24小時聯系電話:18217114652、13661815404
中文
技術專題
電路設計CFD仿真更新散熱器設計
散熱器的選擇會嚴重影響電氣系統的壽命。合適的散熱器設計背后需要進行大量的數學計算。隨著現代電子技術為我們的生活帶來便利，人們對其熱量管理進行了認真的考慮，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，對流或輻射的方式從設備表面清除熱通量。在當今電子設備中大多數散熱器中，空氣都是冷卻劑。通過了解散熱器的空氣動力學和熱特性的概念，可以實現高效而快速的冷卻。
計算流體力學（CFD）在使電子設備運行（無論產生的熱量如何）方面都發揮著至關重要的作用。散熱器CFD仿真是熱工程師的虛擬第三只眼睛。設計人員使用CFD模擬感知流體的接近速度及其流動相互作用，并將獲得的知識應用于散熱器工程中以實現最佳設計。
電氣元件制造商為何在數據表中指定最高工作溫度范圍？更精確地說，與環境的連接和與殼體的連接的熱阻將單獨包含在熱特性標題下。這是為了向用戶警告在為這些組件供電時需要進行熱管理。精心設計的散熱器可有效改善從關鍵組件到周圍環境的熱傳遞。散熱器增加了熱設備的質量和表面積，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系起來。擠壓翅片式散熱器是目前市場上最受歡迎的散熱器。該無源散熱器如何工作？組件基板中產生的熱量通過散熱片傳導至其外殼，并進一步傳導至周圍環境。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，從而在散熱片內產生自由的氣流。該空氣運動導致自然對流，因此實現了冷卻。如果沒有散熱器，則器件的結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散熱器的冷卻系統至關重要。如果您了解空氣在運動中的行為，則可以肯定會提出最佳的散熱器幾何形狀。這是我們考慮CFD模擬的時刻。
被動散熱器CFD模擬
在CFD中，單相流體流由Navier-Stokes方程定義。當我們處理自然空氣對流散熱時，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域以及散熱片之間的流通區域也會影響自由氣流。如果放置不當，散熱片的方向會阻礙空氣流動。始終建議保持散熱片垂直對齊以增強對流流體的流動，因為這種方向還會降低熱阻。
由于存在許多相關因素，因此無法遵循傳統的分析方法來獲得CFD方程的完整解。在涉及流體動力學的研究領域中，具有CFD功能的仿真軟件包的可用性正在發展。散熱器CFD仿真使設計人員可以查看氣流的變化，以響應被測系統中的幾何形狀修改和初始條件。
如果您可以考慮電氣，熱學和結構方面的因素對散熱器進行建模，那么您的設計結果將非常出色。使用熱管理工程中采用的電熱協同仿真進行整體系統分析，是朝著令人印象深刻的設計邁進的一步。
在這些仿真中，使用CFD和有限元分析（FEA）基礎知識來進行系統建模。CFD在對流流體模型中的應用和有限元分析（FEA）在熱傳遞模型中的應用建立了一個精確的散熱器模型來研究熱性能。這些模型可以將熱約束，輸出參數以及系統中的初始條件和邊界條件與仿真結果準確關聯。從仿真結果得出的CFD / FEA仿真和設計改編可以使您的散熱器幾何結構達到最佳狀態。
即插即用的散熱器材料
隨著對緊湊型小工具的需求不斷提高，散熱器的設計和美學得到了最大的關注。主要目的是選擇一種具有低熱阻和高導熱率的材料。散熱器材料的熱特性應增強氣流特性和傳熱動量。CFD / FEA仿真為您提供了更改材料屬性并可視化對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設計上運行許多迭代。這樣，您可以對不同的散熱器材料進行行為研究，而無需花費一分錢的生產成本。CFD / FEA仿真軟件包中的熱應力分析還可以預先確定散熱器變形的可能性。
|
材料 |
導熱系數（W /°K / m） |
|
鉆石 |
1000 |
|
銀 |
410 |
|
銅 |
385 |
|
鋁 |
211 |
|
鋼 |
47.6 |
|
玻璃 |
1.05 |
|
靜止的空氣 |
0.026 |
表1.各種材料的導熱系數。
如果您被指派優化電動汽車中功率電子模塊（PEM）的散熱器，您將如何進行？在這里，材料是固定的，您可以修改幾何。通過開發PEM模塊的精確3D熱模型，可以簡化您的優化過程。高度精確的3D模型不會在所獲得的散熱解決方案中留下任何漏洞。在CFD / FEA耦合模型上進行的模擬可幫助您分析空氣動力學，熱量提取，整體溫度控制以及熱點檢測。任何物理設計修改，輸入電功率變化，邊界或初始條件的變化都會立即反映在仿真結果中。CFD / FEA模擬是確保您完全放心地提交熱管理任務的最佳實踐。