傳熱強(qiáng)化技術(shù)是一個(gè)有趣的話題，受到了研究人員的廣泛關(guān)注。增強(qiáng)傳熱過(guò)程的新技術(shù)必須既有效又節(jié)能。對(duì)流傳熱率的提高通常與壓降的增加有關(guān)，這意味著高功率需求。這是研究人員在設(shè)計(jì)現(xiàn)代傳熱強(qiáng)化技術(shù)時(shí)需要考慮的重要因素。傳統(tǒng)的傳熱增強(qiáng)技術(shù)包括實(shí)施擴(kuò)展表面或翅片、強(qiáng)制流動(dòng)過(guò)熱表面和渦流裝置以改變流體的流場(chǎng)。納米流體仿生熱沉是一種高效的傳熱增強(qiáng)技術(shù)，由納米粒子和常規(guī)基液混合而成。仿生散熱器基于仿生學(xué)原理，仿生學(xué)原理涉及模仿自然組織、優(yōu)化和適應(yīng)模式的結(jié)構(gòu)和過(guò)程。與常規(guī)工作流體相比，這有助于*大限度地提高傳熱率并提高性能。由于納米流體的低熱阻和高導(dǎo)熱性，人們進(jìn)行了大量深入的研究。強(qiáng)化傳熱的方法分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類。有源方法需要外部電源。被動(dòng)方法不需要任何外部電源，并且依靠擴(kuò)展表面或組件來(lái)改變冷卻流體的流動(dòng)，從而增強(qiáng)傳熱過(guò)程。

　　A. 主動(dòng)技術(shù)

　　主動(dòng)傳熱增強(qiáng)技術(shù)使用外部電源來(lái)增強(qiáng)散熱過(guò)程。幾種現(xiàn)代技術(shù)，例如旋轉(zhuǎn)表面或元件、引入振動(dòng)、使用電磁場(chǎng)、流體注入和流體抽吸。電磁場(chǎng)方法是為實(shí)現(xiàn)更大的散熱而開(kāi)發(fā)的*新技術(shù)。在這種方法中，可以引導(dǎo)靜電場(chǎng)在傳熱表面附近引起更大的體積流體混合（Hu 等人，2015 年）。各種研究都提到，雖然在誘導(dǎo)振動(dòng)的幫助下傳熱速率顯著提高，但它可能導(dǎo)致散熱器表面產(chǎn)生疲勞應(yīng)力等不利影響（Bash et al. 2018）). 注入和抽吸技術(shù)比較普遍，包括在散熱器環(huán)境中注入流體以在前者中獲得更嚴(yán)重和均勻的熱量分布，包括從散熱器環(huán)境中抽出熱空氣以加強(qiáng)散熱。這些技術(shù)非常有效，但是在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。

　　B. 被動(dòng)技術(shù)

　　被動(dòng)傳熱技術(shù)不利用外部能量來(lái)增強(qiáng)傳熱過(guò)程（Khattak 和 Ali，2019 年）。這些包括處理散熱器部件的表面以增強(qiáng)傳熱過(guò)程、使用擴(kuò)展表面或翅片、位移增強(qiáng)技術(shù)、渦流裝置和流體中的添加劑。引入鰭是*常見(jiàn)的被動(dòng)技術(shù)之一。該方法涉及表面的延伸，在實(shí)踐中使用的這種方法的例子是微型翅片管。在流動(dòng)通道中插入位移增強(qiáng)裝置，以間接改善加熱表面的能量傳輸（Park et al. 2015). 旋流裝置產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流和二次流，從而增強(qiáng)散熱過(guò)程（Alam 和 Kim，2017 年）。液體添加劑包括單相流中的固體顆粒和氣體顆粒，而氣體添加劑則使用液滴或固體顆粒

　　下面提出了幾種常見(jiàn)的增強(qiáng)方法跟大家探討：

　　1、熱傳導(dǎo)——優(yōu)化散熱器擴(kuò)散熱阻

　　當(dāng)電子元器件上方附加散熱器時(shí)，熱量從器件內(nèi)部傳遞到散熱器上，以及熱量在散熱器內(nèi)部的傳遞都屬于熱傳導(dǎo)。經(jīng)典傳熱學(xué)中熱傳導(dǎo)可以用傅里葉導(dǎo)熱公式描述：

　　式中，表示x方向的傳熱速率，其單位是；T表示溫度，A是導(dǎo)熱方向截面積，k是導(dǎo)熱系數(shù)。

　　從上式可以看出，導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)熱截面積是熱傳導(dǎo)中影響傳熱效率的兩個(gè)關(guān)鍵變量。

　　在常見(jiàn)的金屬中，鋁合金和銅合金的導(dǎo)熱效能和經(jīng)濟(jì)性綜合表現(xiàn)是比較好的。因此常見(jiàn)的散熱器材質(zhì)主要是鋁合金和銅合金。

　　表6-1 常見(jiàn)機(jī)加工材料在常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)

　　提高導(dǎo)熱系數(shù)是為了降低擴(kuò)散熱阻。擴(kuò)散熱阻尤其在芯片熱流密度較高，或者翅片長(zhǎng)厚比較大時(shí)表現(xiàn)明顯。但材料的導(dǎo)熱系數(shù)提高是有限的，提高散熱器基板厚度、翅片厚度等從導(dǎo)熱截面面積出發(fā)的手段，又受到空間的限制。這樣，熱管和均溫板的使用，在某些熱流密度大的場(chǎng)景就非常有優(yōu)勢(shì)。

　　熱管和均溫板的具體選用和散熱強(qiáng)化原理會(huì)在第九章詳細(xì)闡述，簡(jiǎn)單來(lái)講，可以將其視為一種導(dǎo)熱系數(shù)極高的傳熱部件。在高熱流密度的場(chǎng)景中，通過(guò)在散熱器底部鑲嵌熱管或均溫板，可以有效降低擴(kuò)散熱阻，優(yōu)化散熱。

　　圖為 均溫板的效果仿真示意圖：無(wú)均溫板（左）底部鑲嵌均溫板（右）

　　2、對(duì)流換熱——強(qiáng)化對(duì)流換熱效率

　　元器件的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞到散熱器上之后，需要通過(guò)對(duì)流和輻射換熱將熱量散熱器到環(huán)境中去，完成熱量的散失。散熱器翅片和周圍流動(dòng)的空氣之間的換熱方式，是對(duì)流換熱。先來(lái)看用來(lái)描述對(duì)流換熱的牛頓冷卻定律：

　　式中，q為傳熱量，h稱為對(duì)流換熱系數(shù)，A為換熱面面積，Tw為固體表面溫度，Tf為流體溫度。

　　顯然，通過(guò)提升對(duì)流換熱面積，可以直接強(qiáng)化換熱。但提升換熱面積，通常意味著散熱器要做的尺寸更大，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品整體尺寸變大。這不符合電子產(chǎn)品越來(lái)越緊湊的趨勢(shì)。另外，絕大多數(shù)情況下，加大散熱器還意味著散熱成本提升。當(dāng)空間給定，加大散熱面積還必須要考慮系統(tǒng)風(fēng)阻，因?yàn)榧?xì)密的散熱器在加大散熱面積的同時(shí)，還會(huì)增加風(fēng)阻，影響內(nèi)部空氣流動(dòng)，進(jìn)而降低對(duì)流換熱系數(shù)。一個(gè)常規(guī)的現(xiàn)象足以說(shuō)明翅片密度和風(fēng)阻之間的關(guān)系這一點(diǎn)：強(qiáng)迫風(fēng)冷的產(chǎn)品中散熱器翅片密度通常比自然散熱產(chǎn)品中散熱器翅片密度大。

　　強(qiáng)迫風(fēng)冷服務(wù)器中的細(xì)密齒散熱器（左）

　　自然散熱產(chǎn)品中的稀疏齒散熱器（右）

　　我們看到，牛頓冷卻定律中，換熱面積和對(duì)流換熱系數(shù)是一個(gè)乘積的關(guān)系，要獲得*佳的散熱面積和對(duì)流換熱系數(shù)的綜合*優(yōu)值，需要多次測(cè)試優(yōu)化對(duì)比。由于仿真軟件的廣泛使用，在打樣測(cè)試前，為節(jié)省成本，提高效率，通常會(huì)進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)*優(yōu)的散熱器設(shè)計(jì)方案。尋找散熱面積和對(duì)流換熱系數(shù)的綜合*優(yōu)點(diǎn)是熱設(shè)計(jì)工程師的重要工作內(nèi)容。

　　除了單純改變散熱器齒間距來(lái)獲得更高的對(duì)流換熱系數(shù)，散熱器的斷齒、斜齒、開(kāi)花齒等，都是在散熱面積與對(duì)流換熱系數(shù)之間做權(quán)衡。通過(guò)降風(fēng)阻、間隙吸入冷風(fēng)的效應(yīng)，來(lái)優(yōu)化散熱效果。

　　圖6-9 一些通過(guò)擾動(dòng)空氣流動(dòng)提高換熱效率的散熱器設(shè)計(jì)

　　翅片的幾何形狀和排列對(duì)散熱效果影響國(guó)外作者做了如下研究：

　　圖 2。翅片幾何形狀的不同排列。(A)板鰭陣列。(B)可變翅片高度陣列。(C)交錯(cuò)板鰭陣列。

　　Mokhtari 等人提出了一項(xiàng)研究，其中開(kāi)發(fā)了具有不同引腳幾何形狀的模型來(lái)分析熱耗散和流體流動(dòng)特性。在這里，分析了四種幾何形狀，如圖3所示。這些模型很簡(jiǎn)單，以相同模式傾斜，以 V 模式傾斜和以交替模式傾斜。

　　圖 3。(A)上的流量和溫度分布簡(jiǎn)單；(B)模式一；(C)模式二；(D)模型 3 ( Park et al. 2015 )。

　　分析發(fā)現(xiàn)，與簡(jiǎn)單的翅片布置相比，傾斜翅片布置的傳熱性能得到顯著改善。從圖 3中可以明顯看出，具有 V 型布置或模型二的傾斜翅片在提高層流和湍流的傳熱率方面是*有效的幾何形狀。圖 4顯示了具有有限熱通量的翅片模型的溫度分布。可以看出，模型二和模型三在冷卻方面非常有效。該文章還討論了當(dāng)根據(jù)熱通量源在底板上的位置優(yōu)化翅片布置時(shí)增強(qiáng)冷卻區(qū)的存在。

　　傾斜翅片是直翅片的有效替代品，因?yàn)樗哂杏绊懻麄€(gè)散熱器傳熱效率的各種優(yōu)點(diǎn)（Soodphakdee 等人，2001 年；Sathe 和 Dhoble，2019 年）。此外，這種傾斜的翅片布置有利于實(shí)現(xiàn)更小的壓降。對(duì)這個(gè)主題進(jìn)行了深入的審查，討論了使用傾斜翅片的不同散熱器設(shè)計(jì)。張等。( Zhang et al. 2020 )研究了W型散熱器的傳熱機(jī)理。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值表明，W 型散熱器的冷卻效果優(yōu)于平行板翅片。圖 6顯示了平行板翅式散熱器中的流動(dòng)行為和溫度分布。另一方面，圖 7描繪了 W 型散熱器中的流動(dòng)行為和溫度分布。很明顯，通過(guò)比較這兩個(gè)圖，W 型散熱器的溫度分布更均勻，因此比平行板散熱器更擅長(zhǎng)散熱。實(shí)驗(yàn)研究表明，特定的傾角對(duì)于特定的翅片高度模型來(lái)說(shuō)是*佳的，可以提高效率。本文還闡述了間隙間隙對(duì)壓降的影響，并提到在特定的*佳間隙范圍內(nèi)，由于吸力效應(yīng)，散熱量*大。*后，為數(shù)值分析設(shè)計(jì)了相關(guān)性。

　　圖 7。W型散熱器的流線和溫度分布( Zhang et al. 2020 )。

　　據(jù)觀察，在散熱器中實(shí)施 W 型翅片幾何形狀后，與平行板翅片散熱器相比，*高溫度下降了 4.6°C，平均溫度下降了 2.9°C。圖 8。顯示傾角與溫度和傳熱系數(shù)之間的關(guān)系。有趣的是，W 型翅片的耗散面積比平行板翅片小 10%。樸和李，2017 年；Sahoo et al. 2018 )] 研究了用于 LED 燈泡的傾斜橫切圓柱形散熱器的有效性。他們總結(jié)說(shuō)，通過(guò)改變工作角度，可以提高熱效率。圖 9顯示了各種傾斜角度下圓柱形散熱器周圍的流動(dòng)路徑。在傾斜25°~30°時(shí)，熱阻*小，超過(guò)50°，熱性能急劇下降。制定了一個(gè)相關(guān)性來(lái)預(yù)測(cè)冷卻性能相對(duì)于直橫切散熱器的改進(jìn)程度，作為散熱器設(shè)計(jì)變量和散熱器安裝角度的函數(shù)。表 1總結(jié)了在翅片幾何形狀和散熱器方向?qū)嵝阅艿挠绊懛矫骈_(kāi)展的研究工作。表 2顯示了傾斜翅片幾何形狀研究工作的總結(jié)。

　　圖 8。翅片間距8 mm、翅片間隙8 mm的W型散熱器翅片傾角與換熱性能的關(guān)系( Zhang et al. 2020 )。

　　3、輻射換熱——選擇合適的表面處理方式

　　使用自然散熱的電子產(chǎn)品，輻射換熱往往占有不可忽略的比例。當(dāng)散熱器幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成時(shí)，表面處理方式會(huì)顯著影響換熱效果。電子產(chǎn)品工作的溫度范圍內(nèi)，紅外線是主要的熱輻射波長(zhǎng)。輻射換熱強(qiáng)度與產(chǎn)品的紅外輻射率成正比。對(duì)于暴露在陽(yáng)光下的戶外產(chǎn)品，設(shè)備表面與太陽(yáng)之間的輻射換熱則與其可見(jiàn)光輻射率成正比。關(guān)于原因，可以參考第二章輻射換熱的部分。

　　注：表面的紅外發(fā)射率與其表面溫度有關(guān)，列示的值僅供參考。

　　由上可知，對(duì)于輻射換熱，表面處理應(yīng)當(dāng)按照如下思路進(jìn)行設(shè)計(jì)：

　　室內(nèi)產(chǎn)品：結(jié)合散熱器的工作溫度，提高表面紅外輻射率；

　　散熱器暴露在陽(yáng)光下的產(chǎn)品：提高表面紅外輻射率，降低表面可見(jiàn)光輻射率。

　　圖6-10 室內(nèi)產(chǎn)品表面發(fā)黑處理，強(qiáng)化紅外輻射（a）

　　室外產(chǎn)品表面噴涂淺色涂料，降低可見(jiàn)光吸收率（b）（c）

　　4、總結(jié)

　　假定產(chǎn)品內(nèi)部其它部分設(shè)計(jì)都已定型，從三種基本熱量傳遞方式的角度進(jìn)行歸納，散熱器的主要優(yōu)化思路可總結(jié)如下：