金属泡沫在散热器和换热器中的应用
金属泡沫在散热器和换热器中的应用
随着电子元件的功率密度和尺寸的增加，现有的散热器设计正在达到临界水平，需要采用不同的散热器设计或使用液体的高性能换热器和冷板。网状金属泡沫（RMF）作为散热材料的创新应用，以其独特的结构和优异的热性能，为散热器和换热器的设计带来了新的可能性。
网状金属泡沫（RMF）大约在20年前开发用于结构应用，现在正应用于热管理应用。图1显示了一个RMF的结构，从图1中可以看出，RMF由十二面体的形状组成。每个十二面体由12个五边形组成。RMF通常是由铝或铜制成的。
由于CTE失配相关的热应力和变形有限，整体热交换器和热基（通常携带直接连接半导体器件的金属化陶瓷板）的可靠性不会受到影响，经过数百个热循环的验证。
图1-网状金属泡沫材料的结构
泡沫可以用不同的ppi（每英寸的孔隙）和压缩率来建造。图2显示了这种泡沫的一些相对尺寸。
图2-不同PPI和%压缩的RMF，顶部（10ppi，8%密集AL），中间(20 ppi，8%AL）（底部（30 ppi，8%AL）
rmf可以按照所需的方向进行切割和压缩。这给了在压缩方向上控制泡沫的导热性的灵活性。根据维德曼定律和弗朗茨定律计算了泡沫的导热系数。
其中，
L=洛伦兹数= 2.45x10^-8
Kel =电导率
T=绝对温度
Kth =导热系数
对于30 ppi铜RMF，传热系数作为空气和水的体积密度和泡沫厚度的函数的预测如图3所示。
图3-A30PPI铜RMF换热器换热系数，左边是水，右边是空气
将RMF技术与主框架工业中使用的标准商用冷板进行比较，发现使用RMF技术可以大大降低外部热阻一个数量级（0.14ºC/W-in2vs0.015ºC/W-in2）。
比较使用空气的RMF散热器的性能和一些高性能散热器的性能，包括板鳍和销鳍。他们所比较的变量的定义如下：
- heff=调整换热器的基础面积后的有效膜系数
- h=局部膜系数
- Aht=总换热面积
- Ab=底面积
- η f=薄膜效率
- Heff = hl .ηf .Aht/Ab
- Rh=有效RMF膜系数与鳍片的比值
- Rp=泡沫与鳍片的压降比（psid）
- Rv=泡沫与鳍的体积之比
- Rw=RMF与泡沫塑料的重量之比
图4显示了比较RMF的变量与平鳍轮廓的图表。
图4-RMF HX与扁平平鳍HX的比较
图中显示，当雷诺数大于1000时，Rh值比板鳍高2.5倍，10%密度为13.7%时比板鳍高3.5倍。Rh的值也随着雷诺数的增加而逐渐增大。在相同的泡沫密度下，压降比Rp分别达到板翅片的40%和100%。重量比Rw和体积比Rv随雷诺数的增加而略有下降，分别为板翼的40%和60%。
图5显示了RMF热交换器和销鳍片之间的比较。在雷诺数约为1000时，RMF HX的Rh值分别为针鳍的6.5倍和10倍。在高雷诺数时，它逐渐下降到5.5倍和7倍。
Rp随雷诺数的增加而稳步下降。从图5中可以看出，在6%和10%的密度时，Rp值分别比针鳍高1.5倍和1.3倍。10%密度压降较低的原因是作者将砌块分成两半，并将两段之间的流动分开，如图6所示。这可以产生一个更短的长度和更低的流量通过每个部分，减少整体压降。
图5-RMF HX与鳍鳍HX的比较
图6-在两个块之间的流程
以上结果表明，RMF基热交换器在热性能、体积和重量方面具有显著优势。其优点可以分类如下：
- 大的比表面积
- 优越的和可扩展的热性能
- 低重量和体积
- 与大量冷却剂的兼容性
- 高的结构顺应性和比刚度
- 对低膨胀物质的硬粘结性
上述特性使RMF在具有挑战性的热环境中的高性能热交换器的设计和制造中具有吸引力。