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散热器形状变化的热分析
CM Wong ， MHBA Aziz ， NR Ong ， JB Alcain ， Z Sauli
摘要:近些年来由于过热引发的产品召回导致对于微电子元件的热现象的关注正在逐渐上升。为了减少微电子系统产生的过量的热，可以用散热器提升系统的热效率。散热器模型的形状和不同的散热片组态对于散热性能有着意义非凡的影响。这篇论文通过用COMSOL Multiphysics研究一个在电子器件上的散热器模型的形状变化的效果和不同形状的散热器对于不同进气风速的反映。在此之上，由于散热器的设计具有更少的梗阻，与条状针鳍和圆形针鳍相比盘状针鳍的散热器有着更好的散热性能。
介绍
从玩具和家电到高速电子设备，现如今，我们的日常生活和各种电子设备紧紧地联系在一起。使用电子设备的需求的扩张速度远远大于市场供应。这种趋势表明，电子设备在越来越多的使用半导体元件特别是具有高复杂度和超高速特征的制造业的设备。如果不能经常地将发热散出将会导致设备故障，生命周期短，可靠性差。散热器是CPU结构的一部分，用来将CPU产生的热传递到周围的结构由此保证温度在一个稳定的范围。在这篇论文中，主要将重点放在散热器的热分析，通过电脑仿真分析集合结构去找到散热器的最优结构，其中包括鳍的长度，散热器的形状和鳍的组态。为了进行热分析，主要是去考虑热性能。热性能体现在热导率，热膨胀系数和密度。电脑仿真将完全的由COMSOL Multiphysics来完成。在这项研究中，不同几何结构散热器的热性能通过相应的不同进气风速来研究。
方法
COMSOL Multiphysics可以用来分析热流和设计模型的热性能。在这项研究中，COMSOL Multiphysics被用来做流体动力分析。在此要考虑散热器设计中的热性能和流体流动，因此，仿真模型满足Navier-Stokes等式，除此之外，一些假设可以简化仿真过程，假设如下：
1.稳定的热传导
2.不可压缩的流体
3.层流
4. 均匀的热通量壁
5.恒定的固体和流体特性
6.忽略热传递中的辐射
7.忽略叠加的自然对流传热
基于已经做出的假设，在笛卡尔坐标系中的连续性，动量和能量转化的控制方程为：
连续性方程：
U.V.W是速度在X,Y,Z轴的分量
X,Y和Z方向的动量方程:
流动主体的能量转化方程
theta;=k/(rho;/cp)
在这篇论文中，主要研究三种散热鳍在空气流动中的热性能。散热鳍的形状如下图1，散热鳍的形状分别是盘状阵列，条状阵列和圆柱阵列。散热器的参数如下表格所示，为了CFD分析，所有模型的热通量设置为900W/m^2而且进风口风速分别为0.05，0.10，0.15，0.20，0.25m/s。散热器的材料为铝
(a)盘状散热片 (b)条状散热片 (c)圆柱散热片
图1散热器配置
表格 1 散热器模型尺寸
|
尺寸 |
盘状散热片(mm) |
条状散热片(mm) |
圆柱散热片(mm) |
|
散热器深度 |
20 |
20 |
20 |
|
散热器宽度 |
20 |
20 |
20 |
|
散热器高度 |
2 |
2 |
2 |
|
底座高度 |
2 |
2 |
2 |
|
散热片高度 |
8 |
8 |
8 |
|
散热片数目 |
4 |
45 |
15 |
|
散热片厚度（直径） |
2 |
2 |
2 |
结果和讨论
多物理仿真软件COMSOL是用来研究不同散热器在相应的不同进口风速下的热性能。所有的散热器模型都放在分离的长方形流体内。所有模型的热通量都是900W/m^2的同时风速分别为0.05，0.10，0.15，0.20，0.25m/s。仿真的结果在下图2，这个图反映了散热器的温度和入口风速成反比。而且，结果指明条状阵列散热器在低入口风速时有着最高的温度，然而，仿真的结果表示条状阵列散热器的热性能在入口风速达到0.25m/s时跟圆柱阵列的效果差不多
条状散热器差劲的热性能导致了压力较大的下降。基本上总压降就是入口散失，出口散失和散热器摩擦散失的总和。三种散热器压力下降的的结果如下图3。图3显示，随着风速的增加，所有配置的散热器的压降都呈指数式增长。理论上来说，压降的上升来自于两个原因，一个是分割，另一个是粘度效应。条状散热器比圆柱散热器有着更高压降的原因是条状散热器本身对空气流动的阻碍。
结论
这个用COMSOL多物理仿真软件计算的不同散热器对应不同入口风速的热性能的研究。这三种铝制散热器分别是条状散热器，盘状扇热器和圆柱状散热器。这个研究的发现表明，有着更少阻碍的散热器有更好的热性能，同时，增加入口风速能在增加对流换热率方面增强散热器的热性能。这篇研究表明，盘状散热器有着更好的热性能
致谢
作者想表达对工程技术学院和马来西亚玻璃市大学（UniMAP）的感谢和赞赏
参考文献
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