Abhijeet Gaikwad, Anilkumar Sathe, Sudarshan Sanap
Mechanical Engineering Department, MIT Art, Design and Technology University, Pune, India
本文深入概述了散热片的设计和优化。详细讨论了传热增强策略，然后是翅片设计趋势和几何形状，还讨论了不同的翅片配置及其优点。总结了有关翅片几何形状设计和优化的重要实验结果和发现。对于复杂的散热应用，研究人员一直在研究不同的翅片排列方式，尤其是倾斜翅片，以最大限度地发挥散热器的性能。随着创新的鳍片设计，用于散热的微通道因其。讨论了该领域的最新进展。由于电子和控制系统的技术突破，新组件变得更加紧凑和先进；因此，本文还讨论了现代应用中散热器的使用和优化。
1 简介
本研究的主要目的是检验传热改进技术以及各种翅片形状对散热器散热特性的影响。用于冷却电子设备的最常见类型的热交换器是散热器。散热器由于其设计简单、成本低和潜在范围广而成为热工程领域中探索最多的问题之一（Khattak 和 Ali，2019 年）。由于处理能力的进步和高级分析工具的可用性，研究人员现在可以量化与小型电子框架相关的复杂数据（Yu 等人，2005 年）). 由于热管理不善，电子设备很容易因热量增加而发生故障。导致电子设备故障的几个因素的概率分布如图1所示。热疲劳是设备故障的首要原因，占所有故障的 40% 以上。因此，散热对于确保组件的长期耐用性至关重要（Ahmed 等人，2018 年）。研究人员研究了两种散热增强技术：主动和被动散热。在接下来的部分中，我们将详细介绍这些策略。翅片是最基本的散热器部件，由高导热材料构成的延伸表面组成 ( Yadav et al., 2017). 这些翅片的设计对散热器的整体传热率有重大影响。许多参数，例如鳍片间距、鳍片高度和鳍片形状，在实现有效散热方面起着重要作用。最普遍的冷却方法是自然对流，其中风冷是最传统的。同样不可否认的是，散热依赖于流体流动；因此，研究人员应该彻底调查和考虑不同流动模式的后果（Ansari 和 Kim，2018 年）). 因此，必须适当地构建冷却系统，同时考虑所有必要的特性。可以使用不同的概念和设计来创建散热器。可以使用传导、对流和辐射的概念以多种方式创建散热器。重要的是要认识到这三种现象交织在一起，这使得设计过程更加困难。冷却系统的主要目标是始终将组件保持在最佳温度，以最大限度地发挥其功能。选择合适的几何形状对于促进散热过程至关重要。在考虑地理或独特限制时选择可接受的几何形状需要计算和数值分析[（Ejlali 等人，2009 年；Farsad 等人，2011 年；黄等，2015；巴兰等人，2017 年；Ishak 等人，2019 年；Ndlovu 和 Moitsheki，2019 年；郑等人，2020 年；张等，2020）]。这些优化策略以及设计的紧凑性对于当今的应用至关重要。对各种应用进行了彻底检查，就像在这些应用中使用散热策略一样。
图1
图 1。电子设备故障的原因（Khattak 和 Ali，2019 年）。
本评论文章总结了在散热设计及其优化方面进行的研究工作。本文详细讨论了不同的传热增强技术，然后是翅片设计中选择的方法、几何修改和使用的不同翅片配置及其优点和局限性。有关翅片几何形状设计和优化的实验的一些重要发现和结果已在相应章节中进行了总结。
2 传热强化技术
传热强化技术是一个有趣的话题，受到了研究人员的广泛关注。增强传热过程的新技术必须既有效又节能。对流传热率的提高通常与压降的增加有关，这意味着高功率需求。这是研究人员在设计现代传热强化技术时需要考虑的重要因素。传统的传热增强技术包括实施扩展表面或翅片、强制流动过热表面和涡流装置以改变流体的流场。纳米流体仿生热沉是一种高效的传热增强技术，由纳米粒子和常规基液混合而成（唐等，2021）。仿生散热器基于仿生学原理，仿生学原理涉及模仿自然组织、优化和适应模式的结构和过程。与常规工作流体相比，这有助于最大限度地提高传热率并提高性能。由于纳米流体的低热阻和高导热性，人们进行了大量深入的研究（Qi et al., 2021）。强化传热的方法分为主动式和被动式两大类。有源方法需要外部电源。被动方法不需要任何外部电源，并且依靠扩展表面或组件来改变冷却流体的流动，从而增强传热过程。
2.1 A. 主动技术
主动传热增强技术使用外部电源来增强散热过程。几种现代技术，例如旋转表面或元件、引入振动、使用电磁场、流体注入和流体抽吸。电磁场方法是为实现更大的散热而开发的最新技术。在这种方法中，可以引导静电场在传热表面附近引起更大的体积流体混合（Hu 等人，2015 年）。各种研究都提到，虽然在诱导振动的帮助下传热速率显着提高，但它可能导致散热器表面产生疲劳应力等不利影响（Bash et al., 2018）). 注入和抽吸技术比较普遍，包括在散热器环境中注入流体以在前者中获得更严重和均匀的热量分布，包括从散热器环境中抽出热空气以加强散热。这些技术非常有效，但是在这个领域已经进行了大量研究。
2.2 B. 被动技术
被动传热技术不利用外部能量来增强传热过程（Khattak 和 Ali，2019 年）。这些包括处理散热器部件的表面以增强传热过程、使用扩展表面或翅片、位移增强技术、涡流装置和流体中的添加剂。引入鳍是最常见的被动技术之一。该方法涉及表面的延伸，在实践中使用的这种方法的例子是微型翅片管。在流动通道中插入位移增强装置，以间接改善加热表面的能量传输（Park et al., 2015). 旋流装置产生旋转流和二次流，从而增强散热过程（Alam 和 Kim，2017 年）。液体添加剂包括单相流中的固体颗粒和气体颗粒，而气体添加剂则使用液滴或固体颗粒（Mokhtari et al., 2017）。
3 翅片的几何形状和排列
研究人员正在为特定应用寻找最有效的翅片几何形状。各种翅片几何形状和布置对于应用来说可能是有效的。翅片可以是针式或板式，也可以有圆形、矩形、梯形或水翼形等不同形状( Hu et al., 2015 )—( Alam and Kim, 2017 ), ( Keshavarz et al., 2019 ) . 选择这些翅片的排列方式以实现最大的传热效率是研究人员的另一项重要任务。下面给出的图 2中显示了一些几何形状和翅片排列。
图 2
图 2。翅片几何形状的不同排列。(A)板鳍阵列。(B)可变翅片高度阵列。(C)交错板鳍阵列。
Mokhtari 等人 (2017)提出了一项研究，其中开发了具有不同引脚几何形状的模型来分析热耗散和流体流动特性。在这里，分析了四种几何形状，如图3所示。这些模型很简单，以相同模式倾斜，以 V 模式倾斜和以交替模式倾斜。
图 3
图 3。(A)上的流量和温度分布简单；(B)模式一；(C)模式二；(D)模型 3 ( Park et al., 2015 )。
分析发现，与简单的翅片布置相比，倾斜翅片布置的传热性能得到显着改善。从图 3中可以明显看出，具有 V 型布置或模型二的倾斜翅片在提高层流和湍流的传热率方面是最有效的几何形状。图 4显示了具有有限热通量的翅片模型的温度分布。可以看出，模型二和模型三在冷却方面非常有效。该文章还讨论了当根据热通量源在底板上的位置优化翅片布置时增强冷却区的存在。
图 4
图 4。有限热通量下底板上各种翅片排列的温度分布比较（Park et al., 2015）。
Keshavarz 等人 (2019)提出了一项数值研究，比较了作为参考的内联圆形几何形状与水滴形翅片几何形状。据观察，水滴形几何形状所需的泵送功率比参考几何形状所需的泵送功率低 6.9%。还进行了基于翅片密度的比较。令人惊讶的是，内嵌几何结构显示出比交错几何结构更好的热效率。
Soodphakdee 等人 (2001)研究了各种常用翅片几何形状的传热性能。图 5显示了翅片的几何形状，包括圆形、方形和平行板，它们以直线和交错的方式排列。据观察，交错布置在传热方面优于串联布置。交错椭圆翅片排列是低压降和泵送功率的最佳性能设计。在较高的值下，圆针鳍提供最高的性能。图 6显示了传热系数与压降的关系图，其中很明显交错的圆形提供了更好的传热系数和更大的压降。
图 5
图 5。**(A)** i 内联通告；二. 内联方形几何图形；三. 平行板（Mokhtari 等人，2017 年）。**(B)** I. 交错通告；二. 交错广场; 三. 交错板 iv。交错椭圆形 ( Soodphakdee et al., 2001 )。(C)压降随传热系数的变化（Soodphakdee 等人，2001 年）。
图 6
图 6。平行板翅片散热器的流线和温度分布( Zhang et al., 2020 )。
Haghighi 等人 (2018)进行了实验分析，以测量自然对流板翅片和板立方针翅散热器的对流传热系数和热性能。对 8-106 到 9.5-106 的瑞利数进行分析，输入热量为 10-120 W。翅片间距和翅片数量分别在 5 和 12 mm 和 5 到 9 之间变化。据观察，与普通的板翅式几何结构相比，立方针翅式几何结构的传热率更高，约为 41.6%，热阻更低。还观察到热阻与翅片空间成反比，翅片的数量与传热的改善无关。研究人员得出结论，最好的散热器设计具有 7-8.5 毫米的间距。
4 穿孔鳍
穿孔翅片是研究较少的散热器类型之一，具有巨大的潜力（Huang et al., 2015）。穿孔翅片是带有孔或空腔的翅片，已知其可提高散热器的传热性能。下面讨论使用穿孔鳍片的优点和研究人员对穿孔鳍片进行的各种研究（Huang et al., 2015). 哈塔克等人。（Khattak 和 Ali，2019 年）对风冷散热器的几何形状进行了广泛的回顾。本文中提到的主要发现是穿孔翅片在传热速率和泵送功率方面优于串联和交错几何形状，圆形针翅几何形状与方形翅片几何形状相比在低螺距下低 Re 的热效率更高，以及相变材料 (PCM) 尤其是正二十烷的可行性和有效性。该研究还描述了在散热器中引入涡流引发器以提高传热速率的效果，并且还认为需要进行更多研究来研究旁路流动状态对现代针翅几何形状的热性能的影响。
5 斜鳍
倾斜翅片是直翅片的有效替代品，因为它具有影响整个散热器传热效率的各种优点（Soodphakdee 等人，2001 年；Sathe 和 Dhoble，2019 年）。此外，这种倾斜的翅片布置有利于实现更小的压降。对这个主题进行了深入的审查，讨论了使用倾斜翅片的不同散热器设计。张等。( Zhang et al., 2020 )研究了W型散热器的传热机理。他们通过实验和数值表明，W 型散热器的冷却效果优于平行板翅片。图 6显示了平行板翅式散热器中的流动行为和温度分布。另一方面，图 7描绘了 W 型散热器中的流动行为和温度分布。很明显，通过比较这两个图，W 型散热器的温度分布更均匀，因此比平行板散热器更擅长散热。实验研究表明，特定的倾角对于特定的翅片高度模型来说是最佳的，可以提高效率。本文还阐述了间隙间隙对压降的影响，并提到在特定的最佳间隙范围内，由于吸力效应，散热量最大。最后，为数值分析设计了相关性。
图 7
图 7。W型散热器的流线和温度分布( Zhang et al., 2020 )。
据观察，在散热器中实施 W 型翅片几何形状后，与平行板翅片散热器相比，最高温度下降了 4.6°C，平均温度下降了 2.9°C。图 8。显示倾角与温度和传热系数之间的关系。有趣的是，W 型翅片的耗散面积比平行板翅片小 10%。朴和李，2017 年；Sahoo et al., 2018 )] 研究了用于 LED 灯泡的倾斜横切圆柱形散热器的有效性。他们总结说，通过改变工作角度，可以提高热效率。图 9显示了各种倾斜角度下圆柱形散热器周围的流动路径。在倾斜25°~30°时，热阻最小，超过50°，热性能急剧下降。制定了一个相关性来预测冷却性能相对于直横切散热器的改进程度，作为散热器设计变量和散热器安装角度的函数。表 1总结了在翅片几何形状和散热器方向对热性能的影响方面开展的研究工作。表 2显示了倾斜翅片几何形状研究工作的总结。
图 8
图 8。翅片间距8 mm、翅片间隙8 mm的W型散热器翅片倾角与换热性能的关系( Zhang et al., 2020 )。
图 9
图 9。^各种安装角度（Q = 5000W/m 2^，T1 = 26°C）的圆柱形散热器周围的流体流线。**(A) ** θ = 0°（前视图）。**(B) ** θ = 90°（前视图）。水槽处的直线横切 ( φ = 0°)。倾斜的横切散热器 ( φ = 45°)（Park 和 Lee，2017 年）。
表格1
表 1。鳍几何和排列的工作总结。
表 2
表 2。斜鳍几何学工作总结。
图 10显示了热阻和倾斜角的曲线图。当翅片倾斜角度为25°~30°时，热阻最小。热阻表示为“两个给定点之间的温差与两点之间的热流之比”，这意味着热阻的增加会阻碍热传导率，反之亦然。Tari and Mehrtash, 2013 ) 研究了倾角对鳍片散热特性的影响。
图 10
图 10。倾斜翅片角度的影响（R ~TH~：热阻）（Park 和 Lee，2017 年）。
研究人员观察到，对于较小的向上倾角，对流传热几乎保持不变。图 11显示了不同倾角的流线。在更大的角度下，研究该现象以确定散热器周围形成的流动结构。通过用倾斜角的余弦修改 Grash off 数，研究了倾斜角的垂直情况相关性的有效性。图 12显示了表面平均温度、对流传热和辐射传热在不同倾角下的关系。研究人员得出结论，对于朝上的倾斜度，流动分离会影响传热率。对于小于 60° 的倾角，流动分离位置位于顶部前缘，翅片通道之间具有单一流动方向。Singh 和 Patil，2015 年）还研究了压花翅片的倾角对散热性能的影响。图 13显示了压纹翅片的翅片几何形状。
图 11
图 11。(A)垂直和向下倾斜散热器的流线在**(B)** 45、**(C)** 60、**(D)** 75、**(E)** 80、**(F)** 85 和 (g) 90°，Q ~in~ = 75W 和 H = 25 毫米，红色框突出显示流动分离（Tari 和 Mehrtash，2013 年）。
图 12
图 12。(A)之间的关系。平均表面温度；**(乙)。对流传热率；(丙)**。H = 15、20·25 mm 和*Q * ~in~ = 125 W 的辐射热传递率和倾角向上倾斜（Tari 和 Mehrtash，2013 年）。
图 13
图 13。鳍几何学（Singh 和 Patil，2015 年）。
研究人员使用努塞尔数增强率和压纹翅片效率作为参数，比较压纹角度从 30° 到 90° 的压纹翅片散热器的传热性能。图 14显示了在 12 毫米的翅片间距下，压花翅片的有效性及其与不同压印角值的供热关系。性能最佳的压花翅片设计具有 45° 的压痕角和 12 毫米的压痕间距，对应于 2.86 的努塞尔数。Ji 等人 (2018)提出了对热能存储系统的数值研究，该系统具有从矩形外壳的一侧垂直加热的相变材料 (PCM)。图 15显示了具有不同倾角的翅片 PSM 情况下具有自然对流驱动的流动矢量的熔体分数等高线。
图 14
图 14。在 Pi（翅片间距）= 12 毫米时，压花翅片的有效性与不同压印角值的供热关系（Singh 和 Patil，2015 年）。
图 15
图 15。fin-PCM 情况下具有自然对流驱动流动矢量的熔体部分的等高线：**(A) ** θ = 0°；**(B) ** θ = 15°；**(C) ** θ = 30°；**(D) ** θ = 15° 和**(E) ** θ = 30°，固定无量纲翅片长度l/L = 0.50 和热通量输入*q * ^n^ = 2500 W/m ^2^ ( Ji et al., 2018 )。
由于自然对流效应，研究人员观察到没有翅片阵列的 PCM 中传热不均匀，这可以追溯到 PCM 顶部过热和整体熔化速率降低。图 16显示了 t = 10,000 s 时 PCM 域中的温度等值线。除 0° 翅片情况外，PCM 域内的温度在其他翅片情况下非常均匀。研究人员观察到，-15° 翅片几何形状的传热分布最有效，因为它能够抑制不均匀熔化并加快 PCM 的熔化速率。0度时，与同长翅片相比，熔化时间缩短62.7%。图 17显示具有不同长度/分离比的 0 度和 15 度倾角的温度等高线。当热通量输入相对较低时，-15° 的翅片表现出色。González Gallero 等人 (2018)设计了一种具有高翅片高度和可变翅片厚度的单翅片散热器原型。本研究侧重于 CFD 模拟和实验数据，以研究常用的相关性。针对不同的倾斜度测试了散热器效率，并且在倾斜角超过 30 度的模型中停滞区域消失了。研究人员还表示需要在该领域进行未来的研究。
图 16
图 16。t = 10,000 s 时 PCM 域中的温度等高线：**(A)** θ = 0°；**(B)** θ = 15°；**(C)** θ = 30°；**(D)** θ =−15° 和**(E)** θ =−30°，固定无量纲翅片长度 l/L = 0.5 和热通量输入 q ^n^ = 2500W/m ^2^ ( Ji et al., 2018 )。
图 17
图 17。PCM 域中 t = 10,000 s 时的温度等高线：**(A)** θ = 0° 和**(B)** θ = 15°，其中 l/L = 0.75 和 q ^n^ = 2500W/m ^2^（Ji 等人，2018 年） ).
6 杂项
当前文献中还讨论了使用翅片的各种创新散热器设计。这些设计包括微通道、微通道的实施和各种鳍片几何形状的优化。Falahat 等人，(2018)研究了带螺旋微通道的圆柱形散热器中蒸馏水的传热和层流流体流动特性。他们通过改变螺旋角和研究对重要热性能的影响进行了实验。研究人员观察到螺旋角与雷诺数和努塞尔数之间存在直接关系。45°螺旋角外壳的雷诺数最高为477，热性能系数达到1.6。因此，他们主张带有螺旋形微型通道的圆柱形散热器是有效冷却的最佳设计之一。热性能系数是衡量热传递现象有效性的标准。Thermal Performance Factor 也缩写为 TPF，是“传热速率变化的相对影响与摩擦因数变化的比值”。
其中是由下式给出的努塞尔数，
其中摩擦因素为
热性能因子与压降现象密切相关，压降越高，热性能因子越低，反之亦然。
P.库马尔等人。( Yadav et al., 2017 ) 制定了一个三维计算模型来分析雷诺数 96 到 720 范围内梯形微通道散热器中的流体流动和传热。研究人员观察到梯形通道有 12%传热速率高于矩形微通道。由于热边界层的分离和重建，带槽微通道的传热速率提高了 28%。本研究有效地展示了微通道的有效性。
Zhu 等人 (2020)研究了具有矩形凹槽和不同形状肋的硅基微通道散热器中层流和传热的三维 CFD 模拟。他们得出结论，如果内部通道由带有凹槽和肋的微通道组成，则可以大大提高微通道散热器的性能和效率。他们得出的结论是，在雷诺数小于 500 的流动入口处，矩形肋条获得的整体性能最好，但椭圆肋条在雷诺数大于 500 时更有效。Jing 等人，(2020 )将 FEM 和 RSM 方法相结合是为了探索非牛顿纳米流体在具有各种形状的加热翅片的空腔中以及在存在垂直磁场的情况下在自然对流传热和熵形成方面的性能。还研究了哈特曼数、纳米粒子体积分数和类型等各种参数对传热效率的影响。
Hoi 等人 (2019)研究了分形湍流影响下的不可压缩板翅式散热器强制对流传热，并进行了数值公式化和优化。研究人员结合了板翅表面附近高度相互作用、小且可比较的湍流长度尺度和高流速的贡献，并解决了分形引起的湍流对它们的影响。这项新颖的研究还研究了分形网格对散热特性的影响（Bhandari 和 Prajapati，2020 年）). 提出了一个具有不同翅片高度的开放式命中水槽。水被认为是冷却介质。研究人员推断，随着翅片高度的增加，来自微通道散热器的更高传热速率可维持至 1.5 毫米；超过此鳍片高度，趋势会改变，散热量会随着鳍片高度的 1.75 毫米和 2.0 毫米而下降。与完全封闭配置的等效散热器相比，最佳翅片高度为 75%–80% 的开放式微通道散热器表现出更好的热性能。冷却液还有助于散热。
7 适用于现代应用的散热器
随着电子元件变得越来越小，散热器设计已成为一个具有挑战性的过程（Soht 等人，2017 年）。研究人员正在使用各种 PCM、冷却液混合物和创新的散热器设计提出创新的散热技术 ( Ngo et al., 2018 ), ( Herrmann-Priesnitz et al., 2016 )。下面讨论了以下文章，这些文章展示了散热器在现代电子元件和架构中的应用。研究人员还研究了来自紧凑型热模型 (CTM) 的数据与具有多鳍片阵列的多芯片 LED 设备的物理模型的集成（Chen 等人，2017 年）). 研究了两种 LED 阵列模型，即对齐阵列和交错阵列。交错阵列清楚地显示出更好的热性能。他们还提出了一种对现代 LED 阵列进行建模的方法。
一些研究集中在电子冷却和热管理的数值模拟上，其中提出了一种替代模型，通过改变铜板的厚度、更换组件和使用新的上铜框架来增强散热来提高热效率（Boukhanouf 和Haddad , 2010 ). 这项研究很有前途，因为它展示了如何将密度增加的电子元件安装在 PCB 上。在热管理研究中，引入了 F2/S2 混合散热器，结合芯片级和热点级热管理 ( Green et al., 2009 )。接近 400 W/cm 2的大热点通量^^可以使用 F2/S2 设计的系统以最小的泵浦功率负载和较低的通量水平有效地消散。研究人员得出结论，F2/S2 方法为现代电子设备的热管理提供了一种紧凑、节能且实用的技术。在汽车前照灯 LED 散热的数值模拟中，观察到导热系数为 4000 W/mK 的热管具有出色的效率，这有助于将芯片温度维持在安全工作范围内（Huang 等人，2018 年）). 使用导热系数为 180 W/mK 的材料的导热 PCB 和导热系数为 6000 W/mK 的材料的热管设置具有 2 毫米厚翅片的沟槽热管是非常有效和可行的。研究了几个参数对大功率 LED 模型结温的影响，以确认所开发模型的热效率（Kim 等人，2013 年）). 研究了密封剂和基体材料的导热系数对键合温度的影响。研究还发现了 PCB 介电层对结温的影响。对于小的热导率，介电层的厚度对结温的影响占主导地位。研究人员开发了一种基于热阻分析的分析模型，以验证基于灯罩的 LED 灯泡的 CFD 模型。基于灯罩的 LED 灯泡与传统 LED 相比的优势在于更好地利用灯罩表面进行散热。将气体混合物引入灯泡中，并使用分析模型优化该气体混合物的成分。研究人员发现，74% 的氦气和 26% 的氙气的混合物导致 30.冯等，2017）。
8 结论
本文概述了传热增强技术、不同翅片几何形状的分析以及散热器在现代电子设备中的应用。研究人员对各种热管理应用的翅片几何形状和布置的选择和分析进行了广泛的计算和实验研究。从审查中可以明显看出，与普通翅片相比，穿孔翅片具有更高的传热率。还观察到与直列布置相比交错翅片布置的优越性。此外，倾斜的翅片有利于提高散热器的传热率以及均匀分布热能。随着微机械加工的出现，微通道散热器越来越受到关注并且看起来很有前途，但是，有必要在这一领域进行进一步的研究。本文还讨论了用于 LED 阵列、数据中心和计算机芯片热管理等现代电子应用的新型和创新散热器设计。
在未来的研究中，需要更多地关注压降，因为它是微通道散热器发展的主要障碍之一。另一个研究范围是分析表面粗糙度对传热的影响，而不是目前更侧重于流体流动特性的情况。具有成本效益的散热器制造技术仍有发展空间，尤其是微流体设备。可以深入研究多种机器学习算法，例如 ANN 及其对散热器性能精度的影响。
作者贡献
AG 参与了文献调查和研究构思，并撰写了研究初稿。AS 和 SS 监督手稿的内容。所有作者都参与了手稿修订、阅读并批准了提交的版本。
利益冲突
作者声明，该研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。
出版者注
本文中表达的所有声明仅是作者的声明，不一定代表其附属组织或出版商、编辑和审稿人的声明。本文中可能评估的任何产品，或其制造商可能做出的声明，均不受出版商的保证或认可。
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