FloTHERM在自然冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用

摘要：電子設(shè)備內(nèi)不斷升高的功率密度的增長總是超越了關(guān)注這些機(jī)箱散熱解決方案的增長。在很多電子行業(yè)，通過自然對流冷卻設(shè)備的能力是極其重要的。不使用諸如風(fēng)扇等機(jī)械裝置來為設(shè)備散熱的原因很多，包括：可靠性、結(jié)構(gòu)噪音、震動、進(jìn)入系統(tǒng)的灰塵和濕度、設(shè)備和能量消耗以及電氣接口。一些盡量避免強(qiáng)迫對流散熱的行業(yè)正在竭力達(dá)到自然對流散熱的極限，然而其它一些行業(yè)的散熱需求已經(jīng)超出了自然對流散熱的極限，由此被迫選擇了機(jī)械裝置散熱的方法。

本文通過觀察散熱瓶頸和如何克服這些瓶頸，研究了自然冷卻系統(tǒng)的極限。使用FLOTHERM對兩類機(jī)箱執(zhí)行了一組CFD分析：密閉機(jī)箱和敞開式機(jī)箱。

現(xiàn)有的冷卻技術(shù)和常識被用來改進(jìn)以降低系統(tǒng)熱阻為目標(biāo)的設(shè)計。本文提供了一套設(shè)計方法，用來幫助達(dá)到自然冷卻系統(tǒng)的極限。

介紹

在電子冷卻設(shè)計領(lǐng)域，強(qiáng)迫冷卻散熱通常會被有意地規(guī)避。使用一個風(fēng)扇的壞處包括導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)灰塵和噪音增加，EMI干擾，以及由于風(fēng)扇失效導(dǎo)致系統(tǒng)不能充分工作。Kordyban(1998)描述了一些電子設(shè)計封裝公司經(jīng)常出現(xiàn)的易犯錯誤，而Newberger (1996)指出在很多商用、工業(yè)以及軍用應(yīng)用中都能找到自然對流散熱解決方案。

在盡量避免使用強(qiáng)迫對流散熱方式的過程中，工程師提出了很多強(qiáng)化空氣冷卻特性的策略。其中最早提出的一個方法是利用浮升力的效應(yīng)，正如Papanicolaou & Gopalakrishna 在1995對筆記本電腦中的流動研究報告中提出來的。在這個研究中，他們檢查了影響系統(tǒng)中純傳導(dǎo)與穩(wěn)定環(huán)形對流之間過渡點的因素。據(jù)報告稱，這一過渡點受系統(tǒng)高長度比的影響，同時受封裝尺寸與系統(tǒng)總尺寸關(guān)系的影響。

例如熱管、散熱器和熱虹吸管(基于重力的熱管)這類器件可以被用在系統(tǒng)中來最大化散熱能力(Peterson, 1994)。Kordyban引用了一些實際的例子，其中有粗心大意使用一個導(dǎo)熱面作為散熱器，從而對系統(tǒng)產(chǎn)生預(yù)料之外的影響。他特別指出例如框架或機(jī)殼等物體有意想不到的散熱器特性，同時不正確的使用其它器件實際上阻礙了自然對流的散熱效率。

然而，在任何這種方法或器件被使用之前，必須了解產(chǎn)生和避免有效熱交換瓶頸的原因。其中的一些瓶頸包括阻礙空氣流動，不成比例的機(jī)殼高度和寬度和系統(tǒng)中導(dǎo)熱物體很差的布局。Garcia等人(1995)提出的研究顯示與沒有風(fēng)道的系統(tǒng)相比，系統(tǒng)中錯誤的空氣風(fēng)道布置實際上減少了熱量的交換。

盡管自然對流散熱的臨界點經(jīng)常被電子封裝增加的熱損耗所提高，但在選擇熱解決方案之前，必須詳盡的考慮所有的可能性。本文討論了熱預(yù)算的概念，并且對自然對流狀況下優(yōu)化溫度的一些基本規(guī)則進(jìn)行了仔細(xì)檢查。首先，我們將弄清楚用于本文中研究案例仿真的數(shù)值方法。這會出現(xiàn)在熱交換形式的討論之后，除了系統(tǒng)熱預(yù)算的定義以外。品質(zhì)因素的概念會被介紹和解釋，并且對密閉和敞開式自然對流案例進(jìn)行定性。最后，包括了減少熱瓶頸的一系列準(zhǔn)則。本文僅僅介紹了品質(zhì)因素的概念，并且希望以后的工作可以進(jìn)一步細(xì)化這個概念，并且為每一個設(shè)計準(zhǔn)則確定定性證明。

除了以后的工作之外，本文研究案例使用Flomerics提供的計算流體動力學(xué)軟件(CFD)Flotherm完成。從理想上來說，提出的設(shè)計準(zhǔn)則將幫助熱設(shè)計工程師去確定一個范圍，在這個范圍之內(nèi)絕大多數(shù)風(fēng)扇冷卻的系統(tǒng)是一個可選擇的冷卻方案。

數(shù)值方法

FLOTHERM是一款計算流體和熱交換分析及設(shè)計的軟件，它是專門為電子設(shè)備分析所開發(fā)的。FLOTHERM使用有限體積法去分析從芯片級到系統(tǒng)級的三維幾何模型。對于浮升力(Gauche ,2000)使用布辛涅司克假設(shè)進(jìn)行耦合的熱和流動求解。軟件對于穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)都實施這些原則。兩種不同的湍流模型可以被選擇用于湍流的模擬。

質(zhì)量，動量(Navier-Stokes)和能量的守恒控制方程(Mills，1995)顯示如下：

這些方程被離散為代數(shù)方程，并且在計算網(wǎng)格中進(jìn)行迭代求解。

控制方程的數(shù)值解提供了使用被提議方法所必須的描述。通過確定每一個熱源的局部熱交換系數(shù)，CFD確定了對流熱交換。壓力降也會在CFD中確定。

熱交換模型和熱預(yù)算

在絕大多數(shù)自然對流散熱的系統(tǒng)中，通過導(dǎo)熱和輻射方式的熱交換量占了總熱交換量的大部分。在密閉的系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)由導(dǎo)熱方式所決定，其方程

控制了絕大部分的熱交換。然而對于敞開式系統(tǒng)而言，對流換熱更為重要，從而使得方程中的熱交換系數(shù)變得很重要

不可否認(rèn)，自然對流的散熱效率沒有強(qiáng)迫對流高。但是，由于浮升力影響引起的對流換熱通常是系統(tǒng)中強(qiáng)化換熱比較方便的手段之一。Papanicolaou和Gopalakrishna仔細(xì)研究了從純導(dǎo)熱過渡到穩(wěn)定環(huán)形對流的分界點。在這種情況下，臨界點對于元件溫度有很大影響。相反地，Kwak&Song(1996)的研究表明當(dāng)增加額外的表面積時，浮升力流動的阻礙和再流通可能會產(chǎn)生對于散熱不利的影響。

一個設(shè)計的“熱預(yù)算”被定義為最大結(jié)溫和系統(tǒng)溫度的差。當(dāng)研究散熱路徑上每一個部分引起的溫升和以一種有效的方式確定問題所在時，這個數(shù)是方便的。舉例，在電子元件和散熱器之間的界面材料占了熱預(yù)算的25~40%(Saums，2000)。這是傳統(tǒng)的熱設(shè)計方面的瓶頸，由于元件的小體積上通過很大的熱流，所以形成很大的溫升。盡管盡了很大的努力，即便優(yōu)化的導(dǎo)熱界面材料也占用了很大一部分熱預(yù)算。

其它的熱阻由元件和機(jī)箱壁面之間的空氣間隙所引起，這些機(jī)箱壁面與環(huán)境冷空氣相連。通過提高材料熱導(dǎo)率和導(dǎo)熱路徑或設(shè)計有通風(fēng)孔系統(tǒng)中的空氣流動區(qū)域可以降低系統(tǒng)的熱阻。下圖顯示了常見的具有界面材料和散熱器的元件熱預(yù)算草圖。

圖1：一個元件的熱預(yù)算

每一個熱阻都描述了一個由熱量通過的區(qū)域，熱阻位置的確定主要依據(jù)是否方便評估系統(tǒng)散熱的效率。下表羅列了熱阻和它們相對應(yīng)位置。

品質(zhì)因素討論

為了了解能減少自然對流散熱系統(tǒng)中影響總熱阻的因素，品質(zhì)因素的概念被引入。這個品質(zhì)因素將使用一系列的物理參數(shù)，它們都被用于評估設(shè)計的散熱效率。

品質(zhì)因素基于前面章節(jié)中所提到的熱交換機(jī)理。通過利用一些熱交換模型的組合，熱阻可以被減少并且可以使設(shè)計避免超出熱預(yù)算。下面是所考慮的品質(zhì)因素列表。

1. 浮升高度

浮升高度被定義為在系統(tǒng)周圍或內(nèi)部浮升力的高度。它不僅僅是系統(tǒng)高度的函數(shù)，也受物理布局和熱源位置的影響。在圖2中，一個蜿蜒的通道通過提供大量可能的浮升力高度來描述了這一概念。舉個例子如果物體1被加熱，它的浮升力高度為1H。如果物體1和3被加熱，由于在中間通道內(nèi)缺乏相對的變化，所以浮升力的高度為2H。如果所有的物體都被加熱，則浮升力的高度又會變?yōu)?H。

對于一個系統(tǒng)而言，浮升力高度越高，品質(zhì)因素越高。注意，浮升力高度總是被定義為垂直高度，忽略了其它的加速度力。

圖2：浮升高度(H)，物體熱量(Q)和水力直徑(B)

2. 浮升阻礙

浮升阻礙的概念在垂直于浮升高度的平面上定義。通過沿著空氣流動或浮升力方向積分確定了系統(tǒng)的平均水力直徑，這個平均水力直徑可以描述浮升阻礙。這個參數(shù)在圖2中顯示。

通常，即便在忽略浮升阻礙的強(qiáng)迫對流案例中，浮升阻礙也會對品質(zhì)因素產(chǎn)生不利影響。這是因為浮升力在動量方程中占的份額很小。然而固體與空氣熱阻(4)建議為了強(qiáng)化系統(tǒng)的散熱，可以增加散熱的表面。在本章的后面會做詳細(xì)的論述。

3. 固體與固體的熱阻

當(dāng)元件結(jié)點產(chǎn)生熱量，熱流通過有限的導(dǎo)熱材料會引起溫度的下降，占用了大部分的熱預(yù)算。減少熱阻將提升品質(zhì)因素。對于元件而言，一個整合散熱器的蓋子就是這方面改進(jìn)的一種方法，因為它不需要界面材料(occhionero,2000)。

4. 固體與空氣熱阻

為了降低進(jìn)入流體介質(zhì)中的熱流密度，增加與空氣接觸的固體表面積是一種方法。散熱器可以起到這個作用，但是對于不同的應(yīng)用場合必須謹(jǐn)慎選擇，因為在浮升阻礙(2)和固體與空氣熱阻(4)之間有一個最優(yōu)點。通常，一個優(yōu)化的方案可以被確定，并且在這里參數(shù)熱分析可能是非常有用的。

5. 有效的器件(熱管，熱電冷卻器等)

熱管是具有一個內(nèi)部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)和空心區(qū)域的密封管子。通常管子內(nèi)的流體是水，當(dāng)一端被加熱時水要經(jīng)歷一個完整的熱動力循環(huán)。這就表明一個熱管幾乎是等溫的，并且具有非常低的熱阻。以一種非常簡單的方法，這可以被看作是固體和固體熱阻的降低。通過增加到密閉或敞開系統(tǒng)的散熱路徑，這種改進(jìn)措施通?？梢垣@得更低的熱阻。

在一個電冷過程中，熱電冷卻器將熱量從一個地方傳遞到另一個地方。這些熱電冷卻器工作也會產(chǎn)生熱量，通常應(yīng)該避免在自然對流和密閉系統(tǒng)中使用。

還有一些其它“有效的器件”可以被應(yīng)用到自然對流散熱系統(tǒng)中，它們具有積極的效果。然而，時刻謹(jǐn)記這些器件也僅僅可能在名義上有效。即便最有效的器件也與應(yīng)用場合和系統(tǒng)約束有關(guān)。

羅列的品質(zhì)因素可以被獨立的考慮，因此也可以進(jìn)行添加。通過在概念設(shè)計階段研究每一個品質(zhì)因素和在不同方面做出可能的改進(jìn)，電子設(shè)備外殼的物理設(shè)計可以得到很大的改進(jìn)。由于浮升力流動熱交換的復(fù)雜性，最好借助于CFD進(jìn)行研究，因為這可以讓多個系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行對比和研究。

案例研究

目前本文的重點是定性的評估許多品質(zhì)因素，這些品質(zhì)因素幫助一個設(shè)計滿足它的熱預(yù)算。為了描述一些分析概念，一個密封和敞開式的設(shè)備的一系列結(jié)果被提供。

一個尺寸為15×15×3的設(shè)備的一面具有40mm翅片。具有四個元件的兩個PCB(每個PCB 5W)板被安裝在設(shè)備內(nèi)部靠近翅片側(cè)。圖3描述了這個設(shè)備，并且包括了通過Flomotion生成的粒子流。這個粒子流顯示了設(shè)備內(nèi)部和外部的流動影響。

結(jié)果顯示了內(nèi)部溫度和散熱器翅片數(shù)目的對比，散熱器翅片數(shù)目從6變化到38。結(jié)果表明優(yōu)化的尺寸數(shù)目是22，此時的溫度最低。產(chǎn)生最值的原因是之前提及的兩個品質(zhì)因素的共同作用，浮升阻礙和散熱器固體和空氣表面積的對立。

圖3：具有粒子流的密閉系統(tǒng)

圖4：溫度與翅片數(shù)目關(guān)系圖

對于一個敞開式的設(shè)備，也進(jìn)行了一個相類似的驗證，拿其中散熱器側(cè)面和增加它的散熱表面積所帶來的好處進(jìn)行對比。尺寸為3.4'×9.5'×7'的模型被顯示，其中一個PCB板上有一個散熱量為8W的元件。一個散熱器被貼附到這個元件上，并且散熱器的翅片數(shù)目不斷變化，從而找到側(cè)面阻礙和固體與空氣熱阻的最優(yōu)平衡點。圖5描述了系統(tǒng)和由Flomotion生成的粒子流。

圖5：具有速度云圖的敞開式系統(tǒng)

這里顯示的結(jié)果是內(nèi)部溫度和散熱器翅片數(shù)目的對比，其中翅片數(shù)目由4變化到18。結(jié)果顯示在給定翅片寬度(散熱器基板3×3'，寬度為0.125')情況下，優(yōu)化的翅片數(shù)目是6，此時的溫度最低。產(chǎn)生最值的原因是之前提及的兩個品質(zhì)因素的共同作用，浮升阻礙和散熱器固體和空氣表面積的對立。

指導(dǎo)和結(jié)論

之前幾章介紹了大量可以用于優(yōu)化熱設(shè)計的品質(zhì)因素。下面歸納了當(dāng)設(shè)計一個自然對流系統(tǒng)時，所需要考慮的簡單原則列表。這個列表絕對不是全面的，但是它提供給熱設(shè)計專家在設(shè)計早期什么該做什么不該做的清單。這個列表是可以改變的，它是從以往工作積累和經(jīng)驗中所得到的。

在項目中高度應(yīng)該被最大化，其中浮升力的影響具有很重要的意義

必須找到旁流的阻礙和固體與空氣的熱阻

減少固體和固體之間的熱阻在絕大多數(shù)的情況下都是有用的

在所有的案例中旁流阻礙應(yīng)該盡可能的減小，并且應(yīng)該盡可能的均勻

增加熱源的尺寸會是熱量更均勻地擴(kuò)散

但存在散熱瓶頸時，在實際的約束范圍內(nèi)，嘗試結(jié)合三種熱交換方式。通過確定組成熱預(yù)算的熱阻值，可以識別散熱瓶頸。

不要忘記熱管和其它機(jī)械冷卻裝置。

這個項目著手提出一些熱設(shè)計的原則，并且當(dāng)熱設(shè)計工程師設(shè)計一個不能采用風(fēng)扇強(qiáng)迫冷卻的系統(tǒng)時，提供一些策略方法。并且需要定義一個熱預(yù)算和羅列描述一個系統(tǒng)的品質(zhì)因素。有一個以研究這些品質(zhì)因素和確定定性手段來做決策為目的的工作范圍。

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審核編輯：湯梓紅