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          熱設(shè)計(jì)網(wǎng)

          使用Flotherm仿真中物理學(xué)原理11_14

          flotherm

          11 機(jī)箱 115
          11.1 開(kāi)放式機(jī)箱115
          11.1.1 能量平衡 115
          11.1.2 入口阻尼 116
          11.2 封閉機(jī)箱118
          11.3 機(jī)箱材料和顏色118
          11.4 模型實(shí)驗(yàn)測(cè)量119
          12 芯片熱功耗趨勢(shì)122
          13 附錄123
          13.1 Electronics Cooling Magazine Technical Data123
          13.2 螺釘應(yīng)力和扭矩124
          14 封裝術(shù)語(yǔ) 125
          =================================

          11 機(jī)箱
          11.1 開(kāi)放式機(jī)箱
          11.1.1 能量平衡

          下面是熱功耗與機(jī)箱進(jìn)出口空氣溫差的關(guān)系:

          其中  是體積流量,而 是熱功耗。以上公式?jīng)]有考慮以下幾點(diǎn):
          1. 輻射散熱
          2. 熱源溫度
          3. 機(jī)箱面的散熱
          機(jī)箱內(nèi)實(shí)際的熱分布是依據(jù)流體的狀態(tài)和內(nèi)部換熱所決定的。
          建議:可以利用上式來(lái)驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

          11.1.2 入口阻尼
          來(lái)源:flotherm.com -> Support -> April 10., 2001
          建議:在機(jī)箱的所有開(kāi)口處放置一個(gè)阻尼,特別是當(dāng)機(jī)箱的面和求解域的面重合時(shí)。
          從Flothem的入門(mén)教程中我們可以清楚的看到,可以通過(guò)在薄壁機(jī)箱上覆蓋一個(gè)Resistance來(lái)作為阻尼。對(duì)于厚壁機(jī)箱,這個(gè)孔洞必須要進(jìn)行具體建模,也就是打洞。有時(shí)在孔洞的兩側(cè)可能存在壓力降,這時(shí)需要設(shè)置一個(gè)壓力損失系數(shù)。
          為了更好的理解這個(gè)情況,我們來(lái)觀察一個(gè)處于自然對(duì)流中的機(jī)箱。如下圖1所示空氣從下部進(jìn)入到機(jī)箱中。下圖2中只是比圖1中的機(jī)箱入口處多一個(gè)阻尼。這個(gè)阻尼有一個(gè)為0的壓力損失系數(shù),按道理對(duì)實(shí)際流動(dòng)沒(méi)有影響。然而,在Flotherm中兩者的仿真結(jié)果是不同的。不僅僅入口速度不同,而且流動(dòng)分布也有略微的差異。
          求解域向Z軸負(fù)向和Y軸正向放大。這個(gè)結(jié)果與圖2類(lèi)似,測(cè)試結(jié)果表明是否存在一個(gè)壓力損失系數(shù)為0的阻尼都不影響仿真結(jié)果。
          由于圖2和圖3相同,我們可以確定圖2是正確的。也就是說(shuō),在圖3中是否存在一個(gè)壓力損失系數(shù)為0的阻尼都不影響機(jī)箱內(nèi)的流場(chǎng)。
          “Open Domain”的環(huán)境邊界條件假定離物體無(wú)限遠(yuǎn)。如果空氣入口毗鄰開(kāi)放的求解域(Open Domain),則空氣速度會(huì)提高并且根據(jù)Bernoulli假設(shè)在開(kāi)口處的壓差會(huì)增加。一個(gè)更高的壓力會(huì)初始空氣更快的流動(dòng),最后達(dá)到的平衡是建立在高速空氣流動(dòng)的前提下。和“Open”不一樣,當(dāng)空氣進(jìn)入到阻尼時(shí)有一個(gè)假定的速度。在我們的圖2的例子中入口處有一個(gè)壓力損失系數(shù)為0的阻尼,從而避免了錯(cuò)誤情況的發(fā)生。對(duì)于出口流動(dòng),我們發(fā)現(xiàn)圖1和圖2并沒(méi)有區(qū)別。這主要是因?yàn)樯喜砍隹谶h(yuǎn)離求解域的邊界。

          在開(kāi)口處有一個(gè)阻尼的其它好處是可以直接從Table讀取相關(guān)的數(shù)據(jù)。
          11.2  封閉機(jī)箱
          11.3 機(jī)箱材料和顏色
          金屬比塑料機(jī)箱更好嗎?只要熱源不接觸機(jī)箱,兩者幾乎是沒(méi)有區(qū)別的。其中主要的原因是對(duì)流換熱熱阻很大。但機(jī)箱表面擴(kuò)大后,其與周?chē)h(huán)境的輻射換熱變得更為重要。機(jī)箱的顏色不建議使用白色,因?yàn)橄鄬?duì)而言其發(fā)射率較小。可以采用一些相應(yīng)的措施來(lái)提高機(jī)箱表面黑度,同時(shí)由此產(chǎn)生的對(duì)流熱交換熱阻可以忽略。
          舉例:一塊PCB(歐洲標(biāo)準(zhǔn))板獨(dú)立地處于機(jī)箱內(nèi)部
          1. 白色的機(jī)箱意味著其發(fā)射率接近0,內(nèi)部PCB板輻射到機(jī)箱的熱量幾何都被反射回板子。
          2. 當(dāng)對(duì)白色的機(jī)箱提高黑度以后,其發(fā)射率與塑料機(jī)箱接近。計(jì)算結(jié)果也說(shuō)明兩者溫度類(lèi)似,這也從一個(gè)側(cè)面反映了對(duì)流換熱量所占的份額很少。
          3. 去掉機(jī)箱后PCB板子溫度急劇降低。
          建議:如果受到太陽(yáng)直射,則應(yīng)降低機(jī)箱表面發(fā)射率。

          11.4 模型實(shí)驗(yàn)測(cè)量
          來(lái)源:H. Küstner, S. Strobach: „Visualisierung der Lüfterströmung in einem Elektronikgehäusemodell“. Studienarbeit Berufsakademie Stuttgart (2007)
          1. 木質(zhì)機(jī)箱
          2. PC風(fēng)扇(40mmX40mm)

          12 芯片熱功耗趨勢(shì)

          13 附錄:
          13.1 Electronics Cooling Magazine Technical Data

          來(lái)源:Lasance C.: ECM, Nov (2004)
          可以登陸到electronics-cooling.com,查看諸多Technical Data數(shù)據(jù)。
          13.2 螺釘應(yīng)力和扭矩
          來(lái)源:“Tabellenbuch Metall“.  Verlag Europa Lehrmittel (1999)

          Flotherm資料下載: 使用Flotherm進(jìn)行電子散熱仿真過(guò)程中涉及的物理學(xué)原理.pdf

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