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筆記本電腦散熱器翅片結(jié)構(gòu)性能
相信很多童鞋心中都會(huì)有一個(gè)疑問(wèn)，為什么配置相同的筆記本，有時(shí)會(huì)在性能層面出現(xiàn)巨大差異？有的型號(hào)玩游戲時(shí)CPU溫度不到85度，有些卻一直頂著99度的上限冒煙運(yùn)行？
筆記本電腦散熱器翅片結(jié)構(gòu)性能
摘 要 從場(chǎng)協(xié)同原理的基本概念出發(fā)，結(jié)合基本認(rèn)識(shí)，開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足制造工藝的強(qiáng)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(chǎng)協(xié)同論原理，在翅片上設(shè)計(jì)出適當(dāng)肋，如開(kāi)縫，打凸包，并移動(dòng)肋的位置，運(yùn)用仿真軟件來(lái)分析哪種結(jié)構(gòu)能夠最大限度降低翅片溫度，并實(shí)驗(yàn)論證了場(chǎng)協(xié)同原理有效性。
關(guān)鍵詞 場(chǎng)協(xié)同;對(duì)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(guó)良針對(duì)平直肋片、開(kāi)縫肋片利用Star-CD軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬，并用場(chǎng)協(xié)同理論進(jìn)行分析。
2005年，李惠珍，屈治國(guó)等人對(duì)2排X型雙向開(kāi)縫翅片管換熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，開(kāi)縫翅片的有效傳熱根本原因是翅片開(kāi)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(gè)模型對(duì)圓形開(kāi)縫肋片與矩形開(kāi)縫肋片進(jìn)行了比較分析計(jì)算，得出結(jié)論：相同雷諾數(shù)下，三種開(kāi)縫圓肋的場(chǎng)協(xié)同性均優(yōu)于方肋開(kāi)縫翅片。
針對(duì)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(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究方法測(cè)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(lèi)似電學(xué)上的導(dǎo)線(xiàn)，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(wú)源技術(shù)來(lái)降低翅片溫度。
本文使用在翅片上增加凸包，半開(kāi)縫，開(kāi)縫等無(wú)源強(qiáng)化方式，對(duì)散熱器翅片進(jìn)行優(yōu)化。
2 筆記本散熱器翅片的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析
2.1 場(chǎng)協(xié)同原理
過(guò)增元等從溫度梯度場(chǎng)和速度場(chǎng)相互配合的角度重新審視對(duì)流換熱的物理機(jī)制，把對(duì)流換熱問(wèn)題看作是具有“內(nèi)熱源”的導(dǎo)熱問(wèn)題，“內(nèi)熱源”的大小不僅取決于速度和溫度梯度的絕對(duì)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(chǎng)與溫度梯度場(chǎng)之間的夾角。
由公式(1)可見(jiàn)，熱源的強(qiáng)度不僅取決于速度場(chǎng)﹑溫度梯度場(chǎng)和夾角三個(gè)物理量的絕對(duì)值，還取決于這三個(gè)物理量間的相互協(xié)同。
在速度場(chǎng)和溫度梯度場(chǎng)絕對(duì)值一定的情況下，由式(1)可見(jiàn)夾角θ應(yīng)盡量小(當(dāng)θ<90°時(shí))或θ盡可能大(當(dāng)θ>90°時(shí))。
場(chǎng)協(xié)同原理是強(qiáng)化單相對(duì)流換熱的統(tǒng)一理論。
在單相對(duì)流強(qiáng)化換熱機(jī)理方面，歸納起來(lái)就是：減薄熱邊界層厚度;增加流體中的擾動(dòng);增加壁面上的速度梯度，這3種機(jī)理實(shí)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(jì)
如圖2所示，矩形翅片長(zhǎng)、寬、高分別為57 mm，11 mm，7 mm，在矩形通道翅片上，在不改變?cè)崞g距的條件下，進(jìn)行增加開(kāi)縫，凸包，以及調(diào)整開(kāi)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(kāi)縫，凸包體積一致。
形式1：矩形全開(kāi)縫，位置在進(jìn)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(kāi)縫，位置在進(jìn)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(kāi)縫，位置在進(jìn)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(kāi)縫，位置在進(jìn)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(gè)圓形凸包，分布為平行于出風(fēng)方向，位置在距進(jìn)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(gè)紡錘形凸包，分布為平行于出風(fēng)方向，位置在距進(jìn)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(gè)紡錘形凸包，分布為法向于出風(fēng)方向，位置在距進(jìn)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(duì)翅片進(jìn)行性能分析
FloEFD的分析步驟包括CAD模型建立、自動(dòng)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(guò)Pro/Engineer建模進(jìn)行裝配后導(dǎo)入軟件后進(jìn)行分析計(jì)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(jìn)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(lái)處理。
為了能將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，在仿真過(guò)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(yùn)轉(zhuǎn)及待機(jī)時(shí)的功率。
風(fēng)扇風(fēng)量固定為0.14 m3/min。
選擇翅片監(jiān)測(cè)點(diǎn)：翅片長(zhǎng)度方向1/3，2/3，寬度為翅片總寬1/2的2個(gè)點(diǎn)。
如下是全功率25W(CPU)+15W(NB)，及待機(jī)功率15W(CPU)+10W(NB)仿真結(jié)果。
從仿真數(shù)據(jù)分析，2個(gè)紡錘形凸包，分布為法向于出風(fēng)方向，位置在距進(jìn)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(jì)為上述7個(gè)方案中的最優(yōu)設(shè)計(jì)。
結(jié)合場(chǎng)協(xié)同原理可以解釋為，打凸包，開(kāi)縫，破壞了熱邊界層，在流場(chǎng)下方比在流場(chǎng)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(qiáng)散熱。
仿真結(jié)果表明，打凸包與開(kāi)縫比較，打凸包比開(kāi)縫效果好。
4 筆記本散熱器測(cè)試與數(shù)據(jù)分析
4.1 試驗(yàn)裝置
如圖5所示，試驗(yàn)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器，電源供應(yīng)器，測(cè)試夾具組成。
4.2 試驗(yàn)測(cè)量
在試驗(yàn)過(guò)程中，溫度測(cè)量系統(tǒng)采用以標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)標(biāo)定的銅-康銅(0.2 mm)熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量，熱電偶信號(hào)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(yàn)測(cè)量的準(zhǔn)確度，在試驗(yàn)前，通過(guò)國(guó)家認(rèn)可的計(jì)量單位(富士康華南檢測(cè)中心)進(jìn)行了校正。
通過(guò)對(duì)整個(gè)散熱系統(tǒng)熱平衡情況的測(cè)試，得出其誤差小于4%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。
試驗(yàn)過(guò)程中，數(shù)據(jù)的取值需要考慮系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，避免由于系統(tǒng)運(yùn)行中的波動(dòng)造成的測(cè)量誤差。
因此，每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的讀取，均是整個(gè)系統(tǒng)在相應(yīng)的工況下穩(wěn)定一段時(shí)間后進(jìn)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(jī)功率15W(CPU)+10W(NB)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
4.3 實(shí)驗(yàn)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(shì)相同。
形式1，形式2，形式3三者相比，形式3溫度最低，說(shuō)明在開(kāi)縫條件下，在順風(fēng)流向的下游開(kāi)縫比上游開(kāi)縫效率高。
形式3與形式4比較，即全開(kāi)縫與半開(kāi)縫比較，全開(kāi)縫與半開(kāi)縫溫度接近相同。
形式3與形式5比較，打凸包比開(kāi)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(zhǎng)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致。
仿真與實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，各個(gè)形式對(duì)應(yīng)溫度均相近。
說(shuō)明仿真過(guò)程中，各參數(shù)設(shè)置合理，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)試誤差小。
5 結(jié)論
矩形平直散熱片在開(kāi)縫，打凸包狀態(tài)下，均能提高散熱性能。
開(kāi)縫體積相同時(shí)，在風(fēng)向下游開(kāi)縫，比在風(fēng)向上游開(kāi)縫有效。
凸包與開(kāi)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(duì)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(shí)驗(yàn)中均驗(yàn)證出場(chǎng)協(xié)同論能夠很好的運(yùn)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(jì)做參考。
主要工作內(nèi)容有：
1.使用FLOEFD軟件進(jìn)行熱仿真分析，選擇適合的翅片間具，厚度，材料，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。
2.運(yùn)用場(chǎng)協(xié)同理論對(duì)翅片進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，包含打凸包，開(kāi)縫，移動(dòng)開(kāi)縫位置，改變凸包形狀，以及凸包分布狀況等，并使用FLOEFD進(jìn)行仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證。
3.使用ABAQUS軟件，對(duì)于結(jié)構(gòu)件進(jìn)行受力分析，對(duì)于不受力及受力較小部分進(jìn)行去除材料，試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果。
4.在優(yōu)化后的翅片及結(jié)構(gòu)件的條件下，再次進(jìn)行散熱效能試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)優(yōu)化后的散熱器散熱性能確實(shí)有提高。
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