散热模组中热管位置研究

阙翔　石世宏

摘 要：由“热致失效”介绍电子设备散热的重要性及方式，通过将模型简化及热管位置的方案规划，经CFD仿真软件对各方案进行分析并对比结果，以此得出适合的最优化设计。

关键词：散热系统 CFD 优化设计

中图分类号：TK124 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（b）-0016-02

Samsung Electronics Suzhou Computer Co.， Ltd. Jiangsu Province， Suzhou， 215123）

Summary：Based on“Thermally Induced Failure”， it introduces the importance and methods of the electronic equipments thermal solution. Through model simplification and heat-pipe position planning， via CFD analyzes all of the planning and compare the result to get the most optimized design that fits the practical case.

Key words：Thermal System CFD Optimized Design

1 概述

笔记本电脑随着电子芯片高集成度及运算能力的提升，导致系统必须保证良好的散热能力。据统计显示，所有电脑故障中，有近80%的不良都是由于散热系统的问题而导致零件失效，进而产生系统故障。

电子设备中每一个具有阻值的元件都是一个发热源，元件产生的热量会导致系统温度升高及热应力的增加，进而影响元件、主板及设备在高温下的可靠性，严重情况下甚至会影响设备的寿命，即产生所谓的“热致失效”。

为保证CPU及其它电子元件正常工作，就必须使其维持在一定的温度范围（约-5 ℃～+65 ℃）运行[1]，超过限定温度，元件性能将显著下降，这不仅影响设备工作稳定性，同时也影响其运行的可靠性。因此对电子设备进行可靠性热设计是十分必要的。据相关统计资料显示，单个电子元件温度每升高10 ℃，系统可靠性将相应降低至少50%以上。

散热方式有主动和被动散热两种，针对功耗小于5 W的系统，如平板电脑大多使用主动散热，依靠空气流动带走CPU传至散热板上的热量，从而控制温度处于人体可接受范围之内（一般为40 ℃以内）。针对功耗较大的系统，业界依旧采用风扇搭配散热模组的结构进行被动散热，以此控制电子元件处于合理温度范围内，进而保证系统处于可靠的工作环境中。

笔记本电脑散热效果的优劣，可从以下几个方面来衡量：

（1）高功耗元件位置是否合理，包括主板布局、空气流通条件等；

（2）系统采用的散热方式；

（3）散热系统各部件设计是否合理，包括风扇结构参数、模组选材等；

该文利用CFD软件进行模拟分析，通过调整风扇出风口处热管的位置，来分析其对风扇流量及流场分布的影响，从而优化设计系统散热模组，以使系统处于良好的散热环境中。

2 实物建模及热管位置定义

3 CFD仿真分析

为避免CFD软件划分网格时在原模型细小边角处出错及节约计算时间，特将模型做简化，删除不影响分析结果的特征，以达到网格的划分精确度及分析时效性。通过调整热管在鳍片中的位置进行模拟计算，分别截取热管于鳍片中不同位置下的两个剖面来分析风量及空气流场分布（如图3），进而优化设计散热模组。

固定条件为设定鳍片处于系统内距机构件上下表面各2.00 mm的间隙，且风扇处于3500转/分钟的条件下分析。分析结果如下所示。

由图4知，风扇出风气流高速区位于喉部对立面，其分布区域不受热管位置影响。

由图5知，当热管位于靠近风扇出风口处的鳍片时（P1～P3位置），出风气流路径平缓，热管垂直方向的位置并不影响气流路径；当热管水平方向处于鳍片中间位置时（P4～P6位置），气流穿过热管后并未发生轨迹变化，前后基本保持一致，由此判定热管垂直位置并不影响气流前后路径；当热管位于远离风扇出风口处鳍片上端时（P7位置），气流穿过热管后有明显的上扬趋势，此方式有利于针对机构件上表面发热较严重的情况下采用；当热管位于鳍片中间层时（P8位置），气流通过热管后并未发生前后路径的改变；当热管位于远离风扇出风口处鳍片下端时（P9位置），气流穿过热管后路径有明显的下沉趋势，此方式有利于针对机构件下表面发热较为严重的模式下采用。

4 结语

（1）热管位于鳍片尾端时，会影响鳍片出口处的空气流场方向，实际案例中需确认热量集中面位于机构件的位置，以此定义散热模组的布局，通过鳍片出口空气流场方向的设定，来控制机构件表面温度。

（2）同一垂直方位条件下，热管处于鳍片中央位置时会有较好的噪音。

（3）同一水平方位条件下，热管远离风扇出风口会导致噪音具有上升趋势，且出风口风量具有下降趋势。

（4）热管处于P1和P3位置时，出风口风量和噪声都会较好，二者在设计中需考虑笔记本电脑布局等因素做选择，需将温度较高的热管放置在远离使用者直接接触的键盘面，使使用者得以良好的感官反馈。

参考文献

[1] 姚广寿，马哲树，罗林.等.电子电器设备中高效热管散热技术的研究现状及发展[C].第八届全国热管会议：中国工程热物理学会热管专业组.2002.endprint

摘 要：由“热致失效”介绍电子设备散热的重要性及方式，通过将模型简化及热管位置的方案规划，经CFD仿真软件对各方案进行分析并对比结果，以此得出适合的最优化设计。

关键词：散热系统 CFD 优化设计

中图分类号：TK124 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（b）-0016-02

Samsung Electronics Suzhou Computer Co.， Ltd. Jiangsu Province， Suzhou， 215123）

Summary：Based on“Thermally Induced Failure”， it introduces the importance and methods of the electronic equipments thermal solution. Through model simplification and heat-pipe position planning， via CFD analyzes all of the planning and compare the result to get the most optimized design that fits the practical case.

Key words：Thermal System CFD Optimized Design

1 概述

笔记本电脑随着电子芯片高集成度及运算能力的提升，导致系统必须保证良好的散热能力。据统计显示，所有电脑故障中，有近80%的不良都是由于散热系统的问题而导致零件失效，进而产生系统故障。

电子设备中每一个具有阻值的元件都是一个发热源，元件产生的热量会导致系统温度升高及热应力的增加，进而影响元件、主板及设备在高温下的可靠性，严重情况下甚至会影响设备的寿命，即产生所谓的“热致失效”。

为保证CPU及其它电子元件正常工作，就必须使其维持在一定的温度范围（约-5 ℃～+65 ℃）运行[1]，超过限定温度，元件性能将显著下降，这不仅影响设备工作稳定性，同时也影响其运行的可靠性。因此对电子设备进行可靠性热设计是十分必要的。据相关统计资料显示，单个电子元件温度每升高10 ℃，系统可靠性将相应降低至少50%以上。

散热方式有主动和被动散热两种，针对功耗小于5 W的系统，如平板电脑大多使用主动散热，依靠空气流动带走CPU传至散热板上的热量，从而控制温度处于人体可接受范围之内（一般为40 ℃以内）。针对功耗较大的系统，业界依旧采用风扇搭配散热模组的结构进行被动散热，以此控制电子元件处于合理温度范围内，进而保证系统处于可靠的工作环境中。

笔记本电脑散热效果的优劣，可从以下几个方面来衡量：

（1）高功耗元件位置是否合理，包括主板布局、空气流通条件等；

（2）系统采用的散热方式；

（3）散热系统各部件设计是否合理，包括风扇结构参数、模组选材等；

该文利用CFD软件进行模拟分析，通过调整风扇出风口处热管的位置，来分析其对风扇流量及流场分布的影响，从而优化设计系统散热模组，以使系统处于良好的散热环境中。

2 实物建模及热管位置定义

3 CFD仿真分析

为避免CFD软件划分网格时在原模型细小边角处出错及节约计算时间，特将模型做简化，删除不影响分析结果的特征，以达到网格的划分精确度及分析时效性。通过调整热管在鳍片中的位置进行模拟计算，分别截取热管于鳍片中不同位置下的两个剖面来分析风量及空气流场分布（如图3），进而优化设计散热模组。

固定条件为设定鳍片处于系统内距机构件上下表面各2.00 mm的间隙，且风扇处于3500转/分钟的条件下分析。分析结果如下所示。

由图4知，风扇出风气流高速区位于喉部对立面，其分布区域不受热管位置影响。

由图5知，当热管位于靠近风扇出风口处的鳍片时（P1～P3位置），出风气流路径平缓，热管垂直方向的位置并不影响气流路径；当热管水平方向处于鳍片中间位置时（P4～P6位置），气流穿过热管后并未发生轨迹变化，前后基本保持一致，由此判定热管垂直位置并不影响气流前后路径；当热管位于远离风扇出风口处鳍片上端时（P7位置），气流穿过热管后有明显的上扬趋势，此方式有利于针对机构件上表面发热较严重的情况下采用；当热管位于鳍片中间层时（P8位置），气流通过热管后并未发生前后路径的改变；当热管位于远离风扇出风口处鳍片下端时（P9位置），气流穿过热管后路径有明显的下沉趋势，此方式有利于针对机构件下表面发热较为严重的模式下采用。

4 结语

（1）热管位于鳍片尾端时，会影响鳍片出口处的空气流场方向，实际案例中需确认热量集中面位于机构件的位置，以此定义散热模组的布局，通过鳍片出口空气流场方向的设定，来控制机构件表面温度。

（2）同一垂直方位条件下，热管处于鳍片中央位置时会有较好的噪音。

（3）同一水平方位条件下，热管远离风扇出风口会导致噪音具有上升趋势，且出风口风量具有下降趋势。

（4）热管处于P1和P3位置时，出风口风量和噪声都会较好，二者在设计中需考虑笔记本电脑布局等因素做选择，需将温度较高的热管放置在远离使用者直接接触的键盘面，使使用者得以良好的感官反馈。

参考文献

[1] 姚广寿，马哲树，罗林.等.电子电器设备中高效热管散热技术的研究现状及发展[C].第八届全国热管会议：中国工程热物理学会热管专业组.2002.endprint

摘 要：由“热致失效”介绍电子设备散热的重要性及方式，通过将模型简化及热管位置的方案规划，经CFD仿真软件对各方案进行分析并对比结果，以此得出适合的最优化设计。

关键词：散热系统 CFD 优化设计

中图分类号：TK124 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（b）-0016-02

Samsung Electronics Suzhou Computer Co.， Ltd. Jiangsu Province， Suzhou， 215123）

Summary：Based on“Thermally Induced Failure”， it introduces the importance and methods of the electronic equipments thermal solution. Through model simplification and heat-pipe position planning， via CFD analyzes all of the planning and compare the result to get the most optimized design that fits the practical case.

Key words：Thermal System CFD Optimized Design

1 概述

笔记本电脑随着电子芯片高集成度及运算能力的提升，导致系统必须保证良好的散热能力。据统计显示，所有电脑故障中，有近80%的不良都是由于散热系统的问题而导致零件失效，进而产生系统故障。

电子设备中每一个具有阻值的元件都是一个发热源，元件产生的热量会导致系统温度升高及热应力的增加，进而影响元件、主板及设备在高温下的可靠性，严重情况下甚至会影响设备的寿命，即产生所谓的“热致失效”。

为保证CPU及其它电子元件正常工作，就必须使其维持在一定的温度范围（约-5 ℃～+65 ℃）运行[1]，超过限定温度，元件性能将显著下降，这不仅影响设备工作稳定性，同时也影响其运行的可靠性。因此对电子设备进行可靠性热设计是十分必要的。据相关统计资料显示，单个电子元件温度每升高10 ℃，系统可靠性将相应降低至少50%以上。

散热方式有主动和被动散热两种，针对功耗小于5 W的系统，如平板电脑大多使用主动散热，依靠空气流动带走CPU传至散热板上的热量，从而控制温度处于人体可接受范围之内（一般为40 ℃以内）。针对功耗较大的系统，业界依旧采用风扇搭配散热模组的结构进行被动散热，以此控制电子元件处于合理温度范围内，进而保证系统处于可靠的工作环境中。

笔记本电脑散热效果的优劣，可从以下几个方面来衡量：

（1）高功耗元件位置是否合理，包括主板布局、空气流通条件等；

（2）系统采用的散热方式；

（3）散热系统各部件设计是否合理，包括风扇结构参数、模组选材等；

该文利用CFD软件进行模拟分析，通过调整风扇出风口处热管的位置，来分析其对风扇流量及流场分布的影响，从而优化设计系统散热模组，以使系统处于良好的散热环境中。

2 实物建模及热管位置定义

3 CFD仿真分析

为避免CFD软件划分网格时在原模型细小边角处出错及节约计算时间，特将模型做简化，删除不影响分析结果的特征，以达到网格的划分精确度及分析时效性。通过调整热管在鳍片中的位置进行模拟计算，分别截取热管于鳍片中不同位置下的两个剖面来分析风量及空气流场分布（如图3），进而优化设计散热模组。

固定条件为设定鳍片处于系统内距机构件上下表面各2.00 mm的间隙，且风扇处于3500转/分钟的条件下分析。分析结果如下所示。

由图4知，风扇出风气流高速区位于喉部对立面，其分布区域不受热管位置影响。

由图5知，当热管位于靠近风扇出风口处的鳍片时（P1～P3位置），出风气流路径平缓，热管垂直方向的位置并不影响气流路径；当热管水平方向处于鳍片中间位置时（P4～P6位置），气流穿过热管后并未发生轨迹变化，前后基本保持一致，由此判定热管垂直位置并不影响气流前后路径；当热管位于远离风扇出风口处鳍片上端时（P7位置），气流穿过热管后有明显的上扬趋势，此方式有利于针对机构件上表面发热较严重的情况下采用；当热管位于鳍片中间层时（P8位置），气流通过热管后并未发生前后路径的改变；当热管位于远离风扇出风口处鳍片下端时（P9位置），气流穿过热管后路径有明显的下沉趋势，此方式有利于针对机构件下表面发热较为严重的模式下采用。

4 结语

（1）热管位于鳍片尾端时，会影响鳍片出口处的空气流场方向，实际案例中需确认热量集中面位于机构件的位置，以此定义散热模组的布局，通过鳍片出口空气流场方向的设定，来控制机构件表面温度。

（2）同一垂直方位条件下，热管处于鳍片中央位置时会有较好的噪音。

（3）同一水平方位条件下，热管远离风扇出风口会导致噪音具有上升趋势，且出风口风量具有下降趋势。

（4）热管处于P1和P3位置时，出风口风量和噪声都会较好，二者在设计中需考虑笔记本电脑布局等因素做选择，需将温度较高的热管放置在远离使用者直接接触的键盘面，使使用者得以良好的感官反馈。

参考文献

[1] 姚广寿，马哲树，罗林.等.电子电器设备中高效热管散热技术的研究现状及发展[C].第八届全国热管会议：中国工程热物理学会热管专业组.2002.endprint