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散热器的尺寸通常是根据功率、气流、设备热约束和物理几何形状的要求进行冷却应用的。

更大的功耗需要更高性能的散热器或更大、更强大的风扇。在大多数电子冷却应用中，由于散热器的几何形状是由卡到卡间距控制的，大多数设计的散热器都很短，因此在80-90+%的高翼效率。

因此，探索翅片效率以获得提高的热性能的概念仍未被探索。本文的研究范围是探讨使用热对称粒子作为提高鳍片效率的一种手段，从而提高散热器的整体热性能。

散热器的鳍效率定义为相对于具有等散热片的同一散热器的传热量。换句话说，最有效的散热器的导热系数为无穷大。

为了计算给定散热器的效率，我们可以使用Nellis等人描述的方程。

且

• ηf鳍效率

• hf 传热系数

• K导热系数

• tf散热片厚度

• Lf散热片高度

传热系数hf，取决于空气的速度和鳍的长度。选择强制空气对流下的合理值，hf（80 [W/m2 -K]）和翅片厚度tf（2 mm），图1显示了铝（k =201 [W/m-K]）和铜（k=402 [W/m-K]）的翅片效率与高度的关系。

翅片散热器。值得注意的是，即使整体传热量在增加，翅片的效率也可能会降低。

例如，将风扇转速加倍会降低散热器的散热片效率（因为增加了传热系数），但会提高期望的冷却效果。

具有较高导电性的材料，如铜，可以将翅片的效率提高到一定的极限。为了获得更高的效率，人们必须选择更重、更昂贵的材料，或者两者兼有。

然而，有一些高导电性的产品是常见的和常规用于冷却应用：热管和热热管。

散热片中的热管

布劳内尔等人[2]展示了散热片中内置的散热管的使用。该装置被作者称为“堆化墨水”，在专利图中显示了各种配置，包括图2中所示的基本配置。

如果散热器在一个固定的垂直位置，吸芯结构可以被去除，从而变成热吸管。热虹吸管只能在垂直方向上工作，但缺乏吸芯结构将使这成为鳍片更实际的选择。

这种装置的一个简单的实现将是在一个针鳍散热器中，每个针将作为一个单独的热管或热虹吸管。

在范围的高端，热管的等效导热系数为10,000 W/ m2 -K。使用这个导热系数值以及图1所示的计算，在0.1 m翅片高度下的翅片效率为0.97。

热虹吸循环

通过类似的实验，验证了采用热管实现的理论性能增益。一个带有蒸汽室的环形热虹吸管，如图3所示。这个实验有8个平行的热虹吸环，高900毫米，宽200毫米宽。

每个回路是一个空心管，装满工作液体，如果需要，减压，在较低的温度下煮沸。在整个实验过程中使用水、制冷剂R-11或乙醇作为工作流体。

液体在蒸发器部分沸腾，蒸汽沿着风扇托盘远端的绝热部分向上移动。

冷凝器部分是在回路右侧带有管道风扇流量的部分。当蒸汽进入冷凝器部分时，它冷却成液体并返回到加热器部分。

相对热效率是由通过冷凝器部分测量的热传递除以蒸汽室中的总热输入来定义的。

图4显示了以R-11作为工作流体的不同填充比和功率输入下的热效率作为空气速度的函数。

热虹吸环的热效率随空气速度的增加而降低。这与随着气流和传热系数的增加，固体翅片效率的降低类似。

制冷剂R-11的热效率为60%，接近1。这与热虹吸系统的其他研究结果一致，建议填充率接近50%。

微通道热虹吸管

一种用铜微通道进行的垂直热虹吸管的研究。

图5显示了实验设置，其中包括3个微通道热虹吸冷凝器串联，以及冷凝器截面和铜微通道的横截面。

以丙烷作为工作流体，对不同的比体积（m3 /kg）和通过翅片的气流进行了实验。表1显示了最终的结果，显示比“经典”（固体）鳍方案提高了63%。

虽然由于热虹吸环的高导热系数，有望改进，但必须考虑到“无丙烷”的情况与经典的鳍不同，它将是金属的，而不是充满空气的微通道。

尽管如此，由于研究人员测量到的鱼鳍在充满丙烷时几乎是等温的，人们预计其效率将接近100%。

结论

在过去的15年里，人们通过嵌入热管或热虹吸管的方法来提高散热片的效率。

由布劳内尔提出的“热管道墨水”的实验数据，对于理解这项技术的可行性并最终将其推向市场至关重要。

应该注意的是，即使可行，这种散热器配置的应用将是由于散热器的翅片高度较大，低于35mm，通常具有90%的效率，并且在这种应用中部署热虹吸管或热管的额外成本可能使散热器对可能导致其热阻的小增益不具有成本效益。