笔记本电脑散热器翅片结构性能分析

摘 要 从场协同原理的基本概念出发，结合基本认识，开发出满足制造工艺的强化传热结构翅片，能够有效降低翅片温度。本文就是根据场协同论原理，在翅片上设计出适当肋，如开缝，打凸包，并移动肋的位置，运用仿真软件来分析哪种结构能够最大限度降低翅片温度，并实验论证了场协同原理有效性。

关键词 场协同；对流换热；FloEFD；仿真

中图分类号：TP332 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）022-028-3

1 笔记本电脑散热器翅片现状

目前笔记本电脑散热器已经发展到热管+翅片型散热器。借由热管做热传输路径，将热量传输到翅片上，再由翅片将热量散发到外界环境。

散热区域的关键是翅片。2004年，胡俊伟，丁国良针对平直肋片、开缝肋片利用Star-CD软件进行了数值模拟，并用场协同理论进行分析。2005年，李惠珍，屈治国等人对2排X型双向开缝翅片管换热器进行实验研究，结果表明，开缝翅片的有效传热根本原因是翅片开缝后改善了速度与温度梯度的协同性。2008年，张京兆、陶文铨等人建立了四个模型对圆形开缝肋片与矩形开缝肋片进行了比较分析计算，得出结论：相同雷诺数下，三种开缝圆肋的场协同性均优于方肋开缝翅片。

针对目前笔记本电脑使用最广泛的CPU风冷散热器，本文以笔记本电脑某款散热器作为实验研究对象，采用数值模拟和实验研究方法测试分析翅片散热性能。笔记本电脑散热器由铜块，结构件，热管，翅片组成（如图1所示）。

铜块：借助铜的高导热率，将热量从芯片表面传导到铜块上。熱管：类似电学上的导线，将热量从铜块处传递到散热区域（翅片）。结构件：为物理化的散热器组件提供锁固，支撑作用。翅片：在一定体积下提供足够大表面积的散热区域，本文翅片材料选择为铝。依据现今笔记本电脑散热器现状，采用无源技术来降低翅片温度。本文使用在翅片上增加凸包，半开缝，开缝等无源强化方式，对散热器翅片进行优化。

2 笔记本散热器翅片的优化设计分析

2.1 场协同原理

过增元等从温度梯度场和速度场相互配合的角度重新审视对流换热的物理机制，把对流换热问题看作是具有“内热源”的导热问题，“内热源”的大小不仅取决于速度和温度梯度的绝对值，还取决于他们之间协同的程度。如公式（1）所示：

其中，θ为流场与温度梯度场之间的夹角。由公式（1）可见，热源的强度不仅取决于速度场﹑温度梯度场和夹角三个物理量的绝对值，还取决于这三个物理量间的相互协同。在速度场和温度梯度场绝对值一定的情况下，由式（1）可见夹角θ应尽量小（当θ90°时）。

场协同原理是强化单相对流换热的统一理论。在单相对流强化换热机理方面，归纳起来就是：减薄热边界层厚度；增加流体中的扰动；增加壁面上的速度梯度，这3种机理实际上都导致协同角的减小。

2.2 散热翅片优化设计

如图2所示，矩形翅片长、宽、高分别为57 mm，11 mm，7 mm，在矩形通道翅片上，在不改变原翅片间距的条件下，进行增加开缝，凸包，以及调整开缝，凸包位置等方式，达到减薄热边界层的效果。以下方案中，各种开缝，凸包体积一致。

形式1：矩形全开缝，位置在进风口1/3，高度为翅片高度2/3，厚度为1/2片距。

形式2：矩形全开缝，位置在进风口1/2，高度为翅片高度2/3，厚度为1/2片距。

形式3：矩形全开缝，位置在进风口2/3，高度为翅片高度2/3，厚度为1/2片距。

形式4：菱形半开缝，位置在进风口2/3，高度为翅片高度2/3，厚度为1/2片距。

形式5：2个圆形凸包，分布为平行于出风方向，位置在距进风口2/3处，高度为翅片高度2/3，厚度为1/2片距。

形式6：2個纺锤形凸包，分布为平行于出风方向，位置在距进风口2/3处，高度为翅片高度2/3，厚度为1/2片距。

形式7：2個纺锤形凸包，分布为法向于出风方向，位置在距进风口2/3处，高度翅片高度2/3，厚度为1/2片距。

形式8为原始形式。

3 应用FloEFD软件仿真对翅片进行性能分析

FloEFD的分析步骤包括CAD模型建立、自动网格划分、边界施加、求解和后处理等都完全在CAD软件界面下完成。本文选用的是兼容Pro/Engineer三维建模FloEFD v10.0，所有模型通过Pro/Engineer建模进行装配后导入软件后进行分析计算。采用六面体网格，选取空气作为换热介质，设为不可压缩流体，物性参数按常数处理；选用k-ε湍流模型，设定进口温度为普通室内温度T=293 K，设风道出口为翅片出风口。由于不考虑辐射换热，翅片的边界条件按绝热边界条件来处理。

为了能将仿真结果与实验测试结果进行对照，在仿真过程中设定了2种不同的加热功率，即笔记本电脑全功率运转及待机时的功率。风扇风量固定为0.14 m3/min。选择翅片监测点：翅片长度方向1/3，2/3，宽度为翅片总宽1/2的2个点。如下是全功率25W（CPU）+15W（NB），及待机功率15W（CPU）+10W（NB）仿真结果。

从仿真数据分析，2个纺锤形凸包，分布为法向于出风方向，位置在距进风口2/3处，高度为2/3翅片高，厚度为1/2片距，该设计为上述7个方案中的最优设计。结合场协同原理可以解释为，打凸包，开缝，破坏了热边界层，在流场下方比在流场上方有效。此外，分布于法向出风方向的凸包，能产生纵向涡，有效增强散热。仿真结果表明，打凸包与开缝比较，打凸包比开缝效果好。

4 笔记本散热器测试与数据分析

4.1 试验装置

如图5所示，试验系统由数据采集器，电源供应器，测试夹具组成。

4.2 试验测量

在试验过程中，温度测量系统采用以标准温度计标定的铜-康铜（0.2 mm）热电偶进行温度测量，热电偶信号采用Fluke公司2640 A网络数据采集器采集。为保证试验测量的准确度，在试验前，通过国家认可的计量单位（富士康华南检测中心）进行了校正。通过对整个散热系统热平衡情况的测试，得出其误差小于4%，试验数据可靠。试验过程中，数据的取值需要考虑系统运行的稳定性，避免由于系统运行中的波动造成的测量误差。因此，每组试验数据的读取，均是整个系统在相应的工况下稳定一段时间后进行采集，从而减少各种系统误差的产生。如下是全功率25 W（CPU）+15W（NB），及待机功率15W（CPU）+10W（NB）实验结果。

4.3 实验结果与分析

选择有代表性的两种功率，两种状况下，温度趋势相同。形式1，形式2，形式3三者相比，形式3温度最低，说明在开缝条件下，在顺风流向的下游开缝比上游开缝效率高。形式3与形式4比较，即全开缝与半开缝比较，全开缝与半开缝温度接近相同。形式3与形式5比较，打凸包比开缝能使温度降更低。形式5与形式6，形式7比较，顺风流向的纺锤形，因不能产生纵向涡，温度最高，圆形凸包与垂直于风流向的纺锤形凸包，因能产生纵向涡，温度低，垂直于风流向的纺锤形凸包，因纵向距离比圆形纵向距离长，更容易产生纵向涡，性能较圆形凸包好。

从仿真结果与实验结果对比发现，两者数据趋势一致。仿真与实验过程中，各个形式对应温度均相近。说明仿真过程中，各参数设置合理，实验过程中，测试误差小。

5 结论

矩形平直散热片在开缝，打凸包状态下，均能提高散热性能。开缝体积相同时，在风向下游开缝，比在风向上游开缝有效。凸包与开缝在相同体积下，凸包更能提高散热性能。相同体积的凸包，形状不同，对散热性能影响不同，以垂直于风流向的纺锤形凸包最有效。从仿真及实验中均验证出场协同论能够很好的运用于翅片散热上，本文所做的纺锤形凸包可以为后续笔记本电脑散热器翅片设计做参考。

参考文献

[1]胡俊伟，丁国良.开缝翅片压降和换热特性的数值模[J].上海交通大学学报，2004，38（5）：143-146.

[2]李惠珍，屈治国，程永攀，陶文铨.开缝翅片流动和传热性能的实验研究及数值模拟[J].西安交通大学学报，2005，39（3）：229-232.

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