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了解为什么电子产品产生热量,如何使用CFD计算流体动力学优化冷却系统设计。

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了解为什么电子元件冷却对电子电路板设计至关重要。我们将查看提供的不同选项以及如何使用计算流体动力学模拟和几乎测试冷却系统的性能。

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我们所有的电气设备都是188bet官方网站通过将不同的电子元件组合在一起而构建的。每个组件都具有特定功能。例如采用这个非常简单的照明电路。电池提供电能,LED产生来自电池供应的能量的光,电188bet官方网站阻通过减小电路中的电流来保护LED。如果我们拆下电阻,LED将立即烧坏。

简单的照明电路

为什么LED烧掉?

LED

由于电路的电阻减小,这意味着更多电子从电池流动并通过LED部件变得更容易,您可以在显微镜下看到。

LED零件

他们只能应对一定量的电流流过它们,否则它们会烧坏。另一方面,电缆更厚,因此可以处理流过它的电188bet官方网站流远的电流。这就是为什么我们有不同尺寸的电缆,处理不同的电流量。188bet官方网站

返回电阻,这基本上为电子流量增加了限制。就像在水管中有一个扭结一样,扭结会限制水可以流过管道,水现在与管壁碰撞,使其浪费能量并导致压降。如我们所知,压力就像电压,电阻就像管道中的扭结一样。因此,当我们向电路添加电阻时,我们限制流动的电流或电流的电流,我们得到电压降。

限制对电子流动

为什么我们会收到电压下降?

嗯,如果我们看一根正常的铜线,这是由数百万和数百万铜原子制成的。铜是导体,其意味着铜原子具有Eletron,其自由地在其他原子之间移动。他们确实向其他原子自然移动,但随机地在任何和所有方向上。如果我们施加电线上的电压差,则电池的电压差或压力会强制电子流过它。

铜线

但是,通过电阻器,材料的导电较少,并且产生更难的路径用于电子流过。电子将碰撞,并且当它们碰撞时,它们的能量被转化为热量。因此电池的能量真的被浪费并变成了热量。因为电池的能量被电阻移除,所以我们得到电压降。

电阻为电子产生更硬的路径流过。

这就是为什么当我们通过热成像相机看电阻时,我们可以看到它正在产生热量。

一些组件如MOSFET和IGBT将产生大量的热量。

例如,拍摄这种廉价的台式电源。

台式电源

它有4个MOSFET,2以下是:

Mosfets.

2和2这里:

If we remove the heat sink, we’ll look at that part a little later, and then power a small DC circuit with about 1.2A we can see with the thermal imaging camera that these components very quickly reach 45 degree Celsius and that’s with the fan on. We cut the power here because we don’t want to damage them.

MOSFET的热成像

所有电子元件都具有热限制或最大工作温度。当它们达到或超过该一定的温度时,它们会崩溃并可能破坏电路板。

对于像保险丝这样的某些组件,这是理想的,因为材料破坏,这立即将电源切割到电路,这有助于防止部件损坏,但它也完全停止电路板才能工作,直到更换熔丝。

IGBT.

随着IGBT等组成部分,热量的积聚不是良好的事情,因为随着温度的增加,它们变得不可靠,并且电流通过它们增加。这种额外的电流会产生更多的热量,又允许更多电流流动,因此该组件达到热失控,最终将仅摧毁自己。因此,为了增加元件和电路板的寿命,以及保持部件在稳定,可靠的情况下运行,我们需要一种方法来消除它产生的热能。

如何从电子元件中移除热能?

一些组件,如这种简单的电阻LED电路将在环境条件下操作精细,它们不会产生大量的热量,并且它们所做的任何热量都会散发到环境空气中。

电阻LED电路

当热量开始增加时,我们可以使用简单的风扇来吹过整个部件的空气。移动的空气将拿起并携带更多的热量。这是PC上使用的方法,这就是为什么有风扇内部的风扇从内部组件中清除热量。

使用简单的风扇
吹过组件的热量

使用SimScale,在Web浏览器中运行此模拟,我们将在本文后面详细看看。

But there is a problem with this method, we’re blowing the heat off one component and this hot air then passes across other components, so we are cooling down one component but if we’re not careful with the design we will heat up others.

我们通常需要一种更有效的方法来获得元件的热量,并且流行的方法是使用散热器来提供被动冷却。该散热器通常是具有大量翅片的铝或“铝”(US)块。翅片有助于增加部件的表面积以允许暴露于更多的环境空气。散热器是由金属制成的,因为它比空气更好地进行热量。因此,通过使更容易更容易逃避和增加空气暴露,我们有效地降低了部件。但是,我们可以使用此方法删除多少。

散热片

下一阶段是将部件连接到散热器,然后使用风扇将环境空气吹过部件和散热器,以增加热量去除。这正是该直流台电源中使用的方法。风扇和散热器组合以除去多余的热量。

直流凳供应

你可以看到热量通过散热器消散热量,当我们切断电源而留下风扇运行时,它会非常快地下降。

散热

另一种最常用于笔记本电脑中的方法是使用热管。这是你在处理器和风扇之间运行的笔记本电脑内看到的奇怪橙色栏。

笔记本电脑热管

内部是少量液体和芯。处理器的热量被吸收到管中,并且该热量导致液体沸腾并蒸发,蒸汽向相对的端部移动,因为风扇在表面上吹气,这从热管中移除热量。这种热量的去除导致蒸汽浓缩回液体,并且该液体沿着芯弹回到拾取更多的热量,因此循环重复。

内部热泵

这些再次具有性能限制并增加我们必须开始使用这些巨大的单位的热量移除,这占用了大量空间,并再次将热量吹到其他部件。

最大冷却的下一阶段是使用水或液体冷却。您可能已经看到许多高规格游戏计算机现在开始使用水冷系统从CPU和GPU中去除热量。

我们基本上有一个小泵,该泵在CPU的热交换器之间循环水,称为水块,以及散热器,这是具有一些风扇的热交换器。粉丝再次将吹过热交换器的空气,并从水中取出不需要的热量,因此水从芯片上拾取了不需要的热量,将其带到散热器上,然后流过散热器的热交换器。当它流过时,风扇吹过外部的空气,除了不需要的热量。因此,水叶冷却器并返回芯片以拾取更多热量。

PC水冷却

这种方法如此高效的原因是因为水的热容量大于空气。所以,它可以拿起更多的热量。水冷系统收集热量并将其吹过其他部件,而不是将空气推吹过翅片并将热量推向其他部件,而是从系统中完全拒绝它。

效率考虑

这种方法越来越多地用于电力电子设备,尤其是在高功率应用中,我们经常找到这些IGBT的银行。这些产生大量热量,并且需要长时间可靠地操作。

IGBT.

正如我们用凳子电源所看到的,IGBT的间隔和占用了大量的空间。因此,我们可以做的是将这些产品安装到一个基本上是水流过空气的散热器或热交换器。由于IGBT的产生热量,这将通过块并进入水中。在IGBT和热块之间,我们具有厚的热糊层,只需增加热量的转移。在块内部,我们有这些翅片可以帮助增加热交换器的表面积并最大化暴露于冷却水以除去热量。

我们希望确保这些特定的IGBT不超过90摄氏度(194 F)。

为此,我们将通过利用SimScale CAE平台来模拟性能。SimScale通过简单订阅模型可用的用户友好的云应用程序提供即时访问在线计算流体动力学以及有限元分析。不需要安装。您可以通过他们的社区帐户免费尝试在SimScale.com上免费编辑公共项目,或者您可以通过其专业,团队或企业账户创建具有增强功能的私人项目。如果您想尝试自己的软件点击这里。

SimScale.

因此,在我们设计CAD模型之后,我们可以将其导入SimScale进行分析。我们输入了诸如使用的材料等变量,通过IGBT发出的火力,水的流量和出口压力等。

这提供了我们的基础分析,显示了IGBT的运行在大约165°C(329.F)上,这远远过于较高,并且将导致组件和电路板的破坏。

我们将成为材料的第一个变化,所以我们将使用铝的热交换器,其具有较高的导热率。这意味着热量可以通过它更容易。我们还将使用较薄的板,因此IGBT更接近传热区域。使热量更容易到达冷却液。

改变的结果

正如您所看到的,这些简单的变化已经取得了戏剧性的效果。我们的IGBT现在将达到49℃,这是完美的,因为它低于90℃的热限,并在我们击中这种限制之前提供了一个很好的缓冲区。所以现在我们可以提高设计的效率。

原始设计具有通过热交换器运行的这些翅片,有助于将水暴露在IGBT的热量中。但我们可以看到,这种设计导致每个通道中的高压下降。每个通道的压降增加了下一个通道的压降,在整个单元上的所有压力下降都是很大的,并且通过装置不一致。

压力下降

So instead we’re going to use pin style design channels, and when we run the simulation of this we see a much more even pressure distribution across each of the channels and a lower pressure differential across the entire unit leading to improved cooling performance of the heat sink.

PIN风格

因此,只需通过模拟SimScale中的冷却系统并进行简单的设计改变,我们可以很快对我们的冷却系统的性能进行大幅提高,并确保我们昂贵的和关键的电子电路板在其限制内运行,以最大限度地提高可靠性和寿命。以及有效地操作。


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