如何通過添加歧管式微通道 (MMC) 等元件來提高性能

當(dāng)電子設(shè)備過熱時(shí)，就存在引起火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。盡管有熱沉這類冷卻元件專門用來防止這種意外發(fā)生，但也無法及時(shí)跟上一日千里的技術(shù)發(fā)展。而通過仿真，可以闡明各種熱沉設(shè)計(jì)的卓越傳熱性能，以及如何通過添加歧管式微通道 (MMC) 等元件來提高性能，從而為上述問題提供解決方案。今天，我們將利用仿真來探索 MMC 熱沉的工作方式。

防止損壞電子產(chǎn)品

筆記本電腦的設(shè)計(jì)一代比一代輕薄﹑快速，然而過熱的隱患也隨之而來。在越來越狹小的空間組裝越來越多的元件，這一趨勢(shì)意味著冷卻元件必須在不斷縮小的空間內(nèi)驅(qū)散更多的熱量。如果筆記本電腦產(chǎn)生的熱量超過熱管理系統(tǒng)的承受范圍，就會(huì)產(chǎn)生引起火災(zāi)的隱患。高效的冷卻系統(tǒng)可以降低這種風(fēng)險(xiǎn)，防止設(shè)備損壞。

一臺(tái)因過熱而燒壞的筆記本電腦。圖像由 PumpkinSky – PumpkinSky 家族提供。已獲 CC BY-SA 3.0 許可，通過 Wikimedia Commons 共享。

要降溫，最常見的方式之一就是利用熱沉。正如我們?cè)谥暗囊黄恼轮刑岬降?，這些冷卻系統(tǒng)有主動(dòng)和被動(dòng)兩種形式。主動(dòng)熱沉?xí)溆幸粋€(gè)風(fēng)扇，并且體積比被動(dòng)熱沉要小一些。內(nèi)置微通道可以彌補(bǔ)這種熱沉表面積較小的問題，并有助于散熱。這些傳統(tǒng)微通道 (TMC) 熱沉的效果顯著，但它們所承受的壓降和溫度變化也都非常大。

通過在 TMC 熱沉中加入歧管，就能克服這些障礙。這些歧管安放在與微通道垂直的位置上，用作冷卻空氣的分流器，并形成很多入口和出口。歧管式微通道 (MMC) 熱沉的熱阻更小，但表面積更大，可以將更多的熱量傳遞到空氣中。歧管的引入將顯著提高性能并減少溫度變化，因此，集成到電子設(shè)備中時(shí)會(huì)更加穩(wěn)定。您可以使用仿真來確定歧管的最佳數(shù)量和位置。

在 COMSOL Multiphysics 中為歧管式微通道熱沉建模

盡管 MMC熱沉能有效散熱，但在生產(chǎn)過程中也面臨著一些挑戰(zhàn)。首先，最佳幾何參數(shù)和流動(dòng)條件取決于風(fēng)扇的排風(fēng)功率。可能需要調(diào)整微通道的寬度、入口、出口和歧管，才能使熱沉達(dá)到最佳性能。其次，接觸面屬性會(huì)影響冷卻元件的熱阻。增加表面粗糙度，再加上較低的接觸壓力，會(huì)導(dǎo)致熱阻變大。我們希望盡可能產(chǎn)生最小的熱阻，因此就需要優(yōu)化這些屬性，來提高 MMC 熱沉的效率。

歧管式微通道熱沉，顯示了入口和出口的流動(dòng)情況。

要在如此之小的設(shè)備中測(cè)試所有這些功能，需要進(jìn)行精確計(jì)算，通常還需要多次設(shè)計(jì)迭代。而仿真就可以提供準(zhǔn)確的信息，而無需在每次設(shè)計(jì)更改時(shí)都制造一個(gè)原型。COMSOL Multiphysics 可供您輕松測(cè)試不同熱沉元件的幾何結(jié)構(gòu)，方便您確定適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)尺寸，以實(shí)現(xiàn)最佳的流率和最低的熱阻。

歧管對(duì)溫度和速度的影響分析

您可以利用 MMC 熱沉的對(duì)稱性，只對(duì)設(shè)備的一部分進(jìn)行模擬，這部分由三個(gè)域組成：

陶瓷電子元件

空氣

鋁制熱沉

通過使用共軛傳熱接口，我們獲得了這三個(gè)域的溫度場(chǎng)和空氣的耦合流場(chǎng)。

電子元件上的部分 MMC 熱沉仿真。

接下來，我們?yōu)闅饬魉俣群蜔峤佑|設(shè)置邊界條件。在本例中，假設(shè)層流流入速度為 0.85 m/s，空氣溫度為 22°C。另一個(gè)必須設(shè)置的邊界條件是鋁制熱沉和陶瓷電子元件之間的熱接觸。我們的目的是盡量消除熱阻，因此，需要有效地建立這兩個(gè)域之間的接觸模型。盡管散熱片彼此平行放置，但仍存在一些細(xì)小的表面缺陷，需要我們用以下兩種方法之一來解決。第一種方法需要密集的網(wǎng)格來模擬具有粗糙表面的幾何結(jié)構(gòu)。另一種方法是將熱接觸視為非理想的情況，這樣更具實(shí)際意義，并能實(shí)現(xiàn)同樣的目標(biāo)。

上圖：仿真結(jié)果顯示空氣流型和速度。下圖：微通道上產(chǎn)生的溫度。

除溫度曲線外，以上繪圖還顯示產(chǎn)生的空氣流型和速度。由于溫度上升，空氣在離開出口時(shí)氣流速度增加。由于接觸壓力小，熱接觸點(diǎn)的溫度躍變了 0.7 K 左右。產(chǎn)生的接觸熱導(dǎo)率約達(dá) 8900 W/(m2·K)。

通過使用傳熱分析軟件，我們可以評(píng)估 MMC 熱沉的散熱能力是否足以處理電子元件生成的熱量。仿真結(jié)果顯示，這種 MMC熱沉設(shè)計(jì)十分有效，因?yàn)樗軓脑O(shè)備中帶走大量的熱量。熱沉可以防止設(shè)備出現(xiàn)過熱問題，這不僅對(duì)筆記本電腦有用，同樣也能提高其他電子設(shè)備的性能。