基于FloTHERM的筆記本電腦表面散熱優化設計

韓俠 陳再良

摘 ? 要：針對筆記本電腦運行一段時間后出現表面溫度過高的問題，用Flotherm仿真建模-數據分析-實驗優化的方法，研究了降低其表面溫度的方案。研究結果表明：采用厚度為0.05mm，長寬216mm×66mm尺寸的石墨片可以使樣機表面溫度下降3℃，同時對仿真過程中出現的模擬值和實驗測量值誤差進行總結分析，在不影響實驗結果的前提下保證仿真模擬的準確性。

關鍵詞：筆記本電腦 ?散熱 ?模型 ?仿真

中圖分類號：TK124 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：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設計是一個復雜的工程，既要考慮散熱的效率又要考慮緊湊的安裝空間限制。當前筆記本電腦朝著輕薄便攜的方向發展，電子器件功率增大體積縮小，散熱系統運行一段時間后，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使用一段時間后，如何在不改變散熱系統整體架構和筆記本電腦整體布局的情況下，優化處理表面熱點集中的現象就成為一個亟待解決的問題。

本文旨在通過FloTHERM仿真模擬筆記本電腦的應用場景，通過數值模擬的方法尋找并優化解決方案，改善筆記本電腦表面散熱的問題。

1 ?數學模型的建立

1.1 物理模型與網格劃分

對筆記本電腦進行熱測試，用Fluke數據采集器測量樣機CPU、GPU、熱管、鰭片和出風口的溫度，用FLIR熱成像儀測量樣機的表面溫度，由此得出樣機溫度場分布[1]。樣機散熱系統由雙風扇、VC均熱板和3個鰭片組成，其中右側的風扇采用雙出風口設計。圖1是樣機散熱系統示意圖。

機殼采用PC/ABS材質，尺寸為372.6mm×255mm示意圖。均熱板和熱管采用樣機簡化幾何模型，均熱板由四段串聯組成，熱導率設置為和熱管一樣的13000W/m;樣機中有3組鰭片，其中兩組分布于上端出風口位置，尺寸為32.3mm×78.2mm，一組分布于右側出風口位置，尺寸為23mm口位置，尺寸為兩，設置肋片厚度為0.15mm;模型中有兩個風扇，風扇類型為離心風扇，根據供應商提供的壓力/風量曲線設置相應參數;此外機殼上設置3個出風口，分別位于鰭片外側，開孔率設置為50%，機殼底面位置設置3個進風口，開孔率設置為20%。

通過Flotherm內部的建模工具，可以對筆記本電腦建立數值計算模型。由于熱仿真主要對功率器件進行模擬，因此對于小功率器件可以忽略。圖2是對比樣機與仿真模型布局。

對模型進行網格劃分，要求功率器件CPU，GPU和散熱片位置進行網格加密。對CPU和GPU做局域網格加密，每2個散熱鰭片間至少3個網格[2]，以模擬熱流密集區域的空氣流動情況。網格劃分如圖3所示，一共3027948個網格。

1.2 功耗元器件屬性

模型中溫度監測點主要分布在機殼表面、導熱板、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。

測試環境溫度25℃。Fluke數據采集器可以測得CPU、GPU、筆記本機殼、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軟件作為跑機軟件，3Dmark是一款測試顯卡的性能的軟件，因此運行時能增加CPU和GPU的功耗，從而獲取穩態條件下樣機的運行環境。主要元器件功率和屬性如表1所示。

1.3 數值計算模型

2 ?結果與分析

表2給出了數值模擬與實測溫度的數值，由表可見，實驗值與仿真值趨于一致，誤差在5%左右，在工程允許范圍內。表明此仿真模型能模擬實驗環境，可以接受。

由圖4可以看出，表面溫度分布比較集中的區域位于CPU和GPU上方[4]。因為CPU和GPU是筆記本電腦的主要熱源，由于該區域空間狹小，流動阻力大使得熱量不易通過空氣流動傳遞到外部，因而形成了相對封閉的空間。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散到機殼表面，因而造成表面熱流密度大，高溫區域集中。

表3為仿真模型進風口和出風口的流量，正值表示進入系統的流量，負值表示從系統內流出的流量，兩者之和反映了模型的誤差范圍。由計算可知，此筆記本電腦仿真模型流量誤差值為0.16%，誤差小于1%，表明仿真數據準確性在可以接受的誤差范圍內。

根據仿真模型內部流量統計數據可知，出風口1和出風口2的流量遠大于出風口3的流量。另外，由仿真模型流場分布圖可以看到，由于左側沒有出風口，造成來不及通過鰭片排出系統外部的熱流回流到機殼內部，因而造成系統內部依靠自然冷卻散熱的功耗器件得不到良好散熱。

針對這種發熱現象，要求散熱器能夠分別實現如下3個要求：（1）熱量通過平面內快速傳送到機殼與框架;（2）增強機殼表面紅外線福射效果;（3）擴大平面散熱面積，迅速消散熱點。

3 ?表面溫度場優化

3.1 導熱材料選擇

石墨散熱片也稱導熱石墨片，是一種導熱散熱材料，具有獨特的晶粒取向，沿兩個方向均勻導熱，片層狀結構可很好地適應任何表面，屏蔽熱源與組件的同時改進消費類電子產品的性能。同時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，天然石墨片可以達到0.1mm，人工制備石墨片可以實現0.03mm[5]。表4列舉了常用導熱材料的物理特性，可見，石墨片在導熱、絕緣和輕質方面都完全符合電子產品的要求。

3.2 石墨片厚度優化

在Flotherm中機殼下方新建一個Cubic，設置石墨片的熱導系數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的最低溫度。由圖5可以發現，這種厚度變化是非線性的，當厚度增加到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 石墨片尺寸優化

通過Flotherm對石墨片面積進行優化，由于樣機可以設置最大尺寸為256mm×86mm，在Command center中設置步長為20mm，自動求解，得到表6石墨片面積變化對溫度的影響數據。由表6可以發現，第2組數據是求解的表面溫度最低數據，圖6表明當散熱片的面積增加到一定程度，溫度的變化不明顯，為了節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 ?結論

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

（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，呈現出先下降后上升的情況，說明石墨片厚度對溫度的影響存在一個最優厚度;

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

上述研究結果已成功運用于樣機中，對其他電子產品表面散熱問題有借鑒意義。

參考文獻

[1] 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化[J].東南大學學報：自然科學版，2014，44（1）：93-98.

[2] 李波，李科群，俞丹海.Flotherm軟件在電子設備熱設計中的應用[J].電子機械工程，2008，24（3）：11-13.

[3] F.P.incropera，D.P.DeWitt，T.L.Bergman，A.S.Lavine，Fundamentals of Heat and Mass Transfer[M].北京.化學工業出版，2007.

[4] 劉明.計算機系統級熱管理方法的研究[D].北京：中國科學院理化技術研究所，2009.

[5] 王海旺，陳曉紅，宋懷河，等.高導熱石墨材料微觀結構與其導熱性能的關系研究[J].碳素，2008（3）：29-33.