基于接触热阻模型的笔记本电脑散热性能分析与优化

admin管理员组

文章数量:1531538

2023年12月23日发(作者：)

基于接触热阻模型的笔记本电脑散热性能分析与优化

林潘忠;孙蓓蓓;赵天

【摘 要】为改善笔记本电脑表面温度高、热流密度大等问题，基于接触热阻理论建立了某笔记本电脑的数值分析模型，并对其内部温度场和气流场进行数值模拟，对散热结构进行优化．采用热成像仪、热电偶对其温度场和关键点温度进行实验验证．结果表明：原样机的进风口和热管设计不合理，不利于芯片散热．通过调整笔记本电脑进风口位置使其内部流场更加合理；改变热管布置解决了热量集中的问题，CPU的最高温度降低了6.0℃；优化散热肋片的尺寸，有效地提高了系统的散热能力．研究结果对笔记本电脑以及其他电子产品的散热设计有很好的参考价值．%In

order to solve the high surface temperature and high heat flux of

notebook computers, a numerical model is set up based on the theory of

contact resistance,and the temperature field and the airflow field is

simulated for the purpose of thermal structure

temperature dis-tribution of the notebook computer is obtained by

experimental results show that the unrea-sonable design of the

air inlet and heat pipe makes little contribution to the chip is

more fluent of internal airflow through adjusting the position of the air

ularly,the CPU temper-ature can be diminished by 6 ℃ with the

optimal setting of the heat pipe,and the problem of heat concentration

can be s,the optimal parameters of cooling fin can enhance

the cooling capacity of the notebook uently,the results

have a good reference value for the thermal design of notebook

computers and other electronic products.

【期刊名称】《东南大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2014(000)001

【总页数】6页(P93-98)

【关键词】笔记本电脑;接触热阻;热分析;散热优化

【作 者】林潘忠;孙蓓蓓;赵天

【作者单位】东南大学机械工程学院，南京211189; 温州职业技术学院机械工程系，温州325035;东南大学机械工程学院，南京211189;东南大学机械工程学院，南京211189

【正文语种】中 文

【中图分类】TK124

笔记本电脑内部空间有限，散热问题一直是其发展的一大技术瓶颈［1］.目前大多数笔记本电脑都采用热管与离心风扇结合的强迫风冷散热方式［2］.国内外对笔记本电脑散热的研究大多停留在实验研究上，根据实验结果对散热结构进行改进，很少有关于整机的数值模拟分析.实验法研究虽然简单有效，但设计周期长、费用高.在产品热设计开发阶段，数值仿真可以很好地预测潜在的问题，从而缩短电子设备研制周期，提高设备可靠性.虽然国内外有一些关于笔记本电脑整机的数值分析［3-5］，但现有的数值模型不够精确，没有考虑到笔记本电脑内部封装元件的接触热阻问题，提出的改进方案也不够全面.因此有必要建立准确的数值仿真模型，对笔记本电脑散热问题进行详细数值分析，为改善散热提供必要的理论依据，寻求改善散热的有效途径.

本文以某型号笔记本电脑为研究对象，对该机在运行Furmark跑机软件时进行热

测试，确定笔记本电脑的温度场分布以及主要热耗元件的温度值.推导了CPU与显卡到热管的传热热阻模型，在此基础上建立了计算笔记本电脑内部温度场与流场的数值模型.根据实验结果与仿真结果对笔记本电脑的散热结构进行了优化.

为了建立正确可靠的数值模型，本文对笔记本电脑样机进行了热测试，实验仪器为红外线热像仪和Fluke网络数据采集器.热像仪可以拍摄计算机表面温度分布;由Fluke数据采集器测得CPU、显卡、键盘及其他热耗元件的表面温度值，CPU和显卡的核心温度可以通过跑机软件直接读出.

图1(a)显示了笔记本电脑的表面温度分布，从图中可以看出，热量主要集中在主板所在区域的键盘处以及出风口位置.图1(b)显示了笔记本电脑进风口与出风口的位置.

笔记本电脑内部元件尺寸小而且复杂，因此在建模时必须进行适当的简化.FloTHERM是一款专业的电子系统散热仿真分析软件，其参数化的建模方式可用于笔记本电脑模型建立［6］.整机的物理模型如图2所示，在热仿真时，热耗元件是主要考虑的对象，因此对于功耗小的元件或者物理尺寸对整机仿真没有影响的小元件可以忽略.图2中的模型主要包括机壳、主板、散热板、热管、风扇、硬盘、电池、光驱等.

根据物理模型对整机进行网格划分，对于CPU、显卡、散热肋片等功耗大或者温度变化较大的元件，需要加密网格以提高模拟的准确性.2个肋片之间必须保证最少有3个网格，以正确模拟肋片间空气的流动状况.网格划分如图3所示，网格总数为903 671.

本文模拟了笔记本电脑在运行Furmark跑机软件时的散热情况，Furmark主要是用来测试显卡性能的软件，因此运行时显卡的功耗较大.热测试时，使用TAT(thermal analysis test)软件测试样机CPU与显卡的功耗以及总功耗，其他热耗元件如硬盘、DDR等可根据经验赋予相应的值，环境温度为25℃.模型中各主

要通风孔开孔率如表1所示，主要元器件的材料与功耗属性如表2所示.

在理论情况下，多层壁导热计算时都是假设层与层之间是完全紧密接触的;在工程实际中，接触表面不可能绝对光滑，任何固体表面之间的接触都不可能是紧密的，它们之间实际上是以离散点接触的形式存在，如图4所示.在这种情况下，两壁面之间只有接触的地方才直接导热，在不接触处存在空隙，热量是通过接触面之间空隙内的流体导热作用传递的，因此接触面将出现温差，存在传热阻力，称为接触热阻［7］.

接触面的热流量经2个面上的接触点导热和接触空隙中的介质导热进行热传递.假设接触面的近似接触面积A由2个接触材料之间的实际接触面积Ac和没有接触的面积Av组成，即A=Ac+Av，若有效非接触空间的厚度为δv，两接触表面的不规则高度为 δv/2，则得到两接触面间的热流量［8］为

式中，K为接触面接触传热系数，计算式为

式中，t1，t2为表面1和表面2的温度值;k1，k2为表面1和表面2的材料导热系数;kf为间隙中介质的导热系数.

在实际中，要确定Ac，Av和 δv的具体数值很难，一般可以通过计算接触面积的近似值得到.笔记本电脑的CPU与导热板、显卡与导热板之间存在间隙，芯片上方热管处的温度值与芯片核心温度值有一定差值.在数值模拟时，必须赋予相应的热阻值，否则就不能反映真实的散热情况.根据式(1)可以推导芯片至导热板的接触热阻Rt的计算公式，即

式中，φ/A为芯片的热流量，在数值上等于芯片的发热功率P，即Rt=(t1－t2)/P.表3和表4显示了CPU与显卡至热管表面的传热热阻数据，在实验时测得笔记本电脑CPU与显卡的核心温度、热管表面温度，以及CPU与显卡的发热功率，则芯片至热管的温度差与芯片功率之比即为该处的接触热阻值.计算得CPU、显卡至热管表面的热阻分别为0.86和0.57 K/W.

表5给出了笔记本电脑各监测点温度的实验值与仿真值.由表可见，温度的实验值与仿真值两者趋势一致，最大误差为7.0%，在工程误差允许范围内，这表明本文数值模型较准确地模拟了实际工况.

以笔记本电脑背面xy=0为平面，厚度方向为z方向.图5显示了z=3 mm平面的温度分布与主板处的空气迹线.

由图5(a)可以看出，CPU最高温度为85.1℃，显卡最高温度为93.3℃，CPU与显卡处的热量非常集中.此外DDR处的温度也较高，达到82.6℃，这是由于DDR主要依靠自然散热，DDR将热量传到机壳，再由机壳将热量散发出去，散热条件较差.

由图5(b)可看出，冷却风从笔记本电脑底部进风口1与进风口2进入电脑，经过离心风扇，在出风口将热管的热量带出.其中进风口1的空气直接经过离心风扇到出风口处，带走热管散热器上的热量;而进风口2的空气先经过CPU，DDR等热耗元件，再经离心风扇到出风口，在这个过程中，冷却风可以带走这些热耗元件的部分热量.

表6给出了笔记本电脑各通风孔的质量流量关系(负号代表出风流量).由于样机出风口正对着显示屏转轴处，因此在出风口存在回流现象.从表中可以看出，进风口2的流量远小于进风口1，这是由于进风口2到风扇入口的空气流动阻力远大于风扇下方的进风口1，因此只有少量空气从进风口2进入机身，从而使机身内依靠自然散热的功耗元件得不到良好的散热［9］.

由以上分析可知，由于CPU和显卡使用同一根热管导热，由于热管的热传导作用，该区域热量较集中，不利于热量的及时散发.将热管布置由图6(a)改为图6(b)，在CPU和显卡上各设置一根热管，其他条件不变，得到如表7所示的各监测点温度变化.

从表7可看出，采用双热管后，CPU的最高温度下降了6℃，降幅非常明显，显

卡温度也有一定程度的下降.从图7可以看出，由于CPU和显卡分别使用不同热管导热，有效避免了热量集中现象，它们各自的散热能力明显增强.

从表6可看出，由于进风口2到风扇入口的流动阻力比进风口1大，冷却空气优先从进风口1进入机身，导致进风口2的空气流量质量过小，这对主板上细小热耗元件的自然散热是不利的.针对上述情况，将风扇下方的进风口1位置向CPU方向移动30 mm，保持开孔率和其他条件不变.

图8显示了改变进风口1位置后z=3 mm平面处的温度分布和流场迹线.从图8(a)可以看出，进风口1向CPU方向移动后，主板上元件温度明显降低;从图8(b)散热模组处的空气迹线图可以看出，经过主板处的空气流量增大，流速也有一定程度的提高，冷却风经进风口2进入机身后，部分流经DDR和主板上发热元件处，故DDR处的冷却效果较好.

表8给出了进风口1向CPU方向移动后各通风孔的流量以及监测点的温度值.从表中可以看出，虽然进入计算机冷却风的总流量有略微减少，但进风口2与进风口1的位置接近后，流动阻力差减小，进风口2的流量有一定提高.这改善了主板处元器件的散热条件，CPU、显卡和DDR处的温度都有一定幅度的下降，尤其是DDR处，最高温度降低了6.7℃.

散热肋片参数的优化是肋片设计中的一个重要问题.热管将热量传导至散热肋片处，散热肋片必须及时有效地将热量散发至外界空气中.散热肋片的参数优化主要包括肋片的材料、高度、长度、肋片厚度、肋片间距等的优化.在工程设计中，肋片高度并不是越高越好，随着肋片高度的增加，肋片表面散热量会不断减小，在材料消耗不变的情况下，当肋片主要尺寸满足一定关系后，其散热效果将达到最好［10］.

笔记本电脑采用的是矩形直肋形状散热片，由于安装空间限制，本文只对散热肋片厚度以及间距进行多方案优选，暂不考虑肋片高度、长度等参数影响.目前采用的

铝制肋片厚度为0.2 mm，间距为1.0 mm，散热片实物如图9所示.设定肋片厚度分别为0.1，0.2，0.3 mm，肋片间距为 0.8，1.0，1.2 mm，对上述9种肋片参数进行数值模拟比较，以笔记本内各监测点最高温度为优化目标，对散热肋片的几种参数方案进行优选匹配.

表9～表11分别给出了散热片在一定肋片厚度对应肋片间距时各监测点的最高温度值以及肋片间的最大风速.分析表9数据可知，在散热器长度不变的情况下，肋片间距变小，则肋片数量增加，换热面积增大，因此可以提高散热效果;但是，间距过小会导致边界层影响增大，对流散热性能降低.此外，在肋片间距相同时，肋片厚度过大或者过小都不利于散热，厚度为0.2 mm散热效果最佳.综上所述，将散热片肋片间距改为0.8 mm，肋片厚度保持0.2 mm，散热器的散热效果最佳，相比于原方案，各监测点最高温度都有一定程度的下降.

1)将热管形式改为双热管布置，可以有效避免显卡和CPU热量集中问题，降低各自温度.

2)调整进风口1的位置，可以增加进风口2的流量，改善DDR等依靠自然散热的热耗元件散热条件，降低元件最高温度.

3)将散热片肋片间距由1 mm改为0.8 mm，增大散热面积，可有效提高散热器的散热效果.

上述研究结果已成功应用于某型号笔记本电脑的散热结构优化中，对其他电子产品的散热设计也有很好的参考价值.

【相关文献】

［1］高翔，凌惠琴，李明，等.CPU散热技术的最新研究进展［J］.上海交通大学学报，2007，41(1):48-53.

Gao Xiang，Ling Huiqin，Li Ming，et advance in cooling techniques for CPU

［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，2007，41(1):48-53.(in Chinese)

［2］Boukhanouf R，Haddad A，North M T，et mental investigation of a flat

plate heat pipe performance using IR thermal imaging camera ［J］.Applied Thermal

Engineering，2006，26(17/18):2148-2156.

［3］Boukhanouf R，Haddad A.A CFD analysis of an electronics cooling enclosure for

application in telecommunication systems ［J］.Applied Thermal Engineering，2010，30(16):2426-2434.

［4］Tari I，Yalcin F analyses of a notebook computer thermal management

system and a proposed passive cooling alternative ［J］.Components and Packaging

Technologies，2010，33(2):443-452.

［5］宋印东，姚寿广，陈静.某型号笔记本计算机散热分析［J］.江苏科技大学学报:自然科学版，2012，26(4):361-365.

Song Yindong，Yao Shouguang，Chen is on heat distribution of a model

notebook computer［J］.Journal of Jiangsu University of Science and Technology:Natural

Science Edition，2012，26(4):361-365.(in Chinese)

［6］李波，李科群，俞丹海.Flotherm软件在电子设备热设计中的应用［J］.电子机械工程，2008，24(3):11-13.

Li Bo，Li Kequn，Yu ation of flotherm software in the thermal design of

electronic equipment［J］.Electro-Mechanical Engineering，2008，24(3):11-13.(in

Chinese)

［7］Liou J H，Chang C W，Chao C，et ization and thermal resistance

measurement for the sintered meshwick evaporator in operating flat-plate heat pipes［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2010，53(7/8):1498-1506.

［8］赵悙殳.电子设备热设计［M］.北京:电子工业出版社，2009:19-20.

［9］刘明.计算机系统级热管理方法的研究［D］.北京:中国科学院理化技术研究所，2009.

［10］Chen Y S，Chien K H，Hung T C，et cal simulation of a heat sink

embedded with a vapor chamber and calculation of effective thermal conductivity of a

vapor chamber［J］.Applied Thermal Engineering，2009，29(13):2655-2664.

本文标签： 散热肋片笔记本电脑进风口热管