筆記本電腦散熱優化數值模擬

賈奕　駱驊　鄧招義　王洪遠　趙舉浪

【摘 要】通過以市面上某型號的筆記本電腦為研究對象，分析其散熱器。提出通過改變散熱翅片形狀來提升筆記本電腦散熱能力的優化方案，使用fluent數值模擬進行驗證。驗證表明所設計的散熱翅片相較于原模型的散熱翅片有更好的散熱能力，且節省制作翅片的材料。

【關鍵詞】筆記本電腦;fluent;翅片

中圖分類號： TP368.32 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）19-0007-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.003

0 前言

當今社會，筆記本電腦已經普遍地被人們在生活中使用，成為人們學習、辦公及娛樂必不可少的電子設備。筆記本電腦內部結構復雜，電子元件極多，自身體積較小，使CPU、顯卡和北橋（NB）等部件產生的熱量比較集中。筆記本電腦散熱不良的問題會導致CPU的自動降頻，電腦運行處理能力大幅下降，硬盤的數據傳輸能力也會受到很大的影響。散熱同樣也需要消耗電能，所以散熱不良也會間接地減短筆記本電腦的續航時間。

1 筆記本電腦散熱原理

該型號的筆記本電腦采用熱管與離心風扇結合的強迫風冷散熱方式進行散熱。所配置的處理器（CPU）為英特爾corei5 M430，散熱設計功耗為35W。顯卡型號為Nvidia Gefore 9200MGS，散熱設計功耗為12W。

如圖所示，CPU與顯卡為熱源，所產生的熱量通過連接材料傳遞至熱管。熱管的蒸發端吸收來自顯卡和CPU的熱量，冷凝端釋放熱量至翅片組。當蒸發端吸收了熱量以后，毛細管中的工質從液體蒸發為氣體，蒸發的氣體在壓力差下流向冷凝端，并且發生液化，將熱量傳遞至翅片組，液體流回蒸發端。就這樣通過工質周而復始的相變來傳遞熱量。當熱量傳遞至翅片組中后，由離心風扇產生的氣流與翅片組進行對流換熱，從而將熱量帶出筆記本電腦內部。

三種翅片都是以上端為始端，下端為終端。矩形翅片的橫截面為一矩形，三角形翅片的橫截面為三角形，液滴形翅片的橫截面為一組合形狀，始端為一半圓，連接半圓的下部分為三角形。三種翅片的長、寬、厚都是相同的，翅片組的翅片數和翅片之間的間距也相同。矩形翅片為樣機翅片的形狀，三角形翅片和液滴形翅片為設計的翅片形狀。

3 Fluent數值模擬

首先進行幾何模型的建立。通過對樣機散熱器進行數據采集得到樣機散熱器的實際幾何尺寸。其中主要的參數為翅片的長、寬、厚、翅片之間的間距以及翅片組中的翅片數量。翅片的參數如下表1所示。

表1 翅片參數

通過SolidWorks軟件進行幾何模型的建立。再對散熱器的散熱結構進行分析后制作出了散熱器的熱阻網絡圖，如圖10所示。

圖10 散熱器的熱阻網絡圖

傳熱方式皆為熱傳導，最終計算出翅片溫度為70.3℃，模擬的入口風溫為25℃，湍流度為5.7%。

網格的劃分軟件采用ICEM。其中最主要的翅片部分的網格如圖11所示。

將網格文件導入Fluent進行計算。使用Fluent軟件對三個模型的網格進行計算，通過計算可以得到空氣流過翅片組的溫度場和速度場等參數，從而分析不同模型翅片組的散熱能力強弱。其中設置模型的邊界條件，進口條件設置進口模型為Velocity-inlet，進口溫度為298k，入口風速為7m/s，湍流度為6%;出口條件設置出口模型為Outflow;翅片邊界條件設置翅片模型為Wall型，視翅片組為內熱源，Temperature設置為343.3K。最終得到的計算云圖如圖（11-17）所示。

通過溫度云圖和速度云圖可以明確地看到，在溫度云圖中，翅片組作為熱源，當冷卻氣流流過翅片組以后，氣流溫度升高，隨著氣流流動距離的增加，氣流溫度又慢慢地降低;速度云圖中，翅片組作為一個靜止的物體，當冷卻氣流流過翅片組以后，速度有一個明顯的降低。三個模型的溫度云圖和速度云圖都很相似，具體差異在于具體某一點的值發生了變化。

4 結果分析

對模型進行散熱能力分析。取100s為一個時間，計算在該時間段里，空氣共帶走的熱量。計算結果如圖18所示。

模型2在時長為100s通過冷卻風帶走的熱量相較于模型1帶走的熱量提高了22.42%;模型3相較于模型1冷卻風帶走的熱量提高了24.77%;模型3相較于模型2冷卻風帶走的熱量提高了1.92%。冷卻風所獲得的熱量來自于翅片組，因而模型2、模型3的冷卻風帶走的熱量多于模型1中冷卻風帶走的熱量，即模型2、模型3的散熱效果要優于模型1。但模型2和模型3兩者的散熱量相差不大。當模型1的筆記本電腦不能很好地滿足散熱要求時，模型2和模型3的翅片組有一定的能力增強模型1的散熱能力。

對制作散熱翅片用料的多少進行分析。模型1、模型2、模型3，三種翅片的形狀發生了很大的變化，故其體積、質量也發生了相應的變化。翅片的材料為銅，以45片翅片為一組，以幾何尺寸為基礎計算各種翅片的體積V，從而計算翅片的質量。計算結果如圖19所示。

由圖可知，模型1的翅片組的質量最大，模型1翅片組的質量相較于模型2翅片組的質量增加了100%;模型1翅片組的質量相較于模型3翅片組的質量增加了98.97%;模型3翅片組的質量相較于模型2翅片組的質量增加了0.519%。同樣，模型2、模型3兩者翅片組的質量還是相差無幾，而兩者翅片組的質量與模型1翅片組的質量相比卻減少了很多。通常，筆記本電腦的翅片材料選擇都為鋁或者銅，銅的導熱性能要優于鋁，但廠家一般為了節約成本，通常選擇鋁作為翅片的加工材料。而該型號的筆記本電腦的翅片材質選擇了銅，若將模型1中的翅片形狀改為模型2、模型3中的翅片形狀，將會節省很大一部分的材料，降低筆記本電腦的生產成本。對于用銅和鋁兩種材質制作的翅片的散熱器，模型2和模型3都能體現其節省材料，降低生產成本的優點。

5 結論

以市場上某型號的筆記本電腦為基礎，對其散熱器進行分析，并提出相應的優化措施。使用SolidWorks、ICEMCFD、fluent等軟件進行數值模擬。分析計算結果后得到以下結論：

（1）兩種設計的翅片的散熱能力提升幅度的變化與入口風速有關，且成正相關。以入口風速為7m/s進行分析，三角形翅片的模型2和液滴形翅片的模型3的散熱能力相較于模型1的散熱能力提高了22.4%至24.77%，模型3相較于模型2提高了1.92%。

（2）模型1的翅片與模型2、模型3翅片的幾何尺寸相同的情況下，制作模型1翅片要比制作模型2、模型3翅片的用料多出98.97%至100%。

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