闕翔　石世宏

摘 要：由“熱致失效”介紹電子設備散熱的重要性及方式，通過將模型簡化及熱管位置的方案規(guī)劃，經(jīng)CFD仿真軟件對各方案進行分析并對比結(jié)果，以此得出適合的最優(yōu)化設計。

關鍵詞：散熱系統(tǒng) CFD 優(yōu)化設計

中圖分類號：TK124 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0016-02

Samsung Electronics Suzhou Computer Co.， Ltd. Jiangsu Province， Suzhou， 215123）

Summary：Based on“Thermally Induced Failure”， it introduces the importance and methods of the electronic equipments thermal solution. Through model simplification and heat-pipe position planning， via CFD analyzes all of the planning and compare the result to get the most optimized design that fits the practical case.

Key words：Thermal System CFD Optimized Design

1 概述

筆記本電腦隨著電子芯片高集成度及運算能力的提升，導致系統(tǒng)必須保證良好的散熱能力。據(jù)統(tǒng)計顯示，所有電腦故障中，有近80%的不良都是由于散熱系統(tǒng)的問題而導致零件失效，進而產(chǎn)生系統(tǒng)故障。

電子設備中每一個具有阻值的元件都是一個發(fā)熱源，元件產(chǎn)生的熱量會導致系統(tǒng)溫度升高及熱應力的增加，進而影響元件、主板及設備在高溫下的可靠性，嚴重情況下甚至會影響設備的壽命，即產(chǎn)生所謂的“熱致失效”。

為保證CPU及其它電子元件正常工作，就必須使其維持在一定的溫度范圍（約-5 ℃～+65 ℃）運行[1]，超過限定溫度，元件性能將顯著下降，這不僅影響設備工作穩(wěn)定性，同時也影響其運行的可靠性。因此對電子設備進行可靠性熱設計是十分必要的。據(jù)相關統(tǒng)計資料顯示，單個電子元件溫度每升高10 ℃，系統(tǒng)可靠性將相應降低至少50%以上。

散熱方式有主動和被動散熱兩種，針對功耗小于5 W的系統(tǒng)，如平板電腦大多使用主動散熱，依靠空氣流動帶走CPU傳至散熱板上的熱量，從而控制溫度處于人體可接受范圍之內(nèi)（一般為40 ℃以內(nèi)）。針對功耗較大的系統(tǒng)，業(yè)界依舊采用風扇搭配散熱模組的結(jié)構進行被動散熱，以此控制電子元件處于合理溫度范圍內(nèi)，進而保證系統(tǒng)處于可靠的工作環(huán)境中。

筆記本電腦散熱效果的優(yōu)劣，可從以下幾個方面來衡量：

（1）高功耗元件位置是否合理，包括主板布局、空氣流通條件等；

（2）系統(tǒng)采用的散熱方式；

（3）散熱系統(tǒng)各部件設計是否合理，包括風扇結(jié)構參數(shù)、模組選材等；

該文利用CFD軟件進行模擬分析，通過調(diào)整風扇出風口處熱管的位置，來分析其對風扇流量及流場分布的影響，從而優(yōu)化設計系統(tǒng)散熱模組，以使系統(tǒng)處于良好的散熱環(huán)境中。

2 實物建模及熱管位置定義

3 CFD仿真分析

為避免CFD軟件劃分網(wǎng)格時在原模型細小邊角處出錯及節(jié)約計算時間，特將模型做簡化，刪除不影響分析結(jié)果的特征，以達到網(wǎng)格的劃分精確度及分析時效性。通過調(diào)整熱管在鰭片中的位置進行模擬計算，分別截取熱管于鰭片中不同位置下的兩個剖面來分析風量及空氣流場分布（如圖3），進而優(yōu)化設計散熱模組。

固定條件為設定鰭片處于系統(tǒng)內(nèi)距機構件上下表面各2.00 mm的間隙，且風扇處于3500轉(zhuǎn)/分鐘的條件下分析。分析結(jié)果如下所示。

由圖4知，風扇出風氣流高速區(qū)位于喉部對立面，其分布區(qū)域不受熱管位置影響。

由圖5知，當熱管位于靠近風扇出風口處的鰭片時（P1～P3位置），出風氣流路徑平緩，熱管垂直方向的位置并不影響氣流路徑；當熱管水平方向處于鰭片中間位置時（P4～P6位置），氣流穿過熱管后并未發(fā)生軌跡變化，前后基本保持一致，由此判定熱管垂直位置并不影響氣流前后路徑；當熱管位于遠離風扇出風口處鰭片上端時（P7位置），氣流穿過熱管后有明顯的上揚趨勢，此方式有利于針對機構件上表面發(fā)熱較嚴重的情況下采用；當熱管位于鰭片中間層時（P8位置），氣流通過熱管后并未發(fā)生前后路徑的改變；當熱管位于遠離風扇出風口處鰭片下端時（P9位置），氣流穿過熱管后路徑有明顯的下沉趨勢，此方式有利于針對機構件下表面發(fā)熱較為嚴重的模式下采用。

4 結(jié)語

（1）熱管位于鰭片尾端時，會影響鰭片出口處的空氣流場方向，實際案例中需確認熱量集中面位于機構件的位置，以此定義散熱模組的布局，通過鰭片出口空氣流場方向的設定，來控制機構件表面溫度。

（2）同一垂直方位條件下，熱管處于鰭片中央位置時會有較好的噪音。

（3）同一水平方位條件下，熱管遠離風扇出風口會導致噪音具有上升趨勢，且出風口風量具有下降趨勢。

（4）熱管處于P1和P3位置時，出風口風量和噪聲都會較好，二者在設計中需考慮筆記本電腦布局等因素做選擇，需將溫度較高的熱管放置在遠離使用者直接接觸的鍵盤面，使使用者得以良好的感官反饋。

參考文獻

[1] 姚廣壽，馬哲樹，羅林.等.電子電器設備中高效熱管散熱技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[C].第八屆全國熱管會議：中國工程熱物理學會熱管專業(yè)組.2002.endprint

摘 要：由“熱致失效”介紹電子設備散熱的重要性及方式，通過將模型簡化及熱管位置的方案規(guī)劃，經(jīng)CFD仿真軟件對各方案進行分析并對比結(jié)果，以此得出適合的最優(yōu)化設計。

關鍵詞：散熱系統(tǒng) CFD 優(yōu)化設計

中圖分類號：TK124 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0016-02

Samsung Electronics Suzhou Computer Co.， Ltd. Jiangsu Province， Suzhou， 215123）

Summary：Based on“Thermally Induced Failure”， it introduces the importance and methods of the electronic equipments thermal solution. Through model simplification and heat-pipe position planning， via CFD analyzes all of the planning and compare the result to get the most optimized design that fits the practical case.

Key words：Thermal System CFD Optimized Design

1 概述

筆記本電腦隨著電子芯片高集成度及運算能力的提升，導致系統(tǒng)必須保證良好的散熱能力。據(jù)統(tǒng)計顯示，所有電腦故障中，有近80%的不良都是由于散熱系統(tǒng)的問題而導致零件失效，進而產(chǎn)生系統(tǒng)故障。

電子設備中每一個具有阻值的元件都是一個發(fā)熱源，元件產(chǎn)生的熱量會導致系統(tǒng)溫度升高及熱應力的增加，進而影響元件、主板及設備在高溫下的可靠性，嚴重情況下甚至會影響設備的壽命，即產(chǎn)生所謂的“熱致失效”。

為保證CPU及其它電子元件正常工作，就必須使其維持在一定的溫度范圍（約-5 ℃～+65 ℃）運行[1]，超過限定溫度，元件性能將顯著下降，這不僅影響設備工作穩(wěn)定性，同時也影響其運行的可靠性。因此對電子設備進行可靠性熱設計是十分必要的。據(jù)相關統(tǒng)計資料顯示，單個電子元件溫度每升高10 ℃，系統(tǒng)可靠性將相應降低至少50%以上。

散熱方式有主動和被動散熱兩種，針對功耗小于5 W的系統(tǒng)，如平板電腦大多使用主動散熱，依靠空氣流動帶走CPU傳至散熱板上的熱量，從而控制溫度處于人體可接受范圍之內(nèi)（一般為40 ℃以內(nèi)）。針對功耗較大的系統(tǒng)，業(yè)界依舊采用風扇搭配散熱模組的結(jié)構進行被動散熱，以此控制電子元件處于合理溫度范圍內(nèi)，進而保證系統(tǒng)處于可靠的工作環(huán)境中。

筆記本電腦散熱效果的優(yōu)劣，可從以下幾個方面來衡量：

（1）高功耗元件位置是否合理，包括主板布局、空氣流通條件等；

（2）系統(tǒng)采用的散熱方式；

（3）散熱系統(tǒng)各部件設計是否合理，包括風扇結(jié)構參數(shù)、模組選材等；

該文利用CFD軟件進行模擬分析，通過調(diào)整風扇出風口處熱管的位置，來分析其對風扇流量及流場分布的影響，從而優(yōu)化設計系統(tǒng)散熱模組，以使系統(tǒng)處于良好的散熱環(huán)境中。

2 實物建模及熱管位置定義

3 CFD仿真分析

為避免CFD軟件劃分網(wǎng)格時在原模型細小邊角處出錯及節(jié)約計算時間，特將模型做簡化，刪除不影響分析結(jié)果的特征，以達到網(wǎng)格的劃分精確度及分析時效性。通過調(diào)整熱管在鰭片中的位置進行模擬計算，分別截取熱管于鰭片中不同位置下的兩個剖面來分析風量及空氣流場分布（如圖3），進而優(yōu)化設計散熱模組。

固定條件為設定鰭片處于系統(tǒng)內(nèi)距機構件上下表面各2.00 mm的間隙，且風扇處于3500轉(zhuǎn)/分鐘的條件下分析。分析結(jié)果如下所示。

由圖4知，風扇出風氣流高速區(qū)位于喉部對立面，其分布區(qū)域不受熱管位置影響。

由圖5知，當熱管位于靠近風扇出風口處的鰭片時（P1～P3位置），出風氣流路徑平緩，熱管垂直方向的位置并不影響氣流路徑；當熱管水平方向處于鰭片中間位置時（P4～P6位置），氣流穿過熱管后并未發(fā)生軌跡變化，前后基本保持一致，由此判定熱管垂直位置并不影響氣流前后路徑；當熱管位于遠離風扇出風口處鰭片上端時（P7位置），氣流穿過熱管后有明顯的上揚趨勢，此方式有利于針對機構件上表面發(fā)熱較嚴重的情況下采用；當熱管位于鰭片中間層時（P8位置），氣流通過熱管后并未發(fā)生前后路徑的改變；當熱管位于遠離風扇出風口處鰭片下端時（P9位置），氣流穿過熱管后路徑有明顯的下沉趨勢，此方式有利于針對機構件下表面發(fā)熱較為嚴重的模式下采用。

4 結(jié)語

（1）熱管位于鰭片尾端時，會影響鰭片出口處的空氣流場方向，實際案例中需確認熱量集中面位于機構件的位置，以此定義散熱模組的布局，通過鰭片出口空氣流場方向的設定，來控制機構件表面溫度。

（2）同一垂直方位條件下，熱管處于鰭片中央位置時會有較好的噪音。

（3）同一水平方位條件下，熱管遠離風扇出風口會導致噪音具有上升趨勢，且出風口風量具有下降趨勢。

（4）熱管處于P1和P3位置時，出風口風量和噪聲都會較好，二者在設計中需考慮筆記本電腦布局等因素做選擇，需將溫度較高的熱管放置在遠離使用者直接接觸的鍵盤面，使使用者得以良好的感官反饋。

參考文獻

[1] 姚廣壽，馬哲樹，羅林.等.電子電器設備中高效熱管散熱技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[C].第八屆全國熱管會議：中國工程熱物理學會熱管專業(yè)組.2002.endprint

摘 要：由“熱致失效”介紹電子設備散熱的重要性及方式，通過將模型簡化及熱管位置的方案規(guī)劃，經(jīng)CFD仿真軟件對各方案進行分析并對比結(jié)果，以此得出適合的最優(yōu)化設計。

關鍵詞：散熱系統(tǒng) CFD 優(yōu)化設計

中圖分類號：TK124 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0016-02

Samsung Electronics Suzhou Computer Co.， Ltd. Jiangsu Province， Suzhou， 215123）

Summary：Based on“Thermally Induced Failure”， it introduces the importance and methods of the electronic equipments thermal solution. Through model simplification and heat-pipe position planning， via CFD analyzes all of the planning and compare the result to get the most optimized design that fits the practical case.

Key words：Thermal System CFD Optimized Design

1 概述

筆記本電腦隨著電子芯片高集成度及運算能力的提升，導致系統(tǒng)必須保證良好的散熱能力。據(jù)統(tǒng)計顯示，所有電腦故障中，有近80%的不良都是由于散熱系統(tǒng)的問題而導致零件失效，進而產(chǎn)生系統(tǒng)故障。

電子設備中每一個具有阻值的元件都是一個發(fā)熱源，元件產(chǎn)生的熱量會導致系統(tǒng)溫度升高及熱應力的增加，進而影響元件、主板及設備在高溫下的可靠性，嚴重情況下甚至會影響設備的壽命，即產(chǎn)生所謂的“熱致失效”。

為保證CPU及其它電子元件正常工作，就必須使其維持在一定的溫度范圍（約-5 ℃～+65 ℃）運行[1]，超過限定溫度，元件性能將顯著下降，這不僅影響設備工作穩(wěn)定性，同時也影響其運行的可靠性。因此對電子設備進行可靠性熱設計是十分必要的。據(jù)相關統(tǒng)計資料顯示，單個電子元件溫度每升高10 ℃，系統(tǒng)可靠性將相應降低至少50%以上。

散熱方式有主動和被動散熱兩種，針對功耗小于5 W的系統(tǒng)，如平板電腦大多使用主動散熱，依靠空氣流動帶走CPU傳至散熱板上的熱量，從而控制溫度處于人體可接受范圍之內(nèi)（一般為40 ℃以內(nèi)）。針對功耗較大的系統(tǒng)，業(yè)界依舊采用風扇搭配散熱模組的結(jié)構進行被動散熱，以此控制電子元件處于合理溫度范圍內(nèi)，進而保證系統(tǒng)處于可靠的工作環(huán)境中。

筆記本電腦散熱效果的優(yōu)劣，可從以下幾個方面來衡量：

（1）高功耗元件位置是否合理，包括主板布局、空氣流通條件等；

（2）系統(tǒng)采用的散熱方式；

（3）散熱系統(tǒng)各部件設計是否合理，包括風扇結(jié)構參數(shù)、模組選材等；

該文利用CFD軟件進行模擬分析，通過調(diào)整風扇出風口處熱管的位置，來分析其對風扇流量及流場分布的影響，從而優(yōu)化設計系統(tǒng)散熱模組，以使系統(tǒng)處于良好的散熱環(huán)境中。

2 實物建模及熱管位置定義

3 CFD仿真分析

為避免CFD軟件劃分網(wǎng)格時在原模型細小邊角處出錯及節(jié)約計算時間，特將模型做簡化，刪除不影響分析結(jié)果的特征，以達到網(wǎng)格的劃分精確度及分析時效性。通過調(diào)整熱管在鰭片中的位置進行模擬計算，分別截取熱管于鰭片中不同位置下的兩個剖面來分析風量及空氣流場分布（如圖3），進而優(yōu)化設計散熱模組。

固定條件為設定鰭片處于系統(tǒng)內(nèi)距機構件上下表面各2.00 mm的間隙，且風扇處于3500轉(zhuǎn)/分鐘的條件下分析。分析結(jié)果如下所示。

由圖4知，風扇出風氣流高速區(qū)位于喉部對立面，其分布區(qū)域不受熱管位置影響。

由圖5知，當熱管位于靠近風扇出風口處的鰭片時（P1～P3位置），出風氣流路徑平緩，熱管垂直方向的位置并不影響氣流路徑；當熱管水平方向處于鰭片中間位置時（P4～P6位置），氣流穿過熱管后并未發(fā)生軌跡變化，前后基本保持一致，由此判定熱管垂直位置并不影響氣流前后路徑；當熱管位于遠離風扇出風口處鰭片上端時（P7位置），氣流穿過熱管后有明顯的上揚趨勢，此方式有利于針對機構件上表面發(fā)熱較嚴重的情況下采用；當熱管位于鰭片中間層時（P8位置），氣流通過熱管后并未發(fā)生前后路徑的改變；當熱管位于遠離風扇出風口處鰭片下端時（P9位置），氣流穿過熱管后路徑有明顯的下沉趨勢，此方式有利于針對機構件下表面發(fā)熱較為嚴重的模式下采用。

4 結(jié)語

（1）熱管位于鰭片尾端時，會影響鰭片出口處的空氣流場方向，實際案例中需確認熱量集中面位于機構件的位置，以此定義散熱模組的布局，通過鰭片出口空氣流場方向的設定，來控制機構件表面溫度。

（2）同一垂直方位條件下，熱管處于鰭片中央位置時會有較好的噪音。

（3）同一水平方位條件下，熱管遠離風扇出風口會導致噪音具有上升趨勢，且出風口風量具有下降趨勢。

（4）熱管處于P1和P3位置時，出風口風量和噪聲都會較好，二者在設計中需考慮筆記本電腦布局等因素做選擇，需將溫度較高的熱管放置在遠離使用者直接接觸的鍵盤面，使使用者得以良好的感官反饋。

參考文獻

[1] 姚廣壽，馬哲樹，羅林.等.電子電器設備中高效熱管散熱技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[C].第八屆全國熱管會議：中國工程熱物理學會熱管專業(yè)組.2002.endprint