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通过高性能几何形状将换热器设计提升到一个新的水平

通过高性能几何形状将换热器设计提升到一个新的水平

2021-11-17 15:06

换热器效率长期以来一直受到传统建模软件和无法生成高级几何形状的制造过程的阻碍。阅读下文,了解与传统设计的同类产品相比,nTop平台如何实现具有优化表面积和减轻重量的换热器设计。

在我们的现代生活中,我们被各种设备所包围,这些设备旨在让我们的日常体验更加高效和愉快。这些设备可以采用多种形式,通常由需要调节温度以执行其主要功能的机械和电气系统组成。与计算机、电视和智能手机相关的技术使我们的现代生活方式成为可能。在这些电子设备中,必须减轻与电力处理相关的热量,这些设备才能正常工作。与飞机和汽车运输相关的机械系统也需要调节和传递来自为这些系统提供动力的发动机的热量。

要点是:

工作会产生热量,而热量必须被带走,这样我们所依赖的现代设备才能发挥作用。

 图 1:用于电子应用的增材制造三周期最小表面散热器。

热交换器的类型

有许多热交换器可用于传输热量的例子。这些类型由系统要求和将热量从关键区域带走的物理方法定义。传导是通过直接接触传递热能,对流是通过流体的实际运动来传递热量,而辐射是借助电磁波传递能量。出于本文的目的,我们将仅考虑使用传导和对流的热交换器。

 

 

图2:传热分为三种:传导、对流和辐射

散热器是一种被动式热交换器,可将电子或机械设备产生的热量传递到流体介质(通常是空气或液体冷却剂)中,然后从设备中散发出去,从而可以将设备的温度调节到最佳状态水平。

电子散热 – 传导/对流散热器

散热器常见于电子设备中,其有效性取决于与周围冷却介质接触的表面积。随着当今不断增长的计算要求,设计人员被迫通过在给定体积中最大化散热器的表面积来最大化性能。这很快就变成了几何游戏,nTopology为设计师提供了竞争优势,因为我们可以利用我们先进的几何内核来提供具有大量表面积和非常薄壁的复杂表面。 

图 3:nTopology 可用于启用设计研究,以确定应用程序的最佳几何形状。在此示例中,展示了各种 TPMS 结构:具有不同周期性和厚度的 Gyroid、Schwarz-P 和 Lidinoid 结构。

在此示例中,nTop 平台用于定义一个体积,该体积可用于衍生式设计散热器,该散热器将最大化表面积同时最小化质量。这是使用高级几何表示来实现的,以数学和精确地控制表面。在这种情况下,使用了三周期最小表面 (TPMS),它已被证明在结构应用中具有令人难以置信的高强度重量比。当结合先进的制造方法时,这些结构提供了无限的可能性,使设计师能够创建具有高强度和散热性能的多功能结构。  

陀螺仪 = Sin(x)Cos(x)+Sin(y)Cos(z)+Sin(z)Cos(x)

出于本研究的目的,我们选择评估通常称为 Gyroids、Schwarz Primitives 和 Lidinoids 的三类 TPMS 结构。使这些结构独特的关键因素是它们中的每一个都是正弦和余弦的线性组合,它们组合在一起形成三维空间中的周期性波形几何。就像二维波形一样,我们可以改变这些方程的幅度和周期,以生成设计多种设计可能性。通过将这些设计输入与实验设计 (DOE) 方法相结合,我们可以准确地评估这些组件的性能。

无源电子散热器由所有三种传热方法模式主导。热量必须从热源(即计算机芯片)传导到散热器底部,然后通过对流 (70%) 和辐射 (30%) 从散热器散发。为了最大限度地散热,有必要最大限度地增加与散热器接触的环境空气量。

图 4:用于无源散热器设计和评估的 nTopology 平台工作流程。

随着热量消散,对流自然会导致空气流过散热器的散热片。TPMS 散热器的旋转翅片允许增强边界层混合,与传统散热器设计相比,有可能提供更高的有效表面积。作为这项工作的一部分,进行了一项简单的数值研究,以确定性能最高的 TPMS 散热器,其设计输入最大化表面积并最小化合成散热器的质量。该实验是通过使用我们的计算几何内核和先进的分析方法实现的,这些方法使设计人员能够快速进行几何更改并评估设计输入的性能输出。从下图可以很清楚地看出,在所探索的设计中,哪个设计具有最高的表面积与质量。

源文摘自: nTopology

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