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微型散热片设计强制的对流空气冷却的实验研究【摘要】实验研究上最小的商用微型风扇，适合于散热翅片和无翅片散热器平均的外形尺寸与一起使用的便携式电子设备进行了实验研究。最大整体冷却溶液的面积是534mm2配置翼型高度为5毫米。前面的分析表明，由于风扇出口角，流不会进入散热器平行于鳍或围墙。这导致在翅片和无翅片的散热片，以及在入口处给大入口压力损失上升流冲击孔道内的非均匀流率。本文矫直扩压器附有了出口处的风扇，导致气流进入散热器鳍与通道墙壁对齐。详细的速度测量是利用粒子图像测速技术，提供了进一步洞察这种微型几何中流动的物理。微型几何形状和设计矫直扩散器。热分析结果表明，该溶液的冷却能力是通过增加高达20％引入一个扩散器，因此，表明需要集成风扇和散热。【关键词】低剖面，强迫对流冷却，微型风扇一．前言微型散热的设计和集成正在向今天的便携式电子设备的冷却解决方法发展，并成为电子设备冷却研究的最前沿。这项研究驱动器是消费者对更小更强大的便携式设备的需求。因为供功率耗散的表面面积减少了，随着技术进步，提高设备的功率消耗，由此产生的热通量都是大大升高。在目前大多数制造商依靠在一起自然对流换热与散热技术，以保持温度在可接受的消费水平。但是，这些技术的唯一使用生产增加设备机箱温度相对于增加热通量。如果增加热通量的设想的趋势继续下去，然后自然对流和传导技术独自将不再能够维持在可接受的温度的装置。因此，有必要研究冷却技术，可以提高传热率结合电流自然对流和热扩散的技术。强制对流冷却是首选的新冷却技术的便携式电子设备的设计师。这是因为大量的因素包括成本、可靠性、功耗、面积，以及配置文件的高度。液体冷却[1]和热管[2]技术已证明有用的方法，从热源对二次冷却有效地扩散热量;然而，便携式溶液大小限制表明这些热传播技术目前只有大尺度电子冷却并不可行。同样，同样的相变化材料[3]也显示出通过提高热传递过程利用吸收热，发生状态更改从固体到液体的传热过程。单一使用这种技术的一个关切是材料在处于完全液体状态时它再也不能阻止温度上升在设备中。因此自然对流和传导是这点之后换热的方法。在此之后转移为止。作为一个辅助冷却技术以在便携式设备的当前的传热方法，强制对流冷却可能要处理这些能力增加的热负荷。这样的一个例子是非常规设计提出的Walsh等[4]，这给出了一个热电阻4.5°C/W为1200mm2的占位面积与价值为4mm包括风扇轮廓高度。在过去的几年里，许多团体已经开始重新搜索解决微型被迫CON-的发展中市场空气冷却。这种研究的第一系列论文审查有效性的常规的缩放的法律[5,6]风扇规模减少到微型尺寸。作者发现，在低雷诺数边界层现象结果在减少流量和提升功率需要量高于所预期的缩放比例。在常规风机缩放的背景下，这些参数在低雷诺数变化无疑会导致更大的不确定性，在风扇的性能预测如果秉承标度律，沃尔什等人[7]，另外也报告导致的流量规模效应显著交付被比预期的少当运行在低雷诺数。作为微型风扇运行在低雷诺数，实际性能可以不同于那些采用常规结垢预测。预测使用传统的标度律[8]关于一体化的微型风扇的散热器应当注意，w微型冷却作为最佳的方法之一消散在热负荷过小的区域，具有热阻低1.4°C/W被报道[9,10]为针翅散热器。然而，要实现这种表演，足迹领域的订单订单2000mm2和配置文件高度报告100毫米。虽然这足迹的面积相对较小，它被指出如此大断面高度最有可能会认为这种技术不能接受的大多数便携式电子设备中使用。当考虑小型规模球迷，流量和压力上升可达到也大大低于那些在冲击冷却的上述研究中达到。因此要满足约束强制对流冷却风扇和散热片并行是低调的最实际的解决方案。由[11,12]沃尔什等人对风扇和散热片安排在性能优化方面进行了分析。结果表明最佳热成绩时风扇出口角匹配到散热器翅片角，即，流进入平行于散热片的散热片。伊根等人[13]最近的一项研究调查与翅片和无翅片的散热片一起使用的微型风扇的热性能。该解决方案的总体面积是456mm2与5毫米.速度测量在散热片流量概况表明流到散热器墙壁和鳍退出角风扇。在翅片散热器的情况下被流强烈冲击了散热器翅片通道入口处。研究的主要目的是确定矫直进入散热器通过扩压器流的影响。不同扩压器的数目被制作获得平行流在入境给散热器的优化设计。最佳扩压器设计决心从流速度测量所得的利用粒子图像测速技术PIV。在发现这种设计风扇，扩压器和散热器解决方案的特点是重复文献[13]所进行的平均换热特性。这样的结果会决定性地显示是否扩压器导致热转移率的翅片和无翅片解决方案的整体提高。粒子图像测速技术测量流量在散热器从3000转/分到8000rpm的速度也得到了和进一步洞察在散热片内的流场。这项研究的结果是有价值的，例如设计者为强化传热速率可以得到冷却解决方案通过简单地将风扇和散热器之间的扩散器。二．散热片和扩压器设计测试当前工作的风扇是MicronelU16LM-9具有256mm2占位面积和概况5毫米。图3这是目前一个最小的商用球迷的强迫的对流冷却的电子产品。压力与流量特性是由6000rpm额定速度为制造商提供的。在设计翅片的散热器压力与流量特性在8000rpm风扇速度使用了。制造商的数据被缩放使用标度律详见参考文献[14]和这里定义的风扇和方程(1)和(2)。图1散热器的鳍和散热片的原理图整体尺寸和优化的参数b和t鳍片图1a显示热沉示意图并突出显示的变量进行了优化;这些包括翅片间距停顿了一会，翅片厚度。公式（3）是由Bejan提出的，对于之间的流动使用渐近线的交叉点的平行板发达的流量限制和平板边界层流量限制。在确定最佳翅片间距，压力下降（ΔP）跨渠道的银行被设置为等于6.5Pa这样的散热器翅片间距为8000rpm风扇速度优化和总体积流率应对应于大约2.5_10.4m3/s通过换热器总体积流量。为了实现这个方程(3)要求翅片间距大约1.1毫米。检查第二个参数是鳍的厚度。这被优化通过确保翅片效率大于99%和埃里森[16]表示这种情况是这种情况，当满足方程(4)散热器内的流动条件反映了制作的通讯资料管道流入口区，这不会成为完全发展到散热片退出。60WA值/米2kwaschosen用于h的公式。(4)基于经验Nu数这种流动条件的关系[17]使用铜作为热水槽材料，公式(4)表明，翅片厚度应至少0.06毫米。然而，该技术用于制造散热器需要此维度是为了0.3mm时，因此，确保绰绰有余翅片厚度多。这也提供对于大公差如果h的选择公式任何差异。(4)是显而易见的。这种差异被发现有不易受到ENCE所计算出的散热片厚度，因此，翅片效率，考虑到实验传热测量时,3和4的结果是，与鳍式散热器最多六个频道可以当保持制造泰宁所应用的散热器足迹约束。该无翅片散热器被制造成具有相同的specifi-轮廓的阳离子4毫米?,触地区域〜200毫米2和外部壁厚1毫米并示于图1B。正如前面提到为了实现最佳的热性能的一个风扇和散热片并行，流必须输入散热器散热片墙壁和鳍才遏制，11与12对齐。图2是一个落后的弯曲风扇转速，，与径向速度，Vr速度矢量图的示意图。流退出风扇机匣的角度可以用PIV测量和依赖于系统阻力。高系统阻力造成的翅片散热器通过风扇将导致较低的流动速率。这反过来会导致减少只有径向流组件，因此在哪流体角叶风扇。由此可以看出，较高的系统电阻可用距离会减少，而低电阻系统将导致增加这个角度。图2速度三角形显示风扇出口角为了调整流退出风扇和散热片城墙鳍与扩压器数目角度变之间25℃和60℃与两个弯曲和直墙是由聚碳酸酯来制作的。如上文所讨论，发现流线形的优化角度变化翅片和无翅片案件之间。每个扩压器进行了测试使用PIV测速的散热片，每年流和它决心从测量，25℃弯曲扩压器和50℃直扩压器分别造成流内无翅片和翅片的散热片，对齐方式。三．实验图3中所示的实验配置包含翅片和无翅片的安装程序。在本文中给出的结果详载于表1。当前的工作提出了结果从所有的四个案件;然而，例1和2详见参考文献[13]，包括没有扩压器进行测试。前面所述的热电阻的测量方法[18]已经被排除这一节了。图3张照片采用翅片和无翅片散热器的矫直扩压器的试验配置3.1热阻实验配置包括Micronel风扇、流扩压器和秒2进行了设计优化的散热片。在实验上盖的散热片，如图3所示的位置，以创建一个全封闭的通道。此冷却解决方案的风扇，256mm2的足迹面积231mm2或278mm2散热片和扩压器和一个配置文件仅为5毫米。强迫的对流热阻定义为强迫对流换热系数计算为表1实验测试描述其中h是在W/m2K和Aconv的传热系数是在m2翅片散热器的对流表面面积。翅片和无翅片散热器对流表面积计算分别为0.000984m2和0.00044m2，精度为1X10−6m2。3.2不确定性分析不确定性分析是执行的[19]，给予耐热性的更小的错误比为5％。不确定性是最大的自然对流换热，随风扇速度逐渐降低。由于热源地区6X6mm2_和散热器底座是可以得出的结论之间不匹配某种形式的热蔓延将会出现在基地变化在截面积从较小的热源至更大的散热器的散热片。薄膜加热器，它表示热源集中位于基地的散热片上。那里是伴生的抵抗，对这种热蔓延也需要加以计算热沉的热阻时的效果。最多扩展电阻0.407°CW计算范围的审查使用实验验证的封闭的形式研究[20]风扇速度。这占0.91%在这里提出的热阻测量最大误差。因此，电阻术语由于热扩散已被排除在式（5）光转速计用来测量转速的风扇具有一以1rpm的分辨率。但是，在实验过程中这是转播服务的速度变化到50转。在不确定性功率测量和温度读数用于计算热电阻分别低于0.1％和0.5℃。3.3速度测量第二组实验涉及详细的速度测量的热沉的通道内流动。采用PIV获取这些速度的测量结果。然而，为了获得这种技术所需的光纤接入，玻璃幻灯片取代铜顶盖的散热片。因此所有PIV结果都没有换热。以下各段简要列举这种技术，在实验[21]过程中使用的设置的原则。PIV适用于引进播种或跟踪器的原理颗粒的流动和跟踪其运动超过已知的时间区间。水基油由monopropalene乙二醇或CO2雾组成的水性油用于播种，播种产生粒子的大小是10um直径约1.05kg/m3，在293K为了遏制播种颗粒实验装置置于一个玻璃壁围车壳尺寸400个毫米·L250个毫米6H14250个毫米。一旦粒子被释放到外壳的激光照射的平面在散热和光随后由发射粒子被记录在位于垂直于照相机照射面。速度测量是一平面在中等深度在散热通道。的示意图实验装置示于图4。图4PIV实验设置显示了风扇和散热片的相机和激光立场扩压器插入风扇和散热片之间一个Nd：YAG激光，532纳米，半导体激光被用来给予1.5毫米厚的轻质板材。为了测量颗粒的速度的激光与选择，以使显示的时间延迟脉冲两次tance图像之间的种子颗粒运动是discern-IBLE和颗粒不离开被照亮的飞机时期。之前的实验，为了校准子相继式测量，比例缩放设备必须在被插入测试部分以获得正确的比例因子的速度测量。这是通过将校准标尺中取得测量平面。1600x1200与60毫米焦距镜头分辨率PowerView™加200万像素电荷耦合器件CCD相机用来记录从发光粒子光散射和他们的图像显示为一个黑色的背景上的亮斑。一系列的后处理步骤应用于使用TSI洞察力3G的PIV数据软件以消除反射出现任何虚假速度向量。四．结果和分析这项工作的目标是提供优化的热管理解决方案基于前面的分析（13），商业上使用的最小可用球迷结合翅片和无翅片散热片几何形状。这种解决方案的优化一直被使用速度场和热阻测量提出了在这一节。速度的测量是首先考虑培养合适的扩散器前面讨论过的设计准则的基础每个案件。热阻测量、传热和流动率的结果给出了以下流场分析，量化扩压器介绍影响这两种散热器风扇转速范围内。图5描述了散热器翅片和无翅片的几何形状，无需使用扩压器（13）入口区域的流量。一系列的扩压器电镜这两种散热器几何学生产各种散热器，风扇的方向从25℃至60℃。因此来自于PIV分析的结果的数量，为这项工作提出了一种定量数据只考虑为扩散，将优化流对齐和分布在这两种散热器的情况下。图6显示了大量