冷却成功的鳍片

在有限的体积内增加表面积

随着大功率电子器件不断突破功率密度的极限，组件设计工程师在选择冷却解决方案时面临着更大的挑战和取舍。应对这些挑战和权衡的一种方法是，通过工程翅片几何形状和翅片密度的传热设备，如热交换器和冷板。

本文将解释翅片几何形状和翅片密度如何影响热交换器和冷板的性能。它将简要地回顾一些基本的传热理论，比较不同类型的翅片几何形状及其在改善性能中的作用，并将重点放在最小化热阻作为最大性能的方法。

传热

描述过程总传热的基本方程为:

Q = U × A × LMTD (1)

地点:

问=传递热量，BTU/hr (W)
U=总传热系数，BTU/hr-ft2-ºF (W/m2-ºC)
一个=传热面积，ft2 (m2)
LMTD=热交换器中两种进入的流体或冷板情况下局部表面与下面流动的流体之间的平均温度差的对数，假设热负荷均匀分布，ºF(ºC)

增加U、A或LMTD会导致更多的热传递。

对于大多数换热器和冷板应用，整体传热系数主要由传导和对流项的组合组成，其中传导项往往比对流项(s)小得多。这一点很重要，因为部件设计者通常对影响传导和使用的冷却剂的建筑材料几乎没有控制。然而，它们确实对翅片的几何形状和密度有相当大的控制，从而影响对流。

鳍的几何形状和密度

翅片的几何形状和密度可以产生紊流并改善性能，同时也会增加压降，这是大多数高性能应用的关键要求。最佳的鳍片几何形状和鳍片密度组合是性能、压降、重量和尺寸的折衷。“用于电子冷却的风冷紧密型热交换器设计”中描述了基于性能、压降、重量和大小的普通翅片类型的性能比较。

除了鳍的几何形状，厚度、高度、间距等参数也可以通过改变来提高性能。通常，鳍的厚度在0.004英寸之间。(0.1毫米)至0.012英寸。(0.3 mm)，高度从0.035英寸。(0.89毫米)至0.6英寸。(15.24毫米)，密度从8到30 FPI(每英寸鳍)不等。

在大多数高性能应用中，翅片是由铜或铝制成的。由于重量较轻，铝翅片在飞机电子液体冷却应用中是首选。铜翅片大多用于重量不是重要因素，但与其他冷却回路材料的兼容性是重要因素的应用。

在传热应用中有许多不同的翅片几何形状。一些最常用的是百叶，刺式偏移，直鳍和波浪鳍。(见图1)。

通过最小化热阻来最大化性能

优化性能和最小化热阻的任务可以通过一个理论例子得到最好的证明。考虑一个传热过程，其中50/50乙二醇和水(EGW)由环境空气在板翅式热交换器中冷却。图2说明了通过热交换器的热流路径使用电气类比。

在这个例子中，热流通过温度TH和T1之间的对流，然后通过温度T1和T2之间的传导，最后通过温度T之间的对流₂和T_C。总热阻等于三个串联的热阻之和。

相比之下，一个冷板通常只有一种冷却剂流过。因此，安装在冷板上的散热电子装置通过热界面材料和冷板材料进行热传导流动。热量然后通过对流从流体路径材料的内表面流动到冷却剂。

正如上面的例子所示，如果我们想要最大限度地传热，就必须使热阻最小化。要做到这一点，我们必须增加相应的传热面积，薄膜系数，或两者都增加。增加传热面积在概念上是相对容易的，尽管有时会受到应用要求的限制，如重量、尺寸和压降。增加换热面积的有效方法是增加鳍片密度(单位长度鳍片)。然而，增加油膜系数更为复杂，因为油膜系数取决于所考虑的流体特性、流体速度和鳍的几何形状。

会议的挑战

当面临苛刻的、有时相互冲突的应用要求时，包括性能、压降、重量和尺寸，与经验丰富的供应商合作，了解如何优化翅片几何形状和翅片密度的热交换器和冷板是至关重要的，以最大限度地提高性能和满足应用要求。