韩侠 陈再良

摘   要：针对笔记本电脑运行一段时间后出现表面温度过高的问题，用Flotherm仿真建模-数据分析-实验优化的方法，研究了降低其表面温度的方案。研究结果表明：采用厚度为0.05mm，长宽216mm×66mm尺寸的石墨片可以使样机表面温度下降3℃，同时对仿真过程中出现的模拟值和实验测量值误差进行总结分析，在不影响实验结果的前提下保证仿真模拟的准确性。

关键词：笔记本电脑  散热  模型  仿真

中图分类号：TK124                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）08（b）-0111-05

Abstract： Aiming at the problem of excessive surface temperature after laptop running for a period of time， the method of Flotherm simulation modeling-data analysis-experiment optimization was used to study the scheme of reducing the surface temperature of laptop. The results show that the surface temperature of the prototype can be reduced by 3 degrees by using graphite sheets with thickness of 0.05 mm and length of 216 mm×66 mm. At the same time， the errors of simulation and experimental measurements in the simulation process are summarized and analyzed to ensure the accuracy of simulation without affecting the experimental results.

Key Words： Laptop; Dissipate heat; Model; Simulation

笔记本电脑散热系统设计是一个复杂的工程，既要考虑散热的效率又要考虑紧凑的安装空间限制。当前笔记本电脑朝着轻薄便携的方向发展，电子器件功率增大体积缩小，散热系统运行一段时间后，表面温度过高的问题就凸显出来。尤其在笔记本电脑散热系统使用一段时间后，如何在不改变散热系统整体架构和笔记本电脑整体布局的情况下，优化处理表面热点集中的现象就成为一个亟待解决的问题。

本文旨在通过FloTHERM仿真模拟笔记本电脑的应用场景，通过数值模拟的方法寻找并优化解决方案，改善笔记本电脑表面散热的问题。

1  数学模型的建立

1.1 物理模型与网格划分

对笔记本电脑进行热测试，用Fluke数据采集器测量样机CPU、GPU、热管、鳍片和出风口的温度，用FLIR热成像仪测量样机的表面温度，由此得出样机温度场分布[1]。样机散热系统由双风扇、VC均热板和3个鳍片组成，其中右侧的风扇采用双出风口设计。图1是样机散热系统示意图。

机壳采用PC/ABS材质，尺寸为372.6mm×255mm示意图。均热板和热管采用样机简化几何模型，均热板由四段串联组成，热导率设置为和热管一样的13000W/m;样机中有3组鳍片，其中两组分布于上端出风口位置，尺寸为32.3mm×78.2mm，一组分布于右侧出风口位置，尺寸为23mm口位置，尺寸为两，设置肋片厚度为0.15mm;模型中有两个风扇，风扇类型为离心风扇，根据供应商提供的压力/风量曲线设置相应参数;此外机壳上设置3个出风口，分别位于鳍片外侧，开孔率设置为50%，机壳底面位置设置3个进风口，开孔率设置为20%。

通过Flotherm内部的建模工具，可以对笔记本电脑建立数值计算模型。由于热仿真主要对功率器件进行模拟，因此对于小功率器件可以忽略。图2是对比样机与仿真模型布局。

对模型进行网格划分，要求功率器件CPU，GPU和散热片位置进行网格加密。对CPU和GPU做局域网格加密，每2个散热鳍片间至少3个网格[2]，以模擬热流密集区域的空气流动情况。网格划分如图3所示，一共3027948个网格。

1.2 功耗元器件属性

模型中温度监测点主要分布在机壳表面、导热板、CPU和GPU。模型中CPU和GPU采用厂商提供的精确模型，其他采用等效模型。

测试环境温度25℃。Fluke数据采集器可以测得CPU、GPU、笔记本机壳、键盘和其他功耗元件的表面温度，CPU和GPU核心温度由软件GPU Monitor获得。选用3Dmark软件作为跑机软件，3Dmark是一款测试显卡的性能的软件，因此运行时能增加CPU和GPU的功耗，从而获取稳态条件下样机的运行环境。主要元器件功率和属性如表1所示。

1.3 数值计算模型

2  结果与分析

表2给出了数值模拟与实测温度的数值，由表可见，实验值与仿真值趋于一致，误差在5%左右，在工程允许范围内。表明此仿真模型能模拟实验环境，可以接受。

由圖4可以看出，表面温度分布比较集中的区域位于CPU和GPU上方[4]。因为CPU和GPU是笔记本电脑的主要热源，由于该区域空间狭小，流动阻力大使得热量不易通过空气流动传递到外部，因而形成了相对封闭的空间。散热模组来不及带走的热量直接通过热传递的方式向上扩散到机壳表面，因而造成表面热流密度大，高温区域集中。

表3为仿真模型进风口和出风口的流量，正值表示进入系统的流量，负值表示从系统内流出的流量，两者之和反映了模型的误差范围。由计算可知，此笔记本电脑仿真模型流量误差值为0.16%，误差小于1%，表明仿真数据准确性在可以接受的误差范围内。

根据仿真模型内部流量统计数据可知，出风口1和出风口2的流量远大于出风口3的流量。另外，由仿真模型流场分布图可以看到，由于左侧没有出风口，造成来不及通过鳍片排出系统外部的热流回流到机壳内部，因而造成系统内部依靠自然冷却散热的功耗器件得不到良好散热。

针对这种发热现象，要求散热器能够分别实现如下3个要求：（1）热量通过平面内快速传送到机壳与框架;（2）增强机壳表面红外线福射效果;（3）扩大平面散热面积，迅速消散热点。

3  表面温度场优化

3.1 导热材料选择

石墨散热片也称导热石墨片，是一种导热散热材料，具有独特的晶粒取向，沿两个方向均匀导热，片层状结构可很好地适应任何表面，屏蔽热源与组件的同时改进消费类电子产品的性能。同时由于石墨材料的可塑性，可以把石墨制备成薄片，贴附在热源表面。目前的加工技术，天然石墨片可以达到0.1mm，人工制备石墨片可以实现0.03mm[5]。表4列举了常用导热材料的物理特性，可见，石墨片在导热、绝缘和轻质方面都完全符合电子产品的要求。

3.2 石墨片厚度优化

在Flotherm中机壳下方新建一个Cubic，设置石墨片的热导系数1500W/m·K。尺寸为表面可以覆盖的最大尺寸256mm×86mm，由表5石墨片厚度变化对表面温度的影响可以看出0.05mm厚度的石墨片得到表面热点的最低温度。由图5可以发现，这种厚度变化是非线性的，当厚度增加到0.05mm之后，表面温度的下降幅度逐渐减小。0.05mm厚度下表面温度下降了3.1℃。

3.3 石墨片尺寸优化

通过Flotherm对石墨片面积进行优化，由于样机可以设置最大尺寸为256mm×86mm，在Command center中设置步长为20mm，自动求解，得到表6石墨片面积变化对温度的影响数据。由表6可以发现，第2组数据是求解的表面温度最低数据，图6表明当散热片的面积增加到一定程度，温度的变化不明显，为了节省成本选取面积最小的方案216mm×66mm作为石墨片散热的最佳方案。

4  结论

（1）石墨片以其材料特性，能沿着两个方向均匀散热可以有效解决表面热点集中的问题。

（2）216mm×66mm尺寸的石墨片在0.05mm厚度下，贴附在表面热点下方最大可使得表面温度下降3℃。

（3）笔记本电脑表面温度随石墨散热片厚度的增加，呈现出先下降后上升的情况，说明石墨片厚度对温度的影响存在一个最优厚度;

4）特定厚度的石墨片的面积对表面温度的影响是非线性的，当石墨片尺寸增加到一定程度，尺寸变化对表面温度影响值可以忽略不计，要取得最优化的石墨散热片尺寸，通过CFD模拟是一种有效的方法。

上述研究结果已成功运用于样机中，对其他电子产品表面散热问题有借鉴意义。

参考文献

[1] 林潘忠，孙蓓蓓，赵天.基于接触热阻模型的笔记本电脑散热性能分析与优化[J].东南大学学报：自然科学版，2014，44（1）：93-98.

[2] 李波，李科群，俞丹海.Flotherm软件在电子设备热设计中的应用[J].电子机械工程，2008，24（3）：11-13.

[3] F.P.incropera，D.P.DeWitt，T.L.Bergman，A.S.Lavine，Fundamentals of Heat and Mass Transfer[M].北京.化学工业出版，2007.

[4] 刘明.计算机系统级热管理方法的研究[D].北京：中国科学院理化技术研究所，2009.

[5] 王海旺，陈晓红，宋怀河，等.高导热石墨材料微观结构与其导热性能的关系研究[J].碳素，2008（3）：29-33.