一．利用平衡点 

     前面我们分别介绍了散热器串联式和并联式热平衡计算的基本知识，能够通过寻找系统的平衡点作出简单的性能设计，满足基本的散热要求。在此基础上，我们还可以做进一步的优化设计。

 这是某款5排散热器风阻、散热系数曲线与风扇风量—静压曲线的合成图。 

 这是某款3排散热器风阻、散热系数曲线与风扇风量 —静压曲线的合成图。其中风扇的直径、叶片形状角度、风扇转速与前款图中的相同。 

     采用同一款风扇，选取同一风扇转速，散热器外形尺寸也完全相同，两组曲线叠加在同一坐标系中。我们可以发现两种散热器平衡点不同，对应的散热系数也不同。

     从图中我们可以看出：3排管的散热器不仅散热系数较高，质量风速也较大。这意味着，流经散热器的空气吸收同样的热量，温升较小，根据算数平均温差公式：

 ΔTrm≈ [（Tw1+Tw2）-（Ta1+Ta2）] / 2 

式中Ta2减小，则ΔTrm变大。 

根据散热量计算公式：

 Qw = Uw * S*ΔTm

 Uw 和ΔTm加大，

用较小的散热面积S即可满足散热量的要求。 

找到最佳的平衡点，即满足性能要求，又降低成本， 这是设计的主要工作。

 二．风扇选择 

 在强制冷却系统中，带走热量的空气完全依靠风扇的驱动，而风扇的运转需消耗一定的功率，一般情况下，分配给风扇的功率占总功率的5~8%。 

 好的风扇 

 风扇消耗的功率可用下式计算：

 Nf = Va * H / η f 

式中： Va —— 通过散热器的空气流量 m3/s 

H —— 风扇的全压 Pa 

η f —— 风扇效率 % 

    由于风扇效率是除数，因此效率为20%与30%的风扇提供同样的压力和风量，消耗的功率相差50%。 

 平衡点在风扇风量—静压曲线上的位置 

 利用图形很重要 

    从上图我们可以看出，风扇的效率并不是固定不变的，而是随风量的逐渐增加不断提高再逐渐降低的。将平衡点选在高效区需要经验的积累。

 风扇间隙及风罩形状 

    理论上，风扇与风罩之间的间隙越小，风扇效率越高，但过小的间隙会导致噪音加大。当风扇运转不平稳时还会发生撞击，损坏叶片。推荐单边间隙为风扇直径的0.8~1.5%。这取决于零部件的制造精度和装配精度。

 3．散热器内部的优化 通过改进散热器管、带的匹配，提高散热器自身的散热系数是我们长期的工作。 

 散热器热流道模型 

下图是散热器芯体的局部： 

 热量移动的路径1 

 散热器中，热量移动的第一个过程是热量从高温Tw的冷却液到散热管管壁T1， 需用到散热管的面积Aw和冷却液与管壁间的热传递αw，此时 ：

 Q=Awαw（Tw-T1） 

 热量移动的路径2 

 第二个过程是管壁内T1的热量传导到管壁外T2，经过的路径是管料的厚度d ，可按热传导公式计算：

 Q=Aw（λt/d）（T1-T2） 

 热量移动的路径3 

 第三个过程分两部分，一部分是热量直接从管壁外T2传递到空气中Ta，另一部分是从管壁T2到散热带Tn，有两个公式来表达：

 Q1=Atαa（T2-Ta） Q2=Afαa（Tn-Ta） 

 在散热带上温度Tn的分布是变化的， 我们可以用散热带效率来把他转化为一固定值，

 ψ=Afαa（Tn-Ta）/Afαa（Tn-Ta） 

式Q2=Afαa（Tn-Ta）就可转化为： 

Q2=Afαaψ（T2-Ta） 

 总的热量Q=Q1+Q2，则：

 Q= （Atαa+Afαaψ）（T2-Ta） 

 根据三个过程的温度差，将上面各式合并，就得到温度差、热流量和热阻的关系式： 

Tw- Ta=Q[1/Awαw+d/Awλt+1/（Atαa+Afα aψ）] 

 局部的散热量可以不考虑平均温差， 将ΔTm替换为（Tw-Ta）

 Q=UA（Tw-Ta） 

 转换上式得到 

1/（UA）=（Tw-Ta）/Q， 

再带入Tw-Ta，得到： 

1/（UA）=1/Awαw+d/Awλt+1/ （Atαa+Afαaψ） 

因为A=Af+At，再将公式左面气侧散热面积A、及管的面积At消除，

 1/U=1/（Awαw/A）+d/（Awλt/A）+1/αa[1 -Af/A（1-ψ）] 

 公式简化 

 把1-Af/A（1-ψ）当作一综合系数看待， 得到：

 ηa=1-Af/A（1-ψ） 

我们得到一比较简单的公式：

 1/U=1/（Awαw/A）+d/（Awλt/A）+1/αa ηa 

 式中：At：散热管与空气的接触面积 Af：带两面与空气的接触面积Aw：散热管内部与冷却液的接触面积 

d：管料壁厚 继续 带入实际参数计算后，公式中各部分占总数“1”的比例如下： 

 （100%）=（11%）+（0.1%）+（88.9%） 

 内部优化方向 

三项热阻中，气侧占到了88.9%，因此αa是其中的关键因素，调整开窗角度、长度、提高焊合率等有很大的必要。水侧热阻占到11%，通过改变内部流速或在在管壁上增加凸起，提高αw，也是提高散热性能的途径。而管壁内外的热阻仅占0.1%，可忽略不记。

 修正系数

 前面提到过算数平均温差，为了精确计算， 还要用到对数平均温差，公式如下： 

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

 气水当量 

即使这样，还要再做修正，引入修正系数FT ； 影响FT值的因素为气水当量P、Q、R， 

P=（Ta2-Ta1）／（Tw1-Ta1） 

Q=（Tw1- Tw2）／（Tw1-Ta1）

R=（Tw1- Tw2）／（Ta2-Ta1）=Cw／Ca 

 影响1 

 当P值较小时（一般情况下，芯子较薄，在 50mm以下 ） 此时可以认为 

FT≈1

 影响2 

当P值较大时（一般情况下，芯子较厚，在50mm以上 ）可通过查图得到。在这张图中，我们应关注FT值较小的区域，在 这一区域中，虽然温度只有很小的变化， 但FT的变化却很大，导致ΔTm产生很大 变化。 

 修正系数图 

关注  

 当FT在0.8以下时，说明散热器芯体太厚， 或空气流量不足，或液气温差太小，就容易出现问题。

编辑：李大钧