冷却小型电子设备

TLDR:间隙较小(~1 毫米)的设备可以进行基于传导的热模拟。


虚构的 ANSYS 腕带上的温度。

这些小玩意儿很酷,而且卖得很热。

小型设备的一个长期问题是它们容易发热,而且很难散热。大多数设备需要通过外表面散热。当你把它们做小的时候,表面积会迅速缩小,它们就会发热。有时还要加上微型风扇和鼓风机......然后事情就变得非常复杂了。

背景

与流体动力学中的许多问题一样,我们有方便的无量纲数来指导我们。

瑞利数

它描述了通过自然对流与扩散进行的热传递比率。由于瑞利数是长度^3的函数,这意味着当气隙较大时,自然对流占主导地位。当气隙较小时,扩散/传导占主导地位。

这符合直觉。我们真的期望空气在非常小的空间里流动吗?

当我们使用基本扩散求解器而不是完整的 CFD 求解器时,我们可以早点回家!(1 vs 5 pdes)

问题是,什么时候我们才能将自然对流仅仅视为传导问题,或者多小的空气间隙才足够小?

将一些数字代入上面的公式?不,我喜欢做模拟,所以我只需将几个数字代入 ANSYS 即可。

传导与对流


假设你有一个非常......非常空的电子设备。里面有很多空隙。

该模型是一个手机大小的空盒子,里面有一个芯片(热块)。我们将比较以空气为导体的传导模拟结果与基于 cfd 的自然对流模拟结果。

让我们看看芯片上的温度有多大差异。


对流热


传导热


那里肯定存在一些自然对流!

里面有很多空白空间。让我们看看当我们改变盒子的大小时会发生什么。

由于模型是完全参数化的,我们可以快速进行 DOE 和优化研究。


芯片温度误差主要与到墙壁的距离有关。

灵敏度图显示芯片上的误差主要取决于芯片和外壳之间的间隙。


芯片温度误差与与墙壁距离的关系

正如我们在上图中所看到的,如果间隙约为 1 毫米,我们可以将芯片的温度误差保持在 3 度以下。

因此,如果我们研究的是小型手持设备,那么通过空气传导通常是一个可以接受的假设。如果设备中存在较大的间隙,那么空气循环就变得很重要,并且应该使用 CFD 热工具。

非常简单!

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