Simulation-based study of heat sink optimization using the chimney effect for enhanced natural convection

Abstract

Thermisch management is een kritisch onderwerp in vermogenelektronica vanwege de toenemende schakelfrequentie en oppervlaktevermindering. Natuurlijke convectie heatsinks zijn nodig in toepassingen die betrouwbaarheid en een laag geluidsniveau vereisen, maar zijn minder efficiënt vanwege de trage luchtstroom. Deze masterscriptie onderzoekt een nieuwe fundamentele heatsink geometrie voor midden- tot hoog-vermogenelektronica die gebruikmaakt van het schoorsteeneffect om natuurlijke convectie te bevorderen en zo een beter begrip te krijgen van de interne werking.

Er is een heatsink met het schoorsteeneffect gemaakt. Thermische simulatiesoftware wordt gebruikt om drie parameters met directe invloed op het schoorsteeneffect te analyseren en verbeteren: schoorsteendiameter, hoogte van de bodemopening en extra oppervlak in de schoorsteen.

De simulaties tonen dat de schoorsteendiameter en de hoogte van de bodemopening niet significant zijn voor de efficiëntie van de heatsink en slechts 2% verhoging van de piektemperatuur veroorzaken voor de middelste 31% waarden van deze afmetingen. Ze laten ook een sterke correlatie zien tussen de toename in oppervlak in de schoorsteen en de toename in piektemperatuur, omdat meer luchtweerstand in de schoorsteen een lagere luchtsnelheid over de bodemplaat veroorzaakt. Daarom wordt geconcludeerd dat de luchtsnelheid over de bodemplaat de meest kritieke parameter is en in tegenstelling tot wat de meeste studies beweren, extra oppervlak in de schoorsteen de efficiëntie van de heatsink niet verhoogt.