散熱模組中熱管位置研究

闕翔　石世宏

摘 要：由“熱致失效”介紹電子設(shè)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(jìn)行分析并對比結(jié)果，以此得出適合的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：散熱系統(tǒng) CFD 優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號：TK124 文獻(xiàn)標(biāo)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(yùn)算能力的提升，導(dǎo)致系統(tǒng)必須保證良好的散熱能力。據(jù)統(tǒng)計(jì)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(dǎo)致零件失效，進(jìn)而產(chǎn)生系統(tǒng)故障。

電子設(shè)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(dǎo)致系統(tǒng)溫度升高及熱應(yīng)力的增加，進(jìn)而影響元件、主板及設(shè)備在高溫下的可靠性，嚴(yán)重情況下甚至?xí)绊懺O(shè)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(yùn)行[1]，超過限定溫度，元件性能將顯著下降，這不僅影響設(shè)備工作穩(wěn)定性，同時(shí)也影響其運(yùn)行的可靠性。因此對電子設(shè)備進(jìn)行可靠性熱設(shè)計(jì)是十分必要的。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)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(yīng)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(fēng)扇搭配散熱模組的結(jié)構(gòu)進(jìn)行被動散熱，以此控制電子元件處于合理溫度范圍內(nèi)，進(jìn)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(shè)計(jì)是否合理，包括風(fēng)扇結(jié)構(gòu)參數(shù)、模組選材等；

該文利用CFD軟件進(jìn)行模擬分析，通過調(diào)整風(fēng)扇出風(fēng)口處熱管的位置，來分析其對風(fēng)扇流量及流場分布的影響，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)在原模型細(xì)小邊角處出錯及節(jié)約計(jì)算時(shí)間，特將模型做簡化，刪除不影響分析結(jié)果的特征，以達(dá)到網(wǎng)格的劃分精確度及分析時(shí)效性。通過調(diào)整熱管在鰭片中的位置進(jìn)行模擬計(jì)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(fēng)量及空氣流場分布（如圖3），進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)散熱模組。

固定條件為設(shè)定鰭片處于系統(tǒng)內(nèi)距機(jī)構(gòu)件上下表面各2.00 mm的間隙，且風(fēng)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(fēng)扇出風(fēng)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(dāng)熱管位于靠近風(fēng)扇出風(fēng)口處的鰭片時(shí)（P1～P3位置），出風(fēng)氣流路徑平緩，熱管垂直方向的位置并不影響氣流路徑；當(dāng)熱管水平方向處于鰭片中間位置時(shí)（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(dāng)熱管位于遠(yuǎn)離風(fēng)扇出風(fēng)口處鰭片上端時(shí)（P7位置），氣流穿過熱管后有明顯的上揚(yáng)趨勢，此方式有利于針對機(jī)構(gòu)件上表面發(fā)熱較嚴(yán)重的情況下采用；當(dāng)熱管位于鰭片中間層時(shí)（P8位置），氣流通過熱管后并未發(fā)生前后路徑的改變；當(dāng)熱管位于遠(yuǎn)離風(fēng)扇出風(fēng)口處鰭片下端時(shí)（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(jī)構(gòu)件下表面發(fā)熱較為嚴(yán)重的模式下采用。

4 結(jié)語

（1）熱管位于鰭片尾端時(shí)，會影響鰭片出口處的空氣流場方向，實(shí)際案例中需確認(rèn)熱量集中面位于機(jī)構(gòu)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(shè)定，來控制機(jī)構(gòu)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(shí)會有較好的噪音。

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

（4）熱管處于P1和P3位置時(shí)，出風(fēng)口風(fēng)量和噪聲都會較好，二者在設(shè)計(jì)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(yuǎn)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(xiàn)

[1] 姚廣壽，馬哲樹，羅林.等.電子電器設(shè)備中高效熱管散熱技術(shù)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(xué)會熱管專業(yè)組.2002.endprint

摘 要：由“熱致失效”介紹電子設(shè)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(jìn)行分析并對比結(jié)果，以此得出適合的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：散熱系統(tǒng) CFD 優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號：TK124 文獻(xiàn)標(biāo)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(yùn)算能力的提升，導(dǎo)致系統(tǒng)必須保證良好的散熱能力。據(jù)統(tǒng)計(jì)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(dǎo)致零件失效，進(jìn)而產(chǎn)生系統(tǒng)故障。

電子設(shè)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(dǎo)致系統(tǒng)溫度升高及熱應(yīng)力的增加，進(jìn)而影響元件、主板及設(shè)備在高溫下的可靠性，嚴(yán)重情況下甚至?xí)绊懺O(shè)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(yùn)行[1]，超過限定溫度，元件性能將顯著下降，這不僅影響設(shè)備工作穩(wěn)定性，同時(shí)也影響其運(yùn)行的可靠性。因此對電子設(shè)備進(jìn)行可靠性熱設(shè)計(jì)是十分必要的。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)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(yīng)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(fēng)扇搭配散熱模組的結(jié)構(gòu)進(jìn)行被動散熱，以此控制電子元件處于合理溫度范圍內(nèi)，進(jìn)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(shè)計(jì)是否合理，包括風(fēng)扇結(jié)構(gòu)參數(shù)、模組選材等；

該文利用CFD軟件進(jìn)行模擬分析，通過調(diào)整風(fēng)扇出風(fēng)口處熱管的位置，來分析其對風(fēng)扇流量及流場分布的影響，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)在原模型細(xì)小邊角處出錯及節(jié)約計(jì)算時(shí)間，特將模型做簡化，刪除不影響分析結(jié)果的特征，以達(dá)到網(wǎng)格的劃分精確度及分析時(shí)效性。通過調(diào)整熱管在鰭片中的位置進(jìn)行模擬計(jì)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(fēng)量及空氣流場分布（如圖3），進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)散熱模組。

固定條件為設(shè)定鰭片處于系統(tǒng)內(nèi)距機(jī)構(gòu)件上下表面各2.00 mm的間隙，且風(fēng)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(fēng)扇出風(fēng)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(dāng)熱管位于靠近風(fēng)扇出風(fēng)口處的鰭片時(shí)（P1～P3位置），出風(fēng)氣流路徑平緩，熱管垂直方向的位置并不影響氣流路徑；當(dāng)熱管水平方向處于鰭片中間位置時(shí)（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(dāng)熱管位于遠(yuǎn)離風(fēng)扇出風(fēng)口處鰭片上端時(shí)（P7位置），氣流穿過熱管后有明顯的上揚(yáng)趨勢，此方式有利于針對機(jī)構(gòu)件上表面發(fā)熱較嚴(yán)重的情況下采用；當(dāng)熱管位于鰭片中間層時(shí)（P8位置），氣流通過熱管后并未發(fā)生前后路徑的改變；當(dāng)熱管位于遠(yuǎn)離風(fēng)扇出風(fēng)口處鰭片下端時(shí)（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(jī)構(gòu)件下表面發(fā)熱較為嚴(yán)重的模式下采用。

4 結(jié)語

（1）熱管位于鰭片尾端時(shí)，會影響鰭片出口處的空氣流場方向，實(shí)際案例中需確認(rèn)熱量集中面位于機(jī)構(gòu)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(shè)定，來控制機(jī)構(gòu)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(shí)會有較好的噪音。

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

（4）熱管處于P1和P3位置時(shí)，出風(fēng)口風(fēng)量和噪聲都會較好，二者在設(shè)計(jì)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(yuǎn)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(xiàn)

[1] 姚廣壽，馬哲樹，羅林.等.電子電器設(shè)備中高效熱管散熱技術(shù)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(xué)會熱管專業(yè)組.2002.endprint

摘 要：由“熱致失效”介紹電子設(shè)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(jìn)行分析并對比結(jié)果，以此得出適合的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：散熱系統(tǒng) CFD 優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號：TK124 文獻(xiàn)標(biāo)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(yùn)算能力的提升，導(dǎo)致系統(tǒng)必須保證良好的散熱能力。據(jù)統(tǒng)計(jì)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(dǎo)致零件失效，進(jìn)而產(chǎn)生系統(tǒng)故障。

電子設(shè)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(dǎo)致系統(tǒng)溫度升高及熱應(yīng)力的增加，進(jìn)而影響元件、主板及設(shè)備在高溫下的可靠性，嚴(yán)重情況下甚至?xí)绊懺O(shè)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(yùn)行[1]，超過限定溫度，元件性能將顯著下降，這不僅影響設(shè)備工作穩(wěn)定性，同時(shí)也影響其運(yùn)行的可靠性。因此對電子設(shè)備進(jìn)行可靠性熱設(shè)計(jì)是十分必要的。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)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(yīng)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(fēng)扇搭配散熱模組的結(jié)構(gòu)進(jìn)行被動散熱，以此控制電子元件處于合理溫度范圍內(nèi)，進(jìn)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(shè)計(jì)是否合理，包括風(fēng)扇結(jié)構(gòu)參數(shù)、模組選材等；

該文利用CFD軟件進(jìn)行模擬分析，通過調(diào)整風(fēng)扇出風(fēng)口處熱管的位置，來分析其對風(fēng)扇流量及流場分布的影響，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)在原模型細(xì)小邊角處出錯及節(jié)約計(jì)算時(shí)間，特將模型做簡化，刪除不影響分析結(jié)果的特征，以達(dá)到網(wǎng)格的劃分精確度及分析時(shí)效性。通過調(diào)整熱管在鰭片中的位置進(jìn)行模擬計(jì)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(fēng)量及空氣流場分布（如圖3），進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)散熱模組。

固定條件為設(shè)定鰭片處于系統(tǒng)內(nèi)距機(jī)構(gòu)件上下表面各2.00 mm的間隙，且風(fēng)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(fēng)扇出風(fēng)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(dāng)熱管位于靠近風(fēng)扇出風(fēng)口處的鰭片時(shí)（P1～P3位置），出風(fēng)氣流路徑平緩，熱管垂直方向的位置并不影響氣流路徑；當(dāng)熱管水平方向處于鰭片中間位置時(shí)（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(dāng)熱管位于遠(yuǎn)離風(fēng)扇出風(fēng)口處鰭片上端時(shí)（P7位置），氣流穿過熱管后有明顯的上揚(yáng)趨勢，此方式有利于針對機(jī)構(gòu)件上表面發(fā)熱較嚴(yán)重的情況下采用；當(dāng)熱管位于鰭片中間層時(shí)（P8位置），氣流通過熱管后并未發(fā)生前后路徑的改變；當(dāng)熱管位于遠(yuǎn)離風(fēng)扇出風(fēng)口處鰭片下端時(shí)（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(jī)構(gòu)件下表面發(fā)熱較為嚴(yán)重的模式下采用。

4 結(jié)語

（1）熱管位于鰭片尾端時(shí)，會影響鰭片出口處的空氣流場方向，實(shí)際案例中需確認(rèn)熱量集中面位于機(jī)構(gòu)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(shè)定，來控制機(jī)構(gòu)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(shí)會有較好的噪音。

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

（4）熱管處于P1和P3位置時(shí)，出風(fēng)口風(fēng)量和噪聲都會較好，二者在設(shè)計(jì)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(yuǎn)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(xiàn)

[1] 姚廣壽，馬哲樹，羅林.等.電子電器設(shè)備中高效熱管散熱技術(shù)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(xué)會熱管專業(yè)組.2002.endprint