散熱器設計優化的案例
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 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 【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
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展開 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 
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 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 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 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 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 中興：基于Icepak的智能家端產品散熱結構設計與優化
痛點問題與解決思路
創建仿真散熱結構設計平臺
平臺簡介
平臺流程
平臺可靠性驗證流程
項目1首次仿真與實測
項目2仿真實測再次驗證
項目實踐-降成本
光路由器方案仿真指導設計
光路由器原始方案與方案1仿真分析
光路由器方案2與方案3仿真分析
光
路由器方案4與方案5仿真分析
光路由器最終方案仿真與實測總結
路由器2原始方案仿真與實測分析
路由器2三種裁剪方式仿真與實測對比
項目實踐總結
設計優勢
仿真快速、準確，開發流程已嵌入仿真，通過光路由器仿真數據可以看出，主要芯片溫度仿測溫差最大在2.8度，最小在0.3度，仿測趨勢一致，準確度高，仿真僅需45。
存在問題
對于較復雜的項目仿測差異較大，這是由于仿真參數不準確，仿測環境有差異有關，需要根據具體情況多次調試才能仿測一致。
后續需要研究的方向
1、溫差偏大問題的研究，主要分成三個方面：
2、充分發揮熱仿真在產品設計中的作用：
深圳市優飛迪科技有限公司成立于2010年，是一家專注于產品開發平臺解決方案與物聯網技術開發的國家級高新技術企業。
十多年來，優飛迪科技在數字孿生、工業軟件尤其仿真技術、物聯網技術開發等領域積累了豐富的經驗，并在這些領域擁有數十項獨立自主的知識產權。
展開 
Flotherm智能溫控引擎：GPU服務器散熱優化設計
突破散熱極限，釋放GPU算力潛能
GPU散熱面臨的挑戰
在人工智能、高性能計算和圖形處理需求爆炸式增長的時代，GPU服務器已成為現代數據中心的核心驅動力。然而，隨著計算密度的持續攀升，散熱問題正成為制約性能釋放的關鍵瓶頸。傳統散熱解決方案在應對新一代300W+ TDP的GPU時已顯得力不從心，導致：
? 芯片溫度頻繁觸及105℃臨界值，觸發降頻保護機制
? 冷卻系統噪音高達65分貝以上，嚴重影響數據中心工作環境
? 散熱能耗占總功耗比例超過15%，顯著增加運營成本
Flotherm智能溫控引擎簡介
Flotherm智能溫控引擎是一款基于先進計算流體動力學(CFD)技術，專為高性能計算環境開發的散熱優化解決方案。該軟件通過精確的數值模擬和智能算法，為GPU服務器提供全方位的熱管理優化。
核心優勢
1. 精確的熱場分析能力
Flotherm采用0.1mm級超高精度網格劃分技術，能夠精準捕捉GPU芯片級的熱點分布。其獨有的k-ε湍流模型可精確預測氣流組織中的短路和回流現象，為優化設計提供可靠依據。
2. 智能優化算法
集成機器學習技術，Flotherm可自動評估數十種散熱方案，智能推薦最優的導流結構和風扇配置。相比傳統試錯方法，優化效率提升10倍以上。
3. 全流程解決方案
從概念設計到生產驗證，Flotherm提供完整的虛擬樣機開發環境，大幅縮短產品上市時間，降低實物樣機成本達80%。
技術亮點
1. 多物理場耦合分析
Flotherm突破性地實現了熱-流-結構多物理場的同步耦合計算，能夠準確模擬真實工況下的復雜熱行為。
2. 云端協同平臺
支持團隊協作和云端計算，使分布在不同地域的工程師可以實時共享分析結果，加速決策過程。
3.
展開 LED散熱器輕量化方案
圖10步驟1、步驟2結果分析
這項研究中，與最初的設計進行對比，重量減少了19%，LED結溫減少7℃。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
展開 資料首發-關于機柜散熱優化設計的論文
題目：A Study on the Optimal Design Technique of
Cabinet Ventilation System
相當不錯的論文，希望有志者多交流。
本人關于Flotherm資料不少，諸位想要什么資料請在此留言，視情況上傳
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自然散熱終端和復雜機柜熱設計優化思路 & 仿真精度提升討論 ￥49.8
講述內容為：
自然散熱終端產品優化設計思路；
自然散熱仿真要點；
強迫風冷產品優化設計思路；
復雜強迫風冷系統簡化分析方法；
熱仿真精度影響因素和具體提升方法。
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