散熱器優化的案例
基于Ansys Icepak的散熱器優化
優化求解
每次優化迭代求解完成后，icepak會列出該迭代步下的函數及變量對應的值。
由上圖可看出Icepak進行了四次計算，3和4這兩次迭代求解滿足了系統的溫度要求。由于第4次迭代對應的散熱器質量小于第3次迭代對應的散熱器質量，因此icepak給出的最優解為第4次迭代對應的散熱器參數（fin_h為7.3mm，fin_count為13）。
查看此時的溫度云圖，系統最高溫度為69.7℃，滿足低于70℃的要求。
6. 總結
本文通過Ansys Icepak的優化功能對散熱器進行優化設計，使得電子系統的溫度能處于規定的溫度范圍之內，說明電子產品在熱設計過程中，利用Icepak的優化功能可以方便有效地對散熱器的形狀、質量、熱阻等進行優化，以達到設計要求。
展開 LED散熱器輕量化方案
散熱器優化不僅可以減輕重量，還可以提高冷卻效率。該優化思路可應用于各種散熱器。
04結論
針對汽車輕量化設計的挑戰，我們研究了滿足散熱器重量和溫度要求的兩種方案。一是引入導熱塑料進行減重，二是進行散熱器設計優化。通過這兩種方案的優化，散熱器重量減少了19%~45%，同時LED結溫可以保持在一個較低的水平。
文章來自中國國際汽車照明論壇論文集
Flomerics軟件優化散熱設計
在Amulaire，我們利用Flomerics 公司的Flotherm計算流體動力（CFD）軟件，對不同假設情況下的IGBT進行散熱器優化設計。我們選擇該軟件包的主要原因是它可以自動優化散熱器設計或其他任何方面的熱管理。以成本函數的形式，在關鍵參數變化范圍內，用戶只需定義設計目標。軟件自動生成和運行所需模擬量，以探究最佳成本效益下的整個設計空間。分別運行所有的不同組合，然后Flotherm生成響應界面，顯示設計目標值。
圖3：優化過程中散熱器熱阻值降低
優化散熱器設計
流體分析和散熱器優化，以界定IGBT散熱器風扇組件的限度范圍。電力電子電路采用直接鍵合式銅技術，該技術利用帶有銅制散熱器的電子模塊。將模塊式散熱組件和使用熱油脂接口的散熱器通過螺栓連接在一起。鍛鋁（型號為6061-T6）制散熱器被用來優化啟動點。代表comair rotron模型mt12b3軸流風機的風扇曲線提供了通過導管式散熱器的強迫對流情況。該風扇具有的最大氣流量達0.1415立方米每秒（cmps）(300cfm)，最大靜壓力達206帕斯卡（水下0.811英寸.）。循序優化求解被用來優化翅片數量，翅片厚度和基本軸向厚度。因為仿真中應用到的風扇曲線，流量，流速和壓力降受到這些設計參數的影響。
圖4：優化響應界面，結合設計目標使工程師能夠將完整的互動設計可視化。
從10個翅片開始，一個翅片的厚度為0.4毫米，基本軸向厚度為4毫米，優化過程中允許在正負30%范圍內調整變量。如果優化變量處于范圍內最低或最高點，從以往優化值開始，另外運行十次求解。如果優化值沒有達到最小或最大值，則在正負10%范圍內另外運行十次求解。如果始于同一點進行第二次運行后，優化值不變，則在正負5%范圍內開始運行20次求解。如果優化值還是不變，則認為求解完成。
展開 幾種常見的散熱器優化設計思路
節選自陳繼良《從零開始學散熱》
特別感謝作者和機械工業出版社授權
散熱器是電子產品熱設計中最常用到的散熱強化部件。其強化原理是增加換熱面積。同熱設計所有部件的設計類似，散熱器的優化設計思路也需要從熱量傳遞的三種基本方式出發。
1、熱傳導——優化散熱器擴散熱阻
當電子元器件上方附加散熱器時，熱量從器件內部傳遞到散熱器上，以及熱量在散熱器內部的傳遞都屬于熱傳導。經典傳熱學中熱傳導可以用傅里葉導熱公式描述：
式中，表示x
方向的傳熱速率，其單位是；T
表示溫度，A
是導熱方向截面積，k
是導熱系數。
從上式可以看出，導熱系數和導熱截面積是熱傳導中影響傳熱效率的兩個關鍵變量。
在常見的金屬中，鋁合金和銅合金的導熱效能和經濟性綜合表現是比較好的。因此常見的散熱器材質主要是鋁合金和銅合金。
表6-1 常見機加工材料在常溫下的導熱系數
提高導熱系數是為了降低擴散熱阻。擴散熱阻尤其在芯片熱流密度較高，或者翅片長厚比較大時表現明顯。但材料的導熱系數提高是有限的，提高散熱器基板厚度、翅片厚度等從導熱截面面積出發的手段，又受到空間的限制。這樣，熱管和均溫板的使用，在某些熱流密度大的場景就非常有優勢。
熱管和均溫板的具體選用和散熱強化原理會在第九章詳細闡述，簡單來講，可以將其視為一種導熱系數極高的傳熱部件。在高熱流密度的場景中，通過在散熱器底部鑲嵌熱管或均溫板，可以有效降低擴散熱阻，優化散熱。
展開 
【技術】天洑智能優化案例集錦（1）——芯片散熱器結構優化
圖2 電子芯片散熱結構的自動化優化設計流程圖
圖3 AIPOD優化流程搭建示意圖，只需要簡單的流程搭建即可開始優化
1.基于參數化建模方法，有助于AIPOD優化方案的實時驗證、評估和方案迭代，保證優化方案的可行性；
2.基于AIPOD的自動化優化流程，可以有效減少用戶手動操作的過程，基于優化算法的自動尋優也有助于發現新的散熱結構設計方法；
3.基于AIPOD中集成的智能優化算法，可以有效幫助電子芯片散熱系統的結構設計，快速得到更好的散熱結構。
應用價值
1.有效提高散熱系統的平均熱流密度，在相同工作環境下，平均熱流密度可以提高5%左右；
2.高效輔助電子芯片散熱器設計，減少迭代設計的時間和人力成本。在硬件條件允許的情況下，可以同時進行多類散熱器的優化設計。
相關案例
如對相關軟件感興趣，可以
聯系我們
或申請
軟件試用
。
展開 PCB散熱器優化很難嗎？這樣做就很容易！
相信不少工程師在產品研發過程中都會遇到因器件過熱而影響板卡可靠性的問題，面對這種情況，散熱器的設計就十分關鍵。如何通過優化散熱器設計來提高芯片的散熱性能，解決PCB板過熱問題，這讓很多工程師很是頭疼。看完下面的案例后你會發現，其實散熱器的優化設計其實很容易。
本文的研究對象為帶兩個散熱器的CPIC卡板模型，目標是優化位號為U7（上游）和 U8（下游）的兩個元件的散熱器。三個案例的優化目標分別為：
■案例 1：使散熱器質量最小，考慮其成本，越小越輕越好。
■案例 2：元件溫度最低可以達到多少？
■案例 3：如何使元件之間的溫差最小？如果工作在相同溫度，電氣功能會更好。
我們將利用如下環境參數進行PCB仿真。氣流方向如圖所示。
■海拔：海平面
■環境溫度：55°C
■上游風速：400 ft/min
■槽間距：0.8 in
電路板布局如圖所示， PCB定義如下：
■ 疊層：2S2P
■ PCB 尺寸：100 mm x 160 mm
■ PCB 厚度：1.6 mm
■ 總功率：22.5 W
U7（上游）和U8（下游）建模為2R精簡熱模型，與熱設計相關的具體參數如下：
■ RJC：0.5°C/W
■ RJB：20°C/W
■ TIM：0.5°Cin2/W
結合優化目標及相關約束條件，分析如下三個案例：
■案例 1：使U7和U8散熱器的質量最小，兩個散熱器完全相同，U8結溫維持在100°C。
■案例 2：使U8結溫最低。U7和U8散熱器完全相同。
■案例 3：使U7和U8散熱器的質量最小；兩個散熱器的外形結構相同，但鰭片長度不同；U8結溫維持在100°C。此外，U7和U8結溫之差以1°C為限。
展開 基于Flotherm分析的光伏逆變器的散熱設計
基于Flotherm分析的光伏逆變器的散熱設計
楊雄鵬1，周曉東2，陳長安2，蔡蕭3
（1西安交通大學，陜西西安 710049；2特變電工西安電氣科技有限公司，陜西西安 710065）
摘要：在電力電子設備小型化的趨勢下，有限空間的散熱設計成為產品可靠性設計的關鍵瓶頸。本文以小功率光伏逆變器的散熱設計為例，首先提出了Flotherm軟件仿真的基本思想和基本理論，介紹了散熱器優化設計和整機系統熱仿真分析，包括多方案篩選優化。通過CFD數值仿真與工程樣機實測數據對比，分析評估完全滿足工程設計要求，達到了產品可靠性設計的目的。文章也介紹了海拔對散熱的影響和修正。較好的驗證了基于Flotherm軟件分析的電力電子設備散熱設計的優勢和可靠度。
關鍵詞：系統熱分析；方案篩選；熱阻；結溫
中圖分類號：
Heat dissipation design of small power photovoltaic inverter based on
analysis of Flotherm
YANG Xiong-peng1, ZHOU Xiao-dong2, CHEN Chang-an2 ,CAI Xiao3
（1 TBEA Xi’an Electric Technology Co.
展開 熱仿真在電機設計和減少散熱器重量中的應用
AnJen Solutions 對LSM散熱器的重量和熱特性進行了分析。AnJen Solution 的Michael Rigby 說：“FLOTHERM 對散熱器和LSM支撐結構之間的導熱量以及進入到空氣中的熱量提供了詳細的信息，仿真的結果表明通過減少翅片數和改變翅片間距和厚度可以達到與最初設計方案相同的效果，但散熱器的重量僅僅為最初方案的1/3 。”
軌道的熱負荷和垂直方向的形式都要求比水平放置的形式進行更為詳細的熱仿真。這是因為垂直方向的形式會導致換熱系數發生變化，同時也會提高周圍環境空氣溫度。此外LSM材料的溫度也是一個限制因素。
CFD 軟件的優勢在于能夠模擬LSM 周圍的空氣流動，從而使精確預測對流換熱量成為可能。Flomerics公司的FLOTHERM 軟件是專門為仿真電子和電氣產品熱特性而開發的。Rigby說：“FLOTHERM 具有自動優化、簡化模型等許多強大的功能，這一切都可以大大提高的散熱性能和減少產品研發時間。軟件強大的功能使散熱器的優化成為可能，而散熱器重量的減少正是我們所需要的，因為MagneMotion的客戶對LSM 的總重量特別關注。”
FLOTHERM完全解決了產品的散熱問題，這其中不僅僅包括了熱量從發動機通過導熱方式經過機械結構和散熱器，而且包括了熱量通過對流的方式從機械結構和散熱器進入到空氣中。FLOTHERM 通過求解浮升力方程來確定由熱負荷所引起的空氣流動。Rigby 通過變化模型中散熱器翅片數和厚度來對11個不同的設計方案進行評估。當翅片數為15 并且翅厚為3 mm 時，可以滿足封裝溫度的限制并且此時的散熱器重量最小。優化之后的散熱器重量為39 磅，與未做優化時候相比重量減少了1/3 。
展開 基于Icepak的電子控制器散熱設計優化
作者：顧雙峰
作者單位：同濟大學汽車學院
摘要
:
文中以某款汽車座艙控制器為例，闡述了基于Icepak的電子產品散熱仿真分析方法，包括仿真模型的創建及求解分析的過程，并基于軟件自帶的響應面優化模塊，對產品散熱結構進行優化設計，從而得到最適合此案例的散熱結構參數。
結果表明:相較于原方案，芯片結溫降低了約4℃，散熱結構整體質量減小約25%，證明了該設計方法可有效提高產品的設計可靠性。
關鍵詞:控制器散熱設計;Icepak熱分析軟件;散熱優化
0 ，引言
隨著汽車電動化、智能化逐漸成為未來汽車技術發展的主要方向，作為汽車執行決策的“大腦”，電子控制器已經成為汽車零部件中最為重要的組成之一。隨著集成的功能越來越多，控制器的可靠性必然成為設計中最為重要的關注點之一。
“阿雷尼厄斯十度法則”指出: 電子元器件工作溫度每降低10℃，壽命將增加1倍;溫度每升高10℃，壽命將縮短1/2。根據美軍的分析報告，大約50%的電子設備失效案例由工作環境的高溫導致。因此，將電子設備的工作溫度控制在合理范圍內，是工程師在產品設計過程中最重要的關注點之一。
座艙控制器模塊一般布置在汽車的前艙內，可用空間十分有限，如何在有限空間內實現控制器電路板的有效散熱是開發時的難點之一。
傳統的設計方法一般是基于已有的設計經驗進行理論計算，并基于實物樣件進行元器件溫度測試，最終再根據實際情況調整電路板上元器件布局或者增加散熱結構設計
。
這樣的開發過程時間冗長，且設計和更改成本很高，在汽車設計周期越來越短的今天，嚴重制約了整個行業的發展
。
展開 小基站，大突破——金屬打印散熱器讓5G小基站不再“發燒”
而受限現有制造工藝局限，很難滿足發熱件散熱性能要求。
為了更好的解決5G小基站散熱器的散熱問題，安世增材研發團隊以增材思維為核心，通過對多種優化結構模型的熱仿真分析，確定出最優散熱設計改進方案，并通過DLM-280制造成型，創新性地研發出了針對5G小基站散熱器的增材制造解決方案，有效地解決了5G小基站發熱件結構不緊湊，散熱性能不高的問題。
▲ 散熱器隨型設計
在傳統的散熱器冷卻解決方案中，一般通過降低芯片與外殼的溫差或降低外殼表面溫度，增加設備的外殼體積，優化散熱葉片設計，加大表面積等方式來改善散熱效果，但受限于戶外陽光、產品外觀尺寸、重量等因素，導致最終散熱效果不佳。
安世增材團隊充分發揮自身在拓撲優化和模擬仿真等領域的技術優勢，通過不斷增加散熱器翅片高度進行散熱測試，并根據測試數據改變切割翅片形狀，最后得到翅片高度為35mm、形狀為九宮格的5G散熱器最終優化方案。
▲ 梳型散熱器和傳統方案結構對比分析
優化后的5G小基站梳型散熱器解決方案采用DLM-280（選擇性激光熔融工藝）打印成型，在保證性能的同時實現散熱器復雜的內部結構，且在設計過程中采用了無支撐設計，大大降低了產品的后處理時間，也節約了打印成本。
與傳統散熱器方案相比，安世增材5G小基站梳型散熱器在散熱性能、換熱效率、美觀度等多個維度均有所提升。具體表現在：
■ 梳型散熱器有效散熱表面積比傳統散熱器提高了1.5倍，有效散熱體積提高了0.4倍，質量保證在了2000g以下。
■ 梳型散熱器高度在50mm以下，并不影響整體美觀。
■ 梳型散熱器的U型槽有效地增加了對流換熱系數，提高了換熱效率。配合兩側的切片結構，整體外觀也很新穎。
展開 利用ANSYS WORKBENCH平臺的響應面優化暨Icepak評估125kw儲能變流器散熱方案
確定4個輸出參數: (1)最高溫度(IGBT結溫): max-temp；(2)散熱器質量: mass-heatsink,；(3)輔助鋁板質量：mass-al-plate； (4)散熱器總質量： mass-heatsink+mass-al-plate (見后)。
根據機箱尺寸和鋁擠、鏟齒各自的工藝條件，確定輸入參數變化范圍：
在ANSYS WORKBENCH內建立響應面優化任務如下圖，只需一個熱模型，根據輸入參數的不同組合可建立任意多優化項目。從左至又依次為：鏟齒散熱器+熱管，鏟齒散熱器 (無熱管) ，鋁擠散熱器(無熱管) ， 鋁擠散熱器+熱管。
如下圖，Parameter set內建立復合輸出參數 P11=P9+P10，即前述散熱器總質量。
如下圖，Design of experiments內， Uncheck輸入參數al_end的Enabled選項，對于有熱管方案，Value為散熱器Y向起始坐標；對于無熱管方案， Value為散熱器Y向終止坐標。既可實現有熱管時，輔助鋁板體積為0；無熱管時，輔助鋁板抑制熱管和銅板。
3. 優化計算過程
"鏟齒散熱器+熱管"方案的DOE設計點計算結果如下，P10列的數字均接近0，表示輔助鋁板質量均為接近0。
鏟齒散熱器 (無熱管)方案的DOE設計點計算結果如下，P10列的數字表示輔助鋁板抑制了熱管和銅板。
展開 
基于Simdroid電子散熱模塊的電子設備機箱散熱設計與優化
液冷系統一般通過液冷器中循環流動的冷卻液帶走熱量，在熱源端不會引入額外噪聲；液冷系統的主要噪聲源為水泵，通過選取低噪音水泵配合集中隔音處理，可很好地降低整體系統的噪聲；
（3）液冷冷卻主要存在安全風險高、易污染、安裝復雜且成本高等問題，采用水冷柜冷卻方式時，要注意防水漏水，一旦漏水會對機箱設備造成嚴重影響。
圖3 典型液冷機箱結構圖（圖片來自網絡）
散熱方式多種多樣，產品設計研發團隊需要根據實際情況綜合考慮，選擇合適的方式。另外，現代數值仿真模擬技術為復雜電子機箱設備的散熱性能評估提供了全新的手段，可有效降低傳統的從樣品試驗到設備優化方法帶來的時間周期和經濟成本。本文以風冷散熱方案為例，采用數值模擬的方式，在各類機箱設計或實際運行過程中對其內部不同結構方式、不同流體控制方式、材料傳熱性能、運行工況及太陽輻射等熱影響因素進行全面模擬，通過對機箱內外部熱量傳播方式的分析和溫度分布及速度場的仿真計算，優化機箱內冷卻風道設計，加快散熱速度，降低內部溫升，提高設備的可靠性。
二、散熱仿真解決方案
基于Simdroid電子散熱模塊，可以實現對各類戶外或室內電子機箱機柜柜體結構及內部電子設備的全三維建模與散熱特性仿真分析計算，并通過豐富的可視化后處理技術，對計算結果進行全面直觀的展示。
采用Simdroid電子散熱模塊實施電子機箱機柜熱仿真分析的優勢體現在：
（1）豐富的智能元件庫及多樣化定形定位操作可實現快速建模。軟件自帶的智能元件庫包含多系列風扇、散熱片、芯片、熱阻、體熱源、面熱源、電路板及多孔板等電子機柜熱分析常用要素，可通過界面拖拽或數據操作便捷完成各零部件的形狀和位置確定，同時支持元件庫的自定義拓展。
（2）類型豐富及可自定義拓展的材料數據庫，便于用戶直接加載材料物性為元件賦值。
（3）跨尺度結構的網格劃分。
展開 AI賦能電子散熱設計，迅速識別熱風險，實現散熱設計優化（內含干貨直播）
wx_fmt=jpeg&from=appmsg"></p><p class="ql-align-right">介紹Celsius Studio的相關功能模塊；AI賦能仿真優化，協助您迅速識別熱風險，實現散熱設計優化。</p><p class="ql-align-right">點擊圖片進入預約??</p><p class="ql-align-justify"> 今年2月1日——楷登電子（美國 Cadence 公司，NASDAQ：CDNS）宣布推出 Cadence? Celsius? Studio，率先在業內提供完整的用于電子系統的AI散熱設計和分析解決方案，可滿足現代電子設計中日益復雜的散熱需求。</p><p class="ql-align-justify"> Celsius Studio可用于PCB和完整電子組件的電子散熱設計，也可用于2.5D和3D-IC封裝的熱與熱應力分析。當前市場上的產品主要由不同的零散工具組成，而Celsius Studio引入了一種全新的方法，通過一個統一的平臺，電氣和機械/熱工程師可以同時設計、分析和優化產品性能，無需進行幾何體簡化、操作和轉換。</p><p class="ql-align-justify"> 在當前市場上，大多數散熱解決方案由各種零散的工具組成，這不僅增加了使用的復雜性，還降低了工作效率。Celsius Studio無需進行幾何體簡化、操作或轉換，大大簡化了設計流程，減少了可能出現的錯誤和延誤。這一特性使得工程師們能夠更專注于創新設計，而不是在處理繁瑣的格式轉換問題上耗費時間。
展開 高防護戶外儲能柜散熱系統優化設計
儲能設備散熱系統的合理化設計，仍是結構設計的核心技術難題。本文運用熱仿真軟件分析對比了散熱系統的3種送、回風方式的散熱效果，并通過
高溫箱模擬高、低溫進行熱測試，熱仿真
與熱測試相結合，以最快的速度、最低的成本實現散熱系統的優化設計。
1 高防護戶外儲能柜散熱系統優化設計及對比
本文所提及的產品是容量為100kW·h的高防護戶外儲能柜，其防護等級可達IP55。該柜創新地采用組合式散熱系統，其中對溫度和環境敏感度高的電池艙采用空調散熱系統，對溫度和環境敏感度低的配電艙采用風冷散熱系統。由于風冷散熱系統的設計較為成熟，且成本已壓縮到極限，因此此次組合式散熱系統的優化設計只針對電池艙的空調散熱系統進行。電池艙優化共設計出3種方案，通過熱仿真軟件Flotherm進行分析對比，擇優選用。
3種方案中電池艙的結構形式均相同，其中空調散熱系統所需制冷總量C的理論計算公式為:
式中:Ch為元器件發熱功耗，W；Cs為環境滲入(出)熱量，W；Cr為太陽輻射熱量，W。將Cs=117.2W、Cr=277.5W、Ch=1000W代入式(1)，得C=1394.7W，因此電池艙空調需選擇制冷量為1.5kW的工業空調。
方案一為電池艙空調的出風和回風均為自由進出風；方案二在電池艙空調的出風口加裝專用風道；方案三是在方案二的基礎上，局部加上風機輔助出風，可實現遠離空調的柜體能夠均分空調吹出的冷風。3種方案的示意圖如圖1所示。
展開 4/26 Ansys電子散熱風扇葉片優化
內容簡介
每個HFSS新版本，對高速SerDes和DDR仿真的求解精度、速度和功能上都有大量更新。妥善使用，可以大大提高仿真效率和研發效果，加快產品迭代，提高行業領先性。
面向受眾
芯片封裝PCB的SIPI仿真工程師，硬件設計工程師。
時間
2022年4月26日（周二）16:00-17:00
費用
免費
講師簡介
周小俠|Ansys
Ansys中國CPS團隊高級應用工程師。負責芯片封裝系統相關產品的支持和研究工作。本碩就讀于電子科技大學電磁場專業。先后就職于長虹、CST China，摩托羅拉和思科，分別從事雷達天線設計、電磁場仿真軟件支持
