Моделювання радіатора з гратами микроканалов

  1. Запобігання пошкодження електроніки.
  2. Моделювання РМК радіатора в середовищі COMSOL Multiphysics
  3. Аналіз впливу ребер радіатора на температуру і швидкість

Коли електронний пристрій перегрівається, виникає ризик його займання. Охолоджуючі пристрої, наприклад радіатори, призначені для запобігання таких ситуацій, проте їх можливості не завжди встигають за розвитком технологій. Моделювання дозволяє побачити, наскільки ефективний тепловідвід, який забезпечують радіатори різних конструкцій, а також дозволяє зрозуміти, як підвищити ефективність охолоджувальних пристроїв за рахунок додавання нових конструкційних елементів, наприклад, решітки микроканалов (РМК). Сьогодні ми проаналізуємо роботу радіатора з РМК за допомогою чисельного моделювання.

Запобігання пошкодження електроніки.

Чим тонше, легше і швидше стають ноутбуки, тим вище ризик їх перегріву. З кожним новим поколінням ноутбуків кількість електронних компонентів зростає, а займане ними простір зменшується, а це значить, що системи охолодження цих компонентів повинні розсіювати більше тепла з меншої площі. Якщо система терморегуляції ноутбука не справляється з інтенсивністю тепловиділення, з'являється небезпека загоряння. Ефективна система охолодження знижує цей ризик і запобігає можливим пошкодженням пристрою.

Так виглядає ноутбук після займання, викликаного перегрівом
Так виглядає ноутбук після займання, викликаного перегрівом. Зображення PumpkinSky - PumpkinSky Family. за ліцензією CC BY-SA 3.0 від Wikimedia Commons .

Охолодження за допомогою радіатора - це один з найпоширеніших способів. як уже згадувалося раніше , Системи охолодження бувають активного і пасивного типу. Активні радіатори включають в себе вентилятор, а їх розміри менше, ніж пасивних систем. Система микроканалов дозволяє компенсувати зменшення площі поверхні теплообміну і відвести додаткову кількість теплоти. Такі традиційні мікроканальних (TMК) радіатори ефективні, але вони характеризуються високими гідравлічними втратами і неоднорідністю поля температури.

Додавання решітки микроканалов до TMК радіаторів допомагає подолати ці недоліки. Зазвичай ребра розташовані перпендикулярно Мікроканали і грають роль дільників потоку охолоджуючого повітря. РМК радіатор має менший термічним опором і більшою площею для відводу тепла до повітря. Включення в конструкцію решітки микроканалов значно підвищує ефективність і зменшує неоднорідність температури, завдяки чому їх робота в складі інтегрального електронного пристрою виявляється більш стабільною. За допомогою чисельного моделювання можна визначити оптимальну кількість і розташування ребер.

Моделювання РМК радіатора в середовищі COMSOL Multiphysics

Хоча РМК радіатори ефективно розсіюють тепло, їх виробництво пов'язане з деякими труднощами. По-перше, оптимальні геометричні параметри і параметри потоку залежать від потужності вентилятора. Для максимальної ефективності роботи радіатора можна скорегувати ширину микроканалов, розташування вхідних і вихідних перетинів, розмір і розташування ребер. По-друге, на термічний опір впливають контактні властивості поверхонь. Шорсткість поверхні і низька контактний тиск підвищують термічний опір. Оскільки ми прагнемо зменшити термічне опір, для створення ефективного РМК радіатора нам потрібно оптимізувати ці властивості.

Показано протягом на вході і виході РМК радіатора
Показано протягом на вході і виході РМК радіатора.

Вимірювання зазначених вище параметрів в такому маленькому пристрої вимагає дуже точних розрахунків і, як правило, має на увазі створення безлічі прототипів конструкції. Моделювання ж дозволяє отримати точну інформацію без виготовлення прототипу під кожну зміну конструкції. COMSOL Multiphysics дозволяє легко тестувати геометрію елементів різних радіаторів, дозволяючи підібрати розміри конструкції, які забезпечать оптимальну швидкість повітряного потоку і найменше термічний опір.

Аналіз впливу ребер радіатора на температуру і швидкість

Можна скористатися симетрією РМК радіатора і моделювати тільки частина пристрою, яка складається з трьох областей:

  • Керамічний електронний компонент
  • повітря
  • алюмінієвий тепловідвід

Знаходимо поле температури для всіх трьох областей і пов'язане поле течії для повітря за допомогою інтерфейсу Сполучений теплообмін (Conjugate Heat Transfer).

Модель РМК радіатора на електронному компоненті
Модель РМК радіатора на електронному компоненті.

Далі, задаємо прикордонні умови для швидкості повітря і теплового контакту. В даному прикладі поставимо швидкість ламинарного потоку рівній 0.85 м / с і температуру повітря 22 ° C. За допомогою ще одного граничного умови повинен бути описаний термічний контакт між алюмінієвим теплоотводом і керамічним електронним компонентом. Завдання полягає в мінімізації термічного опору, тому нам необхідно коректно моделювати контакт між двома областями. Так як дві частини лежать одна на інший, необхідно враховувати невеликі дефекти поверхонь одним з двох способів. Перший спосіб полягає в побудові дуже дрібної сітки для відтворення геометрії шорсткуватих поверхонь. Але ту ж саму задачу можна вирішити іншим, більш практичним способом, якщо використовувати наближення неідеального термічного контакту.

Зліва: Результати моделювання показують структуру потоку і швидкості повітря. Справа: Розраховане розподіл температури в Мікроканали.

На графіках показана структура потоку і наведені значення швидкості і температури повітря. Швидкість потоку повітря збільшується в вихідному перерізі через зростання температури. Температура збільшується приблизно на 0.7 До в точці теплового контакту через легкого контактного тиску. Розрахована контактна провідність досягає значень близько 8900 Вт / (м2 · K).

За допомогою програм термічного аналізу ми можемо оцінити, чи перевищує тепловідвід, який забезпечувався б РМК радіатором потужність тепловиділення електронного компонента. За допомогою моделювання ми отримали дані, згідно з якими конструкція розглянутого радіатора ефективна, оскільки вона забезпечує достатній тепловідвід від пристрою. Радіатори, які не дають перегріватися ноутбуків, також можуть підвищити продуктивність і інших електронних пристроїв.

Дізнатися більше про модель радіатора