周 峰

(马钢股份公司第一钢轧总厂设备保障部，安徽 马鞍山 243011)

基于ANSYS的空调散热器结构对其散热性能的影响分析

周 峰

(马钢股份公司第一钢轧总厂设备保障部，安徽 马鞍山 243011)

空调散热器的散热性能是影响空调工作性能的重要因素，如何合理设计散热器结构以提高空调散热性能是目前亟待解决的问题。现利用ANSYS软件建立了散热器的有限元模型，并对其进行了热学性能分析，研究了散热性能与散热器结构的关系，然后对结果进行了对比分析，得到了散热器温度分布云图、相同结构不同鳍片数对散热器散热性能影响的关系曲线图以及不同结构相同鳍片数对散热器散热性能影响的关系曲线图，为空调散热器的优化设计提供了重要的依据。

散热器；ANSYS；有限元模型；结构；鳍片；散热性能

0 引言

空调是一种用于调节空间区域温度变化的空气调节器。空调散热器中最主要的部分就是散热鳍片，散热鳍片的质量、质地和型号都会影响散热器的散热功能。近些年来，国内外大量研究分析了计算机CPU散热器的热学性能，杜平安、黄洁、李德胜等在他们的文章中着重从CPU散热器的材料、几何尺寸、鳍片间距与厚度以及导热结构等几个方面分析了其对散热器性能的影响。而在空调散热器领域，研究散热器的结构、材料等方面对散热性能影响的甚少。故本文以有限元分析软件ANSYS为工具，运用ANSYS的热分析功能着重对散热性能与空调散热器结构的关系进行了研究，分析了相同结构不同散热鳍片数对空调散热器散热性能的影响以及不同结构相同散热鳍片数对空调散热器散热性能的影响。

1 有限元模型的建立

本文的分析对象为直板式空调散热器和扇形式空调散热器。直板式散热器尺寸为：散热器底座长203 mm、宽96 mm、厚4.5 mm；散热器整体高45.8 mm；散热鳍片侧面为梯形，上底1.5 mm，下底2 mm。扇形式散热器尺寸为：散热器底座长102 mm、宽102 mm；散热器整体高50 mm；散热鳍片侧面为矩形，厚2 mm。

1.1 几何模型的建立

本文2种结构的散热器所使用的材料均为6063-T5型铝合金。根据6063-T5型铝合金所具有的材料属性，其导热系数为201 W/(m· ℃)，比热为900 J/(kg· ℃)，密度为2 690 kg/m3。

1.2 结构离散

本文采用ANSYS自由网格划分方式划分网格。在ANSYS中热分析涉及的单元大约有40种，本文选取热单元为20节点的Solid90单元。网格模型分别如图1、图2所示。

图1 直板式散热器ANSYS网格划分模型图

图2 扇形式散热器ANSYS网格划分模型图

1.3 边界条件

根据空调散热器的实际工作环境、施加载荷以及约束条件，将温度载荷施加在底面，同时散热鳍片上存在对流约束。本文中设定周围空气环境温度为20 ℃，空气对流交换系数为50 W/(m2· ℃)，空调所产生的热通量设定为50 000 W/m2。

2 计算结果分析

下面就不同空调散热器结构对其散热性能的影响进行计算分析。

2.1 不同散热鳍片数对直板式空调散热器散热性能的影响

本文运用ANSYS的热分析功能，计算分析了散热鳍片数为7、9、11的情况下，散热器结构对其散热性能的影响，并绘制出了这3种结构下的散热器温度分布云图，如图3所示。

图3 鳍片数为7、9、11的散热器温度分布云图

从上面的3个散热效果图中可以发现，随着鳍片数的增加，散热器的最高温度有明显下降。当鳍片数为7时，直板式散热器上的最高温度为189.7 ℃；当鳍片数为9时，直板式散热器上的最高温度为158.6 ℃；当鳍片数为11时，直板式散热器上的最高温度为137.8 ℃。由此可知，散热鳍片数量的增加即散热鳍片间距的减少，可以提高散热器的散热性能，增强空调的工作性能。下面的曲线图(图4)形象生动地反映了散热鳍片数与散热器温度最高值之间的关系，同时进一步说明了散热鳍片数与散热器散热性能之间的关系。

图4 散热鳍片数与散热器温度最高值的关系曲线图

2.2 不同散热鳍片数对扇形式空调散热器散热性能的影响

针对不同散热鳍片数对扇形式空调散热器散热性能的影响所建立的模型与上文相似，可以从图5所示散热器温度分布云图中得出结论。

图5 鳍片数为11、17、21的散热器温度分布云图

从上面的3个散热效果图可以发现，随着鳍片数的增加，散热器的最高温度有明显下降。当鳍片数为11时，扇形式散热器上的最高温度为133.9 ℃；当鳍片数为17时，扇形式散热器上的最高温度为97.5 ℃；当鳍片数为21时，扇形式散热器上的最高温度为84.0 ℃。由此可知，散热鳍片数量的增加即散热鳍片间距的减少，可以加大散热面积，提高散热器的散热性能。图6显示了散热鳍片数与散热器散热性能之间的关系。

图6 散热鳍片数与散热器温度最高值的关系曲线图

3 结论

通过分析可以得出以下结论：(1) 当直板式空调散热器和扇形式空调散热器的其他参数保持不变时，通过增加2种散热器的散热鳍片数，可以加大散热面积，使散热器的散热性能提高，进而使散热器上的温度降低。但是散热鳍片间距过小会导致风道尺寸减少，风阻增大。所以，合理减小散热鳍片间距可以有效提高空调散热器的散热性能。(2) 当扇形式空调散热器与直板式空调散热器的散热鳍片数都为11且其他参数保持不变时，扇形式散热器温度最高值比直板式散热器温度最高值要低，这就说明在相同的条件下，扇形式空调散热器的散热性能要比直板式空调散热器的散热性能好。

[1]黄洁，杜平安.CPU散热器热学性能的有限元分析[J].计算机应用技术，2006(10)

[2]李德胜，韩爱龙，李翔.排式热管群构造CPU散热器的仿真分析[J].北京工业大学学报，2006(6)

[3]周建辉，杨春信.CPU散热器热分析与优化设计[J].现代电子技术，2006(18)

[4]余鹏，孙晓伟，曾艳，等.垂直均匀射流下CPU散热器换热性能的数值分析[J].工程热物理学报，2003(3)

[5]唐一峰，唐金沙，刘吉普.铜铝复合式CPU风冷散热器的实验研究[J].湖南环境生物职业技术学院学报，2009(2)

[6]邢菲，林吉靓.基于ANSYS的CPU散热片的散热及温度场分析[J].机械工程师，2010(5)

[7]杜平安.建立有限元模型的基本原则[J].机械与电子，2001(4)

[8]杜平安.结构有限元分析建模方法[M].北京：机械工业出版社，1998

[9]杜平安.有限元网格划分的基本原则[J].机械设计与制造，2000(1)

2014-03-03

周峰(1979—)，男，山东济宁人，工程师，研究方向：空调散热器散热性能的热物性等。