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技術(shù)專題
電路設(shè)計(jì)CFD仿真更新散熱器設(shè)計(jì)
散熱器的選擇會(huì)嚴(yán)重影響電氣系統(tǒng)的壽命。合適的散熱器設(shè)計(jì)背后需要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)計(jì)算。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)為我們的生活帶來便利，人們對(duì)其熱量管理進(jìn)行了認(rèn)真的考慮，以提高可靠性。
安裝散熱器可以防止熱失控和敏感電路元件的過早故障。散熱器通過傳導(dǎo)，對(duì)流或輻射的方式從設(shè)備表面清除熱通量。在當(dāng)今電子設(shè)備中大多數(shù)散熱器中，空氣都是冷卻劑。通過了解散熱器的空氣動(dòng)力學(xué)和熱特性的概念，可以實(shí)現(xiàn)高效而快速的冷卻。
計(jì)算流體力學(xué)（CFD）在使電子設(shè)備運(yùn)行（無論產(chǎn)生的熱量如何）方面都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。散熱器CFD仿真是熱工程師的虛擬第三只眼睛。設(shè)計(jì)人員使用CFD模擬感知流體的接近速度及其流動(dòng)相互作用，并將獲得的知識(shí)應(yīng)用于散熱器工程中以實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)。
電氣元件制造商為何在數(shù)據(jù)表中指定最高工作溫度范圍？更精確地說，與環(huán)境的連接和與殼體的連接的熱阻將單獨(dú)包含在熱特性標(biāo)題下。這是為了向用戶警告在為這些組件供電時(shí)需要進(jìn)行熱管理。精心設(shè)計(jì)的散熱器可有效改善從關(guān)鍵組件到周圍環(huán)境的熱傳遞。散熱器增加了熱設(shè)備的質(zhì)量和表面積，因此散熱過程加快了速度。
我總是將散熱器一詞與帶有鰭片的銀色金屬片聯(lián)系起來。擠壓翅片式散熱器是目前市場(chǎng)上最受歡迎的散熱器。該無源散熱器如何工作？組件基板中產(chǎn)生的熱量通過散熱片傳導(dǎo)至其外殼，并進(jìn)一步傳導(dǎo)至周圍環(huán)境。浮力將較輕的熱空氣向上拉，而重力將較濃的冷空氣向下拉，從而在散熱片內(nèi)產(chǎn)生自由的氣流。該空氣運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致自然對(duì)流，因此實(shí)現(xiàn)了冷卻。如果沒有散熱器，則器件的結(jié)溫超過了允許的安全工作極限，并因過熱而損壞。
氣流分布控制基于被動(dòng)散熱器的冷卻系統(tǒng)至關(guān)重要。如果您了解空氣在運(yùn)動(dòng)中的行為，則可以肯定會(huì)提出最佳的散熱器幾何形狀。這是我們考慮CFD模擬的時(shí)刻。
被動(dòng)散熱器CFD模擬
在CFD中，單相流體流由Navier-Stokes方程定義。當(dāng)我們處理自然空氣對(duì)流散熱時(shí)，無源散熱器也是如此。在無源散熱器中，氣流分布取決于散熱器的位置，形狀，大小和表面光潔度。散熱器周圍的自由區(qū)域以及散熱片之間的流通區(qū)域也會(huì)影響自由氣流。如果放置不當(dāng)，散熱片的方向會(huì)阻礙空氣流動(dòng)。始終建議保持散熱片垂直對(duì)齊以增強(qiáng)對(duì)流流體的流動(dòng)，因?yàn)檫@種方向還會(huì)降低熱阻。
由于存在許多相關(guān)因素，因此無法遵循傳統(tǒng)的分析方法來獲得CFD方程的完整解。在涉及流體動(dòng)力學(xué)的研究領(lǐng)域中，具有CFD功能的仿真軟件包的可用性正在發(fā)展。散熱器CFD仿真使設(shè)計(jì)人員可以查看氣流的變化，以響應(yīng)被測(cè)系統(tǒng)中的幾何形狀修改和初始條件。
如果您可以考慮電氣，熱學(xué)和結(jié)構(gòu)方面的因素對(duì)散熱器進(jìn)行建模，那么您的設(shè)計(jì)結(jié)果將非常出色。使用熱管理工程中采用的電熱協(xié)同仿真進(jìn)行整體系統(tǒng)分析，是朝著令人印象深刻的設(shè)計(jì)邁進(jìn)的一步。
在這些仿真中，使用CFD和有限元分析（FEA）基礎(chǔ)知識(shí)來進(jìn)行系統(tǒng)建模。CFD在對(duì)流流體模型中的應(yīng)用和有限元分析（FEA）在熱傳遞模型中的應(yīng)用建立了一個(gè)精確的散熱器模型來研究熱性能。這些模型可以將熱約束，輸出參數(shù)以及系統(tǒng)中的初始條件和邊界條件與仿真結(jié)果準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)。從仿真結(jié)果得出的CFD / FEA仿真和設(shè)計(jì)改編可以使您的散熱器幾何結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳狀態(tài)。
即插即用的散熱器材料
隨著對(duì)緊湊型小工具的需求不斷提高，散熱器的設(shè)計(jì)和美學(xué)得到了最大的關(guān)注。主要目的是選擇一種具有低熱阻和高導(dǎo)熱率的材料。散熱器材料的熱特性應(yīng)增強(qiáng)氣流特性和傳熱動(dòng)量。CFD / FEA仿真為您提供了更改材料屬性并可視化對(duì)散熱效率的影響的功能。
在表1中，很明顯，金剛石是散熱片材料的首選，但這在實(shí)際中并不可行。鋁和銅是最常用的散熱器材料。如今，鋁翅片和銅基片的組合是很常見的。
散熱器CFD / FEA仿真使您可以通過編輯材料屬性在單個(gè)設(shè)計(jì)上運(yùn)行許多迭代。這樣，您可以對(duì)不同的散熱器材料進(jìn)行行為研究，而無需花費(fèi)一分錢的生產(chǎn)成本。CFD / FEA仿真軟件包中的熱應(yīng)力分析還可以預(yù)先確定散熱器變形的可能性。
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材料 |
導(dǎo)熱系數(shù)（W /°K / m） |
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鉆石 |
1000 |
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銀 |
410 |
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銅 |
385 |
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鋁 |
211 |
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鋼 |
47.6 |
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玻璃 |
1.05 |
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靜止的空氣 |
0.026 |
表1.各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
如果您被指派優(yōu)化電動(dòng)汽車中功率電子模塊（PEM）的散熱器，您將如何進(jìn)行？在這里，材料是固定的，您可以修改幾何。通過開發(fā)PEM模塊的精確3D熱模型，可以簡(jiǎn)化您的優(yōu)化過程。高度精確的3D模型不會(huì)在所獲得的散熱解決方案中留下任何漏洞。在CFD / FEA耦合模型上進(jìn)行的模擬可幫助您分析空氣動(dòng)力學(xué)，熱量提取，整體溫度控制以及熱點(diǎn)檢測(cè)。任何物理設(shè)計(jì)修改，輸入電功率變化，邊界或初始條件的變化都會(huì)立即反映在仿真結(jié)果中。CFD / FEA模擬是確保您完全放心地提交熱管理任務(wù)的最佳實(shí)踐。