了解为什么电子产品会产生热量，如何使用CFD计算流体力学优化冷却系统设计。

了解为什么电子元件冷却对电子电路板的设计至关重要。我们将查看可用的不同选项以及如何使用计算流体力学模拟和虚拟测试冷却系统的性能。

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我们所有的电气设备都是由不同的电子元件组合而成的。每个组件都有特定的功能。以这个非常简单的照明电路为例。电池提供电能，LED从电池提供的能量中产生光，电阻器通过降低电路中的电流来保护LED。如果我们拆下电阻器，LED就会立刻烧坏。

简易照明电路

为什么LED会烧坏？

发光二极管

在电子显微镜下，电子通过电子的流动变得更容易，这是因为电子可以更容易地通过电子元件。

LED部件

它们只能应付一定数量的电子流过它们，否则它们会烧坏。另一方面，电缆的厚度要大得多，因此它可以处理流经电缆的电流。这就是为什么我们有不同尺寸的电缆，来处理不同数量的电流。

回到电阻，这实质上是增加了对电子流动的限制。这就像水管中有一个扭结，扭结限制了多少水可以流过管道，现在水与管壁相撞，因此浪费了能源，并将导致压力下降。正如我们所知，压力就像电压，电阻就像管道中的扭结。所以，当我们在电路上加一个电阻，我们限制电流或电子的流动量，我们得到一个电压降。

电子流动的限制

为什么会有电压降？

如果我们看一根普通的铜线，它是由无数的铜原子组成的。铜是导体，这意味着铜原子有一个电子管，可以在其他原子之间自由移动。它们确实会自然地移动到其他原子上，但在任何方向上都是随机的。如果我们在导线上施加电压差，电池的电压差或压力会迫使电子流过导线。

铜线

但是有了电阻，这种材料的导电性就降低了，并且为电子的流动创造了更困难的路径。电子将要碰撞，当它们碰撞时，它们的能量转化为热。所以电池的能量真的被浪费了，变成了热能。因为电池的能量被电阻器带走了，我们得到了一个电压降。

电阻为电子流动创造了更困难的路径。

这就是为什么当我们通过热成像相机观察电阻时，我们可以看到它正在产生热量。

一些元件，如mosfet和igbt会产生大量的热量。

以这种廉价的台式电源为例。

台式电源

里面有4个MOSFET，这里有2个：

MOSFET

这里有两个：

如果我们拆下散热片，我们稍后再看这个部分，然后给一个1.2A左右的小直流电路供电，我们可以用热成像相机看到，这些元件很快就达到45摄氏度，而且在风扇打开的情况下。我们切断电源是因为我们不想破坏他们。

Mosfet的热成像

所有电子元件都有热极限或最高工作温度。当它们达到或超过这个特定的温度时，它们会击穿并有可能破坏电路板。

对于某些元件，如保险丝，这是可取的，因为材料断裂，这会立即切断电路的电源，这有助于防止元件损坏，但也会完全停止电路板的工作，直到更换保险丝为止。

IGBT

对于像IGBT这样的元件，热量的积累不是件好事，因为随着温度的升高，它们变得不可靠，通过它们的电流也会增加。这个额外的电流产生更多的热量，反过来又允许更多的电流流动，所以组件达到热失控，最终只会自我毁灭。因此，为了提高元器件和电路板的使用寿命，以及保持元器件在稳定、可靠的工作状态，我们需要一种消除其产生的热能的方法。

如何去除电子元件中的热能？

一些元件，比如这个简单的电阻LED电路，在环境条件下工作良好，它们不会产生太多热量，它们产生的任何热量都会消散到环境空气中。

电阻LED电路

当热量开始增加时，我们可以用一个简单的风扇将空气吹过部件。移动的空气会吸收并带走更多的热量。这是在个人电脑上使用的方法，这就是为什么里面有一个风扇，可以从内部组件中去除热量。

简易风扇

热吹扫部件

这个模拟是在web浏览器中运行的，使用SimScale，我们将在本文后面详细介绍它。

但是这种方法有一个问题，我们把一个部件的热量吹掉，然后这些热空气通过其他部件，所以我们冷却一个部件，但是如果我们不小心设计，我们会加热其他部件。

我们通常需要一种更有效的方法来释放部件的热量，一种流行的方法是使用散热器来提供被动冷却。这种散热器通常是一个铝或“铝”（美国）块，有很多散热片。散热片有助于增加部件的表面积，以允许暴露在更多的环境空气中。散热器是由金属制成的，因为它导热性好，比空气好得多。因此，通过使更多的热量更容易逸出，并增加暴露在空气中的次数，我们有效地冷却了部件。但是，使用这种方法可以去除的量是有限制的。

散热片

下一步是将组件连接到散热器上，然后使用风扇将环境空气吹过组件和散热器，以增加散热量。这正是直流台式电源所用的方法。风扇和散热器结合在一起以消除多余的热量。

直流台式电源

你可以看到热量通过散热片消散，当我们切断电源，但让风扇运转时，温度会迅速下降。

散热

另一种最常用于笔记本电脑的方法是使用热管。这是一个奇怪的橙色条，你会看到你的笔记本电脑在处理器和风扇之间运行。

笔记本热管

里面有少量液体和灯芯。处理器的热量被吸收到管道中，这种热量使内部的液体沸腾蒸发，蒸汽流向另一端，温度较低，因为风扇将空气吹过表面，从而将热管中的热量带走。热量的排出使蒸汽凝结成液体，液体沿着灯芯回流以吸收更多的热量，因此循环重复。

内部热泵

这些设备又有一个性能限制，为了提高散热量，我们必须开始使用这些巨大的单元，它们占用了大量空间，并再次将热量吹到其他组件上。

最大冷却的下一个阶段是使用水或液体冷却。你可能已经看到许多高规格的游戏机现在开始使用水冷系统来去除CPU和GPU的热量。

我们基本上有一个小泵，它在CPU的热交换器（被称为“水块”）和散热器之间循环水，散热器是一个带有风扇的热交换器。再次，风扇将空气吹过热交换器，并从水中排出多余的热量，因此水从芯片中吸收多余的热量，将其输送至散热器，然后流经散热器的热交换器。当空气流过时，风扇将空气吹过外部，从而排出多余的热量。因此，水离开较冷，并返回芯片，以获取更多的热量。

PC水冷

这种方法之所以如此有效，是因为水的热容比空气高得多。所以，它可以吸收更多的热量。水冷却系统收集热量并将其带走，然后将其从系统中完全排出，而不是将空气推过散热片并将其吹扫到其他部件上。

效率考量

这种方法越来越多地应用于电力电子，尤其是在大功率应用中，我们经常会发现这些IGBT组。它们产生大量热量，需要长时间可靠运行。

IGBT

正如我们看到的工作台电源的IGBT的间隔和占用了很大的空间。因此，我们可以做的是把这些安装到一个热块上，热块基本上是一个热沉或热交换器，水流过而不是空气。当IGBT产生热量时，它将通过模块进入水中。在IGBT和热块之间，我们有一层厚厚的热糊状物，这有助于增加热量的传递。在缸体内部，我们有这些散热片，有助于增加换热器的表面积，最大限度地暴露在冷却水中以排除热量。

散热片

我们要确保这些特定的IGBT不超过90摄氏度（194华氏度）。

为此，我们将使用SimScale CAE平台来模拟性能。SimScale通过一个用户友好的基于云的应用程序，通过一个简单的订阅模型，提供对在线计算流体力学和有限元分析的即时访问。无需安装您可以免费试用该软件并通过他们的社区帐户在simscale.com上编辑公共项目，也可以通过他们的专业、团队或企业帐户创建具有增强功能的私人项目。如果你想自己试用这个软件点击这里：https://www.simscale.com/ 来个网站的截图。

模拟量表

所以，在我们设计了CAD模型之后，我们可以将其导入SimScale进行分析。我们输入我们的变量，如使用的材料，IGBT的热功率，水的流量和出口压力等。

这提供了我们的基本分析，表明IGBT将在165°C（329.F）左右工作，这一温度过高，将导致元件和电路板的损坏。

我们要做的第一个改变是材料，所以换热器用铝，它的导热系数更高。这意味着热量更容易通过它。我们还将使用更薄的板，这样IGBT就更接近传热区域。使热量更容易到达冷却液。

变化的结果

正如你所看到的，这些简单的改变已经产生了戏剧性的效果。我们的IGBT现在降到了49摄氏度左右，这是完美的，因为它低于我们的90摄氏度的热极限，在我们达到这个极限之前提供了一个很好的缓冲。所以现在我们可以提高设计的效率。

散热片

最初的设计是让这些散热片穿过热交换器，这有助于将水暴露在IGBT的热量下。但我们可以看到，这种设计会导致每个通道的高压降。各通道的压降随下一通道的压降而增大，整个装置的压降较大，且整个装置的压降不一致。

压力降

因此，我们将使用针式设计通道，当我们对此进行模拟时，我们看到每个通道的压力分布更加均匀，整个装置的压差更低，从而改善了散热器的冷却性能。

别针样式

因此，只要在SimScale中模拟冷却系统并进行简单的设计更改，我们就可以非常迅速地大幅改进我们的冷却系统的性能，并确保我们的昂贵和关键的电子电路板在其极限范围内运行，从而最大限度地提高可靠性和寿命，并有效地运行。