電(diàn)路设计CFD仿真更新(xīn)散热器设计

2020-09-11

散热器的选择会严重影响電(diàn)气系统的寿命。合适的散热器设计背后需要进行大量的数學(xué)计算。随着现代電(diàn)子技术為(wèi)我们的生活带来便利，人们对其热量管理(lǐ)进行了认真的考虑，以提高可(kě)靠性。

安装散热器可(kě)以防止热失控和敏感電(diàn)路元件的过早故障。散热器通过传导，对流或辐射的方式从设备表面清除热通量。在当今電(diàn)子设备中大多(duō)数散热器中，空气都是冷却剂。通过了解散热器的空气动力學(xué)和热特性的概念，可(kě)以实现高效而快速的冷却。

计算流體(tǐ)力學(xué)（CFD）在使電(diàn)子设备运行（无论产生的热量如何）方面都发挥着至关重要的作用(yòng)。散热器CFD仿真是热工程师的虚拟第三只眼睛。设计人员使用(yòng)CFD模拟感知流體(tǐ)的接近速度及其流动相互作用(yòng)，并将获得的知识应用(yòng)于散热器工程中以实现最佳设计。

電(diàn)气元件制造商(shāng)為(wèi)何在数据表中指定最高工作温度范围？更精确地说，与环境的连接和与壳體(tǐ)的连接的热阻将单独包含在热特性标题下。这是為(wèi)了向用(yòng)户警告在為(wèi)这些组件供電(diàn)时需要进行热管理(lǐ)。精心设计的散热器可(kě)有(yǒu)效改善从关键组件到周围环境的热传递。散热器增加了热设备的质量和表面积，因此散热过程加快了速度。 

我总是将散热器一词与带有(yǒu)鳍片的银色金属片联系起来。挤压翅片式散热器是目前市场上最受欢迎的散热器。该无源散热器如何工作？组件基板中产生的热量通过散热片传导至其外壳，并进一步传导至周围环境。浮力将较轻的热空气向上拉，而重力将较浓的冷空气向下拉，从而在散热片内产生自由的气流。该空气运动导致自然对流，因此实现了冷却。如果没有(yǒu)散热器，则器件的结温超过了允许的安全工作极限，并因过热而损坏。

气流分(fēn)布控制基于被动散热器的冷却系统至关重要。如果您了解空气在运动中的行為(wèi)，则可(kě)以肯定会提出最佳的散热器几何形状。这是我们考虑CFD模拟的时刻。

被动散热器CFD模拟

在CFD中，单相流體(tǐ)流由Navier-Stokes方程定义。当我们处理(lǐ)自然空气对流散热时，无源散热器也是如此。在无源散热器中，气流分(fēn)布取决于散热器的位置，形状，大小(xiǎo)和表面光洁度。散热器周围的自由區(qū)域以及散热片之间的流通區(qū)域也会影响自由气流。如果放置不当，散热片的方向会阻碍空气流动。始终建议保持散热片垂直对齐以增强对流流體(tǐ)的流动，因為(wèi)这种方向还会降低热阻。

由于存在许多(duō)相关因素，因此无法遵循传统的分(fēn)析方法来获得CFD方程的完整解。在涉及流體(tǐ)动力學(xué)的研究领域中，具有(yǒu)CFD功能(néng)的仿真软件包的可(kě)用(yòng)性正在发展。散热器CFD仿真使设计人员可(kě)以查看气流的变化，以响应被测系统中的几何形状修改和初始条件。 

如果您可(kě)以考虑電(diàn)气，热學(xué)和结构方面的因素对散热器进行建模，那么您的设计结果将非常出色。使用(yòng)热管理(lǐ)工程中采用(yòng)的電(diàn)热协同仿真进行整體(tǐ)系统分(fēn)析，是朝着令人印象深刻的设计迈进的一步。 

在这些仿真中，使用(yòng)CFD和有(yǒu)限元分(fēn)析（FEA）基础知识来进行系统建模。CFD在对流流體(tǐ)模型中的应用(yòng)和有(yǒu)限元分(fēn)析（FEA）在热传递模型中的应用(yòng)建立了一个精确的散热器模型来研究热性能(néng)。这些模型可(kě)以将热约束，输出参数以及系统中的初始条件和边界条件与仿真结果准确关联。从仿真结果得出的CFD / FEA仿真和设计改编可(kě)以使您的散热器几何结构达到最佳状态。 

即插即用(yòng)的散热器材料

随着对紧凑型小(xiǎo)工具的需求不断提高，散热器的设计和美學(xué)得到了最大的关注。主要目的是选择一种具有(yǒu)低热阻和高导热率的材料。散热器材料的热特性应增强气流特性和传热动量。CFD / FEA仿真為(wèi)您提供了更改材料属性并可(kě)视化对散热效率的影响的功能(néng)。 

在表1中，很(hěn)明显，金刚石是散热片材料的首选，但这在实际中并不可(kě)行。铝和铜是最常用(yòng)的散热器材料。如今，铝翅片和铜基片的组合是很(hěn)常见的。 

散热器CFD / FEA仿真使您可(kě)以通过编辑材料属性在单个设计上运行许多(duō)迭代。这样，您可(kě)以对不同的散热器材料进行行為(wèi)研究，而无需花(huā)费一分(fēn)钱的生产成本。CFD / FEA仿真软件包中的热应力分(fēn)析还可(kě)以预先确定散热器变形的可(kě)能(néng)性。

材料	导热系数（W /°K / m）
钻石	1000
银	410
铜	385
铝	211
钢	47.6
玻璃	1.05
静止的空气	0.026

表1.各种材料的导热系数。 

如果您被指派优化電(diàn)动汽車(chē)中功率電(diàn)子模块（PEM）的散热器，您将如何进行？在这里，材料是固定的，您可(kě)以修改几何。通过开发PEM模块的精确3D热模型，可(kě)以简化您的优化过程。高度精确的3D模型不会在所获得的散热解决方案中留下任何漏洞。在CFD / FEA耦合模型上进行的模拟可(kě)帮助您分(fēn)析空气动力學(xué)，热量提取，整體(tǐ)温度控制以及热点检测。任何物(wù)理(lǐ)设计修改，输入電(diàn)功率变化，边界或初始条件的变化都会立即反映在仿真结果中。CFD / FEA模拟是确保您完全放心地提交热管理(lǐ)任務(wù)的最佳实践。