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筆記本電腦散熱器翅片結構性能
相信很多童鞋心中都會有一個疑問，為什么配置相同的筆記本，有時會在性能層面出現巨大差異？有的型號玩游戲時CPU溫度不到85度，有些卻一直頂著99度的上限冒煙運行？
筆記本電腦散熱器翅片結構性能
摘 要 從場協同原理的基本概念出發，結合基本認識，開發出滿足制造工藝的強化傳熱結構翅片，能夠有效降低翅片溫度。
本文就是根據場協同論原理，在翅片上設計出適當肋，如開縫，打凸包，并移動肋的位置，運用仿真軟件來分析哪種結構能夠最大限度降低翅片溫度，并實驗論證了場協同原理有效性。
關鍵詞 場協同;對流換熱;FloEFD;仿真
1 筆記本電腦散熱器翅片現狀
目前筆記本電腦散熱器已經發展到熱管+翅片型散熱器。
借由熱管做熱傳輸路徑，將熱量傳輸到翅片上，再由翅片將熱量散發到外界環境。
散熱區域的關鍵是翅片。
2004年，胡俊偉，丁國良針對平直肋片、開縫肋片利用Star-CD軟件進行了數值模擬，并用場協同理論進行分析。
2005年，李惠珍，屈治國等人對2排X型雙向開縫翅片管換熱器進行實驗研究，結果表明，開縫翅片的有效傳熱根本原因是翅片開縫后改善了速度與溫度梯度的協同性。
2008年，張京兆、陶文銓等人建立了四個模型對圓形開縫肋片與矩形開縫肋片進行了比較分析計算，得出結論：相同雷諾數下，三種開縫圓肋的場協同性均優于方肋開縫翅片。
針對目前筆記本電腦使用最廣泛的CPU風冷散熱器，本文以筆記本電腦某款散熱器作為實驗研究對象，采用數值模擬和實驗研究方法測試分析翅片散熱性能。
筆記本電腦散熱器由銅塊，結構件，熱管，翅片組成(如圖1所示)。
銅塊：借助銅的高導熱率，將熱量從芯片表面傳導到銅塊上。
熱管：類似電學上的導線，將熱量從銅塊處傳遞到散熱區域(翅片)。
結構件：為物理化的散熱器組件提供鎖固，支撐作用。
翅片：在一定體積下提供足夠大表面積的散熱區域，本文翅片材料選擇為鋁。
依據現今筆記本電腦散熱器現狀，采用無源技術來降低翅片溫度。
本文使用在翅片上增加凸包，半開縫，開縫等無源強化方式，對散熱器翅片進行優化。
2 筆記本散熱器翅片的優化設計分析
2.1 場協同原理
過增元等從溫度梯度場和速度場相互配合的角度重新審視對流換熱的物理機制，把對流換熱問題看作是具有“內熱源”的導熱問題，“內熱源”的大小不僅取決于速度和溫度梯度的絕對值，還取決于他們之間協同的程度。
如公式(1)所示：
其中，θ為流場與溫度梯度場之間的夾角。
由公式(1)可見，熱源的強度不僅取決于速度場﹑溫度梯度場和夾角三個物理量的絕對值，還取決于這三個物理量間的相互協同。
在速度場和溫度梯度場絕對值一定的情況下，由式(1)可見夾角θ應盡量小(當θ<90°時)或θ盡可能大(當θ>90°時)。
場協同原理是強化單相對流換熱的統一理論。
在單相對流強化換熱機理方面，歸納起來就是：減薄熱邊界層厚度;增加流體中的擾動;增加壁面上的速度梯度，這3種機理實際上都導致協同角的減小。
2.2 散熱翅片優化設計
如圖2所示，矩形翅片長、寬、高分別為57 mm，11 mm，7 mm，在矩形通道翅片上，在不改變原翅片間距的條件下，進行增加開縫，凸包，以及調整開縫，凸包位置等方式，達到減薄熱邊界層的效果。
以下方案中，各種開縫，凸包體積一致。
形式1：矩形全開縫，位置在進風口1/3，高度為翅片高度2/3，厚度為1/2片距。
形式2：矩形全開縫，位置在進風口1/2，高度為翅片高度2/3，厚度為1/2片距。
形式3：矩形全開縫，位置在進風口2/3，高度為翅片高度2/3，厚度為1/2片距。
形式4：菱形半開縫，位置在進風口2/3，高度為翅片高度2/3，厚度為1/2片距。
形式5：2個圓形凸包，分布為平行于出風方向，位置在距進風口2/3處，高度為翅片高度2/3，厚度為1/2片距。
形式6：2個紡錘形凸包，分布為平行于出風方向，位置在距進風口2/3處，高度為翅片高度2/3，厚度為1/2片距。
形式7：2個紡錘形凸包，分布為法向于出風方向，位置在距進風口2/3處，高度翅片高度2/3，厚度為1/2片距。
形式8為原始形式。
3 應用FloEFD軟件仿真對翅片進行性能分析
FloEFD的分析步驟包括CAD模型建立、自動網格劃分、邊界施加、求解和后處理等都完全在CAD軟件界面下完成。
本文選用的是兼容Pro/Engineer三維建模FloEFD v10.0，所有模型通過Pro/Engineer建模進行裝配后導入軟件后進行分析計算。
采用六面體網格，選取空氣作為換熱介質，設為不可壓縮流體，物性參數按常數處理;選用k-ε湍流模型，設定進口溫度為普通室內溫度T=293 K，設風道出口為翅片出風口。
由于不考慮輻射換熱，翅片的邊界條件按絕熱邊界條件來處理。
為了能將仿真結果與實驗測試結果進行對照，在仿真過程中設定了2種不同的加熱功率，即筆記本電腦全功率運轉及待機時的功率。
風扇風量固定為0.14 m3/min。
選擇翅片監測點：翅片長度方向1/3，2/3，寬度為翅片總寬1/2的2個點。
如下是全功率25W(CPU)+15W(NB)，及待機功率15W(CPU)+10W(NB)仿真結果。
從仿真數據分析，2個紡錘形凸包，分布為法向于出風方向，位置在距進風口2/3處，高度為2/3翅片高，厚度為1/2片距，該設計為上述7個方案中的最優設計。
結合場協同原理可以解釋為，打凸包，開縫，破壞了熱邊界層，在流場下方比在流場上方有效。
此外，分布于法向出風方向的凸包，能產生縱向渦，有效增強散熱。
仿真結果表明，打凸包與開縫比較，打凸包比開縫效果好。
4 筆記本散熱器測試與數據分析
4.1 試驗裝置
如圖5所示，試驗系統由數據采集器，電源供應器，測試夾具組成。
4.2 試驗測量
在試驗過程中，溫度測量系統采用以標準溫度計標定的銅-康銅(0.2 mm)熱電偶進行溫度測量，熱電偶信號采用Fluke公司2640 A網絡數據采集器采集。
為保證試驗測量的準確度，在試驗前，通過國家認可的計量單位(富士康華南檢測中心)進行了校正。
通過對整個散熱系統熱平衡情況的測試，得出其誤差小于4%，試驗數據可靠。
試驗過程中，數據的取值需要考慮系統運行的穩定性，避免由于系統運行中的波動造成的測量誤差。
因此，每組試驗數據的讀取，均是整個系統在相應的工況下穩定一段時間后進行采集，從而減少各種系統誤差的產生。
如下是全功率25 W(CPU)+15W(NB)，及待機功率15W(CPU)+10W(NB)實驗結果。
4.3 實驗結果與分析
選擇有代表性的兩種功率，兩種狀況下，溫度趨勢相同。
形式1，形式2，形式3三者相比，形式3溫度最低，說明在開縫條件下，在順風流向的下游開縫比上游開縫效率高。
形式3與形式4比較，即全開縫與半開縫比較，全開縫與半開縫溫度接近相同。
形式3與形式5比較，打凸包比開縫能使溫度降更低。
形式5與形式6，形式7比較，順風流向的紡錘形，因不能產生縱向渦，溫度最高，圓形凸包與垂直于風流向的紡錘形凸包，因能產生縱向渦，溫度低，垂直于風流向的紡錘形凸包，因縱向距離比圓形縱向距離長，更容易產生縱向渦，性能較圓形凸包好。
從仿真結果與實驗結果對比發現，兩者數據趨勢一致。
仿真與實驗過程中，各個形式對應溫度均相近。
說明仿真過程中，各參數設置合理，實驗過程中，測試誤差小。
5 結論
矩形平直散熱片在開縫，打凸包狀態下，均能提高散熱性能。
開縫體積相同時，在風向下游開縫，比在風向上游開縫有效。
凸包與開縫在相同體積下，凸包更能提高散熱性能。
相同體積的凸包，形狀不同，對散熱性能影響不同，以垂直于風流向的紡錘形凸包最有效。
從仿真及實驗中均驗證出場協同論能夠很好的運用于翅片散熱上，本文所做的紡錘形凸包可以為后續筆記本電腦散熱器翅片設計做參考。
主要工作內容有：
1.使用FLOEFD軟件進行熱仿真分析，選擇適合的翅片間具，厚度，材料，并對仿真結果進行試驗驗證。
2.運用場協同理論對翅片進行結構優化設計，包含打凸包，開縫，移動開縫位置，改變凸包形狀，以及凸包分布狀況等，并使用FLOEFD進行仿真與試驗驗證。
3.使用ABAQUS軟件，對于結構件進行受力分析，對于不受力及受力較小部分進行去除材料，試驗驗證仿真結果。
4.在優化后的翅片及結構件的條件下，再次進行散熱效能試驗驗證，確認優化后的散熱器散熱性能確實有提高。
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