一．利用平衡點
前面我們分別介紹了散熱器串聯(lián)式和并聯(lián)式熱平衡計算的基本知識，能夠通過尋找系統(tǒng)的平衡點作出簡單的性能設(shè)計，滿足基本的散熱要求。在此基礎(chǔ)上，我們還可以做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計。
這是某款5排散熱器風(fēng)阻、散熱系數(shù)曲線與風(fēng)扇風(fēng)量—靜壓曲線的合成圖。
這是某款3排散熱器風(fēng)阻、散熱系數(shù)曲線與風(fēng)扇風(fēng)量 —靜壓曲線的合成圖。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。
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)兩種散熱器平衡點不同，對應(yīng)的散熱系數(shù)也不同。
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)散熱量計算公式：
Qw = Uw * S*ΔTm
Uw 和ΔTm加大，
用較小的散熱面積S即可滿足散熱量的要求。
找到最佳的平衡點，即滿足性能要求，又降低成本， 這是設(shè)計的主要工作。
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，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算：
Nf = Va * H / η f
式中： Va —— 通過散熱器的空氣流量 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%。
平衡點在風(fēng)扇風(fēng)量—靜壓曲線上的位置
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。將平衡點選在高效區(qū)需要經(jīng)驗的積累。
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，但過小的間隙會導(dǎo)致噪音加大。當(dāng)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)時還會發(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)是我們長期的工作。
散熱器熱流道模型
下圖是散熱器芯體的局部：
熱量移動的路徑1
散熱器中，熱量移動的第一個過程是熱量從高溫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 ：
Q=Awαw（Tw-T1）
熱量移動的路徑2
第二個過程是管壁內(nèi)T1的熱量傳導(dǎo)到管壁外T2，經(jīng)過的路徑是管料的厚度d ，可按熱傳導(dǎo)公式計算：
Q=Aw（λt/d）（T1-T2）
熱量移動的路徑3
第三個過程分兩部分，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，有兩個公式來表達(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)三個過程的溫度差，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）
因為A=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) 帶入實際參數(shù)計算后，公式中各部分占總數(shù)“1”的比例如下：
（100%）=（11%）+（0.1%）+（88.9%）
內(nèi)部優(yōu)化方向
三項熱阻中，氣側(cè)占到了88.9%，因此αa是其中的關(guān)鍵因素，調(diào)整開窗角度、長度、提高焊合率等有很大的必要。水側(cè)熱阻占到11%，通過改變內(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)
前面提到過算數(shù)平均溫差，為了精確計算， 還要用到對數(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（一般情況下，芯子較薄，在 50mm以下 ） 此時可以認(rèn)為
FT≈1
影響2
當(dāng)P值較大時（一般情況下，芯子較厚，在50mm以上 ）可通過查圖得到。在這張圖中，我們應(yīng)關(guān)注FT值較小的區(qū)域，在 這一區(qū)域中，雖然溫度只有很小的變化， 但FT的變化卻很大，導(dǎo)致ΔTm產(chǎn)生很大 變化。
修正系數(shù)圖
關(guān)注
當(dāng)FT在0.8以下時，說明散熱器芯體太厚， 或空氣流量不足，或液氣溫差太小，就容易出現(xiàn)問題。
編輯：李大鈞
