2024年3月28日发(作者：及翮)
风冷翅片式热管散热器的性能仿真探究
摘要：本文开展了风冷翅片式热管散热器的模拟仿真分析研究，得到了散热
器内热管、铜板和翅片的温度分布规律，并采用理论分析与有限元分析相结合的
方法，研究了冷冻柜平均温度和制冷量随时间的变化。
关键词：风冷翅片式；热管散热器；性能仿真；
1 风冷翅片式热管散热器概述
风冷翅片式热管散热器概述随着我国工业的飞速发展，大量的低温介质如
LNG、液氧、液氮等，广泛应用在石油化工、天然气、航空航天等领域，而制冷
片是储存与输送低温介质的关键设备。低温介质的危险性对制冷片的安全运行提
出了更高的要求。制冷片密封填料的稳定性，是保障制冷片长周期运行的关键因
素之一。半导体制冷片的制冷性能和制冷片冷热两端的温差相关，温差越小，制
冷效率越高。因此，为了提高半导体制冷片热端的散热能力，本文选择使用热管
散热器，并用数值模拟的方法研究了热管散热器的温度分布并与实验结果对比。
此外，为了研究风冷翅片式热管散热器特性，为此，风冷翅片式热管散热器在设
计时常采用加长阀盖的方式，以保证填料温度高于 0℃，同时在阀盖表面安装环
形翅片（翅片式阀盖），不但可以防止冷凝水滴入阀体保冷层，还可以提高填料
温度，减少阀盖长度，从而降低生产成本，弥补低温阀门安装、运输不便等缺点。
在以往的研究中，关于翅片盖温度场的影响分析较少，缺乏较为完善的理论模型。
2 热管散热器
在几何和传热上均对称，因此在仿真过程中，为了减少网格数量，提升计算
效率，只需要对热管散热器的1/4进行仿真，简化后的热管散热器仿真的几何模
型以及热源条件如图1（b）所示。本文在仿真模型参数选取过程中，参考了前期
已获取的实验研究数据。按照热管散热器的工作状态，针对图1中的仿真模型设
定了边界条件，主要包括两个进口，一个出口以及两个对称面；进口条件设定为
压力进口，出口条件设定为出风风扇，并且在Fluent中设定线性风扇曲线，设
定的风扇模型与实验中的风扇特性曲线基本保持一致。在本文的仿真研究中，湍
流模型采用了FLUENT中的SSTk-ω湍流模型。分别给定热管蒸发段，绝热段以
及冷凝段不同的等效导热系数，将其简化为单相导热过程。由于热管蒸发段与冷
凝段均为相变传热，因此它们的等效导热系数普遍取值相对较大，为16 kW.m-
1.K-1；绝热段不参与换热，仅为气液相传热工质的流过程，因此其等效导热系
数取值相对较小，取值为10 kW.m-1.K-1。
（a）整体外观示意图
（b）仿真部分示意图
图 1 热管散热器及流体域仿真模型
3 仿真结果与讨论
3.1 热管散热器数值仿真
在热管散热器的仿真研究中计算了热管散热器的铜板温度、热管温度以及末
端散热翅片温度，并通过对监测点仿真结果与实验中的测量结果相比较，来检验
热管传热模型以及热管散热器散热模型的准确性。图2为热管散热器的温度分布
示意图。从图中可以看出，热管散热器的温度范围为27.7 ℃~43.3 ℃，最高点
温度与最低点温度存在着15.6 ℃的温差，整体温差较大。图2（a）为热管散热
器铜板的温度分布示意图。从图中可以看出，铜板的温度范围为
40.7 ℃~43.3 ℃，温度最高点与最低点存在着2.6 ℃的温差，铜板的均温性较
好。同时还可以看出，铜板的中心，尤其是热源位置温度较高，而四周的温度较
低，这是因为中心位置直接与热源位置重合，而热量在向铜板四周扩散的时候，
大部分热量已经通过热管进行散热。图2（b）为热管的温度分布示意图。可以看
出热管的温度范围为29.5 ℃~42.6 ℃，最大温差为13.1 ℃，热管整体的温差
较大。绝热段的温差最大，这是因为在仿真研究中，热管绝热段的等效导热系数
较小，因此传热热阻较大。同时还可以看出，位于热管散热器中间位置的热管的
整体温度较高，两侧的热管的整体温度较低，这是因为中心位置的热管散热量较
大，这与热源的布置位置，即半导体制冷片的布置位置有关。
（a浅黄色）铜板温度 （b黄色）热管温度 （c绿色）翅片温度
图 2 热管散热器温度分布
3.2 冷冻柜系统仿真
热管散热器仿真模型中，铜板底部的热流密度可以通过半导体片和冷柜的耦
合模型来获取。通过将半导体冷冻柜的系统仿真模型和热管散热器的数值仿真模
型相结合，可以分析不同工作电流条件下热管散热器的散热特性。图3展示了半
导体冷冻柜柜内空气平均温度Tave随时间变化的仿真与实验结果对比。从图中
实验曲线可以看出，半导体冷冻柜柜内温度的降低速率较快，运行120分钟后
Tave降低至-18.0 ℃以下，最终Tave稳定在-19.3 ℃。而在仿真结果中，冷冻
柜运行75分钟后Tave降低至-18.0 ℃以下，最终Tave稳定在-20.8 ℃，跟实
验结果相比Tave相差1.5 ℃；总体来说，仿真结果和实验结果吻合较好。
图4展示了半导体冷冻柜运行时半导体制冷模块的制冷量Qc随时间变化的
仿真结果。从图中可以看出，当半导体冷冻柜刚开始运行时，由于冷冻柜内外温
差较小，半导体制冷模块冷热端的温差也较小，因此这个时候制冷量较大，可以
达到77.7 W。而随着半导体冷冻柜的运行，柜内温度逐渐降低，冷柜内外温差增
大，因此半导体制冷模块冷热端温差也逐渐增大，导致Qc逐渐减小。当半导体
冷冻柜柜内温度达到稳定后，半导体制冷模块的制冷量也趋于稳定，为61.9 W，
此时对应的实验中半导体冷冻柜柜内温度稳定时制冷量为57.6W，仿真结果的相
对误差为7.5%。
图 3冷冻柜T
ave
随时间变化的仿真与实验结果对比
图 4半导体冷冻柜Qc随时间变化的仿真结果
结论
本文通过CFD数值模拟方法研究热管散热器应用于半导体冷柜的温度分布，
并将仿真结果和实验数据进行了对比。此外，还通过建立半导体冷冻柜制冷系统
动态仿真模型研究了冷冻柜平均温度和制冷量随时间的变化。由模拟和实验的结
果分析得到以下结论：（1）通过等效导热系数方法简化的热管散热器的数值仿
真模型能够准确地模拟出热管散热器的散热特性。（2）热管散热器铜板的整体
温差最小，热管的整体温差最大，且由于半导体片安装在中间，使铜板中间温度
比四周更高，嵌入中间铜板的热管温度更高和靠近热源和中部的翅片温度更高。
（3）基于两级半导体制冷模块的计算模型和半导体冷冻柜柜体的传热模型耦合
而成的半导体冷冻柜的动态仿真模型能准确描述半导体冷冻柜的动态特性。
参考文献：
[1] 金滔，夏雨亮，洪剑平，等.风冷翅片式热管散热器的性能仿真探究
[J]. 低温工程，2007(04)：135-138.
[2] 吴堂荣，唐勇，孙晔，等.风冷翅片式热管散热器的性能仿真设计研究
[J]. 船舶工程，2010，32(s2)：173-178.
[3] 明友，陈凤宫，等.基于风冷翅片式热管散热器的性能传热学分析 [J].
低温与超导，2013，41(11)：128-131.
2024年3月28日发(作者：及翮)
风冷翅片式热管散热器的性能仿真探究
摘要：本文开展了风冷翅片式热管散热器的模拟仿真分析研究，得到了散热
器内热管、铜板和翅片的温度分布规律，并采用理论分析与有限元分析相结合的
方法，研究了冷冻柜平均温度和制冷量随时间的变化。
关键词：风冷翅片式；热管散热器；性能仿真；
1 风冷翅片式热管散热器概述
风冷翅片式热管散热器概述随着我国工业的飞速发展，大量的低温介质如
LNG、液氧、液氮等，广泛应用在石油化工、天然气、航空航天等领域，而制冷
片是储存与输送低温介质的关键设备。低温介质的危险性对制冷片的安全运行提
出了更高的要求。制冷片密封填料的稳定性，是保障制冷片长周期运行的关键因
素之一。半导体制冷片的制冷性能和制冷片冷热两端的温差相关，温差越小，制
冷效率越高。因此，为了提高半导体制冷片热端的散热能力，本文选择使用热管
散热器，并用数值模拟的方法研究了热管散热器的温度分布并与实验结果对比。
此外，为了研究风冷翅片式热管散热器特性，为此，风冷翅片式热管散热器在设
计时常采用加长阀盖的方式，以保证填料温度高于 0℃，同时在阀盖表面安装环
形翅片（翅片式阀盖），不但可以防止冷凝水滴入阀体保冷层，还可以提高填料
温度，减少阀盖长度，从而降低生产成本，弥补低温阀门安装、运输不便等缺点。
在以往的研究中，关于翅片盖温度场的影响分析较少，缺乏较为完善的理论模型。
2 热管散热器
在几何和传热上均对称，因此在仿真过程中，为了减少网格数量，提升计算
效率，只需要对热管散热器的1/4进行仿真，简化后的热管散热器仿真的几何模
型以及热源条件如图1（b）所示。本文在仿真模型参数选取过程中，参考了前期
已获取的实验研究数据。按照热管散热器的工作状态，针对图1中的仿真模型设
定了边界条件，主要包括两个进口，一个出口以及两个对称面；进口条件设定为
压力进口，出口条件设定为出风风扇，并且在Fluent中设定线性风扇曲线，设
定的风扇模型与实验中的风扇特性曲线基本保持一致。在本文的仿真研究中，湍
流模型采用了FLUENT中的SSTk-ω湍流模型。分别给定热管蒸发段，绝热段以
及冷凝段不同的等效导热系数，将其简化为单相导热过程。由于热管蒸发段与冷
凝段均为相变传热，因此它们的等效导热系数普遍取值相对较大，为16 kW.m-
1.K-1；绝热段不参与换热，仅为气液相传热工质的流过程，因此其等效导热系
数取值相对较小，取值为10 kW.m-1.K-1。
（a）整体外观示意图
（b）仿真部分示意图
图 1 热管散热器及流体域仿真模型
3 仿真结果与讨论
3.1 热管散热器数值仿真
在热管散热器的仿真研究中计算了热管散热器的铜板温度、热管温度以及末
端散热翅片温度，并通过对监测点仿真结果与实验中的测量结果相比较，来检验
热管传热模型以及热管散热器散热模型的准确性。图2为热管散热器的温度分布
示意图。从图中可以看出，热管散热器的温度范围为27.7 ℃~43.3 ℃，最高点
温度与最低点温度存在着15.6 ℃的温差，整体温差较大。图2（a）为热管散热
器铜板的温度分布示意图。从图中可以看出，铜板的温度范围为
40.7 ℃~43.3 ℃，温度最高点与最低点存在着2.6 ℃的温差，铜板的均温性较
好。同时还可以看出，铜板的中心，尤其是热源位置温度较高，而四周的温度较
低，这是因为中心位置直接与热源位置重合，而热量在向铜板四周扩散的时候，
大部分热量已经通过热管进行散热。图2（b）为热管的温度分布示意图。可以看
出热管的温度范围为29.5 ℃~42.6 ℃，最大温差为13.1 ℃，热管整体的温差
较大。绝热段的温差最大，这是因为在仿真研究中，热管绝热段的等效导热系数
较小，因此传热热阻较大。同时还可以看出，位于热管散热器中间位置的热管的
整体温度较高，两侧的热管的整体温度较低，这是因为中心位置的热管散热量较
大，这与热源的布置位置，即半导体制冷片的布置位置有关。
（a浅黄色）铜板温度 （b黄色）热管温度 （c绿色）翅片温度
图 2 热管散热器温度分布
3.2 冷冻柜系统仿真
热管散热器仿真模型中，铜板底部的热流密度可以通过半导体片和冷柜的耦
合模型来获取。通过将半导体冷冻柜的系统仿真模型和热管散热器的数值仿真模
型相结合，可以分析不同工作电流条件下热管散热器的散热特性。图3展示了半
导体冷冻柜柜内空气平均温度Tave随时间变化的仿真与实验结果对比。从图中
实验曲线可以看出，半导体冷冻柜柜内温度的降低速率较快，运行120分钟后
Tave降低至-18.0 ℃以下，最终Tave稳定在-19.3 ℃。而在仿真结果中，冷冻
柜运行75分钟后Tave降低至-18.0 ℃以下，最终Tave稳定在-20.8 ℃，跟实
验结果相比Tave相差1.5 ℃；总体来说，仿真结果和实验结果吻合较好。
图4展示了半导体冷冻柜运行时半导体制冷模块的制冷量Qc随时间变化的
仿真结果。从图中可以看出，当半导体冷冻柜刚开始运行时，由于冷冻柜内外温
差较小，半导体制冷模块冷热端的温差也较小，因此这个时候制冷量较大，可以
达到77.7 W。而随着半导体冷冻柜的运行，柜内温度逐渐降低，冷柜内外温差增
大，因此半导体制冷模块冷热端温差也逐渐增大，导致Qc逐渐减小。当半导体
冷冻柜柜内温度达到稳定后，半导体制冷模块的制冷量也趋于稳定，为61.9 W，
此时对应的实验中半导体冷冻柜柜内温度稳定时制冷量为57.6W，仿真结果的相
对误差为7.5%。
图 3冷冻柜T
ave
随时间变化的仿真与实验结果对比
图 4半导体冷冻柜Qc随时间变化的仿真结果
结论
本文通过CFD数值模拟方法研究热管散热器应用于半导体冷柜的温度分布，
并将仿真结果和实验数据进行了对比。此外，还通过建立半导体冷冻柜制冷系统
动态仿真模型研究了冷冻柜平均温度和制冷量随时间的变化。由模拟和实验的结
果分析得到以下结论：（1）通过等效导热系数方法简化的热管散热器的数值仿
真模型能够准确地模拟出热管散热器的散热特性。（2）热管散热器铜板的整体
温差最小，热管的整体温差最大，且由于半导体片安装在中间，使铜板中间温度
比四周更高，嵌入中间铜板的热管温度更高和靠近热源和中部的翅片温度更高。
（3）基于两级半导体制冷模块的计算模型和半导体冷冻柜柜体的传热模型耦合
而成的半导体冷冻柜的动态仿真模型能准确描述半导体冷冻柜的动态特性。
参考文献：
[1] 金滔，夏雨亮，洪剑平，等.风冷翅片式热管散热器的性能仿真探究
[J]. 低温工程，2007(04)：135-138.
[2] 吴堂荣，唐勇，孙晔，等.风冷翅片式热管散热器的性能仿真设计研究
[J]. 船舶工程，2010，32(s2)：173-178.
[3] 明友，陈凤宫，等.基于风冷翅片式热管散热器的性能传热学分析 [J].
低温与超导，2013，41(11)：128-131.