Моделювання контактного термічного опору

1. Що таке контактна термічний опір?
2. Контактна термічний опір в електроніці
3. Аналіз термічного опору стиснення і опору зазорів

Наши партнеры ArtmMisto

Як контактна термічний опір впливає на теплопередачу? Ефективна терморегуляція грає все більш важливу роль у міру зменшення розміру електронних пристроїв. Корпуси електронних пристроїв не тільки забезпечують механічний захист електроніки і можливість з'єднання пристроїв, але ще і розсіюють тепло в навколишнє середовище. Використовуючи модель з Галереї моделей, ми вивчимо вплив контактного термічного опору на теплопередачу в простій збірці з електронного пристрою і радіатора.

Що таке контактна термічний опір?

Перенесення тепла відбувається, коли стикаються два матеріали з різною температурою. На перший погляд може здатися, що поверхні матеріалів безпосередньо стикаються. Але якщо подивитися ближче, ви побачите, що на мікро- і наномасштабі багато матеріалів мають шорсткості.

Теплопровідність тіла, що складається з двох матеріалів, з'єднаних безпосередньо, визначається їх властивостями. Однак нерівність поверхні призводить до появи зазорів, заповнених повітрям. Теплопровідність повітря та інших газів зазвичай набагато нижче, ніж теплопровідність твердих тіл. Тому тепловий потік за рахунок теплопровідності нижче там, де немає прямого контакту, що і призводить до зростання термічного опору на стику матеріалів.

Якщо збільшити механічні напруги на стику, можна зменшити зазори і зменшити контактна термічний опір. Зазвичай в зазорах є і випромінювання між поверхнями , Але в багатьох прикладних задачах їм можна знехтувати, тому що різниця температур між матеріалами зазвичай досить мала.

Контактна термічний опір в електроніці

В Галереї моделей ви знайдете модель з готовим рішенням " Thermal Contact Resistance Between an Electronic Package and a Heat Sink "(Контактна тепловий опір між електронним пристроєм і радіатором), на якій можна вивчати вплив контактного термічного опору на теплопередачу в збірці.

Ця модель заснована на матеріалах статті M. Grujicic, CL Zhao і EC Dusel " The effect of thermal contact resistance on heat management in the electronic packaging ". У цій статті автори використовували метод кінцевих елементів, щоб дослідити вплив контактного термічного опору на перенесення теплоти в процесорі з радіатором. Вони детально вивчили, як шорсткість поверхонь, механічні та теплофізичні властивості матеріалів, тиск в зоні контакту і вибір матеріалів змінюють максимальну температуру в процесорі.

Модель в COMSOL Multiphysics частково відтворює результати цієї статті: ми вивчаємо, як чотири основних параметри впливають на контактна термічний опір і на теплопередачу.

1. Тиск в зоні контакту
2. мікротвердість
3. Шорсткість поверхні
4. нахил профілю

Модель являє собою циліндричний корпус, розташований всередині радіатора з вісьмома охолоджуючими ребрами. Ефективність пристрою залежить від передачі тепла в восьми ребрах охолодження і від теплопередачі між корпусом і радіатором. Геометрія пристрою показана нижче; наявність симетрії дозволило зменшити розміри моделі в шістнадцять разів.

Зліва: геометрія радіатора з вісьмома ребрами охолодження навколо циліндричного корпусу. У центрі і справа: Симетрія і спрощена геометрія.

Електронний пристрій змодельовано у вигляді циліндра з кремнію радіусом 1 см і заввишки 5 см. Радіатор зроблений з алюмінію, а його ребра відходять на 2 см від осі циліндра. Електронний пристрій виробляє 5 Вт тепла. Щоб розвіяти це тепло, вентилятор продуває повітря кімнатної температури на швидкості 8,5 м / с через радіатор.

Щоб задати інтенсивність охолодження повітрям, ми використовуємо вбудовані в COMSOL Multiphysics рівняння для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі. Чотири параметра - тиск в зоні контакту, мікротвердість, шорсткість поверхні і нахил профілю - можна моделювати за допомогою параметричного аналізу, який налаштовується в інтерфейсі Thermal Contact (Тепловий контакт). Розрахункова сітка побудована на основі трикутної сітки за допомогою операції протягання.

Порада: докладніше про сітках розказано в документації до моделі .

На малюнку нижче показано розподіл температури, отримане при еталонних значеннях.

Розподіл температури при еталонних значеннях параметрів.

Ближче до вентилятора (з лівого боку моделі) температура ребер досягає 483 K. Температура зростає при видаленні від вентилятора, досягаючи 490 K на іншому кінці.

Аналіз термічного опору стиснення і опору зазорів

Далі ми досліджуємо модель, щоб визначити, як тиск в зоні контакту, мікротвердість, шорсткість і нахил профілю впливають на стиск і термічний опір зазорів. Ці чотири параметри впливають на термічний опір зазорів, яке, в свою чергу, змінює властивості матеріалів на стику радіатора і корпусу. При цьому змінюється тепловідвід від електронного пристрою.

Нижче наведені результати аналізу:

Зліва: термічний опір в залежності від тиску в зоні контакту (по осі x) і мікротвердості (по осі y). Справа: термічний опір в залежності від шорсткості (по осі x) і нахилу профілю (по осі y).

Зліва: термічний опір зазору в залежності від тиску в зоні контакту (по осі x) і мікротвердості (по осі y). Справа: термічний опір зазору в залежності від шорсткості (по осі x) і нахилу профілю (по осі y).

Всі чотири параметри - тиск в зоні контакту, шорсткість, нахил профілю і мікротвердість - впливають на термічний опір в рамках цієї моделі. Однак нахил профілю майже не впливає на термічний опір зазорів. Ми можемо це помітити на графіку внизу праворуч, значення на якому не змінюються при русі вздовж вертикалі.

У своїй статті Груічіч і співавтори роблять висновок, що шорсткість поверхні, механічні та теплові властивості можуть сильно впливати на контактна термічний опір і, як наслідок, на розподіл тепла. Згідно з цією статтею, контактна термічний опір і керуючі їм параметри грають важливу роль в розподілі тепла в електронних пристроях. Вони можуть істотно вплинути на роботу пристрою, його надійність і термін служби.

додаткові ресурси