干货丨加固笔记本计算机热设计及热仿真分析

2022-07-14 16:00:54 147小编 167

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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×Atw-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

T1T2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

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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23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

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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34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

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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67所示

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求解结果必须满足残差曲 线达到收敛标准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XvelocityY velocityZ velocityenergy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仿真结果如图8~10所示从 图8可以看出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910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

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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60环境下仿真结果如图1112所示从图 中可以看出内部器件的温度范围为68~88.6CPU温度最高88.6该温度小于CPU的极限温度125芯片能正常运行

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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

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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


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