摘要：電子設(shè)備內(nèi)不斷升高的功率密度的增長(zhǎng)總是超越了關(guān)注這些機(jī)箱散熱解決方案的增長(zhǎng)。在很多電子行業(yè)，通過(guò)自然對(duì)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(lái)為設(shè)備散熱的原因很多，包括：可靠性、結(jié)構(gòu)噪音、震動(dòng)、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(duì)流散熱的行業(yè)正在竭力達(dá)到自然對(duì)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(duì)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(guò)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(duì)兩類機(jī)箱執(zhí)行了一組CFD分析：密閉機(jī)箱和敞開(kāi)式機(jī)箱。

現(xiàn)有的冷卻技術(shù)和常識(shí)被用來(lái)改進(jìn)以降低系統(tǒng)熱阻為目標(biāo)的設(shè)計(jì)。本文提供了一套設(shè)計(jì)方法，用來(lái)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(jì)領(lǐng)域，強(qiáng)迫冷卻散熱通常會(huì)被有意地規(guī)避。使用一個(gè)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(jì)封裝公司經(jīng)常出現(xiàn)的易犯錯(cuò)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(duì)流散熱解決方案。

在盡量避免使用強(qiáng)迫對(duì)流散熱方式的過(guò)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(gè)方法是利用浮升力的效應(yīng)，正如Papanicolaou & Gopalakrishna 在1995對(duì)筆記本電腦中的流動(dòng)研究報(bào)告中提出來(lái)的。在這個(gè)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(duì)流之間過(guò)渡點(diǎn)的因素。據(jù)報(bào)告稱，這一過(guò)渡點(diǎn)受系統(tǒng)高長(zhǎng)度比的影響，同時(shí)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(lái)最大化散熱能力(Peterson, 1994)。Kordyban引用了一些實(shí)際的例子，其中有粗心大意使用一個(gè)導(dǎo)熱面作為散熱器，從而對(duì)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(shí)不正確的使用其它器件實(shí)際上阻礙了自然對(duì)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(dòng)，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(méi)有風(fēng)道的系統(tǒng)相比，系統(tǒng)中錯(cuò)誤的空氣風(fēng)道布置實(shí)際上減少了熱量的交換。

盡管自然對(duì)流散熱的臨界點(diǎn)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(duì)自然對(duì)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(huì)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(huì)被介紹和解釋，并且對(duì)密閉和敞開(kāi)式自然對(duì)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(gè)概念，并且為每一個(gè)設(shè)計(jì)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件(CFD)Flotherm完成。從理想上來(lái)說(shuō)，提出的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則將幫助熱設(shè)計(jì)工程師去確定一個(gè)范圍，在這個(gè)范圍之內(nèi)絕大多數(shù)風(fēng)扇冷卻的系統(tǒng)是一個(gè)可選擇的冷卻方案。

數(shù)值方法

FLOTHERM是一款計(jì)算流體和熱交換分析及設(shè)計(jì)的軟件，它是專門為電子設(shè)備分析所開(kāi)發(fā)的。FLOTHERM使用有限體積法去分析從芯片級(jí)到系統(tǒng)級(jí)的三維幾何模型。對(duì)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(dòng)求解。軟件對(duì)于穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)都實(shí)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(dòng)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(jì)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(guò)確定每一個(gè)熱源的局部熱交換系數(shù)，CFD確定了對(duì)流熱交換。壓力降也會(huì)在CFD中確定。

熱交換模型和熱預(yù)算

在絕大多數(shù)自然對(duì)流散熱的系統(tǒng)中，通過(guò)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(duì)于敞開(kāi)式系統(tǒng)而言，對(duì)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(duì)流的散熱效率沒(méi)有強(qiáng)迫對(duì)流高。但是，由于浮升力影響引起的對(duì)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(guò)渡到穩(wěn)定環(huán)形對(duì)流的分界點(diǎn)。在這種情況下，臨界點(diǎn)對(duì)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(shí)，浮升力流動(dòng)的阻礙和再流通可能會(huì)產(chǎn)生對(duì)于散熱不利的影響。

一個(gè)設(shè)計(jì)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(gè)部分引起的溫升和以一種有效的方式確定問(wèn)題所在時(shí)，這個(gè)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(jì)方面的瓶頸，由于元件的小體積上通過(guò)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(guò)提高材料熱導(dǎo)率和導(dǎo)熱路徑或設(shè)計(jì)有通風(fēng)孔系統(tǒng)中的空氣流動(dòng)區(qū)域可以降低系統(tǒng)的熱阻。下圖顯示了常見(jiàn)的具有界面材料和散熱器的元件熱預(yù)算草圖。

圖1：一個(gè)元件的熱預(yù)算

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

品質(zhì)因素討論

為了了解能減少自然對(duì)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(gè)品質(zhì)因素將使用一系列的物理參數(shù)，它們都被用于評(píng)估設(shè)計(jì)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(guò)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(jì)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(gè)蜿蜒的通道通過(guò)提供大量可能的浮升力高度來(lái)描述了這一概念。舉個(gè)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(duì)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(huì)變?yōu)?H。

對(duì)于一個(gè)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(guò)沿著空氣流動(dòng)或浮升力方向積分確定了系統(tǒng)的平均水力直徑，這個(gè)平均水力直徑可以描述浮升阻礙。這個(gè)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(duì)流案例中，浮升阻礙也會(huì)對(duì)品質(zhì)因素產(chǎn)生不利影響。這是因?yàn)楦∩υ趧?dòng)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(huì)做詳細(xì)的論述。

3. 固體與固體的熱阻

當(dāng)元件結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生熱量，熱流通過(guò)有限的導(dǎo)熱材料會(huì)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(duì)于元件而言，一個(gè)整合散熱器的蓋子就是這方面改進(jìn)的一種方法，因?yàn)樗恍枰缑娌牧?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(gè)作用，但是對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合必須謹(jǐn)慎選擇，因?yàn)樵诟∩璧K(2)和固體與空氣熱阻(4)之間有一個(gè)最優(yōu)點(diǎn)。通常，一個(gè)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(gè)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(shí)水要經(jīng)歷一個(gè)完整的熱動(dòng)力循環(huán)。這就表明一個(gè)熱管幾乎是等溫的，并且具有非常低的熱阻。以一種非常簡(jiǎn)單的方法，這可以被看作是固體和固體熱阻的降低。通過(guò)增加到密閉或敞開(kāi)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(gè)電冷過(guò)程中，熱電冷卻器將熱量從一個(gè)地方傳遞到另一個(gè)地方。這些熱電冷卻器工作也會(huì)產(chǎn)生熱量，通常應(yīng)該避免在自然對(duì)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(duì)流散熱系統(tǒng)中，它們具有積極的效果。然而，時(shí)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(chǎng)合和系統(tǒng)約束有關(guān)。

羅列的品質(zhì)因素可以被獨(dú)立的考慮，因此也可以進(jìn)行添加。通過(guò)在概念設(shè)計(jì)階段研究每一個(gè)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(jì)可以得到很大的改進(jìn)。由于浮升力流動(dòng)熱交換的復(fù)雜性，最好借助于CFD進(jìn)行研究，因?yàn)檫@可以讓多個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比和研究。

案例研究

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

一個(gè)尺寸為15×15×3的設(shè)備的一面具有40mm翅片。具有四個(gè)元件的兩個(gè)PCB(每個(gè)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(gè)設(shè)備，并且包括了通過(guò)Flomotion生成的粒子流。這個(gè)粒子流顯示了設(shè)備內(nèi)部和外部的流動(dòng)影響。

結(jié)果顯示了內(nèi)部溫度和散熱器翅片數(shù)目的對(duì)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(shí)的溫度最低。產(chǎn)生最值的原因是之前提及的兩個(gè)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(duì)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(duì)于一個(gè)敞開(kāi)式的設(shè)備，也進(jìn)行了一個(gè)相類似的驗(yàn)證，拿其中散熱器側(cè)面和增加它的散熱表面積所帶來(lái)的好處進(jìn)行對(duì)比。尺寸為3.4'×9.5'×7'的模型被顯示，其中一個(gè)PCB板上有一個(gè)散熱量為8W的元件。一個(gè)散熱器被貼附到這個(gè)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(diǎn)。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(kāi)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(duì)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(shí)的溫度最低。產(chǎn)生最值的原因是之前提及的兩個(gè)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(duì)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(jì)的品質(zhì)因素。下面歸納了當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)自然對(duì)流系統(tǒng)時(shí)，所需要考慮的簡(jiǎn)單原則列表。這個(gè)列表絕對(duì)不是全面的，但是它提供給熱設(shè)計(jì)專家在設(shè)計(jì)早期什么該做什么不該做的清單。這個(gè)列表是可以改變的，它是從以往工作積累和經(jīng)驗(yàn)中所得到的。

在項(xiàng)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(huì)是熱量更均勻地?cái)U(kuò)散

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

不要忘記熱管和其它機(jī)械冷卻裝置。

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

原文標(biāo)題：【分享】使用FloTHERM研究自然冷卻系統(tǒng)的極限

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審核編輯：湯梓紅