林潘忠 孫蓓蓓 趙 天

(1東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 211189)(2溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，溫州 325035)

基于接觸熱阻模型的筆記本電腦散熱性能分析與優(yōu)化

林潘忠1，2孫蓓蓓1趙 天1

(1東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 211189)
(2溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，溫州 325035)

摘 要:為改善筆記本電腦表面溫度高、熱流密度大等問題，基于接觸熱阻理論建立了某筆記本電腦的數(shù)值分析模型，并對其內(nèi)部溫度場和氣流場進(jìn)行數(shù)值模擬，對散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.采用熱成像儀、熱電偶對其溫度場和關(guān)鍵點(diǎn)溫度進(jìn)行實驗驗證.結(jié)果表明:原樣機(jī)的進(jìn)風(fēng)口和熱管設(shè)計不合理，不利于芯片散熱.通過調(diào)整筆記本電腦進(jìn)風(fēng)口位置使其內(nèi)部流場更加合理;改變熱管布置解決了熱量集中的問題，CPU的最高溫度降低了6.0℃;優(yōu)化散熱肋片的尺寸，有效地提高了系統(tǒng)的散熱能力.研究結(jié)果對筆記本電腦以及其他電子產(chǎn)品的散熱設(shè)計有很好的參考價值.

關(guān)鍵詞:筆記本電腦;接觸熱阻;熱分析;散熱優(yōu)化

筆記本電腦內(nèi)部空間有限，散熱問題一直是其發(fā)展的一大技術(shù)瓶頸［1］.目前大多數(shù)筆記本電腦都采用熱管與離心風(fēng)扇結(jié)合的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式［2］.國內(nèi)外對筆記本電腦散熱的研究大多停留在實驗研究上，根據(jù)實驗結(jié)果對散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，很少有關(guān)于整機(jī)的數(shù)值模擬分析.實驗法研究雖然簡單有效，但設(shè)計周期長、費(fèi)用高.在產(chǎn)品熱設(shè)計開發(fā)階段，數(shù)值仿真可以很好地預(yù)測潛在的問題，從而縮短電子設(shè)備研制周期，提高設(shè)備可靠性.雖然國內(nèi)外有一些關(guān)于筆記本電腦整機(jī)的數(shù)值分析［3-5］，但現(xiàn)有的數(shù)值模型不夠精確，沒有考慮到筆記本電腦內(nèi)部封裝元件的接觸熱阻問題，提出的改進(jìn)方案也不夠全面.因此有必要建立準(zhǔn)確的數(shù)值仿真模型，對筆記本電腦散熱問題進(jìn)行詳細(xì)數(shù)值分析，為改善散熱提供必要的理論依據(jù)，尋求改善散熱的有效途徑.

本文以某型號筆記本電腦為研究對象，對該機(jī)在運(yùn)行Furmark跑機(jī)軟件時進(jìn)行熱測試，確定筆記本電腦的溫度場分布以及主要熱耗元件的溫度值.推導(dǎo)了CPU與顯卡到熱管的傳熱熱阻模型，在此基礎(chǔ)上建立了計算筆記本電腦內(nèi)部溫度場與流場的數(shù)值模型.根據(jù)實驗結(jié)果與仿真結(jié)果對筆記本電腦的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化.

1 樣機(jī)實驗

為了建立正確可靠的數(shù)值模型，本文對筆記本電腦樣機(jī)進(jìn)行了熱測試，實驗儀器為紅外線熱像儀和Fluke網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集器.熱像儀可以拍攝計算機(jī)表面溫度分布;由Fluke數(shù)據(jù)采集器測得CPU、顯卡、鍵盤及其他熱耗元件的表面溫度值，CPU和顯卡的核心溫度可以通過跑機(jī)軟件直接讀出.

圖1(a)顯示了筆記本電腦的表面溫度分布，從圖中可以看出，熱量主要集中在主板所在區(qū)域的鍵盤處以及出風(fēng)口位置.圖1(b)顯示了筆記本電腦進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口的位置.

圖1 表面溫度分布和背面進(jìn)出風(fēng)口位置示意圖

2 數(shù)值模型的建立

2.1 物理模型與網(wǎng)格

筆記本電腦內(nèi)部元件尺寸小而且復(fù)雜，因此在建模時必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?FloTHERM是一款專業(yè)的電子系統(tǒng)散熱仿真分析軟件，其參數(shù)化的建模方式可用于筆記本電腦模型建立［6］.整機(jī)的物理模型如圖2所示，在熱仿真時，熱耗元件是主要考慮的對象，因此對于功耗小的元件或者物理尺寸對整機(jī)仿真沒有影響的小元件可以忽略.圖2中的模型主要包括機(jī)殼、主板、散熱板、熱管、風(fēng)扇、硬盤、電池、光驅(qū)等.

圖2 整機(jī)幾何模型

根據(jù)物理模型對整機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對于CPU、顯卡、散熱肋片等功耗大或者溫度變化較大的元件，需要加密網(wǎng)格以提高模擬的準(zhǔn)確性.2個肋片之間必須保證最少有3個網(wǎng)格，以正確模擬肋片間空氣的流動狀況.網(wǎng)格劃分如圖3所示，網(wǎng)格總數(shù)為903 671.

圖3 整機(jī)網(wǎng)格

2.2 功耗元件屬性

本文模擬了筆記本電腦在運(yùn)行Furmark跑機(jī)軟件時的散熱情況，F(xiàn)urmark主要是用來測試顯卡性能的軟件，因此運(yùn)行時顯卡的功耗較大.熱測試時，使用TAT(thermal analysis test)軟件測試樣機(jī)CPU與顯卡的功耗以及總功耗，其他熱耗元件如硬盤、DDR等可根據(jù)經(jīng)驗賦予相應(yīng)的值，環(huán)境溫度為25℃.模型中各主要通風(fēng)孔開孔率如表1所示，主要元器件的材料與功耗屬性如表2所示.

2.3 接觸熱阻特性

在理論情況下，多層壁導(dǎo)熱計算時都是假設(shè)層與層之間是完全緊密接觸的;在工程實際中，接觸表面不可能絕對光滑，任何固體表面之間的接觸都不可能是緊密的，它們之間實際上是以離散點(diǎn)接觸的形式存在，如圖4所示.在這種情況下，兩壁面之間只有接觸的地方才直接導(dǎo)熱，在不接觸處存在空隙，熱量是通過接觸面之間空隙內(nèi)的流體導(dǎo)熱作用傳遞的，因此接觸面將出現(xiàn)溫差，存在傳熱阻力，稱為接觸熱阻［7］.

表1 通風(fēng)口開孔率 %

表2 主要元器件屬性

圖4 固體接觸面示意圖

接觸面的熱流量經(jīng)2個面上的接觸點(diǎn)導(dǎo)熱和接觸空隙中的介質(zhì)導(dǎo)熱進(jìn)行熱傳遞.假設(shè)接觸面的近似接觸面積A由2個接觸材料之間的實際接觸面積Ac和沒有接觸的面積Av組成，即A=Ac+Av，若有效非接觸空間的厚度為δv，兩接觸表面的不規(guī)則高度為 δv/2，則得到兩接觸面間的熱流量［8］為

式中，K為接觸面接觸傳熱系數(shù)，計算式為

式中，t1，t2為表面1和表面2的溫度值;k1，k2為表面1和表面2的材料導(dǎo)熱系數(shù);kf為間隙中介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù).

在實際中，要確定Ac，Av和 δv的具體數(shù)值很難，一般可以通過計算接觸面積的近似值得到.筆記本電腦的CPU與導(dǎo)熱板、顯卡與導(dǎo)熱板之間存在間隙，芯片上方熱管處的溫度值與芯片核心溫度值有一定差值.在數(shù)值模擬時，必須賦予相應(yīng)的熱阻值，否則就不能反映真實的散熱情況.根據(jù)式(1)可以推導(dǎo)芯片至導(dǎo)熱板的接觸熱阻Rt的計算公式，即

式中，φ/A為芯片的熱流量，在數(shù)值上等于芯片的發(fā)熱功率P，即Rt=(t1－t2)/P.表3和表4顯示了CPU與顯卡至熱管表面的傳熱熱阻數(shù)據(jù)，在實驗時測得筆記本電腦CPU與顯卡的核心溫度、熱管表面溫度，以及CPU與顯卡的發(fā)熱功率，則芯片至熱管的溫度差與芯片功率之比即為該處的接觸熱阻值.計算得CPU、顯卡至熱管表面的熱阻分別為0.86和0.57 K/W.

表3 CPU至熱管表面?zhèn)鳠釤嶙?/p>

表4 顯卡至熱管表面?zhèn)鳠釤嶙?/p>

3 結(jié)果與分析

表5給出了筆記本電腦各監(jiān)測點(diǎn)溫度的實驗值與仿真值.由表可見，溫度的實驗值與仿真值兩者趨勢一致，最大誤差為7.0%，在工程誤差允許范圍內(nèi)，這表明本文數(shù)值模型較準(zhǔn)確地模擬了實際工況.

表5 筆記本電腦各監(jiān)測點(diǎn)溫度值 ℃

以筆記本電腦背面xy=0為平面，厚度方向為z方向.圖5顯示了z=3 mm平面的溫度分布與主板處的空氣跡線.

由圖5(a)可以看出，CPU最高溫度為85.1℃，顯卡最高溫度為93.3℃，CPU與顯卡處的熱量非常集中.此外DDR處的溫度也較高，達(dá)到82.6℃，這是由于DDR主要依靠自然散熱，DDR將熱量傳到機(jī)殼，再由機(jī)殼將熱量散發(fā)出去，散熱條件較差.

由圖5(b)可看出，冷卻風(fēng)從筆記本電腦底部進(jìn)風(fēng)口1與進(jìn)風(fēng)口2進(jìn)入電腦，經(jīng)過離心風(fēng)扇，在出風(fēng)口將熱管的熱量帶出.其中進(jìn)風(fēng)口1的空氣直接經(jīng)過離心風(fēng)扇到出風(fēng)口處，帶走熱管散熱器上的熱量;而進(jìn)風(fēng)口2的空氣先經(jīng)過CPU，DDR等熱耗元件，再經(jīng)離心風(fēng)扇到出風(fēng)口，在這個過程中，冷卻風(fēng)可以帶走這些熱耗元件的部分熱量.

圖5 原樣機(jī)溫度分布圖與空氣跡線圖

表6給出了筆記本電腦各通風(fēng)孔的質(zhì)量流量關(guān)系(負(fù)號代表出風(fēng)流量).由于樣機(jī)出風(fēng)口正對著顯示屏轉(zhuǎn)軸處，因此在出風(fēng)口存在回流現(xiàn)象.從表中可以看出，進(jìn)風(fēng)口2的流量遠(yuǎn)小于進(jìn)風(fēng)口1，這是由于進(jìn)風(fēng)口2到風(fēng)扇入口的空氣流動阻力遠(yuǎn)大于風(fēng)扇下方的進(jìn)風(fēng)口1，因此只有少量空氣從進(jìn)風(fēng)口2進(jìn)入機(jī)身，從而使機(jī)身內(nèi)依靠自然散熱的功耗元件得不到良好的散熱［9］.

表6 筆記本電腦各通風(fēng)孔流量 g/s

4 散熱系統(tǒng)優(yōu)化

4.1 改變熱管布置方式

由以上分析可知，由于CPU和顯卡使用同一根熱管導(dǎo)熱，由于熱管的熱傳導(dǎo)作用，該區(qū)域熱量較集中，不利于熱量的及時散發(fā).將熱管布置由圖6(a)改為圖6(b)，在CPU和顯卡上各設(shè)置一根熱管，其他條件不變，得到如表7所示的各監(jiān)測點(diǎn)溫度變化.

圖6 熱管改善示意圖

表7 改變熱管布置后各監(jiān)測點(diǎn)溫度值 ℃

從表7可看出，采用雙熱管后，CPU的最高溫度下降了6℃，降幅非常明顯，顯卡溫度也有一定程度的下降.從圖7可以看出，由于CPU和顯卡分別使用不同熱管導(dǎo)熱，有效避免了熱量集中現(xiàn)象，它們各自的散熱能力明顯增強(qiáng).

圖7 熱管改善后z=3 mm處溫度分布圖

4.2 進(jìn)風(fēng)口位置優(yōu)化

從表6可看出，由于進(jìn)風(fēng)口2到風(fēng)扇入口的流動阻力比進(jìn)風(fēng)口1大，冷卻空氣優(yōu)先從進(jìn)風(fēng)口1進(jìn)入機(jī)身，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)口2的空氣流量質(zhì)量過小，這對主板上細(xì)小熱耗元件的自然散熱是不利的.針對上述情況，將風(fēng)扇下方的進(jìn)風(fēng)口1位置向CPU方向移動30 mm，保持開孔率和其他條件不變.

圖8顯示了改變進(jìn)風(fēng)口1位置后z=3 mm平面處的溫度分布和流場跡線.從圖8(a)可以看出，進(jìn)風(fēng)口1向CPU方向移動后，主板上元件溫度明顯降低;從圖8(b)散熱模組處的空氣跡線圖可以看出，經(jīng)過主板處的空氣流量增大，流速也有一定程度的提高，冷卻風(fēng)經(jīng)進(jìn)風(fēng)口2進(jìn)入機(jī)身后，部分流經(jīng)DDR和主板上發(fā)熱元件處，故DDR處的冷卻效果較好.

圖8 改變進(jìn)風(fēng)口1位置后溫度分布與空氣跡線圖

表8給出了進(jìn)風(fēng)口1向CPU方向移動后各通風(fēng)孔的流量以及監(jiān)測點(diǎn)的溫度值.從表中可以看出，雖然進(jìn)入計算機(jī)冷卻風(fēng)的總流量有略微減少，但進(jìn)風(fēng)口2與進(jìn)風(fēng)口1的位置接近后，流動阻力差減小，進(jìn)風(fēng)口2的流量有一定提高.這改善了主板處元器件的散熱條件，CPU、顯卡和DDR處的溫度都有一定幅度的下降，尤其是DDR處，最高溫度降低了6.7℃.

4.3 散熱肋片參數(shù)優(yōu)化匹配

散熱肋片參數(shù)的優(yōu)化是肋片設(shè)計中的一個重要問題.熱管將熱量傳導(dǎo)至散熱肋片處，散熱肋片必須及時有效地將熱量散發(fā)至外界空氣中.散熱肋片的參數(shù)優(yōu)化主要包括肋片的材料、高度、長度、肋片厚度、肋片間距等的優(yōu)化.在工程設(shè)計中，肋片高度并不是越高越好，隨著肋片高度的增加，肋片表面散熱量會不斷減小，在材料消耗不變的情況下，當(dāng)肋片主要尺寸滿足一定關(guān)系后，其散熱效果將達(dá)到最好［10］.

表8 改變進(jìn)風(fēng)口1位置后流量及監(jiān)測點(diǎn)溫度值變化

筆記本電腦采用的是矩形直肋形狀散熱片，由于安裝空間限制，本文只對散熱肋片厚度以及間距進(jìn)行多方案優(yōu)選，暫不考慮肋片高度、長度等參數(shù)影響.目前采用的鋁制肋片厚度為0.2 mm，間距為1.0 mm，散熱片實物如圖9所示.設(shè)定肋片厚度分別為0.1，0.2，0.3 mm，肋片間距為 0.8，1.0，1.2 mm，對上述9種肋片參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬比較，以筆記本內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)最高溫度為優(yōu)化目標(biāo)，對散熱肋片的幾種參數(shù)方案進(jìn)行優(yōu)選匹配.

圖9 熱管散熱器實物圖

表9～表11分別給出了散熱片在一定肋片厚度對應(yīng)肋片間距時各監(jiān)測點(diǎn)的最高溫度值以及肋片間的最大風(fēng)速.分析表9數(shù)據(jù)可知，在散熱器長度不變的情況下，肋片間距變小，則肋片數(shù)量增加，換熱面積增大，因此可以提高散熱效果;但是，間距過小會導(dǎo)致邊界層影響增大，對流散熱性能降低.此外，在肋片間距相同時，肋片厚度過大或者過小都不利于散熱，厚度為0.2 mm散熱效果最佳.綜上所述，將散熱片肋片間距改為0.8 mm，肋片厚度保持0.2 mm，散熱器的散熱效果最佳，相比于原方案，各監(jiān)測點(diǎn)最高溫度都有一定程度的下降.

表9 肋片間距為0.8 mm時散熱效果

表10 肋片間距為1.0 mm時散熱效果

表11 肋片間距為1.2 mm時散熱效果

5 結(jié)論

1)將熱管形式改為雙熱管布置，可以有效避免顯卡和CPU熱量集中問題，降低各自溫度.

2)調(diào)整進(jìn)風(fēng)口1的位置，可以增加進(jìn)風(fēng)口2的流量，改善DDR等依靠自然散熱的熱耗元件散熱條件，降低元件最高溫度.

3)將散熱片肋片間距由1 mm改為0.8 mm，增大散熱面積，可有效提高散熱器的散熱效果.

上述研究結(jié)果已成功應(yīng)用于某型號筆記本電腦的散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，對其他電子產(chǎn)品的散熱設(shè)計也有很好的參考價值.

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Thermal analysis and optimization of notebook computer based on thermal contact resistance

Lin Panzhong1，2Sun Beibei1Zhao Tian1

(1School of Mechanical Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China)
(2Department of Mechanical Engineering，Wenzhou Vocational and Technical College，Wenzhou 325035，China)

Abstract: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 optimization.The temperature distribution of the notebook computer is obtained by experimental tests.The results show that the unreasonable design of the air inlet and heat pipe makes little contribution to the chip cooling.It is more fluent of internal airflow through adjusting the position of the air inlet.Particularly，the CPU temperature can be diminished by 6℃ with the optimal setting of the heat pipe，and the problem of heat concentration can be solved.Besides，the optimal parameters of cooling fin can enhance the cooling capacity of the notebook computer.Consequently，the results have a good reference value for the thermal design of notebook computers and other electronic products.

Key words:notebook computer;thermal contact resistance;thermal analysis;thermal optimization

中圖分類號:TK124

A

1001－0505(2014)01-0093-06

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.01.017

收稿日期:2013-05-27.

林潘忠(1989—)，男，碩士生;孫蓓蓓(聯(lián)系人)，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，bbsun@seu.edu.cn.

基金項目:江蘇省“六大人才高峰”資助項目、江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新基金資助項目(BY2011151)、宿遷市科技創(chuàng)新專項資金資助項目(H201215).

林潘忠，孫蓓蓓，趙天.基于接觸熱阻模型的筆記本電腦散熱性能分析與優(yōu)化［J］.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014，44(1):93-98.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.01.017］