筆記本電腦散熱器翅片結(jié)構(gòu)性能

時間：2023-10-20 13:10:52 詩琳計算機畢業(yè)論文我要投稿

相關(guān)推薦

　　相信很多童鞋心中都會有一個疑問，為什么配置相同的筆記本，有時會在性能層面出現(xiàn)巨大差異？有的型號玩游戲時CPU溫度不到85度，有些卻一直頂著99度的上限冒煙運行？

筆記本電腦散熱器翅片結(jié)構(gòu)性能

　　筆記本電腦散熱器翅片結(jié)構(gòu)性能

　　摘要從場協(xié)同原理的基本概念出發(fā)，結(jié)合基本認(rèn)識，開發(fā)出滿足制造工藝的強化傳熱結(jié)構(gòu)翅片，能夠有效降低翅片溫度。

　　本文就是根據(jù)場協(xié)同論原理，在翅片上設(shè)計出適當(dāng)肋，如開縫，打凸包，并移動肋的位置，運用仿真軟件來分析哪種結(jié)構(gòu)能夠最大限度降低翅片溫度，并實驗論證了場協(xié)同原理有效性。

　　關(guān)鍵詞場協(xié)同;對流換熱;FloEFD;仿真

　　1 筆記本電腦散熱器翅片現(xiàn)狀

　　目前筆記本電腦散熱器已經(jīng)發(fā)展到熱管+翅片型散熱器。

　　借由熱管做熱傳輸路徑，將熱量傳輸?shù)匠崞�，再由翅片將熱量散發(fā)到外界環(huán)境。

　　散熱區(qū)域的關(guān)鍵是翅片。

　　2004年，胡俊偉，丁國良針對平直肋片、開縫肋片利用Star-CD軟件進行了數(shù)值模擬，并用場協(xié)同理論進行分析。

　　2005年，李惠珍，屈治國等人對2排X型雙向開縫翅片管換熱器進行實驗研究，結(jié)果表明，開縫翅片的有效傳熱根本原因是翅片開縫后改善了速度與溫度梯度的協(xié)同性。

　　2008年，張京兆、陶文銓等人建立了四個模型對圓形開縫肋片與矩形開縫肋片進行了比較分析計算，得出結(jié)論：相同雷諾數(shù)下，三種開縫圓肋的場協(xié)同性均優(yōu)于方肋開縫翅片。

　　針對目前筆記本電腦使用最廣泛的CPU風(fēng)冷散熱器，本文以筆記本電腦某款散熱器作為實驗研究對象，采用數(shù)值模擬和實驗研究方法測試分析翅片散熱性能。

　　筆記本電腦散熱器由銅塊，結(jié)構(gòu)件，熱管，翅片組成(如圖1所示)。

　　銅塊：借助銅的高導(dǎo)熱率，將熱量從芯片表面?zhèn)鲗?dǎo)到銅塊上。

　　熱管：類似電學(xué)上的導(dǎo)線，將熱量從銅塊處傳遞到散熱區(qū)域(翅片)。

　　結(jié)構(gòu)件：為物理化的散熱器組件提供鎖固，支撐作用。

　　翅片：在一定體積下提供足夠大表面積的散熱區(qū)域，本文翅片材料選擇為鋁。

　　依據(jù)現(xiàn)今筆記本電腦散熱器現(xiàn)狀，采用無源技術(shù)來降低翅片溫度。

　　本文使用在翅片上增加凸包，半開縫，開縫等無源強化方式，對散熱器翅片進行優(yōu)化。

　　2 筆記本散熱器翅片的優(yōu)化設(shè)計分析

　　2.1 場協(xié)同原理

　　過增元等從溫度梯度場和速度場相互配合的角度重新審視對流換熱的物理機制，把對流換熱問題看作是具有“內(nèi)熱源”的導(dǎo)熱問題，“內(nèi)熱源”的大小不僅取決于速度和溫度梯度的絕對值，還取決于他們之間協(xié)同的程度。

　　如公式(1)所示：

　　其中，θ為流場與溫度梯度場之間的夾角。

　　由公式(1)可見，熱源的強度不僅取決于速度場﹑溫度梯度場和夾角三個物理量的絕對值，還取決于這三個物理量間的相互協(xié)同。

　　在速度場和溫度梯度場絕對值一定的情況下，由式(1)可見夾角θ應(yīng)盡量小(當(dāng)θ<90°時)或θ盡可能大(當(dāng)θ>90°時)。

　　場協(xié)同原理是強化單相對流換熱的統(tǒng)一理論。

　　在單相對流強化換熱機理方面，歸納起來就是：減薄熱邊界層厚度;增加流體中的擾動;增加壁面上的速度梯度，這3種機理實際上都導(dǎo)致協(xié)同角的減小。

　　2.2 散熱翅片優(yōu)化設(shè)計

　　如圖2所示，矩形翅片長、寬、高分別為57 mm，11 mm，7 mm，在矩形通道翅片上，在不改變原翅片間距的條件下，進行增加開縫，凸包，以及調(diào)整開縫，凸包位置等方式，達(dá)到減薄熱邊界層的效果。

　　以下方案中，各種開縫，凸包體積一致。

　　形式1：矩形全開縫，位置在進風(fēng)口1/3，高度為翅片高度2/3，厚度為1/2片距。

　　形式2：矩形全開縫，位置在進風(fēng)口1/2，高度為翅片高度2/3，厚度為1/2片距。

　　形式3：矩形全開縫，位置在進風(fēng)口2/3，高度為翅片高度2/3，厚度為1/2片距。

　　形式4：菱形半開縫，位置在進風(fēng)口2/3，高度為翅片高度2/3，厚度為1/2片距。

　　形式5：2個圓形凸包，分布為平行于出風(fēng)方向，位置在距進風(fēng)口2/3處，高度為翅片高度2/3，厚度為1/2片距。

　　形式6：2個紡錘形凸包，分布為平行于出風(fēng)方向，位置在距進風(fēng)口2/3處，高度為翅片高度2/3，厚度為1/2片距。

　　形式7：2個紡錘形凸包，分布為法向于出風(fēng)方向，位置在距進風(fēng)口2/3處，高度翅片高度2/3，厚度為1/2片距。

　　形式8為原始形式。

　　3 應(yīng)用FloEFD軟件仿真對翅片進行性能分析

　　FloEFD的分析步驟包括CAD模型建立、自動網(wǎng)格劃分、邊界施加、求解和后處理等都完全在CAD軟件界面下完成。

　　本文選用的是兼容Pro/Engineer三維建模FloEFD v10.0，所有模型通過Pro/Engineer建模進行裝配后導(dǎo)入軟件后進行分析計算。

　　采用六面體網(wǎng)格，選取空氣作為換熱介質(zhì)，設(shè)為不可壓縮流體，物性參數(shù)按常數(shù)處理;選用k-ε湍流模型，設(shè)定進口溫度為普通室內(nèi)溫度T=293 K，設(shè)風(fēng)道出口為翅片出風(fēng)口。

　　由于不考慮輻射換熱，翅片的邊界條件按絕熱邊界條件來處理。

　　為了能將仿真結(jié)果與實驗測試結(jié)果進行對照，在仿真過程中設(shè)定了2種不同的加熱功率，即筆記本電腦全功率運轉(zhuǎn)及待機時的功率。

　　風(fēng)扇風(fēng)量固定為0.14 m3/min。

　　選擇翅片監(jiān)測點：翅片長度方向1/3，2/3，寬度為翅片總寬1/2的2個點。

　　如下是全功率25W(CPU)+15W(NB)，及待機功率15W(CPU)+10W(NB)仿真結(jié)果。

　　從仿真數(shù)據(jù)分析，2個紡錘形凸包，分布為法向于出風(fēng)方向，位置在距進風(fēng)口2/3處，高度為2/3翅片高，厚度為1/2片距，該設(shè)計為上述7個方案中的最優(yōu)設(shè)計。

　　結(jié)合場協(xié)同原理可以解釋為，打凸包，開縫，破壞了熱邊界層，在流場下方比在流場上方有效。

　　此外，分布于法向出風(fēng)方向的凸包，能產(chǎn)生縱向渦，有效增強散熱。

　　仿真結(jié)果表明，打凸包與開縫比較，打凸包比開縫效果好。

　　4 筆記本散熱器測試與數(shù)據(jù)分析

　　4.1 試驗裝置

　　如圖5所示，試驗系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器，電源供應(yīng)器，測試夾具組成。

　　4.2 試驗測量

　　在試驗過程中，溫度測量系統(tǒng)采用以標(biāo)準(zhǔn)溫度計標(biāo)定的銅-康銅(0.2 mm)熱電偶進行溫度測量，熱電偶信號采用Fluke公司2640 A網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集器采集。

　　為保證試驗測量的準(zhǔn)確度，在試驗前，通過國家認(rèn)可的計量單位(富士康華南檢測中心)進行了校正。

　　通過對整個散熱系統(tǒng)熱平衡情況的測試，得出其誤差小于4%，試驗數(shù)據(jù)可靠。

　　試驗過程中，數(shù)據(jù)的取值需要考慮系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，避免由于系統(tǒng)運行中的波動造成的測量誤差。

　　因此，每組試驗數(shù)據(jù)的讀取，均是整個系統(tǒng)在相應(yīng)的工況下穩(wěn)定一段時間后進行采集，從而減少各種系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生。

　　如下是全功率25 W(CPU)+15W(NB)，及待機功率15W(CPU)+10W(NB)實驗結(jié)果。

　　4.3 實驗結(jié)果與分析

　　選擇有代表性的兩種功率，兩種狀況下，溫度趨勢相同。

　　形式1，形式2，形式3三者相比，形式3溫度最低，說明在開縫條件下，在順風(fēng)流向的下游開縫比上游開縫效率高。

　　形式3與形式4比較，即全開縫與半開縫比較，全開縫與半開縫溫度接近相同。

　　形式3與形式5比較，打凸包比開縫能使溫度降更低。

　　形式5與形式6，形式7比較，順風(fēng)流向的紡錘形，因不能產(chǎn)生縱向渦，溫度最高，圓形凸包與垂直于風(fēng)流向的紡錘形凸包，因能產(chǎn)生縱向渦，溫度低，垂直于風(fēng)流向的紡錘形凸包，因縱向距離比圓形縱向距離長，更容易產(chǎn)生縱向渦，性能較圓形凸包好。

　　從仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，兩者數(shù)據(jù)趨勢一致。

　　仿真與實驗過程中，各個形式對應(yīng)溫度均相近。

　　說明仿真過程中，各參數(shù)設(shè)置合理，實驗過程中，測試誤差小。

　　5 結(jié)論

　　矩形平直散熱片在開縫，打凸包狀態(tài)下，均能提高散熱性能。

　　開縫體積相同時，在風(fēng)向下游開縫，比在風(fēng)向上游開縫有效。

　　凸包與開縫在相同體積下，凸包更能提高散熱性能。

　　相同體積的凸包，形狀不同，對散熱性能影響不同，以垂直于風(fēng)流向的紡錘形凸包最有效。

　　從仿真及實驗中均驗證出場協(xié)同論能夠很好的運用于翅片散熱上，本文所做的紡錘形凸包可以為后續(xù)筆記本電腦散熱器翅片設(shè)計做參考。

　　主要工作內(nèi)容有：

　　1.使用FLOEFD軟件進行熱仿真分析，選擇適合的翅片間具，厚度，材料，并對仿真結(jié)果進行試驗驗證。

　　2.運用場協(xié)同理論對翅片進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，包含打凸包，開縫，移動開縫位置，改變凸包形狀，以及凸包分布狀況等，并使用FLOEFD進行仿真與試驗驗證。