基于的电子元件散热数值模拟(2)
3.1 散热器结果分析
首先对散热器材料为铜的结果进行分析,在进风口速度分别为10,15,20,25,30,35 cm/s,电子元件发热功率分别为1 W、2 W 时,对计算结果进行分析。在电子元件正常工作状态也就是发热功率为1 W 时,为了保证电子元件的性能不受影响,即该长方体区域温度不能高于80 ℃,进风口速度以及该区域中心界面的温度分布如图3 所示。其中,进风口速度为10 cm/s 时就能达到散热要求,此时该长方体区域中的最高温度为75.02 ℃,最低温度为21.61 ℃。可以看出,靠近进风口处的冷却效果明显较好,且散热效果从进风口方向呈梯度递减。
图3 正常工作状态中心截面温度分布(P0=1 W)Fig.3 Temperature distribution of center section under normal working condition (P0=1 W)
在电子元件满载工作状态,也就是发热功率为2 W 时,为了保证电子元件的性能不受影响,即该长方体区域温度不能高于80 ℃,进风口速度以及该区域中心界面的温度分布如图4 所示。由于发热功率的增加,需要增大进风口速度,此时需要进风口速度为30 cm/s,才能保证整体区域最高温度在80 ℃以下,其中心截面中的最高温度为77.43 ℃,最低温度为23.01 ℃。最高温度均在电子元件上。
图4 满载工作状态中心截面温度分布(P0=2 W)Fig.4 Temperature distribution of center section under full load working condition (P0=2 W)
在满足该区域温度低于80℃,正常工作状态和满载工作状态下的中心截面的速度场如图5和图6 所示。图5 为正常工作状态的速度场分布,进风口设置的速度为10 cm/s。可以看出,最大速度出现在散热器的上方,为21.66 cm/s。
图6 为满载工作状态的速度场分布,进风口设置的速度为30 cm/s。可以看出,最大速度同样出现在散热器的上方为59.93 cm/s。对比分析最大速度和进风口速度,最大速度大约是进风口速度的2 倍,且均在散热器的上方区域,说明散热器的设计是合理的,大的速度能够带走更多的热量,来保证充分的散热效果。
图5 正常工作状态中心截面速度分布(P0=1 W)Fig.5 Velocity distribution of center section under normal working condition (P0=1 W)
图6 满载工作状态中心截面速度分布(P0=2 W)Fig.6 Velocity distribution of center section under full load working condition (P0=2 W)
为了进一步分析进风口速度以及散热器材料对散热的影响,对所有数据结果进行列表分析,在不同参数下的最高温度如表2 所示。可以看出,当散热器材料为铝时,为保证电子元件性能,在正常工作状态下,进风口速度需要达到15 cm/s才能满足要求;在满载工作状态下,需要进风口速度为35 cm/s。为了直观地对结果进行分析,在origin 中绘制长方体区域最高温度折线图,如图7 所示。
表2 长方体区域最高温度Tab.2 Maximum temperature of cuboid area
从图7 长方体区域最高温度折线图可以看出,在一定范围内进风口速度的增加能够有效降低最高温度,但是当速度增加到一定时,温度降低趋势减缓,此时只通过单一地增加进风口速度已不能有效地降低该区域的最高温度。通过比较不同材料的折线可以看出,在其他参数相同的情况下,用铜材料做散热器的最高温度明显低于用铝材料做散热器的,所以用铜做散热器能够进一步增强散热效果。
图7 长方体区域最高温度Fig.7 Maximum temperature of cuboid area
4 结论
本文运用COMSOL Multiphysics 多物理场仿真软件对长方体区域中的电子元件的散热进行数值模拟,分析了不同进风口速度以及不同散热器的材料对散热的影响。通过对比分析,得出不同状态下电子元件能够保证性能的情况下进风口所需要的最小进风口速度。并且,通过对比两种不同材料的散热器的仿真结果,可以发现铜材料的散热器散热效果更好。
[1] 李楠,张东方,陈东哲.电子元件散热的数值模拟[J].能源与节能,2012(5):79-81.
[2] 周雄兵.温度试验对电子元器件的性能影响分析[J].信息通信,2016(11):257-257,258.
[3] Zimmerman W B J,中仿科技公司.COMSOL Multiphysics 有限元法多物理场建模与分析[M].北京:人民交通出版社,2007.
[4] 贾力.高等传热学[M].北京:高等教育出版社,2003.
[5] 吴承建,陈国良,强文江.金属材料学[M].北京:冶金工业出版社,2000.
[6] 王福军.计算流体动力学分析—CFD 软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.
文章来源:《电子元件与材料》 网址: http://www.dzyjyclzz.cn/qikandaodu/2021/0223/489.html
上一篇:长行驶里程汽车的维修特点
下一篇:假手机引发的失踪追问