當電子設備過熱時，就存在引起火災的風險。盡管有熱沉這類冷卻元件專門用來防止這種意外發生，但也無法及時跟上一日千里的技術發展。而通過仿真，可以闡明各種熱沉設計的卓越傳熱性能，以及如何通過添加歧管式微通道 (MMC) 等元件來提高性能，從而為上述問題提供解決方案。今天，我們將利用仿真來探索 MMC 熱沉的工作方式。

防止損壞電子產品

筆記本電腦的設計一代比一代輕薄﹑快速，然而過熱的隱患也隨之而來。在越來越狹小的空間組裝越來越多的元件，這一趨勢意味著冷卻元件必須在不斷縮小的空間內驅散更多的熱量。如果筆記本電腦產生的熱量超過熱管理系統的承受范圍，就會產生引起火災的隱患。高效的冷卻系統可以降低這種風險，防止設備損壞。

一臺因過熱而燒壞的筆記本電腦。圖像由 PumpkinSky – PumpkinSky 家族提供。已獲 CC BY-SA 3.0 許可，通過 Wikimedia Commons 共享。

要降溫，最常見的方式之一就是利用熱沉。正如我們在之前的一篇文章中提到的，這些冷卻系統有主動和被動兩種形式。主動熱沉會配有一個風扇，并且體積比被動熱沉要小一些。內置微通道可以彌補這種熱沉表面積較小的問題，并有助于散熱。這些傳統微通道 (TMC) 熱沉的效果顯著，但它們所承受的壓降和溫度變化也都非常大。

通過在 TMC 熱沉中加入歧管，就能克服這些障礙。這些歧管安放在與微通道垂直的位置上，用作冷卻空氣的分流器，并形成很多入口和出口。歧管式微通道 (MMC) 熱沉的熱阻更小，但表面積更大，可以將更多的熱量傳遞到空氣中。歧管的引入將顯著提高性能并減少溫度變化，因此，集成到電子設備中時會更加穩定。您可以使用仿真來確定歧管的最佳數量和位置。

在 COMSOL Multiphysics 中為歧管式微通道熱沉建模

盡管 MMC熱沉能有效散熱，但在生產過程中也面臨著一些挑戰。首先，最佳幾何參數和流動條件取決于風扇的排風功率。可能需要調整微通道的寬度、入口、出口和歧管，才能使熱沉達到最佳性能。其次，接觸面屬性會影響冷卻元件的熱阻。增加表面粗糙度，再加上較低的接觸壓力，會導致熱阻變大。我們希望盡可能產生最小的熱阻，因此就需要優化這些屬性，來提高 MMC 熱沉的效率。

歧管式微通道熱沉，顯示了入口和出口的流動情況。

要在如此之小的設備中測試所有這些功能，需要進行精確計算，通常還需要多次設計迭代。而仿真就可以提供準確的信息，而無需在每次設計更改時都制造一個原型。COMSOL Multiphysics 可供您輕松測試不同熱沉元件的幾何結構，方便您確定適當的設計尺寸，以實現最佳的流率和最低的熱阻。

歧管對溫度和速度的影響分析

您可以利用 MMC 熱沉的對稱性，只對設備的一部分進行模擬，這部分由三個域組成：

陶瓷電子元件

空氣

鋁制熱沉

通過使用共軛傳熱接口，我們獲得了這三個域的溫度場和空氣的耦合流場。

電子元件上的部分 MMC 熱沉仿真。

接下來，我們為氣流速度和熱接觸設置邊界條件。在本例中，假設層流流入速度為 0.85 m/s，空氣溫度為 22°C。另一個必須設置的邊界條件是鋁制熱沉和陶瓷電子元件之間的熱接觸。我們的目的是盡量消除熱阻，因此，需要有效地建立這兩個域之間的接觸模型。盡管散熱片彼此平行放置，但仍存在一些細小的表面缺陷，需要我們用以下兩種方法之一來解決。第一種方法需要密集的網格來模擬具有粗糙表面的幾何結構。另一種方法是將熱接觸視為非理想的情況，這樣更具實際意義，并能實現同樣的目標。

上圖：仿真結果顯示空氣流型和速度。下圖：微通道上產生的溫度。

除溫度曲線外，以上繪圖還顯示產生的空氣流型和速度。由于溫度上升，空氣在離開出口時氣流速度增加。由于接觸壓力小，熱接觸點的溫度躍變了 0.7 K 左右。產生的接觸熱導率約達 8900 W/(m2·K)。

通過使用傳熱分析軟件，我們可以評估 MMC 熱沉的散熱能力是否足以處理電子元件生成的熱量。仿真結果顯示，這種 MMC熱沉設計十分有效，因為它能從設備中帶走大量的熱量。熱沉可以防止設備出現過熱問題，這不僅對筆記本電腦有用，同樣也能提高其他電子設備的性能。