用于冷却的翅片


在有限体积中增加表面积



随着大功率电子器件功率密度的不断升级,设计工程师在选择冷却解决方案时,挑战更大,也更难作出权衡取舍。通过设计翅片的几何形状和传热装置(如换热器和冷板)的翅片密度便是其中一项应对之策。

本文将说明翅片的几何形状和密度如何影响换热器和冷板的性能:简要回顾基本的传热理论;比较不同的翅片几何形状及其在改善性能方面的作用;重点讲述最小化热阻如何让性能最大化。




热传递

过程中总传热的基本方程式为:

Q = U × A x LMTD (1)

其中:

Q = 传热量,BTU/hr (W)
U = 总传热系数,BTU/hr-ft2-ºF (W/m2-ºC)
A = 热传递面积, ft2 (m2)
LMTD =在使用换热器时两种进液之间或者在使用冷板的情况下局部表面与表面下流体之间的对数平均温度差(假设热负荷均匀分布,单位:ºF (ºC))

U、A或LMTD的增加将加大热传递。

对多数换热器和冷板应用而言,总传热系数主要由热传导项和热对流项组成,传导项往往比对流项小很多。这点的重要性在于,设计人员无法改变材料的结构,而结构又会影响传导性以及所使用的冷却剂。但设计人员能控制翅片的几何形状和密度(影响对流)。




翅片几何结构与密度

若翅片几何结构和密度能产生湍流并改善性能,那么压降也会增加,在多数高性能应用中,这点十分重要。最佳的几何结构与密度组合会影响性能、压降、重量和尺寸。在“用于电子设备冷却的风冷式紧凑型换热器设计”中,我们介绍了常用翅片的性能、压降、重量和尺寸的品质因数比较。

除了翅片几何结构,还可通过改变厚度、高度、间距、间隔等参数提高性能。翅片的一般厚度为0.004in.(0.1mm)~0.012in.(0.3mm),高度为0.035in.(0.89mm)~0.6in.(15.24mm),密度为8~30 FPI(每英寸的翅片数)。

在多数高性能应用中,翅片由铜或铝制成。铝翅片轻,在飞机电子液体冷却应用中为优选。而应用铜翅片时,重量一般不是关键因素,但与其他冷却回路材料的兼容性很重要。

在传热应用中,翅片的几何结构不尽相同。常见几何结构包括百叶窗式、偏置式、直线型以及波浪型(见图1)。




通过热阻最小化实现性能最大化

如何通过最小化热阻实现性能优化?我们通过一个理论示例来说明。假设在传热过程中,50/50的乙二醇和水(EGW)在板翅式换热器中被环境空气冷却。图2使用电气类比说明了经过换热器的热流路径。



在本例中,热量通过温度TH和T 1之间的对流传递,然后通过温度T 1和T 2之间的传导传递,最后通过T 2和TC之间的对流传递。总热阻等于串联的三个热阻之和。

相比之下,流经冷板的通常只有一种冷却剂。结果,热量从安装在冷板上的散热电子装置传导至热界面材料和冷板材料。然后,热量通过对流从流体路径材料的内表面流至冷却剂。

如上例所示,若要最大程度地提高热传递,须实现热阻的最小化。为此,我们须增加相应的传热面积或薄膜系数或两者同时增加。理论上,尽管有时会受到诸如重量、尺寸和压降等应用限制,增加传热面积相对容易,有效方法是增加翅片密度(每单位长度的翅片)。增加薄膜系数更加复杂,因为薄膜系数取决于流体性质、流体速度和翅片的几何结构。




面对挑战

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