第34卷第1期机电产品开发与创新Vol.34,No.1 2021年1月Development&Innovation of M achinery&E lectrical P roducts J-n.,2021写在人生边上读后感
文章编号：1002-6673(2021)01-095-04
刘强，张建，袁强
(中国兵器装备集团自动化研究所，四川绵阳621000)
摘要：热设计是加固笔记本计算机的重要研究方向之一，本文主要介绍了一种基于热管和强迫对流综合散热方式，研制的加固笔记本计算机，利用CFD软件开展热仿真分析，为同类型的加固笔记本的设计提供较好的参考"
关键词：加固笔记本计算机$热设计$热管$热仿真
中图分类号：TP368.3文献标识码：A doi:10.3969/j.iss/.1002-6673.2021.01.031
Thermal Design and Thermal Simulation Analysis of Rugged Laptop Computer
LIU Qiang,ZHANG Jian,YUAN Qiaag
(Automation Research Institute Of China South Industries Group Corporation,Mianyang Sichuan621000, China) Abstract:Thermal design is an important research direction for rugged laptop.This article mainly introduces an integrated heat dissipation method which based on heat pipe and forced convection technology,and thermal simulation analysis of this rugged laptop will He executed by used CFD software.The method is expected to provide a reference for the same type of rugged laptop design.
Keywords:Rugged laptop computer；Thermal design；Heat pipe；Thermal simulation analysis
0引言
随着笔记本计算机的岀现，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415；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
修稿日期:2020-10-30
作者简介：刘强，男，硕士研究生，助理工程师。主要研究方向：电子产品机构设计及热设计"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425，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435)
傅里叶定律是热传导的基本规律，数学表达式如下：
q"=-!护(1) dx
式中：q"—热流密度(W/m2);!—材料导热系数或导热率(W/(m-K))o
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445:
灿烈h+A(t”-t D)(2)式中："一热量(W);h—换热系数(W/(m・K))；A—固体表面换热面积(m2)；t f—流体温度(K)；t=—固体表面温度单
•测试与控制-
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：
!=ex#x A1x F12x(T14-T24)(3)式中:"一发射率斯蒂芬-玻尔兹曼常数(W/(m2<K4))；A】一辐射面1的面积(m,)；F i2—辐射面1相对于辐射面2的角系数;T1、T,—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7mm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非诚勿扰女嘉宾张静
用式(4)进行计算叫本文中热管的等效热传导系数k e£F=30000W/(m-K)o
(4)
式中：；<=—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)；L P—热管的热阻等效长度(m)；热阻等效长度的计算公式为：
L p>呼+!?(5)
式中：!1—蒸发段；!(—冷凝段仏一绝热段。
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
金昌软件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
图2加固笔记本模型
•测试与控制•
表1主要芯片的热功率
芯片名称热功率/W CPU15
北桥芯片10
南桥芯片5
内存2
电池模块4
硬盘3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$从图中可以看出,X velocity%Y velocity%Z velocity^energy参数残差值小于io-2，残差曲线平稳$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$因此可认为计算结果收敛，结果具有参考性$
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 I-
CEPAK$加固笔记本计算机，模型经过处理后，网格划分
总计约37万个网格，详见图3、4所示$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$因此这里的
散热翅片，简化成了薄板模型，即划分网格时，忽略翅片
厚度，可以大大减少网格数量，提高网格质量
5结果分析
图7监控点温度曲线
图5网格三维图5.1仿真结果分析
本文中的加固笔记本计算机工作温度是-40"〜60"，当环境温度为25"时，仿真结果如图8〜10所示$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$从图9、10可以看出，加固笔记本计算机内部器件的温度范围在33"〜53.6"范围内，其中CPU温度最高，达到53.6"左
4迭代求解
ANSYS ICEPAK是利用FLUENT求解器进行求解运算$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
•测试与控制•
图825O C时外壳温度云图
图925O C时内部器件温度云图
图1025O C时关键芯片温度云图
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!O该温度小于CPU的极限温度125!，芯片能正常运行。
图1160°C时内部器件温度云图
图1260°C时关键芯片温度云图
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%°加固笔记本计算机胡静整容
CPU芯片最高温度93.2!，
表2主要芯片仿真结果
与实验数据
名称仿真温度实验温度
CPU88.6#C93.2O C
北桥85.3O C88.6O C
南桥82.5#C85.3O C 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°
邱晨是谁(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°
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