Перегрев электронных устройств — серьезная проблема, способная привести к их возгоранию и выходу из строя. Для предотвращения таких ситуаций используются системы охлаждения, в частности радиаторы. Однако по мере развития технологий и миниатюризации компонентов традиционные решения часто не справляются с растущими тепловыми нагрузками. Численное моделирование становится ключевым инструментом для анализа и оптимизации теплоотвода. Оно позволяет не только оценить эффективность существующих конструкций радиаторов, но и найти пути ее повышения, например, за счет внедрения инновационных элементов, таких как решетка микроканалов (РМК). В данной статье рассматривается применение численного моделирования для анализа работы именно такого усовершенствованного радиатора.
Важность эффективного охлаждения для современной электроники
Современные устройства, такие как ноутбуки, становятся все более мощными, тонкими и компактными. Это приводит к увеличению плотности размещения электронных компонентов и, как следствие, к росту тепловыделения на единицу площади. Если система охлаждения не может эффективно рассеять это тепло, риск перегрева и даже возгорания резко возрастает. Таким образом, надежная терморегуляция — это не просто вопрос производительности, а критически важный фактор безопасности и долговечности устройства.
На изображении показаны последствия воспламенения ноутбука из-за перегрева. Это наглядная иллюстрация потенциальных рисков. Изображение PumpkinSky — PumpkinSky Family. Лицензия CC BY-SA 3.0 от Wikimedia Commons.
Радиаторы — один из наиболее распространенных методов пассивного и активного охлаждения. Активные системы, оснащенные вентиляторами, могут быть компактнее, но и они имеют свои ограничения. Традиционные микроканальные (TMК) радиаторы увеличивают площадь теплообмена, однако им присущи существенные недостатки: высокое гидравлическое сопротивление (потери давления) и неравномерное распределение температуры по поверхности.
Внедрение решетки микроканалов (РМК) в конструкцию радиатора призвано решить эти проблемы. Ребра решетки, расположенные перпендикулярно основным каналам, выполняют роль делителей потока. Это решение позволяет снизить термическое сопротивление устройства, увеличить эффективную площадь теплообмена и добиться более однородного температурного поля. В результате радиатор с РМК работает стабильнее и эффективнее, особенно в составе высоконагруженных электронных систем. С помощью моделирования можно точно определить оптимальную геометрию, количество и расположение этих ребер.
Численное моделирование РМК-радиатора в COMSOL Multiphysics
Несмотря на высокую эффективность, проектирование и производство РМК-радиаторов сопряжены с рядом сложностей. Их оптимальные параметры (ширина каналов, расположение входов/выходов, геометрия ребер) тесно связаны с характеристиками воздушного потока, создаваемого вентилятором. Кроме того, на общее термическое сопротивление сильно влияет качество теплового контакта между радиатором и нагревающимся компонентом. Шероховатость поверхностей и недостаточное давление прижима увеличивают сопротивление, снижая эффективность теплоотвода. Поэтому для создания высокопроизводительного радиатора необходимо оптимизировать как геометрию, так и условия контакта.
Обратите внимание: Теперь сканирование мозга станет решающим фактором при приёме на работу.
Иллюстрация демонстрирует характер течения воздуха на входе и выходе из радиатора с решеткой микроканалов.
Экспериментальное измерение всех этих параметров на реальных прототипах — трудоемкий и дорогой процесс, требующий изготовления множества образцов. Численное моделирование предлагает альтернативный путь, позволяя с высокой точностью проанализировать различные варианты конструкции без физического прототипирования. Среда COMSOL Multiphysics предоставляет удобные инструменты для такого моделирования, позволяя исследовать влияние геометрических параметров на скорость потока и термическое сопротивление, и тем самым находить оптимальную конфигурацию радиатора.
Анализ влияния конструкции на температурные и скоростные поля
Для упрощения расчетов можно использовать симметрию радиатора и смоделировать только его характерную часть. Рассматриваемая модель включает три ключевые области:
- Керамический корпус электронного компонента (источник тепла).
- Воздушный поток в каналах (охлаждающая среда).
- Алюминиевый корпус радиатора (теплоотвод).
Для совместного расчета полей температуры во всех областях и поля течения воздуха используется интерфейс Сопряженный теплообмен (Conjugate Heat Transfer).
Визуализация модели РМК-радиатора, установленного на электронном компоненте.
Далее задаются граничные условия: скорость ламинарного воздушного потока на входе (например, 0.85 м/с) и его температура (22 °C). Особое внимание уделяется условию теплового контакта между алюминиевым радиатором и керамическим компонентом. Поскольку идеально гладких поверхностей не существует, в модели необходимо учесть термическое сопротивление контакта. Это можно сделать двумя способами: создать сверхдетализированную сетку, повторяющую микронеровности, или использовать более практичное приближение — задать коэффициент неидеального теплового контакта, который учитывает шероховатость и давление.
Результаты моделирования: слева — структура и скорость воздушного потока в каналах, справа — распределение температуры в микроканале.
Результаты моделирования, представленные на графиках, показывают структуру потока и распределение температуры. Наблюдается увеличение скорости воздуха в выходном сечении, связанное с нагревом и расширением потока. В зоне теплового контакта фиксируется локальный рост температуры (примерно на 0.7 К), что обусловлено конечным термическим сопротивлением стыка. Рассчитанное значение контактной проводимости составило около 8900 Вт/(м²·К).
Проведенный анализ позволяет сделать вывод об эффективности рассматриваемой конструкции РМК-радиатора. Моделирование подтвердило, что данный радиатор обеспечивает достаточный теплоотвод для заданных условий, предотвращая перегрев компонента. Подобные усовершенствованные системы охлаждения могут быть успешно применены не только в ноутбуках, но и в других высокопроизводительных электронных устройствах, повышая их надежность и стабильность работы.
Дополнительные материалы по теме
- Практическое руководство: Загрузите Руководство по тепловому моделированию микроканальных радиаторов для самостоятельного построения модели.
- Полезные статьи в блоге о моделировании теплопередачи:
- Анализ новой конструкции игольчатого радиатора с микроканалами.
- Приложение для расчета нестационарной теплопередачи в ребре радиатора.
- Моделирование эффективного радиатора в виде набора дисков.
#наука #физика #технологии #программы #численные методы #fem #comsol
Еще по теме здесь: Новости науки и техники.
Источник: Моделирование радиатора с решеткой микроканалов.