【分享】使用FloTHERM研究自然冷却系统的极限

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发布于2023-04-29

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摘要

：电子设备内不断升高的功率密度的增长总是超越了关注这些机箱散热解决方案的增长。在很多电子行业，通过自然对流冷却设备的能力是极其重要的。不使用诸如风扇等机械装置来为设备散热的原因很多，包括：可靠性、结构噪音、震动、进入系统的灰尘和湿度、设备和能量消耗以及电气接口。一些尽量避免强迫对流散热的行业正在竭力达到自然对流散热的极限，然而其它一些行业的散热需求已经超出了自然对流散热的极限，由此被迫选择了机械装置散热的方法。

本文通过观察散热瓶颈和如何克服这些瓶颈，研究了自然冷却系统的极限。使用FLOTHERM对两类机箱执行了一组CFD分析：密闭机箱和敞开式机箱。

现有的冷却技术和常识被用来改进以降低系统热阻为目标的设计。本文提供了一套设计方法，用来帮助达到自然冷却系统的极限。

关键词：

CFD, FLOTHERM, 自然对流，数值方法，热预算

介绍

在电子冷却设计领域，强迫冷却散热通常会被有意地规避。使用一个风扇的坏处包括导致系统内灰尘和噪音增加，EMI干扰，以及由于风扇失效导致系统不能充分工作。Kordyban(1998)描述了一些电子设计封装公司经常出现的易犯错误，而Newberger (1996)指出在很多商用、工业以及军用应用中都能找到自然对流散热解决方案。

在尽量避免使用强迫对流散热方式的过程中，工程师提出了很多强化空气冷却特性的策略。其中最早提出的一个方法是利用浮升力的效应，正如Papanicolaou & Gopalakrishna 在1995对笔记本电脑中的流动研究报告中提出来的。在这个研究中，他们检查了影响系统中纯传导与稳定环形对流之间过渡点的因素。据报告称，这一过渡点受系统高长度比的影响，同时受封装尺寸与系统总尺寸关系的影响。

例如热管、散热器和热虹吸管（基于重力的热管）这类器件可以被用在系统中来最大化散热能力（Peterson, 1994）。Kordyban引用了一些实际的例子，其中有粗心大意使用一个导热面作为散热器，从而对系统产生预料之外的影响。他特别指出例如框架或机壳等物体有意想不到的散热器特性，同时不正确的使用其它器件实际上阻碍了自然对流的散热效率。

然而，在任何这种方法或器件被使用之前，必须了解产生和避免有效热交换瓶颈的原因。其中的一些瓶颈包括阻碍空气流动，不成比例的机壳高度和宽度和系统中导热物体很差的布局。Garcia等人（1995）提出的研究显示与没有风道的系统相比，系统中错误的空气风道布置实际上减少了热量的交换。

尽管自然对流散热的临界点经常被电子封装增加的热损耗所提高，但在选择热解决方案之前，必须详尽的考虑所有的可能性。本文讨论了热预算的概念，并且对自然对流状况下优化温度的一些基本规则进行了仔细检查。首先，我们将弄清楚用于本文中研究案例仿真的数值方法。这会出现在热交换形式的讨论之后，除了系统热预算的定义以外。品质因素的概念会被介绍和解释，并且对密闭和敞开式自然对流案例进行定性。最后，包括了减少热瓶颈的一系列准则。本文仅仅介绍了品质因素的概念，并且希望以后的工作可以进一步细化这个概念，并且为每一个设计准则确定定性证明。

除了以后的工作之外，本文研究案例使用Flomerics提供的计算流体动力学软件（CFD）Flotherm完成。从理想上来说，提出的设计准则将帮助热设计工程师去确定一个范围，在这个范围之内绝大多数风扇冷却的系统是一个可选择的冷却方案。

数值方法

FLOTHERM是一款计算流体和热交换分析及设计的软件，它是专门为电子设备分析所开发的。FLOTHERM使用有限体积法去分析从芯片级到系统级的三维几何模型。对于浮升力(Gauche ,2000)使用布辛涅司克假设进行耦合的热和流动求解。软件对于稳态和瞬态都实施这些原则。两种不同的湍流模型可以被选择用于湍流的模拟。

质量，动量(Navier-Stokes)和能量的守恒控制方程(Mills，1995)显示如下：

这些方程被离散为代数方程，并且在计算网格中进行迭代求解。

控制方程的数值解提供了使用被提议方法所必须的描述。通过确定每一个热源的局部热交换系数，CFD确定了对流热交换。压力降也会在CFD中确定。

热交换模型和热预算

在绝大多数自然对流散热的系统中，通过导热和辐射方式的热交换量占了总热交换量的大部分。在密闭的系统中，系统内由导热方式所决定，其方程

控制了绝大部分的热交换。然而对于敞开式系统而言，对流换热更为重要，从而使得方程中的热交换系数变得很重要

不可否认，自然对流的散热效率没有强迫对流高。但是，由于浮升力影响引起的对流换热通常是系统中强化换热比较方便的手段之一。Papanicolaou和Gopalakrishna仔细研究了从纯导热过渡到稳定环形对流的分界点。在这种情况下，临界点对于元件温度有很大影响。相反地，Kwak&Song（1996）的研究表明当增加额外的表面积时，浮升力流动的阻碍和再流通可能会产生对于散热不利的影响。

一个设计的“热预算”被定义为最大结温和系统温度的差。当研究散热路径上每一个部分引起的温升和以一种有效的方式确定问题所在时，这个数是方便的。举例，在电子元件和散热器之间的界面材料占了热预算的25~40%（Saums，2000）。这是传统的热设计方面的瓶颈，由于元件的小体积上通过很大的热流，所以形成很大的温升。尽管尽了很大的努力，即便优化的导热界面材料也占用了很大一部分热预算。

其它的热阻由元件和机箱壁面之间的空气间隙所引起，这些机箱壁面与环境冷空气相连。通过提高材料热导率和导热路径或设计有通风孔系统中的空气流动区域可以降低系统的热阻。下图显示了常见的具有界面材料和散热器的元件热预算草图。

图1：一个元件的热预算

每一个热阻都描述了一个由热量通过的区域，热阻位置的确定主要依据是否方便评估系统散热的效率。下表罗列了热阻和它们相对应位置。

品质因素讨论

为了了解能减少自然对流散热系统中影响总热阻的因素，品质因素的概念被引入。这个品质因素将使用一系列的物理参数，它们都被用于评估设计的散热效率。

品质因素基于前面章节中所提到的热交换机理。通过利用一些热交换模型的组合，热阻可以被减少并且可以使设计避免超出热预算。下面是所考虑的品质因素列表。

1. 浮升高度

浮升高度被定义为在系统周围或内部浮升力的高度。它不仅仅是系统高度的函数，也受物理布局和热源位置的影响。在图2中，一个蜿蜒的通道通过提供大量可能的浮升力高度来描述了这一概念。举个例子如果物体1被加热，它的浮升力高度为1H。如果物体1和3被加热，由于在中间通道内缺乏相对的变化，所以浮升力的高度为2H。如果所有的物体都被加热，则浮升力的高度又会变为1H。

对于一个系统而言，浮升力高度越高，品质因素越高。注意，浮升力高度总是被定义为垂直高度，忽略了其它的加速度力。

图2：浮升高度（H），物体热量（Q）和水力直径（B）

2. 浮升阻碍

浮升阻碍的概念在垂直于浮升高度的平面上定义。通过沿着空气流动或浮升力方向积分确定了系统的平均水力直径，这个平均水力直径可以描述浮升阻碍。这个参数在图2中显示。

通常，即便在忽略浮升阻碍的强迫对流案例中，浮升阻碍也会对品质因素产生不利影响。这是因为浮升力在动量方程中占的份额很小。然而固体与空气热阻（4）建议为了强化系统的散热，可以增加散热的表面。在本章的后面会做详细的论述。

3. 固体与固体的热阻

当元件结点产生热量，热流通过有限的导热材料会引起温度的下降，占用了大部分的热预算。减少热阻将提升品质因素。对于元件而言，一个整合散热器的盖子就是这方面改进的一种方法，因为它不需要界面材料（occhionero,2000）。

4. 固体与空气热阻

为了降低进入流体介质中的热流密度，增加与空气接触的固体表面积是一种方法。散热器可以起到这个作用，但是对于不同的应用场合必须谨慎选择，因为在浮升阻碍（2）和固体与空气热阻（4）之间有一个最优点。通常，一个优化的方案可以被确定，并且在这里参数热分析可能是非常有用的。

5. 有效的器件（热管，热电冷却器等）

热管是具有一个内部导流结构和空心区域的密封管子。通常管子内的流体是水，当一端被加热时水要经历一个完整的热动力循环。这就表明一个热管几乎是等温的，并且具有非常低的热阻。以一种非常简单的方法，这可以被看作是固体和固体热阻的降低。通过增加到密闭或敞开系统的散热路径，这种改进措施通常可以获得更低的热阻。

在一个电冷过程中，热电冷却器将热量从一个地方传递到另一个地方。这些热电冷却器工作也会产生热量，通常应该避免在自然对流和密闭系统中使用。

还有一些其它“有效的器件”可以被应用到自然对流散热系统中，它们具有积极的效果。然而，时刻谨记这些器件也仅仅可能在名义上有效。即便最有效的器件也与应用场合和系统约束有关。

罗列的品质因素可以被独立的考虑，因此也可以进行添加。通过在概念设计阶段研究每一个品质因素和在不同方面做出可能的改进，电子设备外壳的物理设计可以得到很大的改进。由于浮升力流动热交换的复杂性，最好借助于CFD进行研究，因为这可以让多个系统设计进行对比和研究。

案例研究

目前本文的重点是定性的评估许多品质因素，这些品质因素帮助一个设计满足它的热预算。为了描述一些分析概念，一个密封和敞开式的设备的一系列结果被提供。

一个尺寸为15×15×3的设备的一面具有40mm翅片。具有四个元件的两个PCB（每个PCB 5W）板被安装在设备内部靠近翅片侧。图3描述了这个设备，并且包括了通过Flomotion生成的粒子流。这个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和散热器翅片数目的对比，散热器翅片数目从6变化到38。结果表明优化的尺寸数目是22，此时的温度最低。产生最值的原因是之前提及的两个品质因素的共同作用，浮升阻碍和散热器固体和空气表面积的对立。

图3：具有粒子流的密闭系统

图4：温度与翅片数目关系图

对于一个敞开式的设备，也进行了一个相类似的验证，拿其中散热器侧面和增加它的散热表面积所带来的好处进行对比。尺寸为3.4’×9.5’×7’的模型被显示，其中一个PCB板上有一个散热量为8W的元件。一个散热器被贴附到这个元件上，并且散热器的翅片数目不断变化，从而找到侧面阻碍和固体与空气热阻的最优平衡点。图5描述了系统和由Flomotion生成的粒子流。

图5：具有速度云图的敞开式系统

这里显示的结果是内部温度和散热器翅片数目的对比，其中翅片数目由4变化到18。结果显示在给定翅片宽度（散热器基板3×3’，宽度为0.125’）情况下，优化的翅片数目是6，此时的温度最低。产生最值的原因是之前提及的两个品质因素的共同作用，浮升阻碍和散热器固体和空气表面积的对立。

指导和结论

之前几章介绍了大量可以用于优化热设计的品质因素。下面归纳了当设计一个自然对流系统时，所需要考虑的简单原则列表。这个列表绝对不是全面的，但是它提供给热设计专家在设计早期什么该做什么不该做的清单。这个列表是可以改变的，它是从以往工作积累和经验中所得到的。

在项目中高度应该被最大化，其中浮升力的影响具有很重要的意义

必须找到旁流的阻碍和固体与空气的热阻

减少固体和固体之间的热阻在绝大多数的情况下都是有用的

在所有的案例中旁流阻碍应该尽可能的减小，并且应该尽可能的均匀

增加热源的尺寸会是热量更均匀地扩散

但存在散热瓶颈时，在实际的约束范围内，尝试结合三种热交换方式。通过确定组成热预算的热阻值，可以识别散热瓶颈。

不要忘记热管和其它机械冷却装置。

这个项目着手提出一些热设计的原则，并且当热设计工程师设计一个不能采用风扇强迫冷却的系统时，提供一些策略方法。并且需要定义一个热预算和罗列描述一个系统的品质因素。有一个以研究这些品质因素和确定定性手段来做决策为目的的工作范围。

参考文献

Garcia, M.P., M.R. Cosley & M.J. Marongiu. “Experimental and Computational Studies on the Thermal Management of Electronics Enclosures Using Natural Convection”, Eurotherm Seminar No. 45, Belgium, Sept. 1995, pp. 14.1-10. Gauché, P., “A Design Approach to Thermal Characterization of Forced Convection Systems using Superposition in CFD”, IMAPS 2000, Boston, September 2000. Kordyban, T., “Hot Air Rises and Heat Sinks”, ASME Press, New York, 1998. Kwak, C. & T. H. Song, “Experimental and Numerical Study on Natural Connection from Upward Horizontal Rectangular Grooved Fins”, Itherm V Proceedings, Florida, May 1996, pp.38-45. Mills, A.F., “Heat and Mass Transfer”, Irwin, First Edition, Chicago, 1995, pp. 451-461. Newberger, J., “Totally Enclosed Naturally Cooled Electronic Enclosures”, Itherm V Proceedings, Florida, May 1996, pp.56-66. Occhionero, M.A. et. al., “Assembly-Specific AlSiC Integrated Heat Sink Lids for Microprocessors”, IMAPS Advanced Technology Workshop on Thermal Management and Heat Spreaders, Avon, CO, April 2000. Papanicolaou, E. & S. Gopalakrishna, “Natural Convection in Shallow Horizontal Air Layers Encountered in Electronic Cooling”, Journal of Electronic Packaging, Vol. 117, pp.307-16, Dec 1995.

Peterson, G.P., “An Introduction to Heat Pipes”, John Wiley & Sons, New York, 1994.

Saums, D., “Characterization and Selection of a New Extremely Low Thermal Impedance Phase-Change Thermal Interface Material for High-Performance Processor and Wireless/RF Applications”, IMAPS Advanced Technology Workshop on Thermal Management and Heat Spreaders, Avon, CO, April 2000.

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