大功率散热器优化设计论文

大功率散热器优化设计论文（精选9篇）

大功率散热器优化设计论文 第1篇

1散热器物理模型的建立

大功率LED灯具主要由多孔型灯壳、透光罩、反光器、照明电源、LED灯珠、铝基集成电路以及平板型翅片散热器等组成。根据要求可将其设定为LED灯珠：型号为OSRAMLUW-W5AM，灯珠需要10颗左右，每颗灯珠额定功率为1瓦，电能转化效率设定为80%，在仿真模拟软件中使用二维点光源表示；铝基集成电路板的长宽高结构参数为180mm*92*1.5mm，线路板导热系数设定为200W/(m*k),铜膜覆盖厚度为60μm，导热系数为380W(m*k)；平板型铝翅片散热器：散热器长宽高参数为220mm*130mm*10mm，翅片厚度2mm，翅片间距及高度为：5mm，20mm,外壳导热系数为200W(m*k)。采用Icepak仿真模拟软件进行实验时，工作环境参数定义为自然对流换热模型，且周围介质环境为20°干燥空气。该软件计算域必须足够大，一般情况下计算域选定为：重力反方向上的模型高度定为3倍模型参数，重力方向模型高度定为2倍模型参数，模型侧面结构参数定为0.5倍结构参数，参考模型如图1，利用三维软件设计原理，可从不同层面对数据进行分析检测，实验过程中采用开放型边界条件。

2大功率散热器优化设计分析

2.1中心组合设计

首先采用等效电阻电路的处理方法，对散热器三个结构参数进行优化设计。三个结构参数分别为：翅片高度20mm；翅片间距6mm；翅片厚度2mm，然后根据CentralComposite设计原理对三个结构参数对散热器散热效果的影响，得出以下实验因素水平编码值表：表格中：r表示各结构参数与中心点的间距。

2.2数学模型优化设计

运用DesignExpert8.06，可计算出散热器三个结构参数对于散热效果的响应值，最后得出下列方程式：上述方程中：xi、xj为变量编码值；b0、bi、bji、bii,为计算系数；p为变量代号。

2.3散热器翅片结构参数最佳值确定

根据二次相应曲面模型计算方法求得二次相应面的对应方程的稳定取值点：利用上式可将回归方程换算为矩阵的形式：然后利用求导法则对上式进行求导可得：求得驻点即各结构参数的最佳值：假如在实际取值范围内无法求得驻点，即中心组核试验确定的响应面图形为近似板型，此时需要对考虑边界条件确定最佳值点。

3结语

本设计主要是对大功率LED灯具散热器的核心部件：灯珠、铝基集成电路板、平板翅型散热器，采用中心组合法对翅片散热系统结构参数进行优化设计：得出散热器的三个响应因子为翅片高度、间距及厚度，响应值为散热器工作温度；通过实验计算得出散热器的工作温度值，然后在利用DesignExpert8.06软件响应面分析程序对实验结果进行回归拟合，得出影响散热器散热性能的结构参数按主次顺序为：翅片高度>翅片间距>翅片厚度；3个响应因子的最佳结构组合为：翅片高度23．50mm，翅片间距6．05mm，翅片厚度1．32mm，在此条件下，散热器温度为45.2822℃。

大功率散热器优化设计论文 第2篇

所谓led(Light-emitting Diode的缩写)灯是指采用半导体发光二极管技术做为发光源的一种新型环保照明产品。LED 灯具有省电节能，易控制、免维护、安全环保、使用寿命长等特点，其使用寿命可达50,000-100,000小时，远超过传统钨丝灯泡的 1,000 小时及萤光灯管的10,000 小时。LED作为一种新型的节能、环保绿色光源产品，必然是未来发展的趋势。

不过目前LED灯具产品尚有不足，除价格较高外，发光效率偏低，工作时会产生较多的热量，需要散热器将热量导出并散发到环境中，否则将会影响LED的寿命甚至无法工作。

一.普通照明大功率LED灯具(1W以上)介绍

1.常见类型——球泡灯、射灯、蜡烛灯、管灯、吸顶灯、路灯、车灯等，并根据接口的规格不同有很多型号(部分灯具样品如下图)：

2.构成——通常包括灯罩、LED灯板、散热器、驱动电源、接口、绝缘胶或套(一般用

于金属散热器)等(如下图示)：

二.LED散热器的作用及工作原理介绍

散热器的主要作用是将LED芯片工作中产生的热量不断导出并散发到环境中，使芯片的温度保持在所要求的范围内，从而保证LED灯能够正常工作。散热器的好坏主要取决于散热器的热阻，热阻越小，相同条件下LED灯结温越低，LED结温越低，芯片使用寿命就会越长。散热器的热阻应该包括导热热阻和散热热阻两部分。对于一定形状的散热器，导热热阻主要与散热器材料的导热系数有关，导热系数越大，导热热阻越小，导热效果越好;在一定环境条件下，散热热阻主要取决于散热器的散热面积以及散热器表面材料的辐射系数，散热面积越大、辐射系数越高，散热热阻越小，散热效果越好。因此，LED灯具散热器必须具有一定的散热面积，同时制作散热器的材料必须具有一定的的导热性和较高的热辐射系数;另外，导热材料本身还应具有重量轻、易加工、价格低等特点。

三.常见LED散热器不同材质介绍

所谓LED散热器就是能够将LED芯片工作中产生的热量快速地导出并散发到环境中的一个元件，因此作为散热器仅具有一定的散热面积是不行的，制作散热器的材料必须具有一定的导热性，也就是要具有较高的热导率，才能将芯片产生的热量不断导出，并最终散到环境中;当然对于导热材料，除了导热性外，还应当具有比重小、价格低、强度高、容易加工等

特点。

常用材料通常包括金属材料，无机非金属材料和高分子材料三大类，其中高分子材料又包括塑料、橡胶、化学纤维等。导热材料一般为金属和部分无机非金属材料。在常见金属中，铝和铜的导热系数比较高，但铜的价格高，比重大，加工性不如铝，而铝质散热器完全能满足LED散热的要求，因此在LED金属散热器中以铝质散热器为主，铜质散热器并不多见，另外也有少量散热器是铁质的。导热性好的无机非金属材料加工前一般多为粉末状，需要经过特种工艺加工成型，加工成散热器后基本为陶瓷状;有些无机非金属材料导热系数很高又非常绝缘，但价格很高，如金刚石、氮化硼、氮化铝等;有些虽然导热系数高但不绝缘，类似金属，如石墨、碳纤维等;并且将无机非金属粉末加工成形状复杂的陶瓷散热器是非常困难的，因此，虽然陶瓷LED散热器是有应用的，但存在很大的局限性，需要进一步完善和提高。高分子材料本身导热性是比较差的，但如果将导热性好的金属粉末或非金属粉末添加到塑料或橡胶中，制成导热塑料或橡胶等，其导热性会大幅提高。导热橡胶因其特有的弹性，是其它导热材料无法替代的，因此在某些领域已经广泛应用，但因其刚性较差，作为散热器材料可能不太合适，目前尚未见相关报道;导热塑料单独或配以金属嵌件做成的LED散热器是最近开发成功的新一代LED散热产品，如果设计得当，可以达到压铸铝散热器的散热效果，并且外表面绝缘，使用更加安全，是今后LED散热器发展的方向。下面就几种常见不同材质的LED散热器简单作一介绍。

1.铝质散热器——目前较常见的LED散热器主要是铝质散热器，一般包括压铸铝和拉伸铝散热器两种。主要原因是金属铝的导热系数较高，比重小，易加工，价格便宜等。其中压铸铝散热器是目前最常用的，其导热系数70-90W/m.K，外形较美观，形状可多变，价格适中;缺点是本身不绝缘，为了安全需要增加绝缘胶或套，而绝缘胶或套一般导热较差，对散热是不利的，同时成本也会增加。另外，压铸铝散热器模具成本高，不利于新品的开发;生产过程需要消耗较多的能源，并且二次加工成本偏大。拉伸铝散热器导热系数200W/m.K左右，导热很好，一次加工成本较低，但往往需要二次加工，二次加工成本较高，而且形式较单一，同样需要增加绝缘处理，目前主要用于路灯及较大功率的室内LED照明。

2.导热塑料散热器——由国外几家大公司开发出的导热塑料LED灯具散热器，不仅解决了铝质散热器本身不绝缘的问题，而且散热器的重量也有所减轻。目前生产LED散热器导热塑料的公司主要有荷兰的帝斯曼，美国的SABIC，日本的 东丽公司等。导热塑料主要是由尼龙、PBT等耐热性好的塑料加入高导热的无机填料，如氮化铝、氮化硼等组成;其本身导热系数并不是很高，一般只有1-6W/m.K左右，用导热塑料单独制成的LED散热器散热性也不是很好，只能用于较小功率的LED产品，因此实际上导热塑料散热器一般是由导热塑料和内嵌铝件两部分组成。铝件采用冲压铝材，导热系数200W/m.K以上，这种铝塑复合散热器的散热性甚至可以与压铸铝散热器的散热效果接近或相当，加工也相对容易。但是，现有导热塑料的售价是相当高的，约合200-300元人民币/Kg，制成散热器的价格也比压铸铝散热器高，虽然在一些生产LED灯具的大公司如飞利浦公司等有一定应用，但近期是无法大量替

代铝质散热器的。

3.Thertrans导热塑料散热器——最近由上海合复新材料科技有限公司独立开发完成的导热塑料散热器Thertrans是由该公司开发的导热塑料Therpoxy(已申请专利)和内嵌铝件(铝件材质同热塑性LED散热器)构成。Therpoxy导热塑料是由树脂加入部分导热填料及其它相关材料混合而成的一种导热塑料，其导热系数3.6W/m.K，价格每公斤100元人民币左右。该材料具有导热、绝缘、阻燃、耐热、环保、耐老化、易成型、重量轻、价格较低等特点。其中阻燃可达到UL94V01.3mm，环保已完成ROHS认证，表面耐击穿电压4000V以上。Thertrans导热塑料散热器外形美观，试样多变，可用注塑机加工成型，其重量比相同形状压铸铝散热器低三分之一左右，而且不必另外增加绝缘处理，甚至可以将螺纹口等与散热器一起成型，有效减少了LED灯具生产厂家的组装工序及成本。从测试结果看，Thertrans导热塑料散热器的散热效果可以和相同形状压铸铝散热器接近、相当甚至略好，说明Thertrans散热器的综合导热系数与压铸铝相差不大，或者说相同形状的Thertrans导热塑料散热器和压铸铝散热器的热阻基本一致。

Thertrans导热塑料散热器的导热机理是LED产生的热量首先通过铝基板迅速传导给内嵌铝件，再由铝件通过导热塑料传导到散热器外表面，最后散热器外表面的热量通过对流和热辐射等方式散发到环境中。另外一般塑料的热辐射系数都高于金属铝，因此导热塑料散热器表面到环境辐射散热的效果应该好于相同外形的铝质散热器，即导热塑料散热器的辐射散

这种Therpoxy导热塑料还可以通过加工设备快速封装LED驱动电源，或将散热器与驱动电源一体成型，这样一方面可以有效地改善电源本身的散热问题，另一方面封装好的驱动电源可方便拆卸、更换。导热塑料Therpoxy也可用于其它需要散热的场合。

四.LED散热器热阻分析

通常所说的热阻一般是指反映阻止热量传递能力的一个综合参数。热阻的大小是反应LED散热器散热性好坏的关键，热阻越小，散热器导热、散热效果越好。

散热器的热阻是指散热器到环境的总热阻，它由散热器内部热量传导过程中的导热热阻和散热器外表面向周围环境通过对流和辐射方式散热过程的散热热阻两部分组成。下面就LED散热器各部分热阻及其影响因素分别加以讨论：

1.散热器本身导热热阻

散热器导热热阻可用以下公式计算：

R导=(T1-T2)/W(热阻单位为 ℃/W)⑴

式中

R导——散热器本身导热热阻

T1——与铝基板接触点处散热器的温度

T2——散热器外表面平均温度

W——LED灯功率

另外，根据能量守恒定律，热平衡后LED灯产生的热量与散热器自身导出的热量是相等的，用公式表示为：Q产=Q导+Q罩(热量从灯罩散出的很少，为便于分析，在此忽略不计)，其中

Q产=a.W ⑵

Q导=b.s.(T1-T2)/L ⑶

式中

Q产——LED工作时产生的热量

Q导——散热器本身导出的热量

T1——与铝基板接触点处散热器的温度

T2——散热器外表面平均温度

a——LED产热系数

W——为LED灯实际功率

b——散热器材料综合导热系数

s——散热器平均传热面积

L——散热器热传导平均距离

对于特定散热器b、s、L是一定的，因此公式⑶可简化为Q导=m.(T1-T2)，其中m=b.s/L，经推导可知m.(T1-T2)=a.W，因此(T1-T2)=a.W/m，带入公式⑴可知R导=a/m，由此公式可以看出对于特定散热器，在LED灯源一定的情况下，散热器的热阻是一个定值。另外，在热阻计算公式中W代表的是LED的总功率，而LED在工作中一部分功率用于发光，一部分功率转变为热能，因此既然是计算热阻，公式中的W换成产热功率(a.W)更为科学，这样R导=1/m=L/(b.s),就是说散热器本身热阻与电阻一样，是一个仅跟散热器本身参数有关的常数，它与散热器平均传热距离成正比，与散热器平均传热面积、散热器材料导热系数成反比。

2.散热器表面到环境的散热热阻

散热器表面到环境空气的散热热阻可用下式计算：

R散=(T2-T3)/a.W ⑷

式中

R散——散热器表面到环境的散热热阻

T2——散热器外表面平均温度

T3——环境温度

W——LED灯功率

a——LED产热系数

散热器外表面向环境散热的方式主要以对流为主，其次为热辐射，热传导很小可以忽略不计。散热器的对流及辐射散热公式如下：

Q流=c.(T2-T3).S散 ⑸

Q辐=d.(T42-T43).S散(此式中T为绝对温度)⑹

式中

Q流——散热器表面到环境的对流散热

Q辐——散热器表面到环境的辐射散热

c——散热器周围环境的自然对流系数

d——散热器表面材料的辐射系数

S散——散热器外表面积

T2——散热器表面平均温度

T3——环境温度

根据能量守恒定律，LED灯热平衡后Q产=Q导+Q罩=Q散+Q罩=Q流+Q辐+Q罩(热量从灯罩散出的很少，为便于分析，在此忽略不计)，即a.W=c.(T2-T3).S散+d.(T42-T43).S散。

在一定环境条件下，对于特定散热器而言，对流系数、辐射系数是恒定的，散热面积也是一定的;对于恒定电源，产热功率是一定的，那么由以上公式可知(T2-T3)是一定的，因此散热器到表面环境的散热热阻是一定的。但如果灯源的产热功率(a.W)增大(或减小)，散热器外表面温度也会升高(或降低)，分析一下辐射散热公式可以知道，散热器外表面温度T2升高(或降低)的比例小于产热功率增加(或减小)的比例;因此散热器外表面到环境空气的热阻与产热功率有关，产热功率增加，散热器表面到环境的热阻应该略减小，相反，产热功率降低，散热器表面到环境的热阻会略升高。

对于不同散热器，在产热一定的情况下，由公式⑸、⑹可知散热面积、对流系数、辐射系数越大，(T2-T3)就越小，那么散热器热阻也越小。也就是说，散热器的散热热阻不仅与其本身的散热面积以及散热器表面材料的辐射系数有关，还与LED灯所处环境的通风情况也就是周围空气的自然对流系数有关，是一个可变量。

3.散热器(到环境)的总热阻

散热器的总热阻等于散热器本身导热热阻加上散热器表面到环境的散热热阻，散热器到

环境的热阻可通过以下公式计算：

R3=R1+R2=(T1-T3)/a.W ⑺

通过前面的分析可以知道，影响散热器总热阻的因素可以概括如下：

⑴.散热器本身参数的影响：散热器平均传热距离越短，散热器热阻越小;散热器平均传热面积越大，散热器热阻越小;散热器材料导热系数越大，散热器热阻越小;散热器散热面积越大，散热器热阻越小;散热器表面材料的辐射系数越大，散热器热阻越小

⑵.对流系数的影响：散热器周围环境通风越好，自然对流系数越大，散热器热阻越小

⑶.产热功率的影响：同一散热器，同样环境下，实际产热功率越大，散热器的热阻反

而略有减小。

所以散热器的总热阻不仅与散热器的散热面积、几何尺寸、表面材料的辐射系数等自身因素有关，还受LED的产热功率以及周围环境的对流系数等外部因素的影响，并不是一个恒定的数值。但一般来说，在自然对流情况下对流系数变化并不大，正常情况下LED产热功率的变化也不会太大，对热阻的影响应该很小。为便于分析和计算，我们在应用时可近似认为

散热器的总热阻是一定的。

五.散热器散热性测试方法介绍

在此选择形状相近的压铸铝和Thertrans导热塑料两款散热器进行测试，并对测试结果

进行分析、对比。

1.实验设备

四通道温度测试仪——精度0.1℃

感温线

数显温度计

电脑

2.测试样品

⑴ A19压铸铝散热器——市购(表面喷白漆)

⑵ TR-E101W Thertrans导热塑散热器(内置铝套)——上海合复复合材料科技公司(表

面喷白漆)

以上两款散热器尺寸基本相同，散热面积相当，如下图示

3.测试灯源——六颗灯珠(串联)LED(发光效率20%左右)

4.测试电源——5W直流驱动电源(测试时置于散热器外部)

5.温度计量点

* LED灯角温度——感温线与灯角锡焊(近似等同于结温)

* 铝基板下端面温度——感温线与铝基板螺丝连接(近似与铝基板接触点散热器温度)

* 散热器外表面叶片温度——感温线与叶片铁夹固定(位置固定)

* 环境温度——感温线自然放置

6.测量方法

首先，将测温仪、LED灯板、电源、散热器、电脑、感温线等按要求连接好，接通电源并开始测温，每组实验，待温度曲线相对稳定一定时间后，保存测试曲线和数据，并做好记录。每组实验至少测量三组数据，最后取平均值。

7.测试结果

A.压铸铝散热器测试结果及曲线(纵轴为温度，横轴为时间)：

B.Thertrans导热塑料测试结果及曲线(纵轴为温度，横轴为时间)：

8.结果分析

从以上测试结果可以看出，A19压铸铝散热器灯角温度63.1℃，环境温度27.1℃;TR-E101W Thertrans导热塑散热器灯角温度62.4℃，环境温度27.9℃。下面我们再用公式 ⑺ 计算一下两款散热器的热阻，压铸铝散热器的热阻R1=(63.1—27.1)/(5×0.8)=9℃/W，Thertrans导热塑料散热器的热R2=(62.4—27.9)/(5×0.8)=8.6 ℃/W(由于散热器表面平均温度很难测定，在此无法准确计算散热器的导热热阻和散热热阻)。通过以上分析可以说明，相同形状的导热塑Thertrans料散热器与压铸铝散热器散热效果可以做到相当或略好。另外，从散热器图片可以看出压铸铝散热器因为本身不绝缘，需要另外增加绝缘塑料套，而导热塑料散热器因为本身绝缘可以不用另外绝缘处理，因此更便于使用，也更安全。

六.LED散热器的选型及设计要点介绍

要想设计或选择一款合适的散热器产品，不但要保证散热器的外型美观、易加工、价格低，更重要的是要满足LED芯片的散热要求，使LED工作温度保持在规定的范围内。

首先我们了解一下影响LED灯结温的因素。根据我们的经验，对影响LED结温的因素进

行了如下归纳，供大家参考：

1.LED灯板——

LED灯功率：功率越大结温越高

芯片发光效率：同样功率，芯片发光效率越高，产热越少，结温越低

灯珠数量及分布：同样功率，铝基板越大，灯珠越多，分布越均匀，结温越低

2.LED铝基板与散热器的连接(铝基板与散热器之间的热阻)——

铝板：铝基板与散热器直接相连比铝基板加铝板(如铝基板太小，无法与散热器直接相连，需外加铝板)再与散热器相连的LED结温低;铝板、铝基板表面平整度越好一般结温越低

连接方式：在机械连接情况下涂少量导热硅脂，LED结温一般要低

3.散热器——散热器热阻越小LED结温越低

4.环境温度——环境温度越低LED结温也越低

大功率散热器优化设计论文 第3篇

汽车散热器是汽车冷却系统中不可缺少的一个组成部分,其性能好坏对发动机的动力性、经济性和可靠性有很大的影响。带有百叶窗的散热器具有切断散热带上气体边界层的发展、减薄边界层厚度、提高散热器性能的作用。对其内部的流动结构、传热与阻力特性进行了系统的研究。目前国内散热器产品中,开百叶窗的散热带及管带式散热器产品所占比重明显上升,产品结构向紧凑、高效、低耗、轻量化方向发展。但国内一些汽车散热器生产厂家在散热器设计和应用过程中,对其传热与流动性能的计算方面的工作还比较欠缺,主要是通过实验加以解决。2JC型汽车散热器是一种铝塑制带百叶窗管带式汽车散热器,因其主要应用在军车上,军工产品的特殊性及严格性,我公司为了进一步提高产品的散热性能及产品的质量,提出在尽量不改变散热器生产的刀具、模具,保持原有装配结构尺寸的基础上,使该散热器的散热能力提高20%。为此,我们对带百叶窗的管带式散热器内的传热与流动阻力特性进行了研究,编制了汽车散热器的传热与流动阻力计算程序,并由此分析了散热器结构参数与材质对散热性能的影响,提出了提高2JC型汽车散热器散热能力的方案,为实现散热器结构设计计算机程序化、提高设计的准确性和最优性奠定了基础,也为实施汽车散热器散热性能改善措施提供了有效的理论依据。

1 理论计算值与实验值的比较

关于带百叶窗散热带的汽车散热器的换热性能和空气侧流动阻力的理论分析和计算方法。以该理论模型为基础,我们编制了计算散热器流动阻力与传热性能的计算机程序,并计算了2JC型汽车散热器的散热量与风阻。2JC型汽车散热器的主要结构尺寸见表1。散热带上百叶窗尺寸采用SUFCOM75A表面轮廓度、粗糙度测试仪测量,结果见表2。表中各符号的定义如表1所示。

图2为散热器进口水温为90℃,进口风温为30℃,冷却水流量分别为50 L/min和80L/min时,C6型汽车散热器传热性能计算值和实测值”的比较。

由图中可知,理论值与实测值基本吻合,最大相对偏差为8.9%,且在高风速区域误差较大。图3为风阻的理论计算值与实测值的比较。风阻的理论值在低速时与实验值相差不大,但随着速度的增加,偏差增大,理论值最多低于实测值35.5%。我们认为在高风速区风阻理论值偏低的主要原因在于Webb的风阻理论计算式中只涉及了散热器芯内部的沿程阻力而未计入空气进、出散热器芯产生的局部阻力损失。但在常见的工况范围内理论值与实测值基本吻合。

2 散热带结构参数对散热器性能的影响

笔者采用编制的计算程序对不同散热带结构参数的散热器的风阻与传热特性进行了计算,下面分别对各个结构参数的影响进行讨论。

2.1 散热带波距对散热器性能的影响

其余参数不变,而散热带波距分别为3.5 mm、3.0 mm、2.5mm和2.0 mm的散热器的传热与风阻理论计算值,如图4、图5所示。散热器的散热量随散热带波距的减小而增加,同时风阻也随之增大,散热器芯的重量增加。

2.2 百叶窗开窗角度对散热性能的影响

散热器百叶窗开窗角度分别为25º、30º和35º时的性能示于图6、图7。由图中可知,随着开窗角度的增加,散热器的散热量和风阻都随之增加,但散热量的增加幅度很小。

2.3 散热带材质和厚度对散热器性能的影响

散热带材料为铝合金(导热系数为180 W/m·oc)、百叶窗开窗角度为30º、冷却水流量为40Llmin时,散热器的散热量、风阻与空气流速的关系。散热带材质对散热器散热性能影响较大。因此提高散热带材料的导热系数主要使散热带肋化效率增加,从而提高了风侧换热性能,使整台散热器的散热量增大。通过大量的实验证明,散热器的散热量和风阻随带厚度的增加而增大,在本文的带厚度变化范围内,带厚度对散热器的换热和风阻的影响较小。

3 2JC型汽车散热器改进方案

根据前述的分析结果,笔者将C6型汽车散热器的散热带的波距由原来的3.5mm减小至3mm,同时将散热带厚度由原来的0.09mm减薄至0.07mm,其余结构尺寸不变。改进后的散热器的散热量将比原散热器增加20.1%,风阻增大11.0%,而散热器芯重量由2.166kg增加到2.056kg,重量几乎不变。从理论计算而言,这种方案完全能够满足生产厂家的要求,而且在实现该方案时,将不用改变各主要的生产工艺、刀具、模具。

由于新材料的引进及对产品耐腐蚀性能进一步研究,在这里我们简单介绍一下散热带与散热管材料的匹配,那么散热管和散热带材料如何搭配才能起到电偶保护的作用呢?散热管表层与散热带电位差最好在50~105之间,散热管芯层电位与散热带电位差最好在70~140之间,注意散热带的电位要低于散热管的电位,这种电位差异对腐蚀的影响很大。最佳合金的电位搭配对整个散热器来讲,在腐蚀方面,在同等条件下,首先腐蚀的是散热带,而在此过程中散热管是完好的。只有散热带完全腐蚀了,散热管才开始腐蚀。这样就有效的保护了散热器整体密封闭性能,并提高散热器系统的抗腐蚀性能。

4 结论

文章主要讨论了通过理论计算和实际实验数据进行对比。结果表明:散热带波距是影响散热器性能的主要参数,散热量随散热带波距的减小而增加,而百叶窗开窗角度在25º~35º、散热带厚度在0.06~0.10 mm范围内变化对散热器散热量的影响较小。

通过实验对比研究,对散热器的散热性能有了进一步的了解。而且能很好的应用在以后的设计中。

摘要：随着科学技术和汽车工业的蓬勃发展,对发动机散热器的性能的要求也越来越高,目前百叶窗的管带式汽车散热器得到普遍的应用,在保证散热器具有足够的散热性能的前提下,体积小,耗材要少,效率更高成为散热器发展的必然趋势,我公司是根据理论分析和在实际工作中的实验数据及新材料的不断涌现,建立管带式散热器传热与阻力预测模型。在满足传热和阻力的要求下,提出了散热器芯体结构参数优化的方案,以达到减少耗材和降低厂家生产成本的目标。最后形成管带式散热器设计、校核、优化一体的设计分析。散热器的传热与流动阻力计算程序,计算结果与实验数据在常规工况范围内基本吻合。运用图解的方法分析了散热器结构参数与材质对散热器流动阻力与散热性能的影响。

关键词：汽车散热器,传热,风阻,电偶保护

参考文献

大功率散热器优化设计论文 第4篇

【关键词】散热；LED；舞台影视照明；灯具设计

文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2014.11.002

【Abstract】Heat dissipation is an important problem of performance and life of LED light. In this paper a new type of heat dissipation structure design in LED video tablet soft light was introduced， so as to lead in better effect of LED light heat dissipation.

【Key Words】heat dissipation； LED； stage film and television lighting； lighting design

引言

自从上世纪末白光LED诞生以来，LED照明技术得到了飞速的发展。目前LED照明在城市景观、LCD背光板、交通标志、汽车尾灯照明和广告招牌等方面有着广泛的应用。

在舞台影视照明领域，LED光源凭借其光效高、能耗低、寿命长、无污染等众多技术优势，也显示出超强的魅力。2003年，LED PAR灯在国内演艺设备行业首次亮相，标志着LED灯具作为一种新型的绿色光源产品，开始走入舞台影视照明领域。随着LED PAR灯在电视演播室的使用，各种各样的LED影视舞台灯具也迅速发展起来。2008年北京奥运会开闭幕式使用了大量的LED产品，LED灯具大放异彩。当今，LED灯具已经在舞台演出和影视照明领域不断前进，其取代传统光源灯具的趋势不可逆转。

1 散热性能对LED灯具的重要影响

LED是固态光源，发光芯片面积小，工作时通过芯片的电流密度大；而单颗LED芯片的功率比较小，所输出的光通量也较低，所以，在实际应用到照明设备时大多灯具要求由多颗LED光源组合而成，从而使得LED芯片密集度较大。又因为LED光源的光电转换率不高，大约只有15%～35%左右电能转为光输出，其余均转换成为热能，因此当大量LED光源集中工作时，将会产生大量的热能。如果不能使这些热量尽快有效地耗散，会致使LED光源结温上升，减少芯片出射的光子，使色温质量下降，加快芯片老化，缩短器件寿命。因此，对LED灯具散热结构进行热分析和优化设计就变得异常关键。

就LED光源而言，LED芯片与LED基板之间以及LED基板和散热器之间采用热传导的方式进行散热，散热器和大气环境之间采用热对流的方式进行散热。LED光源热量的75%是通过热传导的方式发出，基本不用考虑热辐射的散热情况。为了较好地控制LED的结温，良好的散热设计主要是从以下两方面考虑：一是改善LED发光器件的内部封装结构，提高发热芯片向基板传导热量的能力；二是提高外壳向外界散热的能力。

影视照明灯具是专业照明领域里要求比较高的一种灯具，其要求灯具在使用过程中不能出现色温漂移的现象，而且有很高的噪声要求。这就要求LED灯具设计时要充分考虑灯具的散热：只有具有良好的散热性能，才能保障LED芯片温度在恒定的范围内，而不至于在使用过程中产生色温漂移；在足够散热的条件下尽量减少散热噪声，最好是实现没有噪声的散热。

2 一种新型的散热结构设计

广州市珠江灯光科技有限公司新近推出了一款具有自主专利的LED影视平板柔光灯（如图1）。这款灯采用自然散热方式，不产生任何噪声，很好地满足了影视照明灯具的噪声要求。在散热结构方面，采用了一种新的结构设计，使LED的热量很好地通过空气对流散发到空气中，保证了LED能够在安全的温度范围内工作，从而确保灯具在使用过程中，不会因为温度过高而产生色温漂移和亮度衰减的问题。

2.1 结构

先看这款灯具散热部分的结构（如图2）：

从结构上看，光源部分采用16颗集成式LED光源，分成3组安装在凸起来的传热面上，每组之间就有一条整体的凹槽。在凹槽底部就是散热器的支撑板，支撑板把散热器分隔为两个区域：前面的LED光源安装区域和后面的散热片区域。同时，在凸起部位的两侧各留出一排缺口，切开散热器其中的一边看看缺口的位置（如图3）。还有就是从正面图看到中间凸起部位还有一排通孔。

2.2 设计原理剖析

从图3可以看到，缺口和通孔都是连通前后两个区域的作用。

此散热系统中，LED的基板是灯具散热系统的传热载体，也是笔者能够接触到的最热的部位。从LED芯片传到基板上的热量，大部分通过散热器传导到散热片上扩散到空气中，而在基板周围的空气受到高温基板的影响，温度也迅速上升。后面区域的温度是通过基板传导到散热片上的热量而上升的，所以其温度上升要比前面区域慢。这样，就导致以支撑板为分隔的前后两个区域存在温度差，而缺口和通孔就是连通这两个有温差的区域的。根据空气流通的原理，当两个区域存在温差时，就会通过这些缺口和通孔进行冷热空气交换，这样就靠自身的结构让空气流动起来（如图4）。前面提到的凹槽就是为了使空气能够在LED周围形成循环流动的风道，让空气流动的范围达到整个区域。

因为前后两个区域对传来的热量存在时间差，所以在灯具使用的过程中，它们永远无法达到真正的热平衡，会一直进行冷热空气的流动热交换。因此这两个区域的空气流动是永远不会停止的。

也是因为有了永不停止的热交换空气流动，使得灯具的散热效果大大提升。研发人员在设计过程中做了多种情况的温度测试，最终结果就是现在的结构达到最好的散热效果。在模拟的空气冷热交换流动图（如图5）中可以看到，通孔起到了非常重要的作用。

2.3 测试

为了验证这种结构的有效性，研发人员反复地做了一项对比测试：将两组灯具，第一组是按照本文所述的结构设计，第二组是将所有的缺口和通孔都封起来，放在相同条件（温度为31.5℃、湿度为55%、无风扇）下的恒温恒湿箱进行测试，灯具热平衡后，利用红外测温仪测量出两组结构的热分布情况（仪器数据显示见图6、图7）。从中可见，第二组的最高温度点达到了55.7℃，而第一组的最高温度点仅50.7℃。即第二组无论是最高温度、平均温度还是最低温度，都比第一组高5℃左右。数据见表1。这个测试充分证明了此种散热结构的有效性。

从以上实例可以很清楚地看到，这款产品在结构设计上，充分考虑了空气力学方面的相关特性，在结构上巧妙地利用这些特性，使LED的散热达到了比较好的效果，为以后同类LED灯具的散热设计提供了很好的参考。

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管壳式换热器工程设计论文 第5篇

3.1Colburn-Donohue方法

管壳式换热器的壳侧的传热和流动过程是非常复杂的，尤其是壳侧的传热和压降设计计算非常重要，一些设计原理就是通过壳侧传热和压降计算方法的确定而建立的。1933年，以理想管排数据为基础的壳侧传热系数计算关联式由Colburn首先提出。而带有折流板的管壳式换热器中存在漏流和旁流,采用Sieder-Tate关联式计算进行设计更为方便。因为管壳式换热器中同时发生流体的传热与流动阻力，它们是相互制约的，所以，在设计计算中应将流体的传热与流动阻力作为一个整体考虑。1949年,完整的管壳式换热器综合设计方法由Donohue首次提出。这种方法的传热计算式对Colburn关联式进行了修正，这种方法称为Colburn-Donohue方法。

3.2Kern方法

在Colburn-Donohue法的基础上，Kern方法进行了一定的改进。Kern方法将设计作为一个整体来处理，考虑传热、壳程管程流动、温度分布、污垢及结构等问题。后来对这一设计方法又进行了总结,新的内容增加了进去,它已经成为目前管壳式换热器的重要设计参考书，对管壳式换热器的发展和研究具有巨大的价值。3.3Bell-Delaware方法Bell在前人研究成果的基础上，为了进一步对管壳式换热器壳程的工艺设计进行改进，提出了Bell-Delaware方法。Bell-Delaware方法是一种精确度较高的半理论方法，它利用大量实验数据，将各流路的校正系数引入，将传热、流动与结构的综合效应考虑在内,但是由实验数据回归得到该方法的传热关联式中的系数与指数，该方法的适用范围有一定的限制，总体来说是有利有弊的。

3.4流路分析方法

为克服Bell-Delaware法的受到适用范围的限制的局限性，美国传热研究公司提出了具有独创性的流路分析法，该方法是在引用自己的研究成果并利用Tinker的流动模型和Delaware大学的`实验数据的基础上提出的。1979年，天津大学提出了应用计算机进行计算的计算壳侧压降的流路分析法。1984年，Wills和Johnson简化了流路分析法，使该方法进行手工计算也非常方便。该方法应该加以发扬，所依赖的各种流路阻力系数仍属于经验公式。

3.5基于计算流体动力学的设计方法

大功率散热器优化设计论文 第6篇

随着社会的进步和生活水平的提高，顾客个性且多样化的需求快速增长，这就使得大规模定制模式得到迅速发展。目前，大规模定制的设计、生产模式已被越来越多的企业所采纳，并在实际生产中发挥了积极的作用[1]，如美国的DELL计算机公司在短短的13年中积累了120亿财富，靠的就是定制化产品设计与生产模式[2]。文献[3]指出，产品的生命周期中设计工作占的比例为60%。其中，通过产品集成平台的优化设计手段，可使制造企业缩短产品创新周期，降低研发成本；平台知识集成可降低企业对个别人员的依赖，彻底根除低水平、重复性的设计工作，显著提高产品质量，充分占领细分市场[4]。

目前，顾客对散热器的个性化需求呈现快速增长的势头，但散热器产品快速设计系统却凤毛麟角。而散热器个性化定制支持水平的高低取决于散热器设计水平和制造工艺，其中，散热器的设计水平普遍偏低造成了这种需求与供应的严重不平衡。面向大规模定制的散热器产品集成平台优化设计系统正是解决顾客快速增长的个性化需求与散热器设计水平偏低之间矛盾的一条有效途径。本课题的研究综合运用了大规模定制的理论和方法、三维造型设计理论、参数化技术、SolidWorks的二次开发技术、数据库技术、软件开发技术等相关理论，对散热器产品进行快速设计。

1 面向大规模定制的散热器产品集成平台优化设计方法

面向大规模定制的产品集成平台优化设计方法是以大规模定制的理论、方法和技术为基础的产品设计方法，它是以较少的技术多样性来满足顾客众多的功能需求多样性，其最终目标是实现产品设计的低成本、高柔性。

1.1 相关概念

定义1：大规模定制是以大批量的生产效率满足不同顾客个性化需求的生产模式[5,6,7,8]，其实现了个性化生产与大批量生产的有机结合，已逐渐成为信息时代制造企业发展的必然趋势[9]。

定义2：产品集成平台是不同类型产品平台的集成系统，其可以衍生出不同类型的变形产品，是实现快速设计的基础[10,11]。一个产品平台是用来形成一个公共结构的一组子系统和接口，从中可以有效地开发和产生一组派生产品；一个坚实的平台是一系列紧密相关的产品的基础[4]。

1.2 面向大规模定制的散热器产品集成平台优化设计方法

根据上述定义，面向大规模定制的散热器产品集成平台优化设计方法主要是利用一组散热器产品之间功能和物理结构相似性和通用性，来降低产品内部的多样性，以形成一个产品平台；不同产品平台之间通过信息共享方式形成散热器产品集成平台；此散热器产品集成平台可以不断追踪顾客需求变化，并能通过可扩展接口，达到优化散热器产品设计的目标。

该设计方法在提供散热器产品外部多样性的同时，能够非常有效地减少设计工作量，并通过成组技术等方式降低散热器产品生产线的复杂度，从而达到降低散热器产品总成本和缩短产品设计周期的目的。由此可见，面向大规模定制的散热器产品集成平台可以快速、有效地设计出不同类型的高质量的散热器产品。

文献[12]给出一种基于快速反应的多品种、小批量产品设计流程；面向大规模定制的散热器产品集成平台优化设计方法则有共通之处。图1给出面向大规模定制的散热器产品集成平台优化设计方法一般流程。

由图1可知：该设计方法是以顾客需求为原始输入，其采用模糊聚类、模糊层次分析法、扩展的质量屋以及模式识别等技术完成需求分类、需求权重计算、需求转换及需求定位等相关方面的工作[9]，将顾客需求转化为符合逻辑和加工工艺要求的产品结构；明确顾客需求后，就可以进行散热器的选型；不同型号的散热器就是一个产品平台，各个不同型号的散热器就形成了产品集成平台，该平台可以利用可扩展的接口，完成新型号散热器的设计工作；顾客选定某个产品平台，就可以在相应的用户接口下设定相关结构参数，此结构参数作为最终设计散热器产品的驱动参数；系统根据散热器尺寸之间的逻辑关系，自动计算出相关的生成尺寸，以此完成参数化CAD/变形设计环节的用户参与设计工作；驱动参数将以合理的数据类型和结构保存在散热器驱动参数表中；通过散热器驱动参数表中的产品结构数据和散热器模型库中保存的散热器的拓扑结构、内部逻辑关系，可以完成顾客个性化需求散热器的设计；通过系统的保存设置功能，就可以完成顾客个性化散热器的设计信息；至此，可以将个性化的定制产品通过企业的制造车间进行加工。

该设计方法旨在自动而精确的生成顾客所需要的散热器产品。此处所指的顾客包括外部顾客和内部顾客。外部顾客，主要是散热器的消费者，其的散热器设计过程可以通过散热器产品网上定购系统引导，以使消费者设计的产品符合逻辑和工艺流程要求，且在现有的生产技术水平下，可制造的散热器产品。内部顾客，主要是散热器的设计者，其具有很强的专业知识，能够根据工艺的改善、技术水平的提高，设计出更为先进和适用的散热器产品。

2 面向大规模定制的散热器产品集成平台需求分析

2.1 散热器产品集成平台分类

对比分析不同材料的散热器产品的特点，综合考虑价格等方面的因素后，确定钢质散热器为该集成平台的主要研究对象，其既符合顾客审美上的要求，又能节省成本，并且较为实用。针对目前钢质散热器的发展趋势，确定钢质散热器产品平台的产品类型主要有钢质柱式、钢质卫浴和艺术造型三种。经过详细的市场调研，并对用户需求进行聚类分析，归纳出三种类型散热器特点和子类型如下：

(1)钢制柱式散热器，主要特点是造型多变、色彩丰富、高效、节能、防腐。主要包括三个子类型：GG型散热器、RT型散热器、EL型散热器。

(2)钢质卫浴散热器，主要特点是款式多样、色彩丰富、实用、典雅、温馨、浪漫。主要包括11个子类型：AC型散热器、DN型散热器、GO型散热器、GT型散热器、NOV型散热器、NVP型散热器、OD型散热器、RTH型散热器、SLZ型散热器、ST型散热器、VL型散热器。

(3)艺术造型散热器，特点是新理念、新趋势、造型奇特、结构不规则。主要包括2个子类型：FRM型散热器、MDS型散热器。

2.2 散热器详细结构和参数化模型

由于面向大规模定制的散热器产品集成平台共包括26个不同结构的产品平台，为了避免重复，只详细研究GG2型散热器产品平台的详细结构和参数化模型程。GG2型散热器的三维实体结构如图2所示。

对图2进行研究，可以得出其主要的结构参数有：接口间距、总高度、单柱长度、单柱宽度、钢管外径、单片个数、总长度和壁厚，其参数化模型如图3所示。

GG2型散热器参数化模型中各个不同字符串所代表的具体含义见表1。

表1中，生成尺寸与驱动参数之间运算关系如下：

2.3 面向大规模定制的散热器产品集成平台模型库的建立

为了实现参数化设计的目标，面向大规模定制的散热器产品集成平台模型中包含尺寸约束，添加尺寸约束的原则为[13]：

(1)添加完全的尺寸约束；(2)在保证完全约束的情况下尽量减少尺寸个数；(3)添加的尺寸应该便于约束；(5)保证尺寸驱动的过程中不能出现零件的建模错误。

面向大规模定制的散热器产品集成平台模型库的建立过程主要需要经过三个步骤：(1)基本造型过程；(2)修改尺寸属性过程；(3)约束方程式建立过程。以GG3型散热器半盒模型为例，分析面向大规模定制的散热器产品集成平台模型库的建立过程。

2.3.1 基本造型过程

首先，选取前视基准面，然后勾勒基体截面轮廓草图。GG3型散热器半盒的轮廓草图如图4所示。其中，草图轮廓的约束包括几何约束和尺寸约束。首先定义轮廓的几何约束，如4图虚线椭圆圈定部分；之后定义轮廓尺寸约束,如图4虚线方形圈定部分。当达到全约束情况下，即可完全确定草图几何形状，图形全部变为黑色时，即可通过拉伸特征生成基体特征。

之后，依次经过拉伸、圆角、抽壳、拉伸-薄壁、切除-拉伸等相关特征的综合运用，可以得到GG3型散热器半盒的实体模型如图5所示。

2.3.2 修改尺寸属性过程

为了便于应用VB6.0程序对SolidWorks进行二次开发，在建立完模型后需要修改尺寸属性中的名称，以和散热器的参数建立起关系。修改方法为：(1)左键双击需要作改变参数的特征；(2)右键单击需要改变大小的参数；(3)左键单击属性，则弹出尺寸属性对话框。在名称（N）中，修改成与散热器参数相对应的、容易辨识的名称。尺寸属性的对话框如图6所示。

2.3.3 约束方程的建立过程

GG3型散热器的半盒模型，所包含的尺寸多达几十个。在这么多尺寸值的情况下，不可能要求顾客参与设计所有的参数值。这就要求用尽可能少的参数，来达到驱动模型的目的。在这种要求下，就需要建立约束方程式，保证一些值能够随着少数几个值的变化而变化。建立方程式的过程为：(1)点击“工具”菜单中的“方程式”，弹出“方程式”对话框；(2)点击“添加”命令按钮，弹出“添加方程式”对话框；(3)双击需要建立方程式的特征，则模型显示出尺寸值；左键单击尺寸值，则该尺寸值的名称将进入“添加方程式”对话框的文本框中。建立好方程式后，点击“确定”按钮即可。

在GG3型散热器半盒模型中，有三个驱动尺寸，分别为：半盒宽度，钢管外径和壁厚。但这个模型包含的约束方程式多达19个。其结果如图7所示。

3 面向大规模定制的散热器产品集成平台优化设计系统

3.1 系统的开发平台和开发工具

根据面向大规模定制的散热器产品集成平台优化设计系统的规模和所要实现的功能，确定系统的开发平台和工具如下：

(1)系统架构：C/S模式；

(2)系统开发运行平台：Microsoft Windows XP;

(3)系统数据库软件：Microsoft Access 2003;

(4)程序设计语言：Visual Basic 6.0;

(5)三维造型设计软件：Solid Works 2005;

(6)其他辅助软件：AutoCAD 2006,Microsoft Word2003。

3.2 系统实现的关键技术

(1)SolidWorks参数建模技术：

运用SolidWorks 2005完成不同产品平台的实体建模，其中包括产品的基本造型、尺寸属性的维护、约束方程的建立等。其参数化模型建立的过程为：明确顾客需求———确定结构———确定散热器参数———确定各参数间关系（主要体现在散热器产品平台的约束方程式中）。参数化建模是后续集成系统开发的基础，通过对各种散热器结构的深刻认知和规范的参数化模型的建立可以非常有效地建立起该集成系统。

(2)SolidWorks二次开发技术：

对SolidWorks 2005进行二次开发有三个关键技术作为保障：1)API技术；2)DLL技术；3）尺寸驱动技术（参数化技术）。本集成系统把参数化技术和特征建模技术有机结合起来，较好地满足系统要求，提高了系统设计效率。

(3)数据库技术：

通过数据库的建立，明确了系统工作的数据流程。同时该集成系统的数据库设计是在充分调研顾客需求的基础上，结合三维造型软件的自身特点确定的，以保证数据结构好、数据冗余量小、可维护性好的目的。其中实现散热器产品设计的核心数据存储在“散热器驱动参数表”中，共包括16张表，每种结构类似的散热器一张表，比如：AC2型散热器、AC3型散热器一张表，命名为“AC型驱动参数表”。

(4)定制菜单技术：

集成系统程序开发、测试完成后，将其编译成可执行文件，在SolidWorks零件界面中添加一个菜单项。通过对菜单项调用，可以直接执行用户的可执行程序。本集成系统利用定制菜单技术生成***.dll文件，作为一个插件，嵌入到SolidWork程序中，如图8所示。

3.3 系统的总体功能

面向大规模定制的散热器产品集成平台优化设计系统的目的是为解决顾客个性化需求快速增长与散热器自动化设计能力不足之间的矛盾。集成平台共包括26个散热器产品平台，顾客可以在选定某产品平台的情况下，根据自己的偏好，个性化的定制所需的散热器产品。本集成平台系统既可以作为散热器产品网上定购系统的后台支持系统，也可以单独作为辅助设计师进行散热器设计的自动实体生成系统。系统的总体功能架构如图9所示。

4 应用实例

某散热器有限公司成立于2005年，致力于钢质散热器生产和设计研发工作[12]，其设计生产的钢质散热器产品包括钢制柱式、钢质卫浴和艺术造型散热器三种。虽然该公司在这三种类型散热器中事先设计好各种规格不同散热器，但因为并没有提供一种顾客参与散热器设计的平台，所以采用这种形式购买的散热器产品还不是个性化产品。因此，该公司面对个性化极为突出的顾客需求，散热器设计环节成为限制其进一步发展的瓶颈，无形中导致成本增加、顾客满意度下降。公司为了缩短顾客个性化需求与自身设计能力欠缺之间的距离，决定研发一套面向大规模定制的散热器产品集成优化平台设计系统，以提升自身在散热器行业的自主研发能力。

按照面向大规模定制产品集成平台优化设计方法的一般流程，笔者为该集成平台优化设计系统规划了研究路线：顾客需求提炼—散热器产品平台归类———平台拓扑结构分析———参数化平台模型库建立———系统总体功能分析———数据库设计———系统全面开发———系统测试———系统嵌入SolidWorks软件平台。嵌入到SolidWorks软件平台的集成平台优化设计系统的菜单项如图10所示。

系统具备完备的数据检验功能，因此杜绝了数据出现逻辑错误的可能。其数据检验功能如图11所示。

该集成平台系统的每个产品平台都是在充分分析顾客需求的基础上建立的，可以以合理的设计参数完成顾客个性化散热器的设计工作。

下面以NVP3型散热器平台的设计为例来展示由系统完成的设计结果。其中，需要顾客参与设计的主要参数有：钢管外径、壁厚、接口间距、过水管数量、两根钢管之间间距、第一根管距底端距离、第一组挂片距底端距离、第二组挂片距底端距离、颜色；系统根据模型库的约束方程和程序的几何关系自动生成的结构尺寸参数有：总长度、宽度、总高度。NVP3型散热器产品平台的软件界面如图12所示。

其中，设计界面右侧显示的产品结构图已经标出了各个设计参数的具体含义，便于指导顾客进行产品设计，其精确的设计结果需要通过产品实体模型获得。图13给出一种顾客参与设计的结果。

5 结束语

散热器行业中的企业之间的竞争已经转向基于时间和顾客满意度的竞争。技术创新成为企业获取竞争优势的关键环节，而面向大规模定制的散热器产品集成优化平台设计系统以产品的快速设计和顾客需求的准确获取成为实现技术创新的表现。

本文针对散热器行业、企业对大规模定制的顾客实际需求，克服传统设计手段的缺点，提出了面向大规模定制的散热器产品集成平台优化设计方法，同时建立了面向大规模定制的散热器产品集成平台模型库；以此为基础，分析分析了面向大规模定制的散热器产品集成平台优化设计系统的关键技术和总体功能，设计开发了面向大规模定制的散热器产品集成平台优化设计系统。最后，以NVP3型散热器的顾客参与设计为例，验证了该系统在散热器产品快速设计方面的可行性。

大功率散热器优化设计论文 第7篇

关键词：微槽群平板；热管散热器；翅片；优化；设计

在现代的建设领域内，为满足对高功率电路设备的安全性应用，其中应用现代化的建设模式进行综合分析，发光二极管自身具有较好的使用寿命，且能够更好的减少对能源的消耗。对于大功率用电设备在使用过程中的安全问题，从现有的建设需求形式来对新型微槽群平板热管散热器的翅片结构优化来进行简要研究分析。

1 结构计算模型

在进行模型结构的计算过程中，主要针对于如下几个特征来进行综合性处理分析。

1.1 物理模型问题 现代平板热管散热使用器械的应用管理中，基本的结构信息问题，就集中在了基本的新型平均角度上，对于基本的设施安全性问题，其版面的热管材料，通常选择铝为主要的应用材料。在执行底座的竖直纺织网位置上，为达到基本的使用规格，使用中应注意两个方面的使用规格，其一为支撑的平面热管，通过快速的结构调整，并改善对基本设施层面上的传递信息控制，这对于基本的平板热管路径，以及处理条例问题，更应当从基本的设施处理效果上来完成对平板热管的基本使用规划来完成对基本管道内热板管面结构的控制。

1.2 网格划分问题 在进行使用的过程中，为满足基本的使用环境，就需要通过对执行操作过程中，可能涉及的问题进行综合分析，并考虑对基本设施的安全结构创建，通过基本的安全性防护来改善对集成系统在设施处理过程中的安全防护处理，通过对基本空气的网格规划来促进基本设施理念内部的创建问题。

对于集成系统的基层建设，主要给予对流媒体网格的不同结构上的数量信息控制，并通过整体的规划来改良在不同环境特征下的基本设施创建。从基本的翅片结构来看，其造成散热面积变小的问题，对基本的缘故问题，我们从基本的设计策略进行调整，就应通过热流密度以及整体的间距控制范围来确定其不同间距环境下的控制范围。在执行底层的热量密度调控问题，就应在结合实际的生产效益结构同时，满足对结构上的区域划分效益。

1.3 边界条件问题 在进行环境适应性分析的过程中，就已知的环境定义来说，其基本的耦合定义问题，就可能导致辐射的传热效果等受到影响。

2 优化结构的设计方案

在优化过程中，就主要集中在了如下几点上。

2.1 翅片之间的距离调整设计 在进行翅片的设计过程中，我们分析对翅片间距上的控制，根据实际需求来设计相应的计算结构，其高温翅片间距控制如下图1所示。

从上图可以看出，对于集成化舍不得安全防护措施问题，可结合实际的操作，满足对基本的面积操作缘故，并通过对基本设施建设上，基本的集成结构的建设问题，就可以结合实际的生产需求来进行综合性分析，并以此来改良对集成设施的合理化建设，并以此来进行综合性分析调控。

对于基本的底面热量密度控制问题，我们从现有的翅片以及分布数量来进行综合性分析，并结合对基本密度的流控来进行综合性能上的调控，以此来改善对基本设施创建传播效应上的间距控制，从而改善对基本设施处理问题上的综合性控制。对基本的翅片间距控制问题，我们结合实际的生产要求来进行流动的导向控制，从最基本的设施优化上来完成对基本空气流动性上的控制改良，并通过这样的有效处理方法，完成对基本热效应行为上的综合处理，并以此来保证对基本设施处理问题内部结构上的控制。

2.2 翅片高度调整 翅片高度问题，是影响整体使用数值的重点，为保证在实际的使用过程中，对基本设施使用规格上的调整问题，就应在满足基本设置处理问题基本上，改善对传热系數与热面密度上的调整问题。对于表面的热流密度以及高度的增减处理效益问题等，都可以通过整体散热面系统结构上的合理调控，实现对基本散热器以及热面所展示出来的基本设置问题，并通过对基本设置与增加的效益问题来促进其对高温高差效果上的综合性控制。

3 试验温度检测与控制

在进行现有的样品分析过程中，对基本的设置问题，从优化的结构来看，就主要包括了如下几个布置点。第一，现有的试验温度作为控制监控点，确保对不同环境下的不同测点的内部温度问题，并通过基本的测量分析，从而完成对基本处理，并根据基本的设置来确定基本的设施建设，对于基本检测点在控制管理检测环境下的综合分布效益问题，就可通过对基本设施的全面掌控，从而完成对不同环境上的合理调控。第二，在进行数据的模拟运算过程中，通过对基本信息上的合理化调控建设，从最根本的设施处理上，完成对不同环境下的基本设施创建，并以此来改善对不同温度下的影响调控。

4 结语

为满足现有的社会发展问题，其中确定散热结构的外部结构问题，以及基本的结构调整问题等，都可能影响到基本的设施合理性，而其基本的运行模拟运算效益等，都将成为安全处理整体结构的根本所在。

参考文献：

[1]白敏丽，寇志海，王昊等.微槽群平板热管散热器传热性能的研究[J].热科学与技术，2010，9（1）：17-22.

[2]王昊.LED微槽群平板热管散热器研究[D].大连理工大学，2008.

[3]王吴.LED微槽群平板热管散热器研究[J].大连：大连理工大学，2009.

[4]田金颖，诸凯，刘建林等.冷却电子芯片的平板热管散热器传热性能研究[J].制冷学报，2007，28（6）：18-22.

大功率散热器优化设计论文 第8篇

和谐3型内燃机车是由北车大连机车车辆有限公司和美国EMD公司共同研制的新型大功率交流传动干线货运内燃机车, 机车装用16V265H型柴油机, 额定功率4410kw, 排放达到美国Tier 2标准。本文所阐述的新型大片式散热器由大连通铁热动力设备有限公司针对和谐3型机车设计开发和研制, 是该机车冷却系统中的核心部件。

1 和谐3型内燃机车冷却系统原理

和谐3型内燃机车冷却系统采用全封闭式加压双循环型式系统, 系统分为高温水系统和低温水系统, 主要由散热器、冷却风扇、高温水泵、低温水泵、机油热交换器、燃油预热器、水泵进口三通装置、膨胀水箱以及一些管路、接头等组成。 (1) 高温水循环系统:柴油机工作时驱动高温水泵.将冷却水压入柴油机各个需要冷却的部件, 冷却后出来的热水经过散热器, 被冷空气冷却后, 先进入机油热交换器对润滑油进行冷却 (冬季燃油需要预热时, 可打开柴油机热水总管中的截止阀, 使部分热水进入燃油预热器对燃油进行预热) , 而后回到高温水泵。 (2) 低温水循环系统:低温水泵转动, 将冷却水送入中冷器, 对通过中冷器的增压空气进行冷却, 然后进入散热器, 经冷却后, 再回到低温水泵, 完成冷却循环。膨胀水箱的作用是给冷却水系统自动补水 (水的泄漏、蒸发) , 清除系统中产生的汽泡和使冷却水受热后有膨胀的余地等。

2 和谐3型内燃机车散热器性能参数要求

2.1 高温水系统

1) 高温散热器的进水温度为90.9℃, 出水温度为85.9℃。

2) 在额定功率时, 高温水的流量为267.5m3/h。

3) 在额定功率、环境温度为32℃时, 柴油机高温水系统和机油管路产生的散热量为1521kW。

4) 在冷却水流量为136.3m3/h时, 每个高温散热器冷却水总压降不得超过15psi。

2.2 低温水系统

1) 低温散热器的进水温度为77.7℃, 出水温度为62.6℃。

2) 在额定功率时, 低温水的流量为66.3 m3/h。

3) 在额定功率、环境温度为40.6℃、海拔高度61m时, 柴油机低温水系统产生的散热量为1142.6 kW。

4) 在冷却水流量为22.7 m3/h时时, 每个低温散热器冷却水总压降不得超过15psi。

3 新型大片式散热器结构与顶置式设计

国内现有大部分内燃机车, 例如东风系列机车, 其冷却系统一般采用多组散热小单节组合形式, 散热器小单节通常呈V形布置, 安装在机车冷却室钢骨架的集流管上。冷却风扇安装在冷却室钢结构的顶部, 当冷却风扇转动时, 将冷空气从机车两外侧面吸进, 并穿过散热器进行热交换, 然后向车顶排出。

和谐3型内燃机车与传统车型不同, 采用了大片散热器顶置安装结构, 每台机车包括2组散热器, 如图2所示, 每组散热器由大片式高温散热器和低温散热器组成, 高、低温散热器通过侧板钢结构联成一体。两组散热器, 与水平成30°夹角, 安置于机车顶部的冷钢结构内的左右两侧, 与冷钢结构组成一个冷却模块, 该冷却模块整体安装于机车车体结构上。采用新型大片式散热器结构的优点是取消了传统小单节散热器的侧护板与安装间隙, 加大了散热器的有效面积, 使散热器的设计可以更加紧凑、高效, 节约空间。同时, 冷却装置集流管直接设置于散热器中, 也减少了散热器与集流管间的局部流通阻力。这种新型大片式冷却模块, 安装、拆卸、检修维护十分方便, 由于采用的是顶置式结构, 也为冷却室下部留有更多的设备布置空间。新型大片式散热器由于体积、质量较大, 因此需要较高散热器的设计和制造工艺水平。

从结构上, 新型散热器主要由高、低温芯体 (包括散热扁管, 散热翅片和主片) , 水室, 侧板, 密封垫, 水口滤网, 中间挡板, 拉筋, 吊装板, 紧固件等零部件组成。高、低温散热器均设计为8排散热扁管。高温散热器为单流程水流设计, 低温散热器为多流程水流设计。散热器芯体所使用的散热扁管采用进口高频焊接黄铜管, 散热铜翅片上冲有许多百叶窗孔, 以增强空气系统湍流特性, 提高传热系数。散热管端部与芯体主片之间采用国际先进的机械胀接制造技术, 能够极好的承受机车运行时产生的机械振动和热应力、从而大幅提高了产品质量和使用寿命。考虑到机车冷却水中可能存在的异物、杂质会对散热器内部造成冲蚀或腐蚀, 甚至导致泄漏的发生, 因此在散热器高、低温水室进口处设计安装了滤网。

4 散热器型式试验

2009年1月至6月, 和谐3型机车新型散热器在铁道部产品质量监督检验中心内燃机车检验站进行了传热性能, 空气阻力特性试验。

由于散热器实物巨大, 国内现有试验台无法满足实物试验的要求, 因此, 性能试验采用模型的方式进行。样件按国产机车常规散热器单节外形尺寸选取和设计, 采用高温散热器和低温散热器模型。

测试方法执行TB/T1160-2006《内燃机车用铜散热器》的规定, 测试分别按高、低温散热器设计工况条件进行, 进气温度为40.6℃、进水温度分别90.9℃和77.7℃;水流量分别为16.03m3/h和3.98m3/h。散热器的传热系数和空气阻力通过试验直接得到, 而散热量用该传热系数换算到规定工况求得。表1为试验模型散热器传热性能指标。

根据检测数据计算结果绘制的△Pa=f (Ga) 和Qw=f (Ga) 的关系曲线见图3和4。

5 装车性能试验

2010年1月, 和谐3型国产化内燃机车在黑龙江省加格达奇零下42℃环境温度条件下通过了低温试验;2012年8月在新疆鄯善进行了高温性能试验, 在高温条件下, 热平衡后机车油水温度正常, 新型散热器完全能够满足机车冷却能力要求。

6 结论

2009年7月, 和谐3型内燃机车散热器通过了铁道部机车验收室、大连机车车辆有限公司和EMD公司联合进行的首件评审认定工作, 并于2010年3月开始批量装车运用, 截止目前, 运用状况良好。

参考文献

[1]戴繁荣.内燃机车冷却装置1版, 中国铁道出版社, 1993.

浅析管壳式换热器结构优化设计 第9篇

关键词管壳式换热器；优化；换热；设计；模型

中图分类号TK172文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)081-0170-01

1管壳式换热器结构及原理

管壳式换热器，其英文为shell and tube heat exchanger，也称为列管式换热器。其工作原理是在一个封闭的、管壳形状的空间里面传热，其设计结构较为简洁，并且操作简单方便，一般使用金属材料进行制造，能够在高温、高压的环境下使用，并且应用面广泛，普及面较大。

管壳式换热器的组成主要是壳体、传热管束、管板、挡板、管箱等部件。一般而言，壳体即外形主要是圆筒形，在圆筒形内部设计有固定在管板上面的管束，而冷热两种流体就分别在管束内和管束外流动，在管内流动的按照惯例称为管程流体，在管束外流动的按照惯例称为壳外流体，其意思是在管壳一面流动。一般而言，管壳式换热器的壳外流体传热分系数要想提高，就会增加管壳里面的挡板数量，数量家多的挡板能够有效加速壳层流体的速度，相应增加了流体的湍流程度。在管壳式换热器内部，管束每经过一次流体惯例称为一个管程，外壳每经过一次流体惯例称为一个壳程，而在管箱内增加隔板，会让流体在管束里面进行多次往返，惯例成为称为多管程；在壳体内设计增加挡板，也会让流体在壳体空间中进行多次往返，惯例称为多壳程。根据需要，可以对多管程和多壳程搭配使用，提高使用效率，达到需要的效果。

2管壳式换热器结构优化设计原理与方法研究

2.1Colburn Donohue 法

管壳式换热器较为复杂的部分主要集中在其壳侧部分，在壳侧部分的传热、流动，其原理、过程都相对复杂，因此对管壳式换热器的壳侧的传热、降压计算尤其需要投入更大的关注。一般而言，确定管壳式换热器壳侧传热、降压的方法是采用Colburn Donohue 法。

Colburn Donohue 法是Colburn在1933年首先提出来的，其指出壳侧传热、降压计算主要是建立在理想管排数据的基础上。但是如果管壳式换热器带有折流板，那么Colburn Donohue 法相较于Sieder2Tate 关联式，对漏流和旁流的计算就显出一定的滞后。不过在管壳式换热器里面，一般流体的传热和流动阻力都是同时发生，二者相辅相成，因此在对管壳式换热器进行设计中，往往联合使用Colburn Donohue 法和Sieder2Tate 关联式。在1949年，Donohue提出完整的管壳式换热器的设计方法，这是历史上的第一次，它的计算方式是对Colburn关联式的改进，是历史的进步，因此为了纪念Colburn和Donohue，其提出的设计方法又称为Colburn Donohue 法。

2.2Kern 法

Kern 法是Colburn Donohue 法的又一次改进，在Colburn Donohue 法基础上，提出管壳式换热器的设计应该是一个整体，其综合考虑了传热、温度分布、污垢等问题，并且对其提出综合的设计意见。对管壳式换热器的设计是一大进步，并且已经成为现在设计管壳式换热器的重要参考文献，具有非常重要的价值。

2.3Bell Delaware 法

随着社会的发展和科学的进步，在1963年，Bell对Colburn等的研究成果进行再研发，提出Bell2Delaware 法，Bell2Delaware 法是对管壳式换热器的设计的又一次改进，其主要建立在大量的实验数据的基础上，对各种流路的系数进行校正，提高了管壳式换热器的精确度，Bell2Delaware 法也是关于管壳式换热器的理论上的一次提高。但是其也显示出一定的不足，比如关于管壳式换热器的传热系数和指数主要是通过多次试验的数据分析得出，其的适用性受到一定局限。

2.4流路分析法

在Bell2Delaware 法诞生之后，针对其不足问题，美国热传研究公司进行了相应的设计，并且取得了一定的研究成果。美国热传研究公司主要是同时利用了Tinker 的流动模型和Delaware大学的研究试验数据，创造性地提出流路分析法。

在1979年，我国天津大学也提出流路分析法，主要计算管壳式换热器的壳侧压降，使用计算机进行计算。

在1984年，Wills 和Johnson简化了流路分析法，让流路分析法的计算更加方便，并且能够人工操作。对管壳式换热器的发展起了很好的推动。

2.5基于计算流体动力学的设计法

随着科学进步和计算机的大量使用，管壳式换热器的设计也得到越来越高的进步，相较于过去，管壳式换热器的设计计算逐渐简化，设计上更为单纯，其经济效益也得到提高，降低了设计制造成本。其主要分为三个主要阶段：

第一阶段，主要是开发出相关计算机程序，用于对管壳式换热器的计算，代替了人工计算的繁琐，将人工从繁琐重复的计算中解脱出来。

第二阶段，对开发的管壳式换热器的计算机辅助设计系统进行优化，降低了对相关系统的维护，增大了经济收入，降低了系统成本。

第三阶段，根据计算流体动力学和数值传热学，对管壳式换热器的三维流动和传热行为进行数值模拟，是对管壳式换热器的设计的重大改进。

基于计算流体动力学的设计，相较于之前管壳式换热器的设计，其更加符合管壳式换热器的生产实际需要，更加具有代表性，并且适用性也得到很大提高。而基于单级模型建立的多级换热器系统模型，更加适合管壳式换熱器的复合形优化算法，并且模型更为简洁，适用性更高，也打破了单级模型对管壳式换热器的设计各种限制。但是，现在管壳式换热器的优化设计模型仍然还有改进探索的空间，相关的系统软件仍然有发展空间，还需要同行的不懈努力。

3结束语

本文浅要分析了管壳式换热器的设计结构优化，作为一种应用宽广、普及面大的压力容器，管壳式换热器的发展改进还需要我们投入更多的精力和实践，让其变得更为完美，为工业需要服务。

参考文献

[1]杨明,孟晓风,张卫军.管壳式换热器的一种优化设计[J].北京航空航天大学学报,2009,05.

[2]祝用华,张奕,杨节标,等.管壳式换热器优化设计及其LINGO实现[J].广东化工,2009,04.