一．利用平衡點 

     前面我們分別介紹了散熱器串聯式和并聯式熱平衡計算的基本知識，能夠通過尋找系統的平衡點作出簡單的性能設計，滿足基本的散熱要求。在此基礎上，我們還可以做進一步的優化設計。

 這是某款5排散熱器風阻、散熱系數曲線與風扇風量—靜壓曲線的合成圖。 

 這是某款3排散熱器風阻、散熱系數曲線與風扇風量 —靜壓曲線的合成圖。其中風扇的直徑、葉片形狀角度、風扇轉速與前款圖中的相同。 

     采用同一款風扇，選取同一風扇轉速，散熱器外形尺寸也完全相同，兩組曲線疊加在同一坐標系中。我們可以發現兩種散熱器平衡點不同，對應的散熱系數也不同。

     從圖中我們可以看出：3排管的散熱器不僅散熱系數較高，質量風速也較大。這意味著，流經散熱器的空氣吸收同樣的熱量，溫升較小，根據算數平均溫差公式：

 ΔTrm≈ [（Tw1+Tw2）-（Ta1+Ta2）] / 2 

式中Ta2減小，則ΔTrm變大。 

根據散熱量計算公式：

 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， 這是設計的主要工作。

 二．風扇選擇 

 在強制冷卻系統中，帶走熱量的空氣完全依靠風扇的驅動，而風扇的運轉需消耗一定的功率，一般情況下，分配給風扇的功率占總功率的5~8%。 

 好的風扇 

 風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 —— 風扇的全壓 Pa 

η f —— 風扇效率 % 

    由于風扇效率是除數，因此效率為20%與30%的風扇提供同樣的壓力和風量，消耗的功率相差50%。 

 平衡點在風扇風量—靜壓曲線上的位置 

 利用圖形很重要 

    從上圖我們可以看出，風扇的效率并不是固定不變的，而是隨風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需要經驗的積累。

 風扇間隙及風罩形狀 

    理論上，風扇與風罩之間的間隙越小，風扇效率越高，但過小的間隙會導致噪音加大。當風扇運轉不平穩時還會發生撞擊，損壞葉片。推薦單邊間隙為風扇直徑的0.8~1.5%。這取決于零部件的制造精度和裝配精度。

 3．散熱器內部的優化 通過改進散熱器管、帶的匹配，提高散熱器自身的散熱系數是我們長期的工作。 

 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T1的熱量傳導到管壁外T2，經過的路徑是管料的厚度d ，可按熱傳導公式計算：

 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：

 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化為一固定值，

 ψ=Afαa（Tn-Ta）/Afαa（Tn-Ta） 

式Q2=Afαa（Tn-Ta）就可轉化為： 

Q2=Afαaψ（T2-Ta） 

 總的熱量Q=Q1+Q2，則：

 Q= （Atαa+Afαaψ）（T2-Ta） 

 根據三個過程的溫度差，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）當作一綜合系數看待， 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：散熱管內部與冷卻液的接觸面積 

d：管料壁厚 繼續 帶入實際參數計算后，公式中各部分占總數“1”的比例如下： 

 （100%）=（11%）+（0.1%）+（88.9%） 

 內部優化方向 

三項熱阻中，氣側占到了88.9%，因此αa是其中的關鍵因素，調整開窗角度、長度、提高焊合率等有很大的必要。水側熱阻占到11%，通過改變內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。而管壁內外的熱阻僅占0.1%，可忽略不記。

 修正系數

 前面提到過算數平均溫差，為了精確計算， 還要用到對數平均溫差，公式如下： 

 ΔTrm=[（Tw1-Ta2）-（Tw2-Ta1）]／ ln[（Tw1-Ta2）/（Tw2-Ta1）] 

 氣水當量 

即使這樣，還要再做修正，引入修正系數FT ； 影響FT值的因素為氣水當量P、Q、R， 

P=（Ta2-Ta1）／（Tw1-Ta1） 

Q=（Tw1- Tw2）／（Tw1-Ta1）

R=（Tw1- Tw2）／（Ta2-Ta1）=Cw／Ca 

 影響1 

 當P值較小時（一般情況下，芯子較薄，在 50mm以下 ） 此時可以認為 

FT≈1

 影響2 

當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，我們應關注FT值較小的區域，在 這一區域中，雖然溫度只有很小的變化， 但FT的變化卻很大，導致ΔTm產生很大 變化。 

 修正系數圖 

關注  

 當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，就容易出現問題。

編輯：李大鈞