筆記本電腦散熱優(yōu)化數(shù)值模擬

賈奕　駱驊　鄧招義　王洪遠(yuǎn)　趙舉浪

【摘 要】通過以市面上某型號的筆記本電腦為研究對象，分析其散熱器。提出通過改變散熱翅片形狀來提升筆記本電腦散熱能力的優(yōu)化方案，使用fluent數(shù)值模擬進(jìn)行驗證。驗證表明所設(shè)計的散熱翅片相較于原模型的散熱翅片有更好的散熱能力，且節(jié)省制作翅片的材料。

【關(guān)鍵詞】筆記本電腦;fluent;翅片

中圖分類號： TP368.32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）19-0007-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.003

0 前言

當(dāng)今社會，筆記本電腦已經(jīng)普遍地被人們在生活中使用，成為人們學(xué)習(xí)、辦公及娛樂必不可少的電子設(shè)備。筆記本電腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電子元件極多，自身體積較小，使CPU、顯卡和北橋（NB）等部件產(chǎn)生的熱量比較集中。筆記本電腦散熱不良的問題會導(dǎo)致CPU的自動降頻，電腦運行處理能力大幅下降，硬盤的數(shù)據(jù)傳輸能力也會受到很大的影響。散熱同樣也需要消耗電能，所以散熱不良也會間接地減短筆記本電腦的續(xù)航時間。

1 筆記本電腦散熱原理

該型號的筆記本電腦采用熱管與離心風(fēng)扇結(jié)合的強迫風(fēng)冷散熱方式進(jìn)行散熱。所配置的處理器（CPU）為英特爾corei5 M430，散熱設(shè)計功耗為35W。顯卡型號為Nvidia Gefore 9200MGS，散熱設(shè)計功耗為12W。

如圖所示，CPU與顯卡為熱源，所產(chǎn)生的熱量通過連接材料傳遞至熱管。熱管的蒸發(fā)端吸收來自顯卡和CPU的熱量，冷凝端釋放熱量至翅片組。當(dāng)蒸發(fā)端吸收了熱量以后，毛細(xì)管中的工質(zhì)從液體蒸發(fā)為氣體，蒸發(fā)的氣體在壓力差下流向冷凝端，并且發(fā)生液化，將熱量傳遞至翅片組，液體流回蒸發(fā)端。就這樣通過工質(zhì)周而復(fù)始的相變來傳遞熱量。當(dāng)熱量傳遞至翅片組中后，由離心風(fēng)扇產(chǎn)生的氣流與翅片組進(jìn)行對流換熱，從而將熱量帶出筆記本電腦內(nèi)部。

三種翅片都是以上端為始端，下端為終端。矩形翅片的橫截面為一矩形，三角形翅片的橫截面為三角形，液滴形翅片的橫截面為一組合形狀，始端為一半圓，連接半圓的下部分為三角形。三種翅片的長、寬、厚都是相同的，翅片組的翅片數(shù)和翅片之間的間距也相同。矩形翅片為樣機翅片的形狀，三角形翅片和液滴形翅片為設(shè)計的翅片形狀。

3 Fluent數(shù)值模擬

首先進(jìn)行幾何模型的建立。通過對樣機散熱器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集得到樣機散熱器的實際幾何尺寸。其中主要的參數(shù)為翅片的長、寬、厚、翅片之間的間距以及翅片組中的翅片數(shù)量。翅片的參數(shù)如下表1所示。

表1 翅片參數(shù)

通過SolidWorks軟件進(jìn)行幾何模型的建立。再對散熱器的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后制作出了散熱器的熱阻網(wǎng)絡(luò)圖，如圖10所示。

圖10 散熱器的熱阻網(wǎng)絡(luò)圖

傳熱方式皆為熱傳導(dǎo)，最終計算出翅片溫度為70.3℃，模擬的入口風(fēng)溫為25℃，湍流度為5.7%。

網(wǎng)格的劃分軟件采用ICEM。其中最主要的翅片部分的網(wǎng)格如圖11所示。

將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent進(jìn)行計算。使用Fluent軟件對三個模型的網(wǎng)格進(jìn)行計算，通過計算可以得到空氣流過翅片組的溫度場和速度場等參數(shù)，從而分析不同模型翅片組的散熱能力強弱。其中設(shè)置模型的邊界條件，進(jìn)口條件設(shè)置進(jìn)口模型為Velocity-inlet，進(jìn)口溫度為298k，入口風(fēng)速為7m/s，湍流度為6%;出口條件設(shè)置出口模型為Outflow;翅片邊界條件設(shè)置翅片模型為Wall型，視翅片組為內(nèi)熱源，Temperature設(shè)置為343.3K。最終得到的計算云圖如圖（11-17）所示。

通過溫度云圖和速度云圖可以明確地看到，在溫度云圖中，翅片組作為熱源，當(dāng)冷卻氣流流過翅片組以后，氣流溫度升高，隨著氣流流動距離的增加，氣流溫度又慢慢地降低;速度云圖中，翅片組作為一個靜止的物體，當(dāng)冷卻氣流流過翅片組以后，速度有一個明顯的降低。三個模型的溫度云圖和速度云圖都很相似，具體差異在于具體某一點的值發(fā)生了變化。

4 結(jié)果分析

對模型進(jìn)行散熱能力分析。取100s為一個時間，計算在該時間段里，空氣共帶走的熱量。計算結(jié)果如圖18所示。

模型2在時長為100s通過冷卻風(fēng)帶走的熱量相較于模型1帶走的熱量提高了22.42%;模型3相較于模型1冷卻風(fēng)帶走的熱量提高了24.77%;模型3相較于模型2冷卻風(fēng)帶走的熱量提高了1.92%。冷卻風(fēng)所獲得的熱量來自于翅片組，因而模型2、模型3的冷卻風(fēng)帶走的熱量多于模型1中冷卻風(fēng)帶走的熱量，即模型2、模型3的散熱效果要優(yōu)于模型1。但模型2和模型3兩者的散熱量相差不大。當(dāng)模型1的筆記本電腦不能很好地滿足散熱要求時，模型2和模型3的翅片組有一定的能力增強模型1的散熱能力。

對制作散熱翅片用料的多少進(jìn)行分析。模型1、模型2、模型3，三種翅片的形狀發(fā)生了很大的變化，故其體積、質(zhì)量也發(fā)生了相應(yīng)的變化。翅片的材料為銅，以45片翅片為一組，以幾何尺寸為基礎(chǔ)計算各種翅片的體積V，從而計算翅片的質(zhì)量。計算結(jié)果如圖19所示。

由圖可知，模型1的翅片組的質(zhì)量最大，模型1翅片組的質(zhì)量相較于模型2翅片組的質(zhì)量增加了100%;模型1翅片組的質(zhì)量相較于模型3翅片組的質(zhì)量增加了98.97%;模型3翅片組的質(zhì)量相較于模型2翅片組的質(zhì)量增加了0.519%。同樣，模型2、模型3兩者翅片組的質(zhì)量還是相差無幾，而兩者翅片組的質(zhì)量與模型1翅片組的質(zhì)量相比卻減少了很多。通常，筆記本電腦的翅片材料選擇都為鋁或者銅，銅的導(dǎo)熱性能要優(yōu)于鋁，但廠家一般為了節(jié)約成本，通常選擇鋁作為翅片的加工材料。而該型號的筆記本電腦的翅片材質(zhì)選擇了銅，若將模型1中的翅片形狀改為模型2、模型3中的翅片形狀，將會節(jié)省很大一部分的材料，降低筆記本電腦的生產(chǎn)成本。對于用銅和鋁兩種材質(zhì)制作的翅片的散熱器，模型2和模型3都能體現(xiàn)其節(jié)省材料，降低生產(chǎn)成本的優(yōu)點。

5 結(jié)論

以市場上某型號的筆記本電腦為基礎(chǔ)，對其散熱器進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的優(yōu)化措施。使用SolidWorks、ICEMCFD、fluent等軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。分析計算結(jié)果后得到以下結(jié)論：

（1）兩種設(shè)計的翅片的散熱能力提升幅度的變化與入口風(fēng)速有關(guān)，且成正相關(guān)。以入口風(fēng)速為7m/s進(jìn)行分析，三角形翅片的模型2和液滴形翅片的模型3的散熱能力相較于模型1的散熱能力提高了22.4%至24.77%，模型3相較于模型2提高了1.92%。

（2）模型1的翅片與模型2、模型3翅片的幾何尺寸相同的情況下，制作模型1翅片要比制作模型2、模型3翅片的用料多出98.97%至100%。

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