Thermal study · CFD / CHT · 2026-09-24

機殼散熱評估

150 × 100 × 50 mm 機殼，內含 60 × 60 × 25 mm 鋁散熱片與一顆 15 W 晶片。比較四種進出風口與散熱片配置，以空氣與鋁的耦合熱傳（CHT）計算晶片溫度與風扇負載。

風扇 2 L/s（約 4.2 CFM） 進風 25 ℃ 發熱 15 W 求解器 OpenFOAM v2312 建模 FreeCAD 1.0 + CfdOF

結論

建議採用 A + 導風罩：晶片 50.3 ℃，比原始前進後出設計低 14 ℃，熱阻 1.69 ℃/W。

  • 原始 A 設計有一半以上的風從鰭片上方繞過。導風罩把整股風擠進鰭片之間，通道風速由約 1 m/s 升到約 2.2 m/s。
  • 代價是系統壓降由 0.77 Pa 升到 3.0 Pa，40 mm 風扇的最大靜壓一般在 20–40 Pa，負載仍很輕。
  • 側進頂出（B）最差，晶片 83.4 ℃：側風撞上第一片鰭片後往上翻，內側通道幾乎沒有風。把鰭片轉 90° 對準進風方向後降到 63.1 ℃，與 A 相當。
1 · 結果

四種配置比較

配置 晶片溫度 熱阻 Rth 散熱片最高 出風溫度 系統壓降 能量守恆
A + 導風罩 前進後出，漏斗 + 頂蓋 + 側擋牆
50.3 ℃
 1.69 ℃/W 51.1 ℃ 31.3 ℃ 3.01 Pa 15.0 W
B + 鰭片轉 90° 側進頂出，鰭片對準進風
63.1 ℃
 2.54 ℃/W 63.9 ℃ 31.5 ℃ 1.49 Pa 15.5 W
A 前進後出 原始設計
64.1 ℃
 2.61 ℃/W 64.9 ℃ 31.3 ℃ 0.77 Pa 15.0 W
B 側進頂出 原始設計
83.4 ℃
 3.89 ℃/W 84.1 ℃ 31.3 ℃ 1.52 Pa 15.0 W

長條刻度 0–87.6 ℃。熱阻 Rth = (晶片溫度 − 進風溫度) / 15 W。能量守恆以出風溫升 × 風量 × ρcp 回推，與設定的 15 W 相差 ≤ 3 %。

四種配置的晶片溫度與系統壓降長條圖
圖 1晶片溫度與系統壓降。兩項分開作圖，不共用座標軸。
2 · 模型

幾何與邊界條件

四種配置的 FreeCAD 幾何：A、B、A 加導風罩、B 鰭片轉 90 度
圖 2左上 A 前面 40×40 風扇口、背面 60×30 出風口。右上 B 側面 40×40 風扇口、頂面 60×40 出風口。左下 A + 導風罩（橘色）漏斗把風從風扇口導到鰭片高度，頂蓋與側擋牆和鰭片留 1.5 mm 組裝間隙。右下 B + 鰭片轉 90° 鰭片通道開口正對側面進風口。
機殼內部
150 × 100 × 50 mm
散熱片
60 × 60 × 25 mm
鰭片
8 片 × 1.5 mm，間距 6.86 mm
基板
3 mm
晶片（熱源）
20 × 20 mm，15 W
鋁 6063
k 200 W/m·K
風扇（固定風量）
2 L/s，紊流強度 5 %
機殼壁面
絕熱（保守）
3 · 圖面

溫度與流場

每張圖四格排列相同：左上 A、右上 B、左下 A + 導風罩、右下 B + 鰭片轉 90°。除圖 7 外，四格用同一色階，可直接比較。

四種配置的散熱片整體溫度
圖 3散熱片溫度（30–90 ℃）。鋁把熱攤得很平均，每塊散熱片的溫差只有 4–6 ℃，所以決定晶片溫度的是整體對流能力，也就是有多少風真正流過鰭片。
鰭片半高水平切面的空氣溫度
圖 4鰭片半高 z = 12.5 mm 的空氣溫度（25–45 ℃）。B 的冷風停在第一片鰭片前，整塊散熱片泡在熱空氣裡。A + 導風罩的每條鰭片通道都有冷風穿過，鰭片邊界層很薄。
垂直切面的風速分佈
圖 5垂直切面風速（0–2.5 m/s）。A 的主流大部分走鰭片上方的空間。A + 導風罩的漏斗把風壓進鰭片高度，通道風速約 2.2 m/s。切面位於兩片鰭片中間，所以只看得到基板。
從進風口放出的流線，以空氣溫度著色
圖 6流線，以空氣溫度著色。A 的流線大多保持黑色（冷），代表沒有接觸鰭片就離開。B 的流線撞上散熱片側面後往上翻、在機殼內繞圈。
散熱片中剖面的鋁內部溫度
圖 7鋁內部熱傳導剖面。每格色階依該配置的溫度範圍自動調整，用來看熱從晶片往鰭片擴散的路徑：熱點在晶片正上方的基板，外側鰭片尖端最冷。
散熱片表面固定 60 度時的熱通量分佈，A 與 B
圖 8等溫檢核：散熱片表面固定 60 ℃ 時的熱通量（0–1500 W/m²）。左 A、右 B。A 的鰭片前緣散熱最強，往下游遞減。B 幾乎只有正對進風的那片外側鰭片在散熱。
4 · 方法

計算方法與驗證

流程

  1. FreeCAD PartDesign 建立散熱片、流體域與導風罩（全部草圖驅動、可改尺寸）。
  2. 匯出 STL，分為 inlet / outlet / wall 與 heatsink。
  3. snappyHexMesh 以 locationsInMesh 一次切出空氣與鋁兩個區域，約 29–35 萬 cells，散熱片表面 0.75 mm。
  4. chtMultiRegionSimpleFoam 穩態求解，k-ω SST 紊流模型並計入浮力，800–1000 步；晶片溫度約 130 步後穩定。
  5. ParaView 6.1 pvbatch 出圖，並存成 state 檔供互動檢視。

驗證

  • 能量守恆：四種配置由出風溫升回推的熱量為 15.0–15.5 W，對應設定的 15 W。
  • 等溫交叉檢核：用 CfdOF 把 A 的散熱片表面固定在 60 ℃，得到 Rth = 2.24 ℃/W。CHT 算出的散熱片平均溫度對應 2.41 ℃/W，兩者一致。多出的 0.17 ℃/W 是晶片熱量在基板內擴散的熱阻。
  • 求解流程驗證：同一套 CfdOF + OpenFOAM 流程先跑圓管層流 Re = 100，與 Hagen–Poiseuille 解析解比較，速度剖面誤差 0.9 %、壓降梯度誤差 0.05 %。

限制

  • 風扇以固定風量 2 L/s 表示，沒有用風扇曲線。導風罩讓壓降變成 4 倍，實際風量會略為下降；正式設計時請以所選風扇的 P-Q 曲線確認工作點。
  • 晶片到散熱片之間的導熱介面（導熱膏或導熱墊）沒有建模。晶片接面溫度要再加上介面熱阻，例如 0.2 ℃/W × 15 W ≈ 3 ℃。
  • B 系列的穩態解在 ±0.5 ℃ 內擺盪，等溫版 B 沒有完全收斂，只能當約略參考。排名不受影響。
  • 機殼壁面設成絕熱，也沒有計入輻射，所以結果偏保守。
  • 網格：鰭片厚度方向只有 2 格。鋁的 Biot 數很小，厚度方向的溫差可以忽略，但若要取得準確的壁面熱通量，應再做一次網格加密比較。