用于冷却成功的鳍

在有限体积内增加表面积

随着高功率电子产品继续推动电力密度限制，部件设计工程师在他们选择的冷却解决方案方面面临更大的挑战和权衡。一种满足这些挑战和权衡的一种方法是通过翅片几何形状和鳍片密度的传热装置，例如热交换器和冷板。

本文将解释翅片的几何形状和密度如何影响热交换器和冷板的性能。它将简要回顾一些基本的传热理论，比较不同类型的翅片几何形状和它们在改善性能中的作用，并集中在最小化热阻作为一种最大化性能的方法。

传播热量

描述过程中总热传递的基本方程是给出的：

Q = U × A × LMTD (1)

地点:

问=传递的热量，BTU / HR（W）
U=总传热系数，BTU/h -ft2-ºF (W/m2-ºC)
一个=传热面积，ft2 (m2)
lmtd.=对热交换器中两种进入流体之间或在冷板情况下局部表面与下面流动流体之间的平均温差的对数，假设热负荷是均匀分布的，ºF(ºC)

增加U、A或LMTD将导致更多的热传递。

对于大多数热交换器和冷板应用，整体传热系数主要由传导和对流项组成，其中传导项往往比对流项小得多。这是很重要的，因为组件设计者通常很少控制建筑材料，这影响传导和冷却剂的使用。然而，它们确实对影响对流的鳍的几何形状和密度有相当大的控制。

鳍几何和密度

翅片的几何形状和密度可以产生紊流并提高性能，但也会增加压降，这在大多数高性能应用中是一个关键要求。最佳的翅片几何形状和翅片密度组合是性能、压降、重量和尺寸的折衷。基于性能、压降、重量和尺寸的常用翅片类型的优值比较在“用于电子冷却的气冷紧凑换热器设计”中进行了描述。

除了鳍几何形状，还可以改变厚度，高度，间距和间距等参数以提高性能。通常，鳍片厚度在0.004英寸下变化。（0.1 mm）至0.012英寸（0.3毫米），高度从0.035英寸不同。（0.89 mm）至0.6英寸（15.24 mm），并且密度从8到30 fpi之间变化（15.24 mm）。每英寸鳍）。

在大多数高性能应用中，翅片由铜或铝制成。铝翅片因其重量较轻而成为飞机电子液冷应用的首选。铜翅片主要用于重量不是一个重要因素，但与其他冷却回路材料的兼容性是一个重要因素的应用。

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，刺偏，直，和波浪形鳍。(见图1)。

通过最小化热阻最大化性能

通过理论示例，最好证明优化性能和最小化热阻的任务。考虑一种传热过程，其中50/50乙二醇和水（EGW）通过板翅式热交换器中的环境空气冷却。图2示出了使用电气类比通过热交换器的热流路径。

在该示例中，通过温度Th和T1之间的对流流动，然后通过温度t1和t2之间传导，最后通过t之间的对流₂和T_C．总的热阻等于串联的三个热阻之和。

相比之下，冷板通常只流过它的冷却剂。结果，通过热界面材料和冷板材料从安装在冷板上的散热电子器件的传导通过导通热流。然后热通过流体路径材料的内表面流到冷却剂。

如上面的例子所示，如果我们想要最大限度地提高传热，就必须尽量减少热阻。要做到这一点，我们必须增加相应的传热面积，膜系数，或两者都增加。从概念上讲，增加传热面积相对容易，尽管有时会受到重量、尺寸和压降等应用要求的限制。增加换热面积的有效方法是增加翅片密度(单位长度翅片)。然而，增加膜系数是比较复杂的，因为膜系数取决于所考虑的流体的特性、流体速度和鳍的几何形状。

迎接挑战

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，为了最大化性能和满足应用要求，与了解如何优化热交换器和冷板的翅片几何形状和翅片密度的有经验的供应商合作至关重要。