热增强的设计方法使用不同类型的鳍片散热片:一个回顾

1介绍

本研究的主要目的是检查改善传热技术和各种翅片形状的影响散热器的散热特性。最常见的类型的热交换器,用于电子设备散热片降温。散热器是最探索问题领域的热能工程(Khattak和阿里,2019年)由于其设计简单,成本低,广泛的潜在影响力。研究人员现在可以量化复杂数据相关的小型电子框架由于处理能力的进步和先进的分析工具的可用性(Yu et al ., 2005)。因为不良的热管理,电子设备容易失败由于增加热量。几个因素导致失败的概率分布在电子设备中描述图1。热疲劳是设备故障的主要原因,占40%以上的失败。因此,除热确保组件的长期耐久性至关重要艾哈迈德et al ., 2018)。研究者们调查了两种散热器增强技术:主动和被动散热片。在接下来的部分中,我们将通过这些策略的细节。鳍是最基本的散热器组件,包括扩展表面构造的高导热材料(Yadav et al ., 2017年)。这些鳍有显著影响的设计散热器的整体传热率。许多参数,如翅片间距、翅片高度和翅片形状,扮演了一个重要的部分在实现有效的散热。最普遍的自然对流冷却方法,最传统的空气冷却。也不可否认的散热是依赖于流体流动;结果,研究人员应该彻底调查,考虑不同的流动模式的影响(安萨里和金,2018年)。结果,冷却系统必须适当,考虑所有必要的特征。不同的概念和设计可用于创建散热器。散热片可以创建以多种方式使用传导的概念,对流和辐射。重要的是要意识到这三个现象交织在一起,使设计过程更加困难。冷却系统的主要目标是保持组件在一个最佳的温度始终以其功能最大化。选择适当的几何形状对促进散热过程至关重要。选择一个可以接受的几何当考虑地理或独特的限制需要计算和数值分析[(Ejlali et al ., 2009;Farsad et al ., 2011;黄et al ., 2015;巴兰et al ., 2017;Ishak et al ., 2019;Ndlovu Moitsheki, 2019;宋et al ., 2020;Zhang et al ., 2020)]。这些优化策略,以及设计的紧凑性,是至关重要的在今天的当前应用程序。各种应用程序彻底检查,在这些应用程序利用散热策略。

现在评论文章总结研究工作进行热散热器设计及其优化。彻底不同的传热强化技术是本文中讨论后跟鳍设计方法选择,不同翅片几何修改和配置使用以及它们的优点和局限性。的一些重要finidngs和结果的实验有关的设计和优化翅片几何图形在各自的总结部分。

2传热强化技术

传热强化技术是一个有趣的话题,研究人员已获得了高度的关注。新技术提高传热过程必须有效节能。提高对流传热速率通常是与压降的增加,这其中牵扯到的高功率的要求。这是一个重要的考虑因素,研究人员需要在设计现代传热强化技术。传统的传热强化技术包括扩展的实现表面或鳍,迫使流过热表面,和漩涡流装置来改变流体的流场。纳米流体仿生散热器是一种高效的传热强化技术由纳米颗粒的混合物和传统基础液体(唐et al ., 2021)。仿生散热片是基于仿生学的原理与结构和过程模仿大自然的的组织模式,优化和ad-aptation。这有助于最大限度地提高传热率和提高性能比常规工作液体。很多深入的研究已经进行了由于较低的热阻和高的纳米流体导热系数(Qi et al ., 2021)。传热增强方法主要分为两种类型,即主动和被动。活跃的方法需要外部力量。被动的方法不需要任何外部力量和依靠扩展表面或组件改变冷却液的流动,这增强了传热过程。

2.1。活跃的技术

活跃的传热强化技术使用外部力量来增强散热过程。一些现代技术,如旋转表面或元素,引入振动,采用电磁场、流体注入和流体吸入。电磁场的方法是最近的技术发展实现更大的散热。在这种方法中,静电场可以直接造成更大的散装液体混合传热表面附近的(胡锦涛等人。,2015年)。各种研究提到,虽然传热速率显著提高的帮助下诱导振动,这可能导致产生不利影响,如散热器表面的疲劳应力(Bash et al ., 2018)。注入和抽吸技术很常见,包括注入流体散热环境获得加剧和统一的热量分布在前,包括从散热器排出热空气环境加强散热。这些技术是非常有效的,但在这个领域进行了大量的研究。

2.2 b .被动技术

被动传热技术不使用外部能量提高传热过程(Khattak和阿里,2019年)。这些包括治疗散热器组件的表面增强传热过程,使用扩展表面或鳍,位移增强技术,漩涡流设备和添加剂的液体。引入鳍是最常见的一种被动的技术。该方法涉及表面的扩展,在实践中使用这种方法的例子是micro-fin管。位移增强设备插入到流道,以提高能源运输间接加热表面(公园et al ., 2015)。漩涡流设备创建一个旋转流的二次流增强了散热过程(阿拉姆和金,2017年)。对液体添加剂包括固体颗粒和气体粒子在单相流,而对于天然气添加剂,使用液体水滴或固体颗粒(Mokhtari称et al ., 2017)。

3翅片几何图形和安排

研究人员正在寻找最有效的翅片几何为特定的应用程序。各种翅片几何图形和安排可以有效的应用程序。鳍可以针式和板式,他们也可以有不同的形状像圆形,矩形、梯形或水翼(胡锦涛等人。,2015年)- (阿拉姆和金,2017年),(Keshavarz et al ., 2019)。选择这些鳍的安排来实现最大传热效率是研究的另一个重要的任务。一些geomtries和鳍安排所示图2下面给出。

Mokhtari称et al (2017)现在一项研究,模型与不同销几何图形开发分析热耗散和流体性质。在这里,四个几何图形,如所示图3,进行了分析。这些模型很简单,与相同的模式,相对于与v形斜斜的替代模式。

传热分析指出,大幅提高的倾向比简单的鳍鳍安排安排。很明显从图3倾斜的鳍形排列或模型两个方面是最有效的几何增强层流和紊流流动的传热速率。图4显示了鳍的温度分布模型与有限的热通量。可见,模型2和3时非常有效的冷却。本文还讨论了一个增强的存在冷却区当鳍安排优化基于热流源的位置在底座上。

Keshavarz et al (2019)提出了一个数值研究比较内联圆形几何与水滴鳍几何作为参考。这是观察到所需的泵功率水滴几何小于6.9%所需的参考几何。根据翅片密度也比较。令人惊讶的是,内联几何显示热效率比交错几何学。

Soodphakdee et al (2001)研究了各种常用的翅片几何图形的传热性能。图5显示了翅片几何图形,包括圆形、方形、平行板安排在内联和交错模式。是观察到的交错安排更好的传热比内联安排。交错椭圆翅片安排是表现最好的设计低压和抽运功率下降。在更高的值,圆销鳍提供了最高的性能。图6显示了传热系数和压降的情节,它显然是明显,交错循环提供了更好的传热系数和更大的压力下降。

Haghighi et al (2018)进行实验分析来衡量的对流传热系数和热性能板块鳍和板块立方pin-fins自然对流的散热片。瑞利数的分析从8 - 106 - -106 - 9.5 10 - 120 W的热输入。翅片间距、翅片数字5和12毫米和5到9之间的不同,分别。是观察到的立方pin-fin几何有较高的传热和降低约41.6%的热阻板几何相比正常。也观察到翅片的热阻是反向链接的空间,和鳍的数量没有关系改善传热。研究人员得出结论,最好的散热器设计7 - 8.5 mm间距。

4穿孔鳍

穿孔的鳍是一个更少的研究类型的散热器,它有一个巨大的潜力(黄et al ., 2015)。穿孔鳍鳍有洞或蛀牙,众所周知,提高散热器的传热性能。使用多孔鳍的优点和研究人员进行的各种研究穿孔鳍是下面讨论(黄et al ., 2015)。Khattak et al。(Khattak和阿里,2019)提供了一个广泛的审查风冷散热器的几何图形。本文中提到的重要发现穿孔鳍的优越性在内联和交错的几何图形的传热速率和抽运功率,更好的热效率圆销翅片几何图形相比方形翅片几何图形低再保险在低音和明显的相变材料(PCM)的可行性和有效性n-eicosane尤其如此。这个研究还描绘了引入涡流的影响散热器的发起者加强传热率,还以为,进一步的研究需要研究旁路流的影响机制在现代针翅片几何图形的热力性能。

5斜鳍

斜鳍是一种有效的替代直鳍由于种种优点影响整体散热器的传热效率(Soodphakdee et al ., 2001;萨瑟Dhoble, 2019)。也,这倾向于鳍安排有利于实现减少压降。强化审查提出了关于这一主题的讨论不同的散热器设计使用斜鳍。Zhang et al。(Zhang et al ., 2020)研究了w类型散热器的传热机制。他们实验以及数值表明w型散热器的冷却效果优于平行板的鳍。图6显示了流动行为和温度分布在一个平行的铝制散热器。另一方面,图7描述了流动行为和w - type散热器的温度分布。很明显,在比较这两个数据,w型散热器的温度分布更均匀,因此,在散热比平行板散热器。实验研究表明,特定的倾斜角度优化为一个特定的翅片高度模型来提高效率。本文还论述了间隙对压降的影响,同时也提到,在一个特定的最优间隙范围,散热是由于吸入效应最大化。最后,设计了相关数值分析。

观察到,在实现形散热器翅片几何,最高温度下降了4.6°C,和平均温度下降了2.9°C相比,平行板翅片散热器。图8。显示倾角之间的关系,温度和传热系数。有趣的是,耗散区形鳍是10%不到的平行板翅。公园和李,2017年;Sahoo et al ., 2018)研究的有效性LED灯泡的斜正交圆柱散热器。他们总结,通过改变操作角度,可以提高热效率。图9显示了圆柱周围的流pathlines散热器为各种倾斜角度。在25°-30°倾角,热阻是最小的,和其他50°,热性能急剧下降。相关制定预测冷却性能改善的程度相对于直线正交散热器作为散热器的设计变量和函数散热器的安装角度。表1提供了研究工作进行的夏天的翅片几何图形和散热器取向对热性能的影响。表2显示了夏天的斜翅片几何图形的研究工作。

图10显示了热阻的情节和倾角。当25°的鳍有倾斜角度-30°,热阻是最小的。热阻表示,“两个给定的点之间的温差比两个点之间的热流”这意味着增加热量conductio和热阻障碍反之亦然。塔里和Mehrtash 2013)研究了倾角的影响散热鳍片的特性。

人员发现对流换热在几乎相同的呆了小向上倾斜角度。图11显示了不同的倾斜角度的流线。在大角度,现象是调查来确定流在散热器结构形成。垂直的有效性情况相关性的倾斜角度研究了通过修改Grash数量与倾斜角度的余弦值。图12显示表面平均温度之间的关系,对流传热、辐射传热与不同的倾斜角度。研究人员得出结论,向上的倾向,流动分离影响传热率。的倾角小于60°,顶部的流动分离位置被发现前缘有一个翅片通道之间的流向。辛格和帕蒂尔,2015年)也研究了倾斜角度的影响压花鳍的热耗散特性。图13显示了压花鳍翅片几何。

研究人员使用努塞尔特数的提高率和压花鳍有效性作为参数来比较压花翅片散热器的传热性能印象的角度从30°- 90°。图14显示了压花鳍有效性及其与热量的关系提供了不同的印象的角度值的翅片间距12毫米。最佳性能压花鳍设计有印象45°角12毫米的印象音高对应努塞尔特数为2.86。霁et al (2018)目前数值调查与相变材料热储能系统(潜热)垂直加热从一边的矩形外壳。图15显示了熔体分数的轮廓与自然convection-driven流矢量的鳍PSM例不同的倾斜角度。

由于自然对流的影响,研究人员观察到传热不均匀的吸附没有鳍的数组,可以追踪到顶部的PCM过热,降低整体熔化速率。图16显示温度等值线在PCM域在t = 10000年代。脉码调制域内的温度非常均匀的在其他情况下除了0°背鳍起点。人员发现传热分布-15°翅片几何是最有效的抑制由于其能力不均匀熔化,加快PCM的熔化速率。融化节省时间提高62.7%,相同长度的鳍在0度。图17显示的温度等值线在0度到15度倾角与不同长度/分离比率。的鳍−15°执行异常热流输入时相对较低。冈萨雷斯Gallero et al (2018)设计了一个高翅片高度和翅片散热器原型变量翅片厚度。本研究的重点是CFD模拟和实验数据研究常用的相关性。散热器效率测试不同倾向和停滞地区消失在倾斜角度的模型是超过30度。研究人员还国家未来的研究在这一领域的必要性。

6杂项

各种新颖的散热器设计使用鳍也讨论了在当前文学。这些设计包括实施minichannels、巩膜和优化各种鳍的几何图形。Falahat et al (2018)研究了传热和层流流体流动特性的蒸馏水圆柱螺旋mini-channels散热器。他们已经尝试通过改变螺旋角度和研究对重要的热性能的影响。研究人员观察螺旋角之间的直接关系,雷诺兹和努塞尔特号码。45°螺旋角情况下雷诺数477,最高达到1.6的热力性能因素。因此,他们主张的圆柱螺旋mini-channels散热器是一个最好的设计有效的冷却。热性能因素是衡量标准来衡量的有效性传热现象。热力性能因素也缩写为锥度英尺,”的比例变化的相对影响传热速率改变摩擦系数”。热性能因素的普遍方程给出如下,

在哪里ν努塞尔特数由, $Nu=\frac{hl}{k}$ 和摩擦系数 $f=\frac{∆P}{\left(\rho u^2/2\right)\left(l/D_h\right)}$

热性能的因素是与压降现象密切相关,高压力降热性能系数和低反之亦然。

p·库马尔et al。(Yadav et al ., 2017年)制定一个三维计算模型,分析流体流动和传热的梯形微通道热沉的雷诺数范围96到720。人员发现trapezoidal-shaped渠道有12%比矩形微通道传热速率。沟槽式微通道显示28%的增强传热速率的热边界层的分离和再开发。本研究提出了有效式微通道的有效性。

朱et al (2020)研究了层流流动和传热的三维CFD模拟硅基微通道散热器与矩形槽和不同形状的肋骨。他们得出的结论是,微通道散热器的性能和效率会大大提高,如果内部通道组成的式微通道凹槽和肋骨。他们得出的结论是,总体性能与矩形的肋骨是最好的获得流量入口雷诺数小于500,但椭圆肋骨更有效雷诺数大于500。静等(2020)耦合的有限元方法和RSM方法探索非牛顿nanofluid流的性能与加热腔鳍的各种形状和垂直磁场的存在自然对流传热和熵的形成。各种参数的影响,如哈特曼数和纳米粒子体积分数和类型上的传热效率也进行了研究。

海等,(2019)研究了不可压缩板散热器强制对流换热的影响下fractal-induced动荡,数值制定和优化。研究人员结合高度交互的贡献,和类似的动荡长度规模小,流速高相邻板表面,解决fractal-induced动荡的影响。这部小说的研究也研究分形网格对散热的影响特征(班达里所,2020)。提出了一个开放的水槽不同翅片高度。水作为冷却介质。研究人员推断,在增加翅片高度、微通道热沉的传热率较高是持续到1.5毫米;除此之外翅片高度,趋势改变,散热翅片高度的下降1.75毫米和2.0毫米。打开微通道热沉最佳翅片高度的75% - -80%展品更好的热性能的等效散热器相比,完全封闭的配置。冷却剂还有助于散热。

7现代应用程序的散热器

与电子组件变得越来越小,散热器设计已成为一个具有挑战性的过程(Soht et al ., 2017)。研究者们使用各种个pcm都想出创新的散热技术,冷却液混合物和新颖的散热器设计(非政府组织et al ., 2018),(Herrmann-Priesnitz et al ., 2016)。下面的文章,展示现代电子元件和散热片的应用架构,讨论如下。研究人员还研究了集成的数据从紧凑的热模型(CTM)和物理模型多片LED设备multi-fin阵列(陈et al ., 2017)。两个LED阵列模型进行了研究,即数组和交错数组。交错数组显然表现出更好的热性能。他们还提出了一个现代LED阵列方法模型。

几项研究都集中在电子冷却的数值模拟和热管理中,提出了一个替代模型更好的热效率通过改变铜的厚度板,更换组件和使用新的上层铜框架增强散热(Boukhanouf和哈达德说,2010)。这项研究是有前途的,因为它显示了电子元器件密度的增加可以安装在印刷电路板上。在热管理研究中,一个F2 / S2混合介绍了散热器与芯片级和hot-spot-level热管理(绿色et al ., 2009)。大热点通量接近400 W /厘米²可以消散有效地使用一个F2 / S2 -设计系统以最小的泵功率负载通量较低水平。研究人员得出结论,F2 / S2方法提供了一个紧凑,功耗小,实用现代电子设备的热管理技术。在数值模拟的热量disspation LED汽车前灯优越热管的效率与4000 W /可热导率观察,帮助维持安全操作范围内的芯片温度(黄et al ., 2018)。设置的槽热管2毫米鳍用热导电PCB 180 W /可导热系数的材料和热管6000 W /可导热系数的材料是高效的和可行的。几个参数的影响在高功率LED的结温模型研究证实的热效率模型(金正日et al ., 2013)。密封剂的热导率的影响和基质材料的粘结温度进行了研究。研究还发现介电层的影响PCB的结温。小的热导率,介电层的厚度的影响在结温占了主导地位。研究人员开发了一个基于热阻分析来验证分析模型的CFD模型chimney-based LED灯泡。chimney-based领导的优点更好利用传统的LED灯泡在灯罩表面散热。介绍了气体混合物的灯泡,这个气体混合物的成分使用分析模型进行优化。研究人员发现,74%的氦和26%的混合氙引起温度上升30.7%低于充满空气在同一电源输入(冯et al ., 2017)。

8的结论

本文概述了传热强化技术,分析不同翅片的几何图形,在现代电子设备和散热器应用程序。研究人员已经进行了广泛的计算和实验调查的选择和分析翅片几何图形和安排各种热管理应用程序。很明显的审查穿孔鳍有更高的传热率相比,常规的鳍。交错的优越性鳍装置相比,内联安排也观察到。此外,倾向于鳍是有益的提高散热器的传热率以及分布均匀的热能。随着微加工,微通道散热器越来越关注和看好,但在这个领域进一步的研究是必要的。新的和创新的散热器设计也是本文中讨论的是现代电子应用LED阵列,用于数据中心和计算机芯片热管理。

在未来的研究中,更需要关注的压力下降,因为它是一个主要障碍微通道散热器的发展。另一个研究的范围是分析表面粗糙度对传热的影响,而不是现在的场景,更专注于流体流动特性。有到范围的发展成本有效的散热器制造技术特别是microfluidcs设备。安等机器学习算法的准确性及其影响散热器性能可以彻底的研究。

作者的贡献

AG)导致了文献调查和研究的概念和研究写了初稿。,党卫军监督手稿的内容。所有作者导致修订手稿、阅读和批准提交的版本。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

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