摘要：电子设备中不断增加的功率密度总是超过这些机箱的冷却解决方案的增长。在许多电子工业中，通过自然对流冷却设备的能力极其重要。不使用风扇等机械设备为设备散热的原因有很多，包括：可靠性、结构噪音、振动、灰尘和湿度进入系统、设备和能耗、电气接口等。一些尽量避免强制对流散热的行业，正在想尽办法达到自然对流散热的极限。而其他行业的散热需求已经超过了自然对流散热的极限，被迫选择机械装置散热。
通过观察冷却瓶颈和如何克服它们，本文研究了自然冷却系统的局限性。FLOTHERM用于对两种类型的底盘进行一系列CFD分析：封闭式底盘和开放式底盘。
利用现有的冷却技术和常识，以降低系统热阻为目的，对设计进行改进。本文提供了一套帮助达到自然冷却系统极限的设计方法。
介绍
在电子冷却设计领域，通常会刻意避免强制冷却。使用风扇的缺点包括增加系统中的灰尘和噪音、EMI干扰以及由于风扇故障导致系统不能完全工作。Kordyban(1998)描述了一些电子设计和封装公司的常见错误，而Newberger (1996)指出，自然对流散热解决方案可以在许多商业、工业和军事应用中找到。
在尽可能避免强制对流散热的过程中，工程师们提出了许多加强空气冷却特性的策略。最早的方法之一是利用浮升效应，这是由Papanicolaou Gopalakrishna在他1995年关于笔记本电脑流动的报告中提出的。在这项研究中，他们检查了影响系统中纯传导和稳定环形对流之间转换点的因素。根据该报告，这一转变点受到系统的高长度比以及封装尺寸和系统总尺寸之间关系的影响。
热管、散热器和热虹吸管(基于重力的热管)等设备可用于系统中，以最大限度地提高散热能力(Peterson，1994年)。Kordyban列举了一些实际例子，包括不小心将导热表面用作散热器，这对系统产生了意想不到的影响。他特别指出，框架或橱柜等物体具有意想不到的散热器特性，其他设备的不当使用实际上阻碍了自然对流的散热效率。
然而，在使用任何这样的方法或装置之前，有必要知道导致和避免有效热交换瓶颈的原因。一些瓶颈包括气流的阻碍、机柜的高度和宽度不相称以及系统中导热物体的布局不佳。Garcia等人(1995)表明，与没有风管的系统相比，系统中错误的风管布置实际上减少了热交换。
虽然自然对流散热的临界点通常会因电子封装的热损失增加而提高，但在选择散热解决方案之前，必须详细考虑所有可能性。本文讨论了热收支的概念，并仔细研究了在自然对流条件下优化温度的一些基本原则。首先，我们将确定本文中用于案例模拟的数值方法。这将出现在热交换形式的讨论之后，除了系统热预算的定义。品质因数的概念将被介绍和解释，封闭和开放的自然对流的情况将被描述。最后，它包括一系列减少热瓶颈的指导原则。本文仅介绍品质因子的概念，希望未来的工作能进一步细化这一概念，为每一个设计准则确定定性证明。
除了未来的工作，这个研究案例是由Flomerics提供的计算流体动力学软件FLOTERM完成的。理想情况下，建议的设计标准将有助于热设计工程师确定一个范围，在该范围内，大多数风扇冷却系统是一种替代冷却方案。
数值方法
FLOTHERM是一款用于计算流体和热交换分析和设计的软件，专门为电子设备分析而开发。FLOTHERM使用有限体积法从芯片级到系统级分析三维几何模型。对于浮动升力(可尔奇，2000年)，Boussinesq假设用于解决耦合热和流动。这些原则适用于稳态和瞬态软件。可以选择两种不同的湍流模型进行湍流模拟。
质量、动量(纳维尔-斯托克斯)和能量(米尔斯，1995年)守恒控制方程如下所示：
这些方程被离散成代数方程，并在计算网格中迭代求解。
控制方程的数值解为使用所提出的方法提供了必要的描述。CFD通过确定每个热源的局部换热系数来确定对流换热。压降也将在CFD中确定。
热交换模型和热量收支
在绝大多数自然对流散热系统中，通过热传导和辐射进行的热交换占总热交换的绝大部分。在一个封闭系统中，该系统由热传导模式及其方程决定
它控制着大部分的热交换。但对于开放系统，对流传热更重要，这使得方程中的换热系数非常重要。
不可否认，自然对流的散热效率没有强制对流高。而浮力引起的对流换热通常是系统中强化换热的便捷手段之一。Papanicolaou和Gopalakrishna仔细研究了从纯热传导到稳定环形对流的分界点。在这种情况下，临界点对元件温度有很大影响。相反，郭宋 (1996)的研究表明，当额外的表面积增加时，浮动升力流的阻碍和再循环可能对散热产生不利影响。
热量预算设计的最大结温与系统温度之差。当研究由散热路径的每个部分引起的温度上升并以有效的方式确定问题时，这个数字是方便的。例如，电子元件和热沉之间的界面材料占热预算的25 ~ 40%(Saums，2000)。这是传统热设计的瓶颈，因为小体积的元器件通过大热流，所以形成大温升。尽管付出了巨大的努力，即使是优化的热界面材料也占据了热预算的很大一部分。
其他热阻是由组件和机箱壁之间的空气间隙引起的，这些空气间隙与周围的冷空气相连。可以通过提高材料的导热系数和导热路径，或者在系统中设计带有通风孔的气流面积来降低系统的热阻。下图显示了带有界面材料和散热器的组件的热预算的通用草图。
图1:组件的热预算
每个热阻描述一个热量通过的面积，热阻的位置主要根据是否方便评价系统的散热效率来确定。下表列出了热阻及其相应的位置。
质量因素的探讨
为了理解自然对流冷却系统中降低总热阻的因素，引入了品质因子的概念。这个品质因子会用到一系列的物理参数，这些参数都是用来评价设计的散热效率的。
品质因数基于上一章提到的热交换机制。通过一些热交换模型的组合，可以降低热阻，设计可以避免超过热预算。以下是考虑的质量因素列表。
1.浮动高度
浮动高度被定义为系统周围或内部的浮动力的高度。它不仅是系统高度的函数，还受物理布局和热源位置的影响。在图2中，一条蜿蜒的河道通过提供大量可能的浮力高度来描述这一概念。例如，如果物体1被加热，其浮力高度为1H。如果物体1和3被加热，由于中间通道没有相对变化，浮力的高度为2H。如果所有的物体都被加热，浮力的高度又会变成1H。
对于一个系统，提升高度越高，则
浮动障碍物的概念是在垂直于浮动高度的平面上定义的。系统的平均水力直径是沿气流或浮力方向积分确定的，这个平均水力直径可以描述浮力的阻碍。这个参数如图2所示。
通常，即使在忽略隆起障碍的强制对流情况下，隆起障碍也会对品质因数产生不利影响。这是因为浮力在动量方程中占有很小的份额。但固体与空气之间的热阻(4)提示，为了加强系统的散热，可以加大散热面。这将在本章后面详细讨论。
3.固体与固体之间的热阻
当单元节点发热时，通过有限导热材料的热流会引起温度下降，占去了大部分的热预算。降低热阻将提高品质因数。对于元件，带有集成散热器的盖子是改善这一方面的一种方法，因为它不需要界面材料(occhionero，2000)。
4.固体和空气之间的热阻
为了降低进入流体介质的热流密度，一种方法是增加固体与空气接触的表面积。散热器可以发挥这种作用，但必须针对不同的应用仔细选择，因为在浮动电阻(2)和固体与空气之间的热阻(4)之间存在最佳优势。通常情况下，可以确定一个优化的方案，参数热分析在这里可能非常有用。
5.有效设备(热管、热电冷却器等。)
热管是具有内部导流结构和中空区域的密封管道。通常，管道中的流体是水，当一端被加热时，水经历一个完整的热力学循环。这表明热管几乎是等温的，并且具有非常低的热阻。用一种很简单的方式，这可以看做是固体和固体热阻的减小。通过在封闭或开放系统中增加散热路径，这种改进措施通常可以实现更低的热阻。
在电冷却过程中，热电冷却器将热量从一个地方转移到另一个地方。这些热电冷却器在工作时也会产生热量，因此通常应避免在自然对流和封闭系统中使用。
还有其他一些有效设备这可以应用于自然对流散热系统，并有积极的影响。但是，请始终记住，这些设备可能只是名义上有效。即使是最有效的设备也与应用和系统限制有关。
列出的品质因素可以单独考虑，所以也可以相加。通过在概念设计阶段研究每一个质量因素并在不同方面进行可能的改进，可以极大地改进电子设备外壳的物理设计。由于浮升流换热的复杂性，它最好使用CFD来研究它，因为它可以对多个系统设计进行比较和研究。
个案研究
目前，本文的重点是定性评估帮助设计满足热预算的许多质量因素。为了描述一些分析概念，提供了密封和开放装置的一系列结果。
尺寸为15153的设备在一侧有40毫米的鳍片。带有四个元件的两个PCB板(每个PCB 5W)安装在设备内部靠近散热片的一侧。图3描绘了该设备，并包括由Flomotion产生的粒子流。该粒子流显示了设备内部和外部的流动影响。
结果显示了内部温度与散热片数量之间的比较，散热片数量从6个变化到38个。结果表明，优化后的浆料数为22，此时温度最低。最大值的原因是前面提到的两个品质因素共同作用的结果，即散热器的抗隆起性和固体表面积与空气表面积的对立性。
图3:带有粒子流的封闭系统
图4:温度和翅片数量之间的关系
对于开放式设备，进行类似的验证，比较散热器侧和增加其散热表面积的好处。尺寸为3.4 9.5'7'其中PCB具有散热能力为8W的元件。这个元件上附着一个热沉，热沉的翅片数量是不断变化的，从而在固体和空气之间找到侧阻和热阻的最佳平衡点。图5描述了sys
图5:带有速度云图的开放系统
此处显示的结果是内部温度和散热器散热片数量之间的比较，其中散热片数量从4到18不等。结果表明，在给定的翅片宽度(散热器基板33 宽度0.125 )，优化后的翅片数为6，此时温度最低。最大值的原因是前面提到的两个品质因素共同作用的结果，即散热器的抗隆起性和固体表面积与空气表面积的对立性。
和指导结论
前几章介绍了大量可用于优化散热设计的品质因素。以下是设计自然对流系统时需要考虑的简单原则。这个列表并不全面，但它为热设计专家提供了一个在设计早期应该做什么和不应该做什么的列表。该列表可以更改。是从过去的工作积累和经验中获得的。
在工程中，高度要最大化，浮力的影响意义重大。
必须找出旁路流动的障碍和固体与空气之间的热阻。
在大多数情况下，降低固体之间的热阻是有用的。
在所有情况下，应该尽可能减少旁路阻塞，并且应该尽可能均匀。
增加热源的大小会使热量传播得更均匀。
但是，当存在冷却瓶颈时，请尝试在实际限制范围内组合三种热交换方法。通过确定构成热预算的热阻，可以确定散热的瓶颈。
唐不要忘记热管和其他机械冷却装置。
该项目旨在提出一些热设计原则，并提供热设计工程师设计系统时的一些策略，这些系统可以不要被粉丝逼。有必要定义热预算，并列出描述系统的质量因素。有一个工作范围，用于研究这些质量因素并确定做出决策的定性方法。
原标题：[分享]利用FloTHERM研究自然冷却系统的极限
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审计唐子红
标签：系统设备热阻