作者简介科技自媒体优质创作者个人主页莱歌数字-CSDN博客公众号莱歌数字B站同名个人微信yanshanYH211、985硕士从业16年从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域。熟练运用Flotherm、FloEFD、XT、Icepak、Fluent等ANSYS、西门子系列CAE软件解决问题与验证方案设计十多年技术培训经验。专题课程Flotherm电阻膜自冷散热设计90分钟实操Flotherm通信电源风冷仿真教程实操基于FloTHERM电池热仿真瞬态分析基于Flotherm的逆变器风冷热设计零基础到精通实操站在高处重新理解散热。更多资讯请关注B站/公众号【莱歌数字】有视频教程~~本期给大家带来的是关于电子产品中散热器的瞬态响应分析研究内容希望对大家有帮助。后续直播答疑、技术与项目分享在视频号点个关注不迷路莱歌数字赞1散热器被广泛应用于通过散热和降低温度来延长电子元件的使用寿命。散热器由于其表面积的扩大改善了对流传热。之前有篇文章专门讲过散热器表面积的故事感兴趣的可以点击阅读散热器面积越大它的散热能力越强随着元器件MOSFET等功率密度的不断增加尺寸的越来越小散热器已成为现代电子设备中不可或缺的一部分。散热器的瞬态响应是一个重要的特性其对时间敏感的设备热流量和环境气流研究至关重要。在瞬态分析时时间常数热阻*热容我们知道热阻的推导公式Rl/k*A热容表示了物质在温度变化时吸收或释放热量的能力即mCp那么整理后的Tc的计算公式如下TcρVCpl/(k*A)其中ρ密度V体积Cp比热容k导热系数A导热截面积l导热路径厚度经验公式开机经过5*Tc时间后固体大致达到热平衡。一般来说散热器的响应时间与其材料属性、表面的对流传热密切相关。接下来本文研究在不同热流和流动条件下铝与铜材质散热器的瞬态响应数值仿真分析。CFD分析采用Flotherm进行研究中使用的模型如下图1所示。图1. CFD模型两个直鳍散热器一个是铝的一个是铜的放置在一个数值风洞的中心。散热器的全部尺寸如表1所示。散热器的长宽高都是40×40×30 mm。表1.散热器尺寸其散热器底座中心的表面热源为20×20 mm。在CFD模型中散热器的顶部间隙和侧间隙分别为20 mm和10 mm。为了达到本研究的目的分别仿真研究对比10、20、40 W的热负荷和2、4、6 m/s的速度气流设置为湍流。铝和铜的物理性质列于表2。虽然铜的密度是铝的3.2倍但铜的ρCp密度和比热的产物仅是铝的1.4倍。表2.铝和铜的特性图2和图3显示了铝散热器在热流量为40 W进气速度为6 m/s时流向截面的稳态速度和温度分布而进气温度为25˚C。图2.铝制散热器的速度分布Q 40 WV 6 m/s.图3铝散热器温度分布Q 40 WV 6 m/s图4显示了垂直于流速方向的散热器横截面的温度分布。图4铝散热器温度分布Q 40 WV 6 m/s在瞬态CFD模拟中假设散热器的初始温度为25˚C。本文中的散热器温度为散热器底座中心的温度。表3计算了不同热流和不同速度下的稳态散热器温度和热阻。表3.铝散热器稳态温度和热阻表4显示了铜散热器的类似结果。铜散热器的热阻比铝散热器小约0.1˚C/W。这是由于两种材料的导热系数的差异而产生。表4.铜散热器稳态温度和热阻由上表3、4的统计数据可以看出散热器的热阻是流速的函数如下图所示散热器热阻随速度的函数时间常数求解时间常数的求解方法t时刻固体的温度值估计公式可借助该公式求解Tc其中T:器件的t时刻点温度;Ts:器件的稳态温度;Tamb:环境温度。与热阻相似瞬态响应时间tc与热负荷无关。此案例中我们取前900s的时间温度监测曲线来对比同流速情况下不同热源的瞬态响应情况。图5显示了2 m/s时不同时间的铝散热器温度。图5.铝散热器的温度监测曲线V 2m/s图6显示了在20 W的热负荷下不同时间的铝散热器温度。这说明了瞬态响应时间是一个很强的速度函数。它随着风速的增加而减小。图6铝散热器的瞬态温度响应Q 20 W图7显示了不同时间为2 m/s速度下的铜散热器温度。图7铜质散热器的瞬态温度响应V 2 m/s图8显示了在20 W热流量下不同时间的铜散热器温度。图8铜质散热器的瞬态温度响应Q 20 W与相同条件下的铝散热器相比铜散热器的瞬态响应温度更小瞬态响应时间更大。铝散热器的温度响应比铜散热器快因为其ρCp比铜散热器小。简单计算表明铝散热器的瞬态响应时间约为铜散热器的75%。铝和铜散热器之间的瞬态温度的比较如图9所示。图9.铝和铜散热器对比总结研究表明散热器的瞬态响应时间几乎与热负荷无关。它只是流量条件和散热器的ρCp的函数。与相同流量条件下的铜散热器相比相同尺寸的铝散热器具有较快的响应时间。铜散热器热阻较小需要较长的时间才能达到稳定状态。一般来说铝散热器被推荐为需要快速温度响应的应用。由于其优越的性能和缓慢的温度反应铜散热器适用于高热通量的应用、在波动或循环边界条件下需要缓慢温度上升的情况。当然也必须考虑其他因素如可制造性和生产成本等。参考文献flotherm软件瞬态分析高级教程