散熱系統優化的案例
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 車用鋰離子動力電池風冷散熱系統研究進展
圖9 風冷與PCM、熱管多方式耦合冷卻
圖10 風冷與液冷、PCM 多方式耦合冷卻
將冷卻空氣引入電池內部進行直接風冷會降低電池組密封性能，密封性能低可能會導致絕緣故障，為解決這一問題，將風冷方式與整套熱交換系統耦合，由熱交換系統將電池內部的熱量導出，最終冷卻空氣在電池殼體外部實現散熱冷卻。Park 等將熱交換系統管路圍繞在電池組殼體外側，熱交換系統包含進氣口、出氣口、預定流動通道，通過風扇和熱電元件控制冷卻空氣進入熱交換系統的流動通道，從而將電池導出的潛熱散出。Mardall 等將熱交換器管道機械地和熱地耦合到電池組外殼基板的內表面，電池組外殼外表面上流動的冷卻空氣將熱交換系統中的熱分離。
04
總結與展望
相比于低散熱效率的自然風冷，強制風冷是風冷散熱系統中的主流冷卻方式。風冷散熱系統的散熱效率與電池組內部排布結構、進出風口設置、冷卻空氣流體參數等因素密切相關。通過采用優化策略和優化算法，以評判電池內部溫度水平和溫度均勻性的指標作為優化目標，對各類結構與控制參數進行優化設計，可有效提升風冷散熱系統的散熱效果。電動汽車的發展，對鋰離子動力電池的功率和車輛的續航里程提出了更高的要求，動力電池的能量密度、功率密度將逐漸增大，電池自身的發熱量和發熱功率也將隨之增大。盡管風冷散熱系統通過優化設計，散熱效率可以得到提升，但是空氣自身低熱容量、低導熱系數從本質上決定了優化提升空間有限。因此，風冷散熱系統受制于其較低的散熱效率將逐漸難以滿足電池汽車未來的發展要求。
展開 Altair ProductDesign幫助完成產品散熱系統設計陶瓷簡化LED內部散熱系統
行業：電子消費品
挑戰：在 LED 工作環境下，如何選擇 散熱面和熱管理系統，從而促 進產品設計
Altair 解決方案：Altair ProductDesign 開發了 基于計算流體動力學的仿真流 程，實現散熱管理和優化設計
優點：實現基于新型先進陶瓷材料的 新設計理念的成功應用。
背景介紹
散熱問題已成為限制LED作為光源廣泛應用的瓶頸。改善LED散熱性能的方法主要 集中在散熱器而非LED與散熱面之間的間距與隔熱結構上。最近，AltairProductDesign 為CeramTecAG公司提供的一個咨詢項目中提到：設計理念和材料的改變將在熱管理、產品可靠性以及系統簡化上發揮重要的作用。項目指出，應用陶瓷作為散熱器、載波電 路和部分結構的材料為克服傳統產品弊端提供了可能。為此，AltairProductDesign開發了一種基于計算流體力學支持熱能優化的仿真流程和相關技術產品。
應用陶瓷作為散熱器、電路載體和部分結構的材料幫助CeramTecAG公司克服傳統產品弊端并實現了LED的創新概念設計。通過基于計算流體動力學的仿真實現散熱管理和技術產品的優化設計。
下面案例研究，我們將展示這種新理論的應用，驗證概念設計合理性并描述應用陶 瓷散熱器所獲得的性能改善。
挑戰
眾所周知，LED是一種高效的光源并因其較小的體積而被人們所喜愛。如果不考慮其熱管理機構，LED確實可以設計的很小。白熾燈光源工作溫度可達2500°C。與之相反，LED的工作溫度要低的多。即便如此，以半導體為原材料的LED工作時仍然 會釋放大量的熱量，而半導體所能承受的溫度低于100℃。根據物理學研究顯示，熱能將傳遞到周圍區域。
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）
</strong></p><h3><strong>直播內容簡介</strong></h3><p>●<strong>直播時間：</strong>9月25日 19:30</p><p>●<strong>講師介紹：</strong>劉霽鑫</p><p> Cadence熱仿真工具資深技術支持工程師，負責Cadence Celsius仿真工具的推廣與技術支持，為消費電子、通訊電子、汽車電子等領域的客戶提供從芯片級、封裝級、板級到系統級全尺度的熱解決方案，在散熱設計領域有多年行業經驗與技術積累。</p><p>●<strong>直播內容：</strong></p><p> Cadence Celsius Studio提供完整的用于電子系統的AI散熱設計和分析解決方案，可用于PCB及產品系統的電子散熱設計、芯片封裝的熱與熱應力分析。</p><p> 本次直播主要介紹Celsius Studio的相關功能模塊，及其典型應用場景，包括多物理場分析能力，多尺度分析方法，與其他工具集成實現設計內分析，以及AI賦能仿真優化。</p><p> 針對當前的熱設計挑戰，Celsius 還可以協助設計人員迅速識別熱風險，實現散熱設計優化。
展開 【技術】天洑智能優化案例集錦（1）——芯片散熱器結構優化
研究表明，在70—80℃內，單個電子元件的溫度每升高1℃，系統可靠性降低5％。所以，新型高效的散熱能力是電子芯片穩定工作的重要保障。
芯片級高效的散熱方式主要包含兩種發展方向：更強的散熱方式和更精細化的散熱結構。其中，散熱方式經歷了自然冷卻-氣冷-液冷三個發展階段，更精細化、微型的散熱結構也成為了目前發展的主流。AIPOD作為一款流程自動化的多學科優化軟件，可以基于熱流體仿真軟件軟件的溫度場仿真能力，實現對電子芯片散熱結構的快速優化，為散熱器結構的設計提供新的思路和方案。
圖1 微通道液冷散熱示意圖
案
性能分析
2.1 平均熱流密度
平均熱流密度是一種直觀的、評價散熱系統好壞的參數。一般來說，只需要通過仿真軟件中芯片的溫度場的變化情況即可計算流體的平均熱流密度。平均熱流密度越高，表示散熱系統的散熱能力越強。
2.2 壓降損失
壓降損失是由流體在管道內流動時克服內摩擦力和克服湍流時流體質點間相互碰撞并交換動量而引起的，可以有效衡量流體流動過程中的能量損耗。一般來說，散熱系統需要盡可能減少壓降損失，從而減少散熱系統的能量消耗。
AIPOD優化散熱器設計
基于通用的熱流體仿真軟件對溫度場的仿真能力，使用AIPOD搭建了電子芯片散熱結構的自動化優化設計流程。其中，本案例的設計參數包括材料參數和功耗參數兩類，優化目標為最大化平均熱流密度。
展開 801所空間閉式布雷頓循環大功率熱電轉換系統取得重大突破，閉式系統如何散熱？
2023年3月10日，據中國航天科技集團消息，六院801所自主研制的空間閉式布雷頓熱電轉換系統，成功實現了百千瓦內多能級電功率輸出，達到國際先進水平。這就表示在太空里，可以采用這樣的系統進行發電了，那么飛船就可以不靠太陽能而飛到更遠的地方。
什么是“閉式布雷頓熱電轉換系統”？我們來詳細講一講。
有“閉”就有“開”，先說說什么是開式布雷頓熱電轉換系統。例如飛機翅膀下那幾個大大圓圓的發動機，叫燃氣輪機。
工作原理4步走：第1步，吸收環境中的常溫空氣壓縮；第2步，對氣體加熱；第3步，高溫高壓空氣推動渦輪做功，帶動發電機切割磁場，將動能轉換成電能；第4步，這些熱空氣完成使命就排放到了大氣中。另一邊就又吸入了新的空氣，重復這個動作。
為什么這個叫“開”式的呢，因為氣體會跑，一邊熱氣跑了，一邊新的氣體進入了系統，就相當于開了口。相反，“閉”式就是不讓熱氣跑出去，繼續回到原點完成下一個壓縮、加熱、做功的過程，周而復始。
那么太空中為什么不能用開式的呢？因為太空里接近真空，系統中的氣跑出去后就再也回不來了。那么這里就出現了一個問題，飛機發動機的開式是熱氣跑出去，常溫氣體或涼的氣體跑進來；而閉式的，熱氣回到原點還是熱氣。怎么能把它變涼后進行下一輪的壓縮加熱呢？熱量傳遞主要有三種方式：熱傳導、熱對流和熱輻射。傳導和對流都離不開介質，在太空這種接近真空環境中就失效了。因此，太空中只能靠熱輻射。只要讓熱的氣體流過輻射散熱器，氣體把熱量給散熱器，然后散熱器把熱量全部輻射給太空，氣體就變涼了。
801所研發的閉式布雷頓熱電轉換系統的輻射散熱器長什么樣，我也不知道，網上也沒查到相關資料，所以就幻想建了個模型。
輻射散熱器的外壁是通過壁面把熱量輻射出去，里面的芯是氣體流動的區域，外邊圓的是宇宙。
展開 4/26 Ansys電子散熱風扇葉片優化
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、基站PA設計和交換機EMC仿真工作。
點擊報名：https://v.ansys.com.cn/Live/ywUPKq4G?source=jishulink
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 幾種常見的散熱器優化設計思路
圖6-9 一些通過擾動空氣流動提高換熱效率的散熱器設計
在系統級的產品中，散熱器設計、風扇選型和風道設計三者之間的組合優化是相當復雜的。當存在多個發熱點、多個散熱器、多顆風扇時，需要各部件之間相互配合，做到有效利用系統風量，弱化彼此熱點間的級聯效應，從而達到最優的設計組合。
3、輻射換熱——選擇合適的表面處理方式
使用自然散熱的電子產品，輻射換熱往往占有不可忽略的比例。當散熱器幾何結構設計已經完成時，表面處理方式會顯著影響換熱效果。電子產品工作的溫度范圍內，紅外線是主要的熱輻射波長。輻射換熱強度與產品的紅外輻射率成正比。對于暴露在陽光下的戶外產品，設備表面與太陽之間的輻射換熱則與其可見光輻射率成正比。關于原因，可以參考第二章輻射換熱的部分。
注：表面的紅外發射率與其表面溫度有關，列示的值僅供參考。
由上可知，對于輻射換熱，表面處理應當按照如下思路進行設計：
室內產品：結合散熱器的工作溫度，提高表面紅外輻射率；
散熱器暴露在陽光下的產品：提高表面紅外輻射率，降低表面可見光輻射率。
圖6-10 室內產品表面發黑處理，強化紅外輻射（a）
室外產品表面噴涂淺色涂料，降低可見光吸收率（b）（c）
4、總結
假定產品內部其它部分設計都已定型，從三種基本熱量傳遞方式的角度進行歸納，散熱器的主要優化思路可總結如下：
（END）
參考文獻
[1] YounesShabany, 夏班尼, 余小玲,等. 傳熱學:電力電子器件熱管理[M]. 機械工業出版社, 2013.
作者簡介：
陳繼良，著有書籍《從零開始學散熱》。
文章來源：熱設計
展開 Workbench尺寸優化研究箱體發熱體散熱
“ 利用Workbench尺寸優化功能與SCDM腳本參數化功能尋找最優發熱體散熱對應的尺寸間隔”
01
—
研究背景
在一個箱體內，放置兩層圓柱發熱體，發熱體尺寸為直徑32mm，高度65mm，初始圓柱體間距為，出入口直徑為40mm，如圖右所示。
圓柱體發熱量為200000W/m3，入口質量流量為0.03kg/s，入口溫度為300K；
現研究一定尺寸范圍內，出入口尺寸，圓柱體橫向與縱向間距，對最高溫度、平均溫度和進出口壓降的影響，同時找出三者最小值對應的幾何尺寸。
02
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搭建計算流程
在Workbench里面將SCDM的參數幾何導入到Fluent meshing進行網格剖分；采用自動網格劃分流程劃分網格，然后導入到Fluent里面設置邊界條件，輸出參數化結果，包括發熱體平均溫度tavg，最高溫度tmax，及進出口壓降。
展開 
Ansys Icepak/AEDT的散熱分析優化專題培訓
【培訓講師】 上海安世匯智流體技術專家
【培訓時間】 2023年9月6日-9月8日
【培訓費用】 4500元/人
【培訓等級】 中 級
【培訓地點】 上海安世匯智公司，上海市浦東新區平家橋路36號晶耀前灘5號樓9樓
【培訓特色】
—— 精品小班課，資深工程師授課
—— 項目經驗豐富，精準匹配行業
—— 理論與上機結合，教學質量有保障
—— 真實案例教學，貼合企業實際需求
—— 設立分級課程，循序漸進培養仿真能力
—— 安世亞太官方培訓證書，豐富職業履歷
【培訓日程】
時間
具體內容
第一天
Icepak軟件基本功能特色介紹
Icepak模型庫、對象庫、材料庫等的詳細介紹
Icepak全局網格以及局部網格控制方法以及參數設置
基于Icepak模型建立方法
復雜對象建立、編輯對齊工具介紹
相關案例操作
第二天
物理模型介紹，自然對流、強迫對流等邊界條件設置講解
PCB熱分析方法以及參數設置
網格劃分技術介紹——非連續性網格的設置方法
瞬態分析計算設置
相關案例操作
第三天
Icepak/AEDT參數化分析流程簡介
Icepak/AEDT 參數化設計、分析（單物理場/多物理場耦合）方法
擬CEPAK/AEDT 優化分析案例展示
Icepak優化案例操作練習
綜合答疑
【報名鏈接】
https://www.wenjuan.com/s/jaQVVfE/
（開課前一周截止報名）
【小貼士】
· 本次課程有上機操作環節，我們會準備好電腦與軟件；若報名人數超額，則需部分學員攜帶自己的電腦，我們會為您裝好試用軟件。
· 本次課程含工作午餐，不含其他食宿費用。
展開 關于封閉系統的散熱問題
對于封閉系統，除了外殼加載散熱片外，是否有沒有別的散熱方法。
Flomerics軟件優化散熱設計
使用Flotherm仿真優化證實氣體可以冷卻2kW IGBT模塊
Ralph Remsburg 發表于2008年4月1日
隨著集成電路不斷被認為能提供更多核心和更快時鐘速度，它們也被要求具備更強散熱能力。添加微處理器，以成倍的指定時鐘速度運行，從而獲得性能優勢，生產出為大部分市場所研發的產品。而且，由于系統有不同散熱需求，散熱管理挑戰日益增多。因此，產生的疑問是：這些系統中性能最強大的系統能否利用氣體散熱。作為主要選擇，液體冷卻能處理溫度較高的熱載荷，但價格相當昂貴，比起氣冷面臨更高維護挑戰。
圖1：這是一種IGBT模塊，安裝在平行板式鋁制散熱器上。
位于加州San Diego的 Amulaire 熱技術公司，提供定制設計和散熱產品服務，最近其工程師對備用100千瓦IGBT模塊的冷卻方式進行評估，散熱量達兩千瓦。
冷卻兩千瓦集成電路
Amulaire開始量化該挑戰，并側重于散熱量達2千瓦的100千瓦IGBT功率模塊，因為這樣的模塊是轉換器和逆變器電路常用的配置。IGBT主要用作電源和電機驅動應用中循環電路和逆變器電路中靜態和動態間的轉換。IGBT三維多層封裝的出現能有助于實現更高的可靠性，降低電噪聲和成本。不過，這種方法將電子模塊更緊密地結合在一起，增加了熱通量和熱密度。
圖2：此圖顯示的是從芯片結到散熱器表面的熱阻堆棧
在以上提到的任一應用中，一旦功耗部件生成，其使得半導體溫度升高，開關總功耗增加。這些裝置的最高結溫通常是150℃，然而較低的溫度能提高產品可靠性。傳統上的選擇一直是氣冷式散熱器，但由于一些軍事和商業應用要求達到數兆千瓦，散熱器已由鋁制改為銅制，并由于氣冷式散熱器感應能力的限制，液冷散熱器又取代了氣冷式散熱器。
展開 基于Altair Inspire優化筆記本散熱底座
前言：
筆記本散熱底座通過內部渦輪風扇帶動氣流，從筆記本下方進風口涌入，使筆記本產生的熱量盡快的擴散到電腦外部，彌補筆記本尤其是高配筆記本散熱能力不足的缺陷，所以筆記本散熱底座有利于解決筆記本電腦的散熱問題。
利用Altair Inspire可快速敲定底座結構，確保結構可靠性。
常見的散熱底座如圖所示：
1.Inspire Studio建立簡化三維模型，由于Inspire Studio有完整的結構歷史進程，對此可以任意調整模型尺寸而不必對模型進行重建。最終確定適合尺寸。
2.把模型導到Inspire,并設定設計域與非設計域。
3.對模型賦予材料和邊界條件。筆記本重量3kg
邊界條件：底板壓力34N，面板壓力17N，風扇扭矩3n/m
為了后期加工的可行性和美觀，對設計域增加雙向拔模和對稱約束。
4.優化結果
5.分析結果：應力符合要求。
6.利用Inspire自帶的三維建模功能PolyNurbs對模型進行重建。
7.把構建好的模型導到Inspire Studio進行概念設計，該設計采用“天柔地剛”的理念，電腦支撐板結構通過Inspire設計所得，同時采用PolyNurbs對模型重建，在視覺上會呈現不規則但顯柔性美，支架底板通過使用Inspire Studio推敲設計，多虧完整的結構歷史進程，可對模型任意修改且能快速得到想要的結果。底板呈規則形狀，同時為了達到對稱，底板的正前方缺失的一塊也與電腦支撐版正前方空缺的部分相應。
8.對構建好的模型增加散熱裝置，小編在網上購買了如下圖的散熱小風扇。
9.為了安裝方便，直接套入小風扇盒子。
10.如上圖所示，盒子為半封閉狀態，如何解決抽風問題？由于Inspire 自帶點陣優化功能，可通過點陣優化獲取強度合適的抽風孔。
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