新型铝合金电散热器的结构优化

王坤迪 史文学 张双喜 陶冶 金龙

依据JGJ236-2008标准进行结构优化的新型铝合金电散热器是一种对流式电采暖散热器，其铝合金散热片被一次挤压成型后丝扣连接起来，由三部分组成：发热元件、散热元件、温控元件。如图1所示。铝合金散热片作为散热部件，发挥了铝型材易成形、质量轻、一次成型、导热快、易于机械化生产、散热性能好的优点。碳晶板作为发热元件，其热电转化率高，一般98%以上。温控系统，满足智能控制要求。

图1 新型铝合金电散热器示意图

1 新型铝合金电散热器的结构及其优化依据

1.1新型铝合金电散热器的结构及其参数

图2 新型铝合金电散热器散热片的结构示意图

本文所要研究的新型铝合金电散热器的结构型式如图2所示。其中A表示单柱铝合金散热片的两个肋片的间距，B表示单柱铝合金散热器片的肋高，在内部嵌入碳晶板作为发热元件。

新型铝合金电散热器有关参数的确定：

1.1.1 高度

目前市场用量最多（约60%的份额）的散热器为中心距不大于600mm的型式。因此本文选择中心距为525mm的新型铝合金电散热器作为研究对象。

1.1.2 宽度

宽度和肋高有关，大概等于两个肋高，结构为平齐型。选择肋高30～50mm的铝合金散热片作为研究对象。

1.1.3 厚度

通过对大量散热片的实验验证，铝合金散热片肋片间距为15～20mm的散热效果比较好。考虑到室内房间的使用面积，厚度不宜超过100mm。因此，选择间距为15～20mm散热器作为研究对象。

1.1.4 铝合金散热片的肋片对数

根据铝合金散热片肋片间距为15～20mm的散热效果比较好的原则，再根据所选散热器厚度不超过100mm，本文选择铝合金散热片对数为六对的新型铝合金电散热器作为研究对象。因为直接作用式电散热器最大输入功率较大，一般2000W左右，单柱散热片功率在200W左右，功率较大，不宜选取四对的作为研究对象，否则散热片的表面温度会过高。如果选取八对肋片的话势必会大幅度增加耗材，所以本文以铝合金散热片对数为六对作为研究对象。

表1 直接作用式电采暖散热器产品性能分级及要求

1.1.5 新型铝合金电散热器肋片厚度

同样一种结构的铝合金散热片厚度分别为0.8、0.9和1.0mm时，对散热量的影响很小，散热量相差只有1W/柱；同时考虑铝型材加工厂生产成品率的要求，本文确定铝合金散热片厚度为1.0mm[2]。

1.1.6 输入功率

直接作用式电散热器输入功率一般比较大，以本文研究的新型铝合金电散热器为例，其柱数为12柱，最大额定输入功率为2400W，因电热转换效率高，一般98%以上，故认为这种新型铝合金电散热器的热工性能为其输入功率。本文所作研究是在最大额定输入功率基础上进行的，新型铝合金电散热器采用三级调节功率。

1.2新型铝合金电散热器的优化依据

1.2.1 JGT236-2008标准中的要求

本文为了更大限度的保证老人和孩子的安全，以表1中直接作用式电采暖散热器产品性能和要求的III级要求为依据，即外表面温度小于70℃。

1.2.2 金属热强度的依据

金属热强度是衡量散热器经济性能的一个重要指标，也是体现耗材多少的重要表现，指散热器内热媒平均温度与室内空气温度相差为1℃时，每千克质量的散热器单位时间散出的热量[3]。本文以标准过余温差作为计算金属热强度的依据：

式中：

q—散热器的金属热强度，w/kg·℃；

Q—散热器的散热量，w；

Δt—温差，标准过余温差为64.5℃；

G—散热量为Q的散热器的质量，kg。

由于设定的电散热器输入功率是一个恒定值，所以本文中散热量认为是不变的，优化的目标也是最大输入功率的情况下，满足标准中外表面温度要求下，找到耗材最少的铝合金散热片结构尺寸。

2 新型铝合金电散热器的理论分析和试验验证

2.1理论分析

经分析本文研究的新型铝合金电散热器的散热主要包括三部分（且依据能量守恒定律和输入功率相等）：一部分是各肋片和间距的导热量；二部分是两外表面的辐射散热量；三部分是空腔内空气流动的散热量。

2.1.1 肋片散热量的理论计算

肋片看作是具有负热内源的一维稳态导热。依据傅里叶定律和能量守恒定律建立数学模型，可得单个肋片的散热量q'计算公式[4]如下:

式中：

λ—肋片的导热系数，w/(m·k)；

Tw—肋片的基部温度，K；

H—肋片高度，m；

AL—肋片横截面积，m2；

C1，C2—与λ，Tw，AL有关的量[4]。

2.1.2 两外表面的辐射散热量

散热器的两外表面与室内空气主要是通过辐射方式进行换热。因为新型铝合金电散热器的单柱散热器外表辐射面积与采暖房间面积的比值非常小，所以可以把散热器与周围空间的辐射换热看作是空腔与内包壁之间的辐射换热[5]。可利用下列公式直接计算：

式中：

ε0—散热器表面的辐射系数；

A0—单柱散热器的外表面面积，m2；

Eb1—散热器表面的辐射力，w/m2；

Eb2—周围空气的辐射力，w/m2。

2.1.3 空腔内空气流动的散热量

由图2可以看出，新型铝合金电散热器散热片的内腔在水平面上近似形成几个近似封闭形状，可以形成“烟囱效应”。所谓“烟囱效应”是指像烟囱一样，由于外界冷空气和空腔内热空气的密度差而使空腔内产生循环动力，冷空气下降，热空气上升。所产生的循环动力是铝合金散热片空腔与室内空气进行对流换热的主要动力。按文献[6]中的方法计算空腔内的散热量：式中：

α—空腔内气体的表面传热系数；

A—空腔壁面面积，m2；

Δt—为空腔壁面平均温度与空腔内空气温度之差，℃。

2.2计算结果

经分析计算，对间距A为15～20mm，肋高B为30～50mm的不同结构尺寸的新型铝合金电散热器进行外表面温度、金属热强度（只考虑了铝的质量）计算，结果如下：

图3 区间内满足要求外表面温度要求的电散热器金属热强度

图4 满足要求的电散热器金属热强度的趋势线

由图3和图4可知：在间距为15-20mm的区间中，满足要求的电散热器金属热强度与其结构尺寸的三次方存在很强相关性。本文所研究的新型铝合金电散热器为对流型散热器，其结构尺寸对散热器空腔内空气的流速、状态、采暖小室内换热次数及小室内气流分布都有影响。

考虑到室内装修和装饰方面，在满足JGT236-2008标准要求下选取A=15mm、B=39mm，A=16mm、B=38mm，A=17mm、B=38mm肋片间距较小的三个样本进行实验测 试 ，A=18mm、B=38mm，A=19mm、B=38mm，A=20mm、B=37mm不予考虑，下面将会对这三个结构尺寸的样品：A=15mm、B=39mm，A=16mm、B=38mm，A=17mm、B=38mm进行试验分析。

2.3试验分析验证

表2 测试数据

2.3.1 试验方法

依据JGT236-2008标准中直接作用式电采暖散热器采暖装置及要求的规定进行试验测试。

2.3.2 试验结果及分析

2.3.3.1 启动和运行：

调节变压器，分别使三个电采暖散热器在额定电压90%和110%条件下稳定运行10min切断电源，检查电采暖各部件未发现异常。

2.3.3.2 升温时间：

电采暖散热器从通电启动运行开始记时，初步达到稳定运行时三个结构的电散热器分别用时：12分49秒、12分56秒、13分5秒。升温时间即是新型铝合金电散热器达到稳定运行的时间，影响因素有：材料的导热系数，环境温度，结构尺寸等。该新型电散热器采用铝合金为散热片，质轻，导热系数高，可相应的缩短升温时间，但测得的结果仍比JGT236-2008标准表中直接作用式电采暖散热器产业性能和要求的III级要求略高，基本满足要求。测试可知随结构尺寸的增大，升温时间也相应的增加。

2.3.3.3 热工性能：

在最大输入功率实验工况下达到稳定30min后进行测试，测试电采暖散热器的输入功率（W），测试时间为30min，读数见表2。

热工性能主要由发热元件所决定，该新型电散热器主要采用碳晶材料作为发热元件，可依据需要加工得到相应功率的碳晶板。

2.3.3.4 外表面温度：

外表面热电偶布点示意图如图5。

外表面各点实测数值如图6所示。

图5 外表面热电偶布点示意图

外表面最高温度72.8℃，外表面平均温度65.1℃。

外表面最高温度69.8℃，外表面平均温度64.1℃。

外表面最高温度69.7℃，外表面平均温度63.6℃。

2.3.3.5 温度测量：

图6 A=15mm、B=39mm电散热器的外表面温度变化

图7 A=16mm、B=38mm电散热器的外表面温度变化

图8 A=17mm、B=38mm电散热器的外表面温度变化

图9 采暖小室环境温度的变化

经试验测试A=15mm、B=39mm，A=16mm、B=38mm，A=17mm、B=38mm 三个结构的新型铝合金电散热器中，A=16mm、B=38mm，A=17mm、B=38mm 符合JGT236-2008标准中直接作用式电采暖散热器产业性能和要求的III级要求，结合图4中金属热强度大小，故选择A=16mm、B=38mm作为最优结构尺寸。另由图6到图8看出在采集次数120次以后，新型铝合金电散热器两侧的表面温度略有升高，分析是由于环境温度升高引起的。小室环境温度在两个小时以后可达到29℃左右，比开始时的15℃增加了14℃左右。

3.结论

本文通过对新型铝合金电散热器的厚度、宽度、翼片的对数的确定，给出了本文所要优化的散热器的外形结构形式。间距与肋高组合出不同外形尺寸的结构，对这些结构的散热器进行了理论计算，计算所取区间内比较好的结构尺寸分别为A=15mm、B=39mm，A=16mm、B=38mm，A=17mm、B=38mm，A=18mm、B=38mm，A=19mm、B=38mm，A=20mm、B=37mm。并对样品为A=15mm、B=39mm，A=16mm、B=38mm，A=17mm、B=38mm的新型铝合金电散热器进行试验分析验证，分析了新型铝合金电散热器的启动与运行、升温时间、热工性能及其外表面温度。并在金属热强度和JGT236-2008标准的要求下选择A=16mm、B=38mm为最优结构尺寸。

本文仅仅研究了等间距和等肋高的新型铝合金电散热器，对于其他结构形式的电散热器未作深入研究。但是对于适当增加外表面间距减少内部间距也可取得效果，具体的未作深入研究，有待进一步研究。

在实验中发现升温时间和JGT236-2008标准中直接作用式电采暖散热器产品性能和要求的III级要求略有不符，由于对时间因数建立模型太为复杂，影响因素太多，故在这一方面的研究有待加强。

[1]JGT236-2008《电采暖散热器标准》

[2]陈建芳，张双喜.散热器肋片的数值计算和结构优化，建筑热能通风空调，2004.2

[3]肖曰嵘，牟灵泉，董重成.民用供暖散热器.清华大学出版社，1996

[4]徐冬梅.双铜管复合柱翼型散热器的优化，青岛理工大学，2010

[5]章熙民.传热学.北京：中国建筑工业出版社，2001

[6]余才锐.带闭式空腔的铜铝复合柱翼型散热器理论研究及优化.青岛理工大学，2006