干货丨加固笔记本计算机热设计及热仿真分析
引言
随着笔记本计算机的出现，计算机的使用环境由室 内扩大到沙漠、高原、海洋、天空，为了应对恶劣的使用环境，加固笔记本计算机应运而生。加固笔记本计算机也称 抗恶劣环境计算机，有环境适应性强、可靠性高等特点。本文研究的是一种加固笔记本计算机。
高可靠性是加固笔记本计算机的一个重要指标。研 究表明电子元器件的可靠性与温度密切相关，55％以上的 电子设备失效，是器件温度太高造成的；因此加固笔记计算机的热设计变成了一个制约产品性能的重要因素，热设 计已成为加固笔记本计算机研究的重要方向之一。
传统的加固笔记本计算机散热设计主要利用经验或应用有限的换热公式进行预估，产品生产完成后再通过实验验证，若指标无法满足，需要反复修改、设计、生产和检验。这类方法需要产品的使用工况接近，并且需要设计 人员有较长时间的工程积累，才能提高设计的有效率，且 存在设计余量过大、设计周期长、后续产品优化设计困难等缺点。随着计算流体动力学（CFD）快速发展，它为加固笔记本计算机的热设计提供了一种可持续性更强、更有效率的方法。
利用CFD进行热设计，主要依托于CFD热分析软件进行。利用软件求解系统的能量守恒、质量守恒、动量守 恒方程，求得相关物理量在空间和时间上定量描述的数 值解，从而达到对相关物理现象进行研究的目的。
1热设计的基本理论
热能的传递有热传导、热对流、热辐射有三种方式。
傅里叶定律是热传导的基本规律，数学表达式如下：q″=-λdTdx
（1）式中：q″—热流密度（W/m2）；
λ—材料导热系数或导热率（W/（m·K））。
在电子产品正常工作的温度范围内，材料的导热率 基本不随着温度而改变，因此在热仿真中，常忽略材料温 度对热导率的影响。
自然对流和强迫对流是对流换热的两种形式。对于 复杂的使用强迫对流换热的电子产品，流体多处于湍流状态，也可通过计算雷诺数来判定流态。
可利用牛顿冷却定律计算对流换热的热量，其表达 式为：Φ=h×A（tw-tf）
（2）式中：Φ—热量（W）；
h—换热系数（W/（m·K））；
A—固体表 面换热面积（m2）；
tf—流体温度（K）；
tW—固体表面温度单位（K）。
对流换热过程的强弱用换热系数h的大小来反映。
辐射换热可利用斯蒂芬-玻尔兹曼定律计算：
φ=ε×σ×A1×F12×（T14-T24）
（3）式中：ε—发射率；σ—斯蒂芬-玻尔兹曼常数（W/（m2·K4））；
A1—辐射面1的面积（m2）；
F12—辐射面1相对于辐射面2的角系数；
T1、T2—分别表示辐射面1和辐射面2的绝对 温度（K）。
2加固笔记本的散热设计
加固笔记本计算机的芯片在工作过程中会产生热 量，如果热量得不到扩散，芯片的温度会逐渐升高，最终 会造成芯片失效，产品出现故障。因此需要将芯片产生的 热量通过一定的路径，散到加固笔记本计算机外部，控制芯片的工作温度在安全范围内。在使用加固笔记本计算 机时，人体会和计算机直接接触，根据人体工程学原理，必须控制和人体接触位置的温度，让使用人感动舒适。
加固笔记本计算机散热设计有自然对流和强迫对流 两种。依靠自然对流对加固笔记本计算机进行散热，主要利用散热材料传导热量，通过和空气的自然对流完成热 量交换，来达到热量散失的目的。利用自然对流散热的加 固笔记本计算机有噪音低，方便携带、电池使用时间长、密封性能好等优点。对于防护性能要求很高的全加固型 笔记本计算机，需要很高的密封性能，只能使用自然对流来设计散热系统。但是自然对流散热能力较弱，这就造成 了CPU等关键芯片只能低功率运行，会牺牲计算机的一部分性能，来加强计算机的防护能力。利用强迫对流设计 的散热系统，散热系统中加入了风扇，需要设计排气口，密封性能弱于自然对流设计的散热系统，但对传热路径进行特殊处理也能达到很好的密封效果。利用风扇进行强迫对流，提高了换热效率，能有效的提高加固笔记本计 算机的性能。本文研究的加固笔记本计算机采用强迫对流来散热。
本文研究的加固笔记本计算机的散热系统由导热铜 片、风扇、热管、散热翅片组成。CPU、南桥、北桥等主要发热芯片产生的热量，通过导热铜片，传导给热管，热管的冷端与散热齿片焊接在一起，热量由热管快速的传导到 散热翅片上，散热翅片增大了热量散失的面积，再由风扇对着散热翅片吹风，加速空气和散热翅片之间的换热速 度，热量快速散失。加固笔记本计算机的散热系统，如图1所示。
热管：本文中的加固笔记本计算机散热系统的重要组成部分，它主要由密闭结构、工作介质、毛细结构组成。综合考虑到发热芯片的功率及加固笔记本计算机的内部 空间，本文选用的是直径8mm的热管。热管的传热过程涉及流体、气体及相 变过程，换热过程复 杂，在热仿真分析中 常利用等效热传导系数在模拟热管。热管 的等效热传导系数可 用 式（4）进 行 计 算。
本文中热管的等效热传导系数keff=30000W/（m·K）。keff= LPARth
（4）式中：keff—热管等效热传导系数（W/（m·K））；
A—热管的横截面积（m2）；
R—热管的热阻（K/W）；
Lp—热管的热阻等 效长度（m）；
热阻等效长度的计算公式为：Lp=l1+l2 2 +l3
（5）式中：l1—蒸发段；l2—冷凝段；l3—绝热段。
导热板：由于发热芯片分布位置较大，热管无法直接 覆盖全部发热芯片，因此本文设计了一个导热板将芯片 的热量传导到导热板上，热管直接焊接到导热板上，考虑 热传导率及加工精度，导热板材料选用铜材料。
散热翅片：本文中散热翅片位于散热系统的末端，与 热管的冷端直接焊接在一起。将散热翅片焊接在热管上，能大大增加热量散失面积。风扇对散热翅片的强迫对流，能加快翅片与空气之间的热交换，考虑到材料的导热率 及经济性，本文选用的是铝合金材质的散热翅片。
风机：强迫对流换热的重要元件。主要包括离心风机和轴流风机。轴流风机风量大、风压低，散热能力比较强，但是体积大，不适合应用在空间狭小的加固笔记本计算机中；离心风机尺寸比较小，有比较大的风量风压控制范 围，散热能力能满足加固笔记本计算机的热功耗需求，因 此本文选用的是离心风机。
3加固笔记本计算机热仿真分析
3.1加固笔记本的模型简化
在用CFD软件做热分析之前，为减少计算量，提高 计算精度，需要将笔记本计算机进行简化，对散热系统、发热器件、对笔记本计算机外壳、接口进行简化。加固笔 记本整机模型及简化模型如图2、3所示。
加固笔记本计算机 内 部 主 要 芯 片 的 热 功 率，如表1所示。
3.2网格划分及网格质量检查
利用CFD软件做电 子产品热分析，其求解思想是利用有限个离散点来替代，速度场、温度场等在空 间、时间坐标下的连续物理量场，再建立这些离散点变量 值之间的代数方程，最后求解该代数方程，就能获得求解 变量的近似值。CFD软件中网格划分的过程就是将连续 物理场离散化的过程，建立的代数方程能否求解及求解结果的准确性都与网格划分有直接关系。
本文 做 热 仿 真 分 析 使 用 的CFD软 件 是ANSYS ICEPAK。加固笔记本计算机，模型经过处理后，网格划分 总计约37万个网格，详见图3、4所示。热管模型较复杂，对 热 管 处 网 格 进 行 了 局 部 细 化，散 热 翅 片 厚 度 只 有0.2mm，热量沿厚度方向的传导可以忽略不计，而厚度方 向尺寸小，细化网格，网格数量会成倍增长。因此这里的 散热翅片，简化成了薄板模型，即划分网格时，忽略翅片厚度，可以大大减少网格数量，提高网格质量。
4迭代求解
ANSYS ICEPAK是利用FLUENT求解器进行求解运 算。参数残差值变化曲线和监控点温度随迭代计算的变 化曲线如图6、图7所示。
求解结果必须满足：①残差曲 线达到收敛标准；②监控点的温度变化曲线不再随着迭代次数的增加而发生变化。求解的残差曲线及温度监控曲线如图6所示。从图中可以看出，Xvelocity、Y velocity、Z velocity、energy参数残差 值小于10-2，残差曲线平稳。选择CPU、南桥、北 桥芯片作为温度监控点，温度监控点温度在迭 代150次以后就不再发生变化。因此可认为计 算结果收敛，结果具有参考性。
5结果分析
5.1仿真结果分析
本 文 中 的 加 固 笔 记 本 计 算 机 工 作 温 度 是-40℃~60℃，当环境温度为25℃时，仿真结果如图8~10所示。从 图8可以看出，在25℃环境温度下，加固笔记本计算机外 壳的温度范围在28.6℃~37.7℃范围内，外壳最高温度是37.7℃，该温度与人体体温接近，在室温25℃情况下，使用 计算机不会感到不适，符合人机工程学要求。从图9、10可以看出，加固笔记本计算机内部器件的温度范围在33℃~53.6℃范围内，其中CPU温度最高，达到53.6℃左 右，该温度远低于CPU极限温度。从图中可以看出，热量从导热片传导到热管，再由热管传导到散热翅片，风机对 散热翅片强迫对流，热量散发出去。
该加固笔记本计算机，需要在60℃高温度环境下，正 常工作，而环境温度过高，可能会造成芯片运行时热量不 能及时散出，造成芯片温度过高，出现故障。因此需要分析在60℃极限温度下，加固笔记本计算机运行时，内部芯 片温度。在60℃环境下，仿真结果如图11、12所示。从图 中可以看出，内部器件的温度范围为68℃~88.6℃，CPU温度最高，为88.6℃。该温度小于CPU的极限温度125℃，芯片能正常运行。
5.2实测验证
加固笔记本计算机研制完成后，按国军标环境适应 性要求，进行了+60℃高温工作2h后，利用红外热成像仪进行温度测量，CPU等关键芯片实验测试温度与仿真结果对比如表2所示。
从表2可以看出，仿真温度和测试温度的误差在5℃之 内，温 度 偏 差 小 于10%。加 固 笔 记 本 计 算 机CPU芯 片 最 高 温 度93.2℃，低于CPU芯片的极限温度125℃。实验过程中，加固笔记 本计算机工作正常，CPU等关键芯片的最高温度均低于 芯片极限温度。
6结论
通过对加固笔记本计算机热仿真结果及实验结果进 行分析，可以得出以下结论：
（1）从实验结果看，仿真结果与实验数据误差在10%以内，说明仿真结果具有可信性，同时，也需要进一步修 正仿真过程中的一些假设条件，使之更贴近实际设计及 使用工况，减小热仿真误差。
（2）加固笔记本计算机热设计中，在只考虑辐射和导 热的情况下，要考虑热耗大的元器件的散热路径。最简单 有效的方法是设计适合的导热片，由于导热片和器件结合面贴合不好会造成接触热阻过大，或者有空气夹层，很 难通过控制导热片与器件的尺寸精度，使之完全贴合，因 此在设计导热片时，要对元器件和导热片的结合面进行处理，如添加适量的导热胶等方式，最终达到理想的散热 效果。
（3）由于热环境的复杂性，CFD软件仿真的数据，可以作为初期设计的参考，但也需要通过实验进一步验证，通过实验验证仿真结果的准确性，同时优化仿真假设，提高仿真结果的准确性。也为后期的热仿真设计提供工程经 验，降低仿真结果不准确带来的风险，减少加固笔记本计 算机的设计成本。
（4）从实验结果来看，所有器件的工作温度都低于器 件极限温度，说明本文中的加固笔记本计算机的热设计 比较合理。
来源：机电产品开发与创新 第34卷 第1期
资料推荐
往期汇总资料：