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笔记本电脑内热管散热系统的热分析
作者:乔俊生 陈江平 陈芝久
摘要:本文通过CFD软件模拟和实验相结合的方法对目前广泛应用于笔记本电脑中的热管散热系统的热阻进行了分析,建立了准确的CFD模型。并在该模型的基础上对减小整个散热系统的热阻进行了研究,为进一步的优化设计提供的一个参考。
1、前言
当今电子产品的热设计中,由于热流量的不断提高,仅采用标准的翅片式散热片很难满足要求。在笔记本电脑中,由于空间的限制以及对笔记本重量的高要求,都导致不易采用大的散热片,而小的散热片又不能满足热设计的要求。热管由于其导热性能好,热阻小,可将热量稳定地由一处传递到另一处,故通过热管将热量由空间小处传递到一定距离外的相对大空间里的散热片上,再利用风扇迫使周围空气强制对流过散热片的翅片表面以提高换热性能,并最终将热量散发到周围环境中,如下图1中所示,即为一种目前广泛应用与笔记本电脑中的CPU热管散热系统。殷际英[1]对热管型CPU散热器总传热性能的研究表明热管型散热系统可以远距离传递热量,适合与在有限空间内大功率CPU芯片的散热。孔巧玲和贺建华[2]对热管在笔记本中的不同布置位置对散热性能的影响进行了研究,主要为三种方式:通过底板散热,通过键盘散热与通过显示器散热。陶汉中,张红,庄骏[3]通过软件Ansys对热管型翅片散热方式和传统的翅片散热方式的比较分析显示热管型散热器性能明显优于传统的翅片散热器,最高温差下降10K,最大热流密度下降100000w/m2。除了对整个热管散热系统得研究外,对各个部件的研究也很多。Leonard [4]对目前热管发展的情况进行了比较详细的介绍。文献[5,6]对板翅式散热片的设计进行了研究。本文通过CFD软件Flotherm建立了整个热管式散热系统得模型,并用实验结果对模型的准确性进行了验证,在其基础上对散热系统进行了一些数值分析。
2、CFD模型的建立
图1 笔记本电脑中热管散热系统
图2 Flotherm软件中热管散热系统模型
Flotherm 软件中模型的建立:
热管模型:由于热管内部流动形式复杂,不便于直接模拟,可对其做适当简化。热管由管壁,管芯和中间的蒸汽部分组成,热管各部分的热阻分布[7]情况见图3
图3 热管热阻分布图
其中:
,e:管壁径向热阻,蒸发端(~10-1℃/W)
,e: 饱和液体/管芯径向热阻,蒸发端(~10+1℃/W)
,e:热体—蒸汽界面热阻,蒸发端(~10-5℃/W)
,a:蒸汽空间绝热段热阻(~10-8℃/W)
,a:管壁轴向热阻(~10+2℃/W)
,a:饱和液体---管芯轴向热阻(~10+4℃/W)
,c:热体---蒸汽界面热阻,冷凝端(~10-5℃/W)
,c:饱和液体/管芯径向热阻,冷凝端(~10+1℃/W)
,c:管壁径向热阻,冷凝端(~10-1℃/W)
通过图3中的热管热阻分布以及各部分热阻的大小,可对热管做一些简化。真空部分可假设为导热系数很高的材料组成,管壁和管芯可假设为一适当导热系数的材料组成。本文中分别设置为30000w/。如图1中所示,热管有一个90度的弯曲,故在CFD模型中,热管由一个水平段和一个竖直段组成,如图2所示。本文研究的热