热管在笔记本电脑散热设计中的优化模拟

随着现代笔记本的迅速发展，对笔记本电脑散热提出了更高的要求，传统的散热形式已经不能满足使用要求。热管技术以其得天独厚的优势正成为笔记本电脑散热的必然选择。本文通过CFD 软件，模拟了热管散热器对笔记本电脑散热的优化作用，也体现了CFD 散热软件在电子散热设计中的重要作用。

一、初步问题分析

图1    笔记本电脑的具体模型

如图1 所示，为一添加热管散热器后的笔记本电脑模型，计算域包括一个硬盘、一个光驱、一个CPU 芯片、一块PCMCIA 卡、两条内存条、显卡、五块PCB 板和一个电源模块与其它设定为不散热的电子器件，整个散热系统由3 个风扇和1 个冷却通风口组成。经计算，系统内的流动属于湍流，要求电脑系统内最高温度不超过95℃。模型的总功率大约55W，其中CPU 与显卡是最大的散热源。空间大小是0.35m×0.03m×0.25m，模仿真实电脑的散热情况设置了相关的材料、散热功率，经过建模、划分网格、计算可以得出模型运行时的具体温度、空气流动速度等情况。为了显示热管在笔记本电脑散热系统中的应用，我们首先模拟了没有热管换热器的时候，系统内的温度分布情况，其次对应用热管换热器后的系统进行再一次模拟，通过比较就可以得知热管换热器在笔记本电脑散热系统中起的作用。Cabinet 内网格的划分如图2 所示。

图2    Cabinet内网格的划分

CFD 散热模拟软件采用FLUENT，经过迭代计算，最后得出温度分布图。

二、无热管时的散热模拟分析

如图3 所示，为没有热管换热器时笔记本电脑系统内的温度分布。从图3 可以看出，CPU 芯片是系统中最热的器件，最高温度达到106℃，超出了要求的标准，目前的散热系统显然达不到要求。此时也可以看出，笔记本电脑内的空气流动速度分布均匀，风速较小，详细的气流状况可以通过动画效果进一步显示。

图3    没有热管换热器时的笔记本电脑系统内的温度分布云图

三、应用热管散热器后的散热模拟分析

为了改进笔记本电脑的散热情况，使最高温度降到可接受的范围之内，在排风风扇附近放置一个散热器，并通过热管连接到CPU 芯片。散热器由底板和6个翅片组成，底板贴在电源板上。由于热管的传热过程极其复杂，一般都是通过等效热传导系数来模拟，本文中热管几何模型与真实热管一样。热管的等效热传导系数可以用公式（1）进行计算：

L_p —热管的热阻等效长度，m；计算公式为：

（l₁、l₂、l₃ 分别为蒸发段、冷凝段、绝热段的长度）

A —热管的截面面积，m²；

R_th —热管的热阻，K/W。

图4    增加热管换热器后的温度云图

本文中可计算得k_eff =30 000W/（m·K）。增加热管散热器后重新进行计算，得到了新的温度、空气流动分布图，如图4 所示。从图4 可以看出，应用热管换热器以后，空气的流动状态变化很小，CPU 仍然是系统内温度最高的地方，但是笔记本电脑系统内的最高温度降了约17℃，从106℃降到89℃，此时虽然还是偏高，但已经符合了设计的散热要求。

四、结论

（1）通过本文可以看出，热管散热器能有效地改善笔记本电脑内部的散热情况，在本文的模型中降低了17℃，而且热管不耗能，安装方便，因此热管散热器可以在笔记本等电子设备的散热方面大力推广使用；

（2）通过CFD 散热软件的使用，可以提高我们在电子设备散热器设计与优化中的效率，及时发现改正存在的问题，为进一步的优化与改进提供帮助。

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