【经验】如何提高散热性能同时降低成本？通过热仿真软件FlothermXT优化散热器齿片间距

时间： 2023-06-26 来源：世强

一客户需要使用热管穿Fin散热器进行散热，目前遇到散热问题，产品的温度超过要求4℃左右，希望在不改变风扇与整体结构的基础上能将温度降低达标。为此为客户进行理论与热仿真分析，通过调整散热器齿片间距的方式，提高散热器散热性能，达到温度要求，同时新方案的散热器成本相对更低，成功解决客户散热难题。

客户目前散热器的结构如左下图所示，热管将底部热量传导至铝散热片；散热铝片如下方中间图所示，齿片厚度0.4mm，齿片间距0.8mm；使用我司代理的品牌山洋（SANYO DENKI）80*80*38mm轴流风扇9GA0812P1G61将散热片的热量散发至空气完成散热过程，其PQ曲线如右下图所示。

首先为客户进行理论分析。在不改变整体结构的基础上，可以通过优化齿片之间的间距提升散热性能，根据对流散热公式：

Q=h·A·△T

（Q：换热量；h：对流换热系数；A：齿片面积；△T：齿片与环境温差）

可以得出，在同样的散热量Q下，为了得到尽可能小的△T，需要h、A尽可能大，其中h与风速相关，风速越高h越大；A为散热片与风接触面积，可以通过增加散热片数量增加A（即同样尺寸空间内，散热片间距降低，A增大）。然而，如风扇的风量风压PQ曲线所示，风量会随风压升高而降低，也就意味着降低齿间距（增加散热片的数量），一方面会增加散热面积，即A升高，另一方面会增加风压导致风量降低，即h降低，那么，就可以通过调整散热片间距，使得该风扇h与A两者实现最佳匹配，最终达到优化散热性能的目的。

然后根据客户目前的结构使用FlothermXT热仿真软件进行散热仿真分析，左下图为温度分布云图，散热片的平均温度55.45℃，软件计算得到风扇的风压为289.66Pa，风量为1.21m³/min，风扇工作点如右下图所示，可以看到，一方面该工作点位于高压工作区，风压对风量影响大，降低风压可大幅增加风量，另一方面，该工作点位于失速区附近，风扇容易进入到不稳定工况区运行，造成噪声增加与寿命降低。上述分析表明，该散热片的间距相对于该风扇需要调整以提高散热能力与风扇寿命。

而后，将散热片的间距由之前的0.8mm增加到1.2mm，如左下图所示，在相同情况下进行仿真分析，温度分布云图如下图所示，散热片的平均温度49.31℃，相较于之前结果（55.45℃）降低6.14℃，满足客户的温度要求；同时，增加齿间距后，翅片数量减少，散热器成本降低。进一步的，分析该结构的风扇工作点，软件计算风扇的风压251.44Pa，风量1.756m³/min，与之前0.8mm齿片间距结果（风压289.66Pa，风量1.21m³/min）相比，风压仅降低38.22Pa（13.2%），而风量增加0.546m³/min（45.1%），散热面积略微下降而风量大幅提升，达到更优异的散热效果。同时，风扇的工作点离开失速区，提前规避了风扇不稳定工作的风险。

为了更进一步验证散热器齿间距与散热能力的关系，将齿片间距设定到0.6mm、0.8mm、1mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm进行对比测试，以散热片的平均温度作为散热性能评价标准，平均温度越低，散热性能越好。仿真所得到的散热片平均温度随齿片间距变化曲线如图所示，从图可以直观地看到，散热片平均温度随着齿片间距的增加，呈现先降低后升高的趋势，在齿片间距1.2mm左右达到最佳散热性能，可以粗略得到以下结论：在该风扇与该结构条件下，增加齿间距会降低风压增加风量，同时减少散热面积，在齿间距<1.2mm时，风量起主导作用，增加齿间距可有效加强散热效果；齿间距＞1.2mm时，散热面积起主导作用，增加齿间距会降低散热效果。

综上所述，为客户进行FlothermXT散热仿真优化设计，成功提升客户散热器散热性能，达到散热要求，同时降低了散热器成本；后由我司代理的源阳热能为客户进行打样，客户实测满足性能要求。通过直观的仿真数据分析提前为客户避免了多次打样的时间与金钱的浪费，大大提高客户研发效率。如果您也有相关的散热难题或设计需求，可点击如下链接进行热仿真预约：https://www.sekorm.com/service/1-68.html?serviceName=FloTHERM

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30000h/60℃（53000h/40℃）

脉冲信号

是

53g

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