Моделирование радиатора с решеткой микроканалов

Bridget Paulus 16/05/2016
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on Google+ Share this on LinkedIn

Когда электронное устройство перегревается, возникает риск его воспламенения. Охлаждающие устройства, например радиаторы, предназначены для предотвращения таких ситуаций, однако их возможности не всегда поспевают за развитием технологий. Моделирование позволяет увидеть, насколько эффективен теплоотвод, который обеспечивают радиаторы различных конструкций, а также позволяет понять, как повысить эффективность охлаждающих устройств за счет добавления новых конструкционных элементов, например, решетки микроканалов (РМК). Сегодня мы проанализируем работу радиатора с РМК с помощью численного моделирования.

Предотвращение повреждения электроники.

Чем тоньше, легче и быстрее становятся ноутбуки, тем выше риск их перегрева. С каждым новым поколением ноутбуков количество электронных компонентов растет, а занимаемое ими пространство уменьшается, а это значит, что системы охлаждения этих компонентов должны рассеивать больше тепла с меньшей площади. Если система терморегуляции ноутбука не справляется с интенсивностью тепловыделения, появляется опасность возгорания. Эффективная система охлаждения снижает этот риск и предотвращает возможные повреждения устройства.

overheated laptop Моделирование радиатора с решеткой микроканалов
Так выглядит ноутбук после воспламенения, вызванного перегревом. Изображение PumpkinSky — PumpkinSky Family. По лицензии CC BY-SA 3.0 от Wikimedia Commons.

Охлаждение с помощью радиатора — это один из самых распространенных способов. Как уже упоминалось ранее, системы охлаждения бывают активного и пассивного типа. Активные радиаторы включают в себя вентилятор, а их размеры меньше, чем пассивных систем. Система микроканалов позволяет компенсировать уменьшение площади поверхности теплообмена и отвести дополнительное количество теплоты. Такие традиционные микроканальные (TMК) радиаторы эффективны, но они характеризуются высокими гидравлическими потерями и неоднородностью поля температуры.

Добавление решетки микроканалов к TMК радиаторам помогает преодолеть эти недостатки. Обычно ребра расположены перпендикулярно микроканалам и играют роль делителей потока охлаждающего воздуха. РМК радиатор обладает меньшим термическим сопротивлением и большей площадью для отвода тепла к воздуху. Включение в конструкцию решетки микроканалов значительно повышает эффективность и уменьшает неоднородность температуры, благодаря чему их работа в составе интегрального электронного устройства оказывается более стабильной. С помощью численного моделирования можно определить оптимальное количество и местоположение ребер.

Моделирование РМК радиатора в среде COMSOL Multiphysics

Хотя РМК радиаторы эффективно рассеивают тепло, их производство связано с некоторыми сложностями. Во-первых, оптимальные геометрические параметры и параметры потока зависят от мощности вентилятора. Для максимальной эффективности работы радиатора можно скорректировать ширину микроканалов, расположение входных и выходных сечений, размер и расположение ребер. Во-вторых, на термическое сопротивление оказывают влияние контактные свойства поверхностей. Шероховатость поверхности и низкое контактное давление повышают термическое сопротивление. Поскольку мы стремимся уменьшить термическое сопротивление, для создания эффективного РМК радиатора нам нужно оптимизировать эти свойства.

manifold microchannel heat sink Моделирование радиатора с решеткой микроканалов
Показано течение на входе и выходе РМК радиатора.

Измерение указанных выше параметров в таком маленьком устройстве требует очень точных расчетов и, как правило, подразумевает создание множества прототипов конструкции. Моделирование же позволяет получить точную информацию без изготовления прототипа под каждое изменение конструкции. COMSOL Multiphysics позволяет легко тестировать геометрию элементов различных радиаторов, позволяя подобрать размеры конструкции, которые обеспечат оптимальную скорость воздушного потока и наименьшее термическое сопротивление.

Анализ влияния ребер радиатора на температуру и скорость

Можно воспользоваться симметрией РМК радиатора и моделировать только часть устройства, которая состоит из трёх областей:

  • Керамический электронный компонент
  • Воздух
  • Алюминиевый теплоотвод

Находим поле температуры для всех трёх областей и связанное поле течения для воздуха с помощью интерфейса Сопряженный теплообмен (Conjugate Heat Transfer).

Section of MMC heat sink Моделирование радиатора с решеткой микроканалов
Модель РМК радиатора на электронном компоненте.

Далее, задаем пограничные условия для скорости воздуха и теплового контакта. В данном примере зададим скорость ламинарного потока равной 0.85 м/с и температуру воздуха 22 °C. С помощью еще одного граничного условия должен быть описан термический контакт между алюминиевым теплоотводом и керамическим электронным компонентом. Задача состоит в минимизации термического сопротивления, поэтому нам необходимо корректно моделировать контакт между двумя областями. Так как две части лежат одна на другой, необходимо учитывать небольшие дефекты поверхностей одним из двух способов. Первый способ заключается в построении очень мелкой сетки для воспроизведения геометрии шероховатых поверхностей. Но ту же самую задачу можно решить другим, более практичным способом, если использовать приближение неидеального термического контакта.

mmc heat sink air flow patterns and velocity Моделирование радиатора с решеткой микроканалов
heat sink temperature Моделирование радиатора с решеткой микроканалов

Слева: Результаты моделирования показывают структуру потока и скорости воздуха. Справа: Рассчитанное распределение температуры в микроканале.

На графиках показана структура потока и приведены значения скорости и температуры воздуха. Скорость потока воздуха увеличивается в выходном сечении из-за роста температуры. Температура увеличивается примерно на 0.7 К в точке теплового контакта из-за легкого контактного давления. Рассчитанная контактная проводимость достигает значений около 8900 Вт/(м2· K).

При помощи программ термического анализа мы можем оценить, превышает ли теплоотвод, обеспечиваемый РМК радиатором мощность тепловыделения электронного компонента. С помощью моделирования мы получили данные, согласно которым конструкция рассматриваемого радиатора эффективна, поскольку она обеспечивает достаточный теплоотвод от устройства. Радиаторы, которые не дают перегреваться ноутбукам, также могут повысить производительность и других электронных устройств.

Узнать больше о модели радиатора


Loading Comments...

Categories


Tags