笔记本电脑散热系统的热分析

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2023年12月23日发(作者：)

笔记本电脑内热管散热系统的热分析

作者:乔俊生 陈江平 陈芝久

0.前言

当今电子产品的热设计中，由于热流量的不断提高，仅采用标准的翅片式散热片很难满足要求。在笔记本电脑中，由于空间的限制以及对笔记本重量的高要求，都导致不易采用大的散热片，而小的散热片又不能满足热设计的要求。热管由于其导热性能好，热阻小，可将热量稳定地由一处传递到另一处，故通过热管将热量由空间小处传递到一定距离外的相对大空间里的散热片上，再利用风扇迫使周围空气强制对流过散热片的翅片表面以提高换热性能，并最终将热量散发到周围环境中，如下图1中所示，即为一种目前广泛应用与笔记本电脑中的CPU热管散热系统。殷际英[1]对热管型CPU散热器总传热性能的研究表明热管型散热系统可以远距离传递热量，适合与在有限空间内大功率CPU芯片的散热。孔巧玲和贺建华[2]对热管在笔记本中的不同布置位置对散热性能的影响进行了研究，主要为三种方[3]式：通过底板散热，通过键盘散热与通过显示器散热。陶汉中，张红，庄骏通过软件Ansys对热管型翅片散热方式和传统的翅片散热方式的比较分析显示热管型散热器性能明显优于传统的翅片散热器，最高温差下降10K，最大热流密度下降100000w/m2。除了对整个热管散热系统得研究外，对各个部件的研究也很多。Leonard ev[4]对目前热管发展的情况进行了比较详细的介绍。文献[5，6]对板翅式散热片的设计进行了研究。本文通过CFD软件Flotherm建立了整个热管式散热系统得模型，并用实验结果对模型的准确性进行了验证，在其基础上对散热系统进行了一些数值分析。

模型的建立

图1 笔记本电脑中热管散热系统

图2 Flotherm软件中热管散热系统模型

Flotherm 软件中模型的建立：

热管模型：由于热管内部流动形式复杂，不便于直接模拟，可对其做适当简化。热管由管壁，管芯和中间的蒸汽部分组成，热管各部分的热阻分布[7]情况见图3

图3 热管热阻分布图

其中：

-,e：管壁径向热阻，蒸发端（～10℃/W）

,e: 饱和液体/管芯径向热阻，蒸发端 （～10+1℃/W）

,e：热体—蒸汽界面热阻，蒸发端 （～10-5℃/W）

,a：蒸汽空间绝热段热阻（～10-8℃/W）

,a：管壁轴向热阻（～10+2℃/W）

+,a：饱和液体---管芯轴向热阻 （～10℃/W）

,c：热体---蒸汽界面热阻，冷凝端 （～10-5℃/W）

,c：饱和液体/管芯径向热阻，冷凝端 （～10+1℃/W）

,c：管壁径向热阻，冷凝端（～10-1℃/W）

通过图3中的热管热阻分布以及各部分热阻的大小，可对热管做一些简化。真空部分可假设为导热系数很高的材料组成，管壁和管芯可假设为一适当导热系数的材料组成。本文中分别设置为30000w/m.k和40w/m.k。如图1中所示，热管有一个90度的弯曲，故在CFD模型中，热管由一个水平段和一个竖直段组成，如图2所示。本文研究的热管散热系统中采用了两根热管并联传热。

散热片模型：采用Flotherm软件中的heat sink模块，各参数的设置为：长22.5mm，宽52mm，地面厚0.5mm，翅片类型为板翅式，翅片个数为48，翅片高8.5mm，翅片厚0.2mm。材料为铝，导热系数为201w/m.k。

风扇模型：采用风扇模块，固定流量为5cfm。

底板模型：采用Flotherm软件中长22.5mm，宽20mm，厚1mm的Cuboid模块，材料为铜，导热系数为385w/m.k。

热源：采用Flotherm软件中长11mm，宽7mm，厚1mm的cuboid模块。热源的散热量分别取为24w和34w，以便于与相应的实验数据做比较。

2.结果分析

为了研究模型的准确性，将模型计算的结果和某企业提供的实验数据进行了比较，结果见下表1

表2-1 CFD模拟结果和实验值比较

Q（W）

24

34

Te（℃）

27.4

27.5

Te

54.3

65.2

△Te

26.9

37.7

Ts

53.1

63.7

△Ts

25.7

36.2

从表中可以看出，最高温度的温差在5%以内，故通过这个方式建立的CFD模型能应用于模拟整个热管散热模阻的温度分布。图4所示为热源散热量为34w时，单个翅片横截面的温度分布情况。图5反应了热管当量导热系数对散热性能的影响。

图4 34w时翅片横截面上温度分布

图5 热管当量导热系数对散热性能的影响

从图4中可以看出，翅片截面上的温度分布很不均匀，在冷却空气入口侧温度明显低于出口处；这是由于入口处空气流速快，温度低；在入口处吸收翅片上的热量后，温度升高，同时由于与翅片壁的摩擦作用，速度下降，故在出口处的散热效果不如入口处。从图5中可以看出当热管的当量导热系数从5000w/m.k变为40000w/m.k时，整个热管散热系统的性能明显提高，但改善的效果越来越小，由此可见单独改善热管设计虽可以提高性能，减少热管段的热阻，但不能从根本上提高散热系统的性能，这与热管的作用也是相符的，热管只是启到传递热量的作用。从图1中可以看出，这种散热系统的散热片的翅片顶端是封闭的，这与一般的顶端非封闭型的有所不同，图6反应了顶端封闭对散热性能的影响。从图6中可以看出，封闭后的散热效果明显提高，尤其是在小流量时，这主要是由于封闭层首先限制了空气的流动方向，增加了流过翅片表面的空气流速，提高了对流换热性能；另外从图4中也可以看出，通过与散热片翅片顶端的热传导，将热量散发到周围环境中；在小流量时，对流换热效果减弱，导热相对作用增大，故在小流量时这种差别越发明显。

图6 散热片顶端封闭对散热性能的影响

图7 翅片个数对散热性能的影响

图8 翅片厚度对散热性能的影响

从图7中可以看出，增加翅片个数可以减小系统的最高温度，即提高散热性能，但改善的效果越来越小，这主要是由于翅片间的艰巨变小，边界层的影响增大，

导致对流散热性能降低。从图8中可以看出，在翅片厚度很薄时，增加翅片厚度对散热性能的影响不大，但在翅片厚度增加到某一值时，最高温度反而显著提高，随后再单调下降。随风扇流量的增加，最高温度单调下降，图9中反应了这种关系，但风扇流量的增加会引起更大的噪音等问题。

图9 风扇流量对散热性能的影响

3.结论

本文通过对笔记本电脑系统中的热管散热系统进行了数值模拟，并且与实验结果进行了比较，结果显示CFD模拟方法可以有效地反应整个散热系统得性能。但热管模型的建立，尤其是蒸汽段导热系数的设定有一定的经验成分，需根据实验数据来设置。另外，根据建立的模型对散热片顶端封闭情况进行了比较研究，结果表明顶端封闭可以有效地提高散热性能。根据笔记本电脑结构紧凑的特点，在不改变散热系统空间三维尺寸的情况下，研究了其内部结构对散热性能的影响，包括热管导热性能，翅片个数，翅片厚度以及散热片顶端封闭情况。

参考文献

[1] 热管式CPU散热器总传热能力的研究. 殷际英.机械设计与制造,2004.

[2] 热管在笔记本电脑散热中的应用. 孔巧玲，贺建华.电脑开发与应用,2004.

[3] 高速芯片模块热管散热器的数值传热分析. 陶汉中，张红，庄骏.南京工业大学学报,2004

[4] Heat pipes inmodern heat exchangers. Leonard ev. Applied

ThermalEngineering 25(2005)

[5] Trade-off Designof Extruded Heat sinks using Mathematical Optimization.

Kock ,. Journal of electronic packaging,2004,Vol.26

[6] Design ofOptimum Plate-Fin Natural Convective heat Bar-Cohen et al.

Journalof electronic packaging,2003,Vol.125

[7] Heat TransferHandbook. Bejan,Adrian; Krass,Allan D .John Willey & Sons,2003

本文标签： 散热热管性能翅片系统