基于FloTHERM的筆記本電腦表面散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)

韓俠 陳再良

摘 ? 要：針對(duì)筆記本電腦運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)表面溫度過高的問題，用Flotherm仿真建模-數(shù)據(jù)分析-實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的方法，研究了降低其表面溫度的方案。研究結(jié)果表明：采用厚度為0.05mm，長(zhǎng)寬216mm×66mm尺寸的石墨片可以使樣機(jī)表面溫度下降3℃，同時(shí)對(duì)仿真過程中出現(xiàn)的模擬值和實(shí)驗(yàn)測(cè)量值誤差進(jìn)行總結(jié)分析，在不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的前提下保證仿真模擬的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：筆記本電腦 ?散熱 ?模型 ?仿真

中圖分類號(hào)：TK124 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）08（b）-0111-05

Abstract： Aiming at the problem of excessive surface temperature after laptop running for a period of time， the method of Flotherm simulation modeling-data analysis-experiment optimization was used to study the scheme of reducing the surface temperature of laptop. The results show that the surface temperature of the prototype can be reduced by 3 degrees by using graphite sheets with thickness of 0.05 mm and length of 216 mm×66 mm. At the same time， the errors of simulation and experimental measurements in the simulation process are summarized and analyzed to ensure the accuracy of simulation without affecting the experimental results.

Key Words： Laptop; Dissipate heat; Model; Simulation

筆記本電腦散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的工程，既要考慮散熱的效率又要考慮緊湊的安裝空間限制。當(dāng)前筆記本電腦朝著輕薄便攜的方向發(fā)展，電子器件功率增大體積縮小，散熱系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，表面溫度過高的問題就凸顯出來。尤其在筆記本電腦散熱系統(tǒng)使用一段時(shí)間后，如何在不改變散熱系統(tǒng)整體架構(gòu)和筆記本電腦整體布局的情況下，優(yōu)化處理表面熱點(diǎn)集中的現(xiàn)象就成為一個(gè)亟待解決的問題。

本文旨在通過FloTHERM仿真模擬筆記本電腦的應(yīng)用場(chǎng)景，通過數(shù)值模擬的方法尋找并優(yōu)化解決方案，改善筆記本電腦表面散熱的問題。

1 ?數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 物理模型與網(wǎng)格劃分

對(duì)筆記本電腦進(jìn)行熱測(cè)試，用Fluke數(shù)據(jù)采集器測(cè)量樣機(jī)CPU、GPU、熱管、鰭片和出風(fēng)口的溫度，用FLIR熱成像儀測(cè)量樣機(jī)的表面溫度，由此得出樣機(jī)溫度場(chǎng)分布[1]。樣機(jī)散熱系統(tǒng)由雙風(fēng)扇、VC均熱板和3個(gè)鰭片組成，其中右側(cè)的風(fēng)扇采用雙出風(fēng)口設(shè)計(jì)。圖1是樣機(jī)散熱系統(tǒng)示意圖。

機(jī)殼采用PC/ABS材質(zhì)，尺寸為372.6mm×255mm示意圖。均熱板和熱管采用樣機(jī)簡(jiǎn)化幾何模型，均熱板由四段串聯(lián)組成，熱導(dǎo)率設(shè)置為和熱管一樣的13000W/m;樣機(jī)中有3組鰭片，其中兩組分布于上端出風(fēng)口位置，尺寸為32.3mm×78.2mm，一組分布于右側(cè)出風(fēng)口位置，尺寸為23mm口位置，尺寸為兩，設(shè)置肋片厚度為0.15mm;模型中有兩個(gè)風(fēng)扇，風(fēng)扇類型為離心風(fēng)扇，根據(jù)供應(yīng)商提供的壓力/風(fēng)量曲線設(shè)置相應(yīng)參數(shù);此外機(jī)殼上設(shè)置3個(gè)出風(fēng)口，分別位于鰭片外側(cè)，開孔率設(shè)置為50%，機(jī)殼底面位置設(shè)置3個(gè)進(jìn)風(fēng)口，開孔率設(shè)置為20%。

通過Flotherm內(nèi)部的建模工具，可以對(duì)筆記本電腦建立數(shù)值計(jì)算模型。由于熱仿真主要對(duì)功率器件進(jìn)行模擬，因此對(duì)于小功率器件可以忽略。圖2是對(duì)比樣機(jī)與仿真模型布局。

對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，要求功率器件CPU，GPU和散熱片位置進(jìn)行網(wǎng)格加密。對(duì)CPU和GPU做局域網(wǎng)格加密，每2個(gè)散熱鰭片間至少3個(gè)網(wǎng)格[2]，以模擬熱流密集區(qū)域的空氣流動(dòng)情況。網(wǎng)格劃分如圖3所示，一共3027948個(gè)網(wǎng)格。

1.2 功耗元器件屬性

模型中溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要分布在機(jī)殼表面、導(dǎo)熱板、CPU和GPU。模型中CPU和GPU采用廠商提供的精確模型，其他采用等效模型。

測(cè)試環(huán)境溫度25℃。Fluke數(shù)據(jù)采集器可以測(cè)得CPU、GPU、筆記本機(jī)殼、鍵盤和其他功耗元件的表面溫度，CPU和GPU核心溫度由軟件GPU Monitor獲得。選用3Dmark軟件作為跑機(jī)軟件，3Dmark是一款測(cè)試顯卡的性能的軟件，因此運(yùn)行時(shí)能增加CPU和GPU的功耗，從而獲取穩(wěn)態(tài)條件下樣機(jī)的運(yùn)行環(huán)境。主要元器件功率和屬性如表1所示。

1.3 數(shù)值計(jì)算模型

2 ?結(jié)果與分析

表2給出了數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)溫度的數(shù)值，由表可見，實(shí)驗(yàn)值與仿真值趨于一致，誤差在5%左右，在工程允許范圍內(nèi)。表明此仿真模型能模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以接受。

由圖4可以看出，表面溫度分布比較集中的區(qū)域位于CPU和GPU上方[4]。因?yàn)镃PU和GPU是筆記本電腦的主要熱源，由于該區(qū)域空間狹小，流動(dòng)阻力大使得熱量不易通過空氣流動(dòng)傳遞到外部，因而形成了相對(duì)封閉的空間。散熱模組來不及帶走的熱量直接通過熱傳遞的方式向上擴(kuò)散到機(jī)殼表面，因而造成表面熱流密度大，高溫區(qū)域集中。

表3為仿真模型進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的流量，正值表示進(jìn)入系統(tǒng)的流量，負(fù)值表示從系統(tǒng)內(nèi)流出的流量，兩者之和反映了模型的誤差范圍。由計(jì)算可知，此筆記本電腦仿真模型流量誤差值為0.16%，誤差小于1%，表明仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性在可以接受的誤差范圍內(nèi)。

根據(jù)仿真模型內(nèi)部流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，出風(fēng)口1和出風(fēng)口2的流量遠(yuǎn)大于出風(fēng)口3的流量。另外，由仿真模型流場(chǎng)分布圖可以看到，由于左側(cè)沒有出風(fēng)口，造成來不及通過鰭片排出系統(tǒng)外部的熱流回流到機(jī)殼內(nèi)部，因而造成系統(tǒng)內(nèi)部依靠自然冷卻散熱的功耗器件得不到良好散熱。

針對(duì)這種發(fā)熱現(xiàn)象，要求散熱器能夠分別實(shí)現(xiàn)如下3個(gè)要求：（1）熱量通過平面內(nèi)快速傳送到機(jī)殼與框架;（2）增強(qiáng)機(jī)殼表面紅外線福射效果;（3）擴(kuò)大平面散熱面積，迅速消散熱點(diǎn)。

3 ?表面溫度場(chǎng)優(yōu)化

3.1 導(dǎo)熱材料選擇

石墨散熱片也稱導(dǎo)熱石墨片，是一種導(dǎo)熱散熱材料，具有獨(dú)特的晶粒取向，沿兩個(gè)方向均勻?qū)?，片層狀結(jié)構(gòu)可很好地適應(yīng)任何表面，屏蔽熱源與組件的同時(shí)改進(jìn)消費(fèi)類電子產(chǎn)品的性能。同時(shí)由于石墨材料的可塑性，可以把石墨制備成薄片，貼附在熱源表面。目前的加工技術(shù)，天然石墨片可以達(dá)到0.1mm，人工制備石墨片可以實(shí)現(xiàn)0.03mm[5]。表4列舉了常用導(dǎo)熱材料的物理特性，可見，石墨片在導(dǎo)熱、絕緣和輕質(zhì)方面都完全符合電子產(chǎn)品的要求。

3.2 石墨片厚度優(yōu)化

在Flotherm中機(jī)殼下方新建一個(gè)Cubic，設(shè)置石墨片的熱導(dǎo)系數(shù)1500W/m·K。尺寸為表面可以覆蓋的最大尺寸256mm×86mm，由表5石墨片厚度變化對(duì)表面溫度的影響可以看出0.05mm厚度的石墨片得到表面熱點(diǎn)的最低溫度。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，這種厚度變化是非線性的，當(dāng)厚度增加到0.05mm之后，表面溫度的下降幅度逐漸減小。0.05mm厚度下表面溫度下降了3.1℃。

3.3 石墨片尺寸優(yōu)化

通過Flotherm對(duì)石墨片面積進(jìn)行優(yōu)化，由于樣機(jī)可以設(shè)置最大尺寸為256mm×86mm，在Command center中設(shè)置步長(zhǎng)為20mm，自動(dòng)求解，得到表6石墨片面積變化對(duì)溫度的影響數(shù)據(jù)。由表6可以發(fā)現(xiàn)，第2組數(shù)據(jù)是求解的表面溫度最低數(shù)據(jù)，圖6表明當(dāng)散熱片的面積增加到一定程度，溫度的變化不明顯，為了節(jié)省成本選取面積最小的方案216mm×66mm作為石墨片散熱的最佳方案。

4 ?結(jié)論

（1）石墨片以其材料特性，能沿著兩個(gè)方向均勻散熱可以有效解決表面熱點(diǎn)集中的問題。

（2）216mm×66mm尺寸的石墨片在0.05mm厚度下，貼附在表面熱點(diǎn)下方最大可使得表面溫度下降3℃。

（3）筆記本電腦表面溫度隨石墨散熱片厚度的增加，呈現(xiàn)出先下降后上升的情況，說明石墨片厚度對(duì)溫度的影響存在一個(gè)最優(yōu)厚度;

4）特定厚度的石墨片的面積對(duì)表面溫度的影響是非線性的，當(dāng)石墨片尺寸增加到一定程度，尺寸變化對(duì)表面溫度影響值可以忽略不計(jì)，要取得最優(yōu)化的石墨散熱片尺寸，通過CFD模擬是一種有效的方法。

上述研究結(jié)果已成功運(yùn)用于樣機(jī)中，對(duì)其他電子產(chǎn)品表面散熱問題有借鑒意義。

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