我利用熱仿真學(xué)到的知識【轉(zhuǎn)發(fā)】

2018-04-14 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

利用計算流體動力學(xué)設(shè)計和選擇理想散熱器

設(shè)計電子設(shè)備時,微型器件散發(fā)到周圍環(huán)境中的熱量是一個重要考慮事項,因為熱量對其運行和使用壽命有著強大且嚴峻的影響。當電子設(shè)備過熱時,元件會以更快速度損耗、退化,超過閾值進入安全模式,隨后停止工作。最終可能引起整個系統(tǒng)永久性失效。因此,隨著科技不斷發(fā)展,熱管理對當今電子設(shè)備的功能和性能有著重要影響。

那么,如何管理電子設(shè)備中的熱問題呢?我們知道,熱量從一個地方傳遞到另一個地方主要有三種方法:對流、傳導(dǎo)和輻射。對流是指熱量從固體表面?zhèn)鬟f到周圍流體。傳導(dǎo)是指通過固體材料傳熱。對于熱傳導(dǎo),材料選擇很重要,電子設(shè)備大部分使用銅和鋁等熱的良導(dǎo)體來快速傳熱。最后是輻射,電子設(shè)備中的熱輻射是指溫度引起的電磁輻射。通過輻射傳熱的效率遠低于傳導(dǎo)和對流。

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圖1:散熱器周圍典型的熱傳遞

如何消除電子設(shè)備散發(fā)出的無用熱量呢?許多技術(shù)可用來散熱,但有效的是散熱器。散熱器是指CPU、圖形卡等電子系統(tǒng)中的大塊金屬物體。散熱器的效率高度依賴于其設(shè)計結(jié)構(gòu)。為使散熱器效率最大,需要考慮一些因素。最重要考慮的是散熱器需要散掉的熱量。其次是流動特性,也就是散熱器通過的流體流量和旁通流量。再次是系統(tǒng)在引入散熱器之后的壓力下降。最后一點是設(shè)計,包括設(shè)計成本、是否能實際制造出來以及使用何種材料。銅的熱導(dǎo)率約為鋁的兩倍,但密度是鋁的三倍,因此銅只應(yīng)在必要時使用。

電子器件散熱的最佳方法是將散熱器安裝到熱源表面上以增大熱源表面積。利用增大的表面積,散熱器能更有效地將熱量從熱源傳遞到鄰近流體。熱量通過傳導(dǎo)從熱源傳遞到散熱器,然后通過對流從散熱器傳遞到周圍流體,也可以通過輻射傳遞到周圍區(qū)域。

這些器件廣泛用于電子系統(tǒng)中,會釋放出大量無用的熱量。換言之,散熱器是被動換熱器,吸收熱源中的熱量并將其擴散到空氣中;若配合風扇或旋轉(zhuǎn)器件使用,將能主動給系統(tǒng)組件散熱。熱擴散使系統(tǒng)溫度均一化,防止其過熱。說到增大表面積和占用大塊空間,在散熱器中直接增加風扇可能是一種廉價且節(jié)省空間的通過強制對流大幅改善散熱器性能的途徑。

如何設(shè)計并選擇適合這種用途的散熱器呢?此外,可以提高散熱器效率的所有已知因素是什么?如何設(shè)計并優(yōu)化散熱器,從而以最高的效率和最低的成本實現(xiàn)需要的溫度?答案是使用計算流體動力學(xué)(CFD)。CFD利用數(shù)值非線性微分方程來描述具有固定幾何形狀和邊界條件的流體流動(Navier-Stokes方程)。

CFD的主要優(yōu)勢是可利用其虛擬建模方法和強大的可視化功能來估計各種應(yīng)用的性能。CFD能夠預(yù)測系統(tǒng)性能,不要求修改實際系統(tǒng)或原型。因此,甚至不必觸碰實際原型,便可利用CFD來預(yù)測哪些設(shè)計變更對增強性能最為重要。CFD能提供比任何其他理論或?qū)嶒灧椒ǘ几鼫蚀_、甚至更好且詳細的系統(tǒng)信息。與做實驗相比,CFD的成本要低得多,所花時間也更少,因為它不涉及對系統(tǒng)的物理改變。

在實習期間,我利用MentorGraphics的CFD仿真包FloTHERMXT來測量印刷電路板(PCB)上兩種不同散熱器的性能。PCB是均一的,具有各向同性熱屬性。這些屬性常用于具有多層絕緣材料和銅走線的PCB中,使得PCB的熱阻率是沿著電路板水平方向,而不是垂直方向。PCB上主芯片的總功率為1W,主芯片周圍的細長芯片功率為2mW,右邊迷你芯片的功率為1mW。

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圖2:含不同層和銅走線的PCB

第一次仿真僅有PCB,用以估計總功耗。主芯片的溫度測得為55.7oC。結(jié)果顯示,通過自然對流的散熱方式不足以冷卻PCB上的主芯片。

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圖3:PCB溫度分布

在第二次仿真中,我在主芯片正上方增加了一個矩形順排散熱器,其間有一個熱界面層。我使用的是氮化鋁熱界面層。空氣在主芯片和散熱器之間形成熱阻,因此強烈建議使用這種熱界面層。

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圖4:通過填充空氣的熱界面材料導(dǎo)熱

當電子器件的熱路徑中有兩個或更多固體表面時,需要使用熱界面材料(TIM)。典型機加工材料的表面粗糙且有起伏,表面之間的實際接觸點相當少。兩個表面之間的間隙填滿空氣,對于兩個表面之間的熱傳遞,空氣是絕熱體和屏障。因此,利用TIM填充空隙以消除兩個表面之間的空氣,可以改進熱傳導(dǎo)過程,增強兩種材料之間的熱傳遞。

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圖5:矩形順排散熱器鰭片幾何形狀信息

對任何應(yīng)用,為了找到最合適的散熱器,都需要進行一些簡單的人工計算,先使用關(guān)系式,再使用鰭片效率公式。典型關(guān)系式計算平板上流體的熱傳遞效率。熱傳遞工程教科書上有大量相關(guān)資料。鰭片越多,表面熱交換效果越好,但隨著鰭片數(shù)量增多,散熱器壓降也會提高。因此,流速一定時,鰭片數(shù)量存在一個最優(yōu)值。

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圖6:矩形順排散熱器直接安裝在PCB上主芯片的上面

在第二次仿真中,我用TIM直接把散熱器貼在主芯片上表面上。我選擇的是鋁制散熱器。仿真結(jié)果顯示,散熱器的增加和自然對流使主芯片溫度降低。溫度從55.7oC降至53.2oC,主芯片總溫度降低2.5oC。

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圖7:配有透明風扇的矩形順排散熱器

在第三次仿真中,我直接在散熱器鰭片的上表面加裝一個風扇,其流速為0.008m3/s,直接吹入散熱器中。強制對流導(dǎo)致主芯片溫度降低至36.3oC,溫差為19.4oC,添加的風扇來自FloTHERMXTSmartPartTM庫。

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圖8:徑向自旋散熱器

在最后一次仿真中,我使用了一個鰭片自旋式散熱器,該散熱器結(jié)合了散熱器和風扇的功能。轉(zhuǎn)速調(diào)整至100RPM,其位于主芯片上,二者之間有界面層。我對CFD庫中的該散熱器應(yīng)用了旋轉(zhuǎn)區(qū)域邊界條件以實現(xiàn)自旋。此類散熱器非常有效,因為它減少了散熱器自旋和主芯片周圍活動部件引起的靜止空氣量,使熱阻不再存在。

將自旋散熱器安裝到主芯片上方之后,溫度降至35.7oC,溫差為20.0oC。來自CFD庫的旋轉(zhuǎn)區(qū)域SmartPartTM對實現(xiàn)這一出色性能起到了幫助作用。