钢；不锈钢；铜；铝等。 【翅片管散热器批发厂家】 青州市华益散热器厂位于中华九州之一的东方古州——青州，这里公路铁路四通八达，交通便利，为本厂的发展寞定了良好的基础。我厂主要生产：养殖、种植专用散热器。 本厂专注生产设计的水散热器广泛用于畜牧养殖、花卉、温室大棚、蔬菜育苗、车间取暖、工业厂房等，产品远销全国各地，深受新老客户的信赖。 我厂拥有一支经验丰富、富有创新精神的技水开发队伍，具有强大的产品研实力和雄厚的技水力量，以及先进的生产设备，科学的管理，能根据客户的各种要求高精度的制作各种型号的产品。
翅片管散热器常识 翅片管散热器常识 翅片管散热器（简称散热器，又名散热排管、空气加热器、空气热交换器）：是以冷媒冷却空气，或以热媒加热空气，或以冷水回收空气余热，等换热装置中的主要设备。通入高温水，蒸汽或高温导热油可以加热空气，通入盐水或低温水冷却空气。 散热器可以广泛用在轻工、建筑、机械、纺织、印染、电子、食品、淀粉、医药、冶金、涂装等各种行业中的热风采暖、空调、冷却、冷凝、除湿、烘干等。 采暖散热器：是散热器应用之一，包括暖风机、暖气片。 翅片管散热器结构：散热排管、进出总管、框架。 其中，散热排管由散热管束组成，散热管由基管和翅片组成。散热管质量决定换热效果，散热管排列方式影响空气阻力，散热管安装方式决定承受温差（热胀冷缩）能力。 常用散热排管安装方式：框架固定式（SRZ型、SRL型、S型）、框架支撑式（GL型、U 型）。 其中，框架固定式，散热管直接焊接到框架箱盒，结构简单，一般用于180℃以下热媒或冷媒；框架支撑式，散热管穿过框架多孔板，与连通管（或弯头）焊接，一般用于180℃以上热媒。 常用散热管类型：钢制散热管（钢管绕钢翅片、热镀锌处理）、钢铝复合散热管（钢管轧铝翅片）、铜制散热管（铜管绕铜翅片、搪锡处理）、铜铝复合散热管（铜管轧铝翅片）、不锈钢散热管（不锈钢管绕不锈钢翅片、高频焊）。 其中，钢制散热管，热镀锌是关键，可以填充缝隙、稳固翅片、高效传热、高效防腐；铜制散热管，搪锡是关键。 散热器主要技术参数：散热面积、通风净截面积、传热系数。 其中，散热面积影响散热量，也是散热器主要成本参数；通风净截面积影响通风阻力；传热
系数影响传热效果。 烘干散热器选型参数：热媒（蒸汽、热水）、热风、物料。 其中：蒸汽（压力、温度），热水（进水温度、出水温度、流量），热风（流量、进风温度、湿度（含水量）、出风温度、空气阻力），物料（耗热量、蒸发水量） 保温散热器选型参数：热媒（蒸汽、热水）、空间、地域、保温。 其中：蒸汽（压力、温度），热水（进水温度、出水温度、流量），空间（长、宽、高）。
花卉对温度和湿度的要求是非常严格的，因此花卉大棚内必须要安装好的散热器和暖风机设施，翅片管散热器就是比较常见和常用的温室加温设备。翅片管散热器是气体与液体热交换器中使用广泛的一种换热设备。它通过在普通的基管上加装翅片来达到强化传热的目的。基管可以用钢管；不锈钢管；铜管等。翅片也可以用钢带；不锈钢带，铜带，铝带等。下面华益散热器给大家介绍一下花卉大棚专用翅片管散热器结构原理及性能特点。 （翅片管散热器-图片） 【翅片管散热器结构原理】 凡在换热管上加装翅片,以达到增加散热面积的冷热交换器，均可归纳为“翅片管散热器”。 翅片管散热器按翅片的结构形式可分为绕片式；串片式；焊片式；轧片式。常用的材料为钢；不锈钢；铜；铝等。 【花卉大棚专用翅片管散热器的四个特点】 1、翅片管散热器的特殊性 采暖散热器作为建筑部品，不同于一般的家具，其特殊性在于它还是热水压力容器，存在着(腐蚀)渗漏的风险。因此业主在装修房屋选择散热器时，一定要有一定的风险意识，慎重对待。 2、翅片管散热器要与供暖系统相匹配
南方地区的水质特点决定了尽可能选择耐腐蚀性强的散热器或新型散热器，这两种散热器使用寿命可达25年和50年以上。散热器凭借存水量大，散热效果好，重量轻、承压高、喷塑表面美观而且价格合理的优点，更值得用户推荐使用。 3、考虑翅片管散热器的材料 因为材质决定了它的供热性能、安全性、可靠性及寿命的长短。从散热性能来讲，和纯铝的最好，其次是钢质的，再次是。但散热器以其安全耐用，并且近几年的发展其样式已经多样化，装饰性也非常不错，因此翅片管散热器也是不错的选择。 （翅片管散热器-图片） 4、翅片管散热器供水管道的因素 因为翅片管散热器在取暖季节管道一直是储水的，因此安全性非常重要。购买翅片管散热器及配件时消费者应选择大型建材超市或专卖店，并由翅片管散热器生产厂家或销售店专业人员上门安装，否则翅片管散热器一旦漏水就会酿成大损失。 【翅片管散热器批发厂家】 青州市华益散热器厂位于中华九州之一的东方古州——青州，这里公路铁路四通八达，交通便利，
如何提高钢制翅片管对流散热器散热量 北京派捷散热器公司整理行业专家研究，分享如下提高钢制翅片管对流散热器散热量的研究成果。 一、钢制翅片管对流散热器影响散热量的因素 1、接触热阻对散热量的影响 接触热阻对散热器散热量影响非常大，接触不好影响到20%以上。对于铜管对流散热器要求铜管与对流片的过盈0.1mm。钢制焊接翅片管优于绕片散热器。 2、翅片高度对散热量的影响 四根管翅高15mm提高到17mm的钢制翅片管对流散热器，散热面积提高20%，散热量增加6%左右，这说明翅片管高度及其它结构尺寸选择比较合理时，增加翅片高度来提高散热量是不经济的。 3、钢制翅片管对流散热器翅片间距对散热量的影响 四根管翅高15mm的钢制翅片管对流散热器，片距8mm下降6mm，散热量提高13%;但也不是片距越小越好，一般两管3～4mm，四管片距4～5mm，六管5～6mm。铜管对流散热器一般两管3～4mm。翅片间距与高度、管根数及其它结构尺寸对散热量有相互之间的影响。 4、钢制翅片管对流散热器翅片管径对散热量的影响 翅片管的管直径DN20提高DN25时，四根管(高度15mm)散热量提高10%;六根管(高度17mm)散热量提高5%。因此增加翅片直径来提高散热量是不经济的。虽然散热面积增加很大，这主要是管内流速降低对散热器散热量影响较大。一般在DN20较为合理;对于翅片高度较小并且片距较小，管径16mm也合理。一般对流散热器的水流速为0.1～0.2m/s以内，如果水流速提高到1m/s，散热量提高到50% ，同时进出水的温差为1～2℃，阻力要大幅度增加。 5、翅片根数对散热量的影响 四根管(高度15mm)增加六管，散热面积增加50%，散热量提高10%左右，因此不经济。 6、钢制翅片管对流散热器外罩对散热量的影响 6.1 高度 四根管外罩高度400mm提高到700mm，散热量提高20% 以上，这主要“烟囱效应”;但外罩高度有优化值。 6.2 宽度