2023年12月16日发(作者：逮锦欣)

笔记本电脑散热优化数值模拟

贾奕; 骆骅; 邓招义; 王洪远; 赵举浪

【期刊名称】《《科技视界》》

【年(卷),期】2019(000)019

【总页数】4页(P7-9,17)

【关键词】笔记本电脑; fluent; 翅片

【作 者】贾奕; 骆骅; 邓招义; 王洪远; 赵举浪

【作者单位】贵州大学电气工程学院 贵州 贵阳 550025

【正文语种】中 文

【中图分类】TP368.32

0 前言

当今社会， 笔记本电脑已经普遍地被人们在生活中使用， 成为人们学习、 办公及娱乐必不可少的电子设备。 笔记本电脑内部结构复杂，电子元件极多，自身体积较小，使CPU、显卡和北桥（NB）等部件产生的热量比较集中。 笔记本电脑散热不良的问题会导致CPU的自动降频， 电脑运行处理能力大幅下降， 硬盘的数据传输能力也会受到很大的影响。 散热同样也需要消耗电能， 所以散热不良也会间接地减短笔记本电脑的续航时间。

1 笔记本电脑散热原理

该型号的笔记本电脑采用热管与离心风扇结合的强迫风冷散热方式进行散热。 所

配置的处理器（CPU）为英特尔corei5 M430， 散热设计功耗为35W。 显卡型号为Nvidia Gefore 9200MGS,散热设计功耗为12W。

如图所示，CPU 与显卡为热源，所产生的热量通过连接材料传递至热管。 热管的蒸发端吸收来自显卡和CPU 的热量，冷凝端释放热量至翅片组。当蒸发端吸收了热量以后， 毛细管中的工质从液体蒸发为气体，蒸发的气体在压力差下流向冷凝端， 并且发生液化，将热量传递至翅片组， 液体流回蒸发端。 就这样通过工质周而复始的相变来传递热量。 当热量传递至翅片组中后， 由离心风扇产生的气流与翅片组进行对流换热，从而将热量带出笔记本电脑内部。

2 提出某型号笔记本电脑的散热优化方案

翅片与气流热量交换的方式主要为对流换热，对流换热公式为：

式中

A：换热面积m2；

h：对流换热系数W/(m2·K)；

ΔT：壁面与流体的温度差K。

可知，若想增大翅片与气流的对流换热量，则需扩大换热面积、 对流换热系数以及翅片表面与气流的温差。 增大换热面积的途径一般是通过改变翅片与翅片之间的间距， 或者改变翅片的数量， 该方法缺少创新性， 所以舍弃。 翅片表面的温度与笔记本内部气流的温度基本是保持不变的， 故通过改变ΔT 来增大换热量的方法也是不可取的。 由冷却气体横向掠过翅片散热器的换热关联式：

图1 笔记本电脑散热器

图2 笔记本电脑散热器（分解图）

式中：

式中Vf·max 的为冷却空气掠过翅片时的最大速度，由公式2 可知， 在冷却气体横向掠过翅片散热器的模型里， 对流换热系数与冷却空气掠过翅片时的最大速度Vf·max 成 正 相 关。

因此为提高冷却空气掠过翅片的最大速度， 设计了两种能提升对流空气流速的翅片。 翅片的形状如图（4-6）所示：

图4 矩形翅片

图5 三角形翅片

图6 液滴形翅片

其中三种翅片的始端和终端部分的放大图如图（7-9）所示：

图7 矩形翅片始端

图8 矩形翅片终端

图9 三角形翅片始端

图9 .a 三角形翅片终端

图9 .b 液滴形翅片始端

图9 .c 液滴形翅片终端

三种翅片都是以上端为始端，下端为终端。矩形翅片的横截面为一矩形， 三角形翅片的横截面为三角形， 液滴形翅片的横截面为一组合形状， 始端为一半圆，连接半圆的下部分为三角形。 三种翅片的长、宽、厚都是相同的， 翅片组的翅片数和翅片之间的间距也相同。 矩形翅片为样机翅片的形状， 三角形翅片和液滴形翅片为设计的翅片形状。

3 Fluent 数值模拟

首先进行几何模型的建立。 通过对样机散热器进行数据采集得到样机散热器的实际几何尺寸。 其中主要的参数为翅片的长、宽、厚、翅片之间的间距以及翅片组

中的翅片数量。 翅片的参数如下表1 所示。

表1 翅片参数翅片类型 翅（片片数） 距翅（片m m间） 度翅（片m m厚） 度翅（片m m长） 度翅（片m m高 ）矩形翅片 45 1.2 0.2 11 7.6三角形翅片 45

1.2 0.2 11 7.6液滴形翅片 45 1.2 0.2 11 7.6

通过SolidWorks 软件进行几何模型的建立。再对散热器的散热结构进行分析后制作出了散热器的热阻网络图，如图10 所示。

图10 散热器的热阻网络图

传热方式皆为热传导， 最终计算出翅片温度为70.3 ℃，模拟的入口风温为25 ℃，湍流度为5.7%。

网格的划分软件采用ICEM。 其中最主要的翅片部分的网格如图11 所示。

将网格文件导入Fluent 进行计算。使用Fluent 软件对三个模型的网格进行计算，

通过计算可以得到空气流过翅片组的温度场和速度场等参数， 从而分析不同模型翅片组的散热能力强弱。 其中设置模型的边界条件，进口条件设置进口模型为Velocity-inlet，进口温度为298k，入口风速为7m/s，湍流度为6%；出口条件设置出口模型为Outflow；翅片边界条件设置翅片模型为Wall型，视翅片组为内热源，Temperature 设置为343.3K。 最终得到的计算云图如图（11-17）所示。

图11 翅片网格

图12 温度云图（模型一）

图13 速度云图（模型一）

图14 温度云图（模型二）

图15 速度云图（模型二）

图16 温度云图（模型三）

图17 速度云图（模型三）

通过温度云图和速度云图可以明确地看到， 在温度云图中， 翅片组作为热源， 当

冷却气流流过翅片组以后，气流温度升高，随着气流流动距离的增加，气流温度又慢慢地降低； 速度云图中， 翅片组作为一个静止的物体， 当冷却气流流过翅片组以后， 速度有一个明显的降低。 三个模型的温度云图和速度云图都很相似，具体差异在于具体某一点的值发生了变化。

4 结果分析

对模型进行散热能力分析。 取100s 为一个时间，计算在该时间段里， 空气共带走的热量。 计算结果如图18 所示。

图18 100s 内各模型吸收热量图

模型2 在时长为100s 通过冷却风带走的热量相较于模型1 带走的热量提高了22.42%；模型3 相较于模型1 冷却风带走的热量提高了24.77%；模型3 相较于模型2 冷却风带走的热量提高了1.92%。 冷却风所获得的热量来自于翅片组，因而模型2、模型3 的冷却风带走的热量多于模型1 中冷却风带走的热量， 即模型2、模型3 的散热效果要优于模型1。 但模型2 和模型3 两者的散热量相差不大。

当模型1 的笔记本电脑不能很好地满足散热要求时， 模型2 和模型3 的翅片组有一定的能力增强模型1 的散热能力。

对制作散热翅片用料的多少进行分析。 模型1、模型2、模型3，三种翅片的形状发生了很大的变化，故其体积、 质量也发生了相应的变化。 翅片的材料为铜，以45 片翅片为一组， 以几何尺寸为基础计算各种翅片的体积V，从而计算翅片的质量。 计算结果如图19 所示。

图19 翅片制作材料质量图

由图可知，模型1 的翅片组的质量最大，模型1 翅片组的质量相较于模型2 翅片组的质量增加了100%；模型1 翅片组的质量相较于模型3 翅片组的质量增加了98.97%；模型3 翅片组的质量相较于模型2 翅片组的质量增加了0.519%。同样，模型2、模型3 两者翅片组的质量还是相差无几，而两者翅片组的质量与模型1

翅片组的质量相比却减少了很多。 通常， 笔记本电脑的翅片材料选择都为铝或者铜， 铜的导热性能要优于铝， 但厂家一般为了节约成本， 通常选择铝作为翅片的加工材料。 而该型号的笔记本电脑的翅片材质选择了铜，若将模型1 中的翅片形状改为模型2、模型3 中的翅片形状， 将会节省很大一部分的材料， 降低笔记本电脑的生产成本。 对于用铜和铝两种材质制作的翅片的散热器， 模型2 和模型3

都能体现其节省材料，降低生产成本的优点。

5 结论

以市场上某型号的笔记本电脑为基础， 对其散热器进行分析，并提出相应的优化措施。使用SolidWorks、ICEMCFD、fluent 等软件进行数值模拟。 分析计算结果后得到以下结论：

（1） 两种设计的翅片的散热能力提升幅度的变化与入口风速有关，且成正相关。

以入口风速为7m/s 进行分析， 三角形翅片的模型2 和液滴形翅片的模型3的散热能力相较于模型1 的散热能力提高了22.4%至24.77%，模型3 相较于模型2

提高了1.92%。

（2）模型1 的翅片与模型2、模型3 翅片的几何尺寸相同的情况下，制作模型1

翅片要比制作模型2、模型3 翅片的用料多出98.97%至100%。

【参考文献】

【相关文献】

［1］胡赢.笔记本风扇的散热专利技术[J].湖南科技，1003-5168,2015,03-0030-4.

［2］黄庆.热管用于笔记本电脑智能温控散热的分析[J].热管技术与应用[J].1001-552,2005,01-0034-03.

［3］林潘忠.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，1001-0505,2014,01-0093-06.

［4］王大东.两热源热管散热模组瞬态性能热分析[J].电子工艺技术，1001-3474,2011,02—0068-05.

［5］陆声琰.笔记本电脑散热器数值模拟及设计优化[J].辽宁科技大学学报，1647-1048,2014,01-0049-07.

［6］李环.热管在笔记本电脑中的应用[J].贵州电力技术，1008-083X,2015,09-0059-02.

［7］唐连伟.双热管CPU 散热器空气侧翅片性能的数值研究及优化设计[J].西安，710049.

［8］乔俊生.笔记本电脑内热管散热系统的热分析[D].上海市制冷协会2005 年学术年会论文集，上海 200030.

［9］宋慧瑾.一种笔记本电脑水冷散热系统设计及散热效果[J].实验室研究与探索，1006-7167,2017,03-0055-04.

2023年12月16日发(作者：逮锦欣)

笔记本电脑散热优化数值模拟

贾奕; 骆骅; 邓招义; 王洪远; 赵举浪

【期刊名称】《《科技视界》》

【年(卷),期】2019(000)019

【总页数】4页(P7-9,17)

【关键词】笔记本电脑; fluent; 翅片

【作 者】贾奕; 骆骅; 邓招义; 王洪远; 赵举浪

【作者单位】贵州大学电气工程学院 贵州 贵阳 550025

【正文语种】中 文

【中图分类】TP368.32

0 前言

当今社会， 笔记本电脑已经普遍地被人们在生活中使用， 成为人们学习、 办公及娱乐必不可少的电子设备。 笔记本电脑内部结构复杂，电子元件极多，自身体积较小，使CPU、显卡和北桥（NB）等部件产生的热量比较集中。 笔记本电脑散热不良的问题会导致CPU的自动降频， 电脑运行处理能力大幅下降， 硬盘的数据传输能力也会受到很大的影响。 散热同样也需要消耗电能， 所以散热不良也会间接地减短笔记本电脑的续航时间。

1 笔记本电脑散热原理

该型号的笔记本电脑采用热管与离心风扇结合的强迫风冷散热方式进行散热。 所

配置的处理器（CPU）为英特尔corei5 M430， 散热设计功耗为35W。 显卡型号为Nvidia Gefore 9200MGS,散热设计功耗为12W。

如图所示，CPU 与显卡为热源，所产生的热量通过连接材料传递至热管。 热管的蒸发端吸收来自显卡和CPU 的热量，冷凝端释放热量至翅片组。当蒸发端吸收了热量以后， 毛细管中的工质从液体蒸发为气体，蒸发的气体在压力差下流向冷凝端， 并且发生液化，将热量传递至翅片组， 液体流回蒸发端。 就这样通过工质周而复始的相变来传递热量。 当热量传递至翅片组中后， 由离心风扇产生的气流与翅片组进行对流换热，从而将热量带出笔记本电脑内部。

2 提出某型号笔记本电脑的散热优化方案

翅片与气流热量交换的方式主要为对流换热，对流换热公式为：

式中

A：换热面积m2；

h：对流换热系数W/(m2·K)；

ΔT：壁面与流体的温度差K。

可知，若想增大翅片与气流的对流换热量，则需扩大换热面积、 对流换热系数以及翅片表面与气流的温差。 增大换热面积的途径一般是通过改变翅片与翅片之间的间距， 或者改变翅片的数量， 该方法缺少创新性， 所以舍弃。 翅片表面的温度与笔记本内部气流的温度基本是保持不变的， 故通过改变ΔT 来增大换热量的方法也是不可取的。 由冷却气体横向掠过翅片散热器的换热关联式：

图1 笔记本电脑散热器

图2 笔记本电脑散热器（分解图）

式中：

式中Vf·max 的为冷却空气掠过翅片时的最大速度，由公式2 可知， 在冷却气体横向掠过翅片散热器的模型里， 对流换热系数与冷却空气掠过翅片时的最大速度Vf·max 成 正 相 关。

因此为提高冷却空气掠过翅片的最大速度， 设计了两种能提升对流空气流速的翅片。 翅片的形状如图（4-6）所示：

图4 矩形翅片

图5 三角形翅片

图6 液滴形翅片

其中三种翅片的始端和终端部分的放大图如图（7-9）所示：

图7 矩形翅片始端

图8 矩形翅片终端

图9 三角形翅片始端

图9 .a 三角形翅片终端

图9 .b 液滴形翅片始端

图9 .c 液滴形翅片终端

三种翅片都是以上端为始端，下端为终端。矩形翅片的横截面为一矩形， 三角形翅片的横截面为三角形， 液滴形翅片的横截面为一组合形状， 始端为一半圆，连接半圆的下部分为三角形。 三种翅片的长、宽、厚都是相同的， 翅片组的翅片数和翅片之间的间距也相同。 矩形翅片为样机翅片的形状， 三角形翅片和液滴形翅片为设计的翅片形状。

3 Fluent 数值模拟

首先进行几何模型的建立。 通过对样机散热器进行数据采集得到样机散热器的实际几何尺寸。 其中主要的参数为翅片的长、宽、厚、翅片之间的间距以及翅片组

中的翅片数量。 翅片的参数如下表1 所示。

表1 翅片参数翅片类型 翅（片片数） 距翅（片m m间） 度翅（片m m厚） 度翅（片m m长） 度翅（片m m高 ）矩形翅片 45 1.2 0.2 11 7.6三角形翅片 45

1.2 0.2 11 7.6液滴形翅片 45 1.2 0.2 11 7.6

通过SolidWorks 软件进行几何模型的建立。再对散热器的散热结构进行分析后制作出了散热器的热阻网络图，如图10 所示。

图10 散热器的热阻网络图

传热方式皆为热传导， 最终计算出翅片温度为70.3 ℃，模拟的入口风温为25 ℃，湍流度为5.7%。

网格的划分软件采用ICEM。 其中最主要的翅片部分的网格如图11 所示。

将网格文件导入Fluent 进行计算。使用Fluent 软件对三个模型的网格进行计算，

通过计算可以得到空气流过翅片组的温度场和速度场等参数， 从而分析不同模型翅片组的散热能力强弱。 其中设置模型的边界条件，进口条件设置进口模型为Velocity-inlet，进口温度为298k，入口风速为7m/s，湍流度为6%；出口条件设置出口模型为Outflow；翅片边界条件设置翅片模型为Wall型，视翅片组为内热源，Temperature 设置为343.3K。 最终得到的计算云图如图（11-17）所示。

图11 翅片网格

图12 温度云图（模型一）

图13 速度云图（模型一）

图14 温度云图（模型二）

图15 速度云图（模型二）

图16 温度云图（模型三）

图17 速度云图（模型三）

通过温度云图和速度云图可以明确地看到， 在温度云图中， 翅片组作为热源， 当

冷却气流流过翅片组以后，气流温度升高，随着气流流动距离的增加，气流温度又慢慢地降低； 速度云图中， 翅片组作为一个静止的物体， 当冷却气流流过翅片组以后， 速度有一个明显的降低。 三个模型的温度云图和速度云图都很相似，具体差异在于具体某一点的值发生了变化。

4 结果分析

对模型进行散热能力分析。 取100s 为一个时间，计算在该时间段里， 空气共带走的热量。 计算结果如图18 所示。

图18 100s 内各模型吸收热量图

模型2 在时长为100s 通过冷却风带走的热量相较于模型1 带走的热量提高了22.42%；模型3 相较于模型1 冷却风带走的热量提高了24.77%；模型3 相较于模型2 冷却风带走的热量提高了1.92%。 冷却风所获得的热量来自于翅片组，因而模型2、模型3 的冷却风带走的热量多于模型1 中冷却风带走的热量， 即模型2、模型3 的散热效果要优于模型1。 但模型2 和模型3 两者的散热量相差不大。

当模型1 的笔记本电脑不能很好地满足散热要求时， 模型2 和模型3 的翅片组有一定的能力增强模型1 的散热能力。

对制作散热翅片用料的多少进行分析。 模型1、模型2、模型3，三种翅片的形状发生了很大的变化，故其体积、 质量也发生了相应的变化。 翅片的材料为铜，以45 片翅片为一组， 以几何尺寸为基础计算各种翅片的体积V，从而计算翅片的质量。 计算结果如图19 所示。

图19 翅片制作材料质量图

由图可知，模型1 的翅片组的质量最大，模型1 翅片组的质量相较于模型2 翅片组的质量增加了100%；模型1 翅片组的质量相较于模型3 翅片组的质量增加了98.97%；模型3 翅片组的质量相较于模型2 翅片组的质量增加了0.519%。同样，模型2、模型3 两者翅片组的质量还是相差无几，而两者翅片组的质量与模型1

翅片组的质量相比却减少了很多。 通常， 笔记本电脑的翅片材料选择都为铝或者铜， 铜的导热性能要优于铝， 但厂家一般为了节约成本， 通常选择铝作为翅片的加工材料。 而该型号的笔记本电脑的翅片材质选择了铜，若将模型1 中的翅片形状改为模型2、模型3 中的翅片形状， 将会节省很大一部分的材料， 降低笔记本电脑的生产成本。 对于用铜和铝两种材质制作的翅片的散热器， 模型2 和模型3

都能体现其节省材料，降低生产成本的优点。

5 结论

以市场上某型号的笔记本电脑为基础， 对其散热器进行分析，并提出相应的优化措施。使用SolidWorks、ICEMCFD、fluent 等软件进行数值模拟。 分析计算结果后得到以下结论：

（1） 两种设计的翅片的散热能力提升幅度的变化与入口风速有关，且成正相关。

以入口风速为7m/s 进行分析， 三角形翅片的模型2 和液滴形翅片的模型3的散热能力相较于模型1 的散热能力提高了22.4%至24.77%，模型3 相较于模型2

提高了1.92%。

（2）模型1 的翅片与模型2、模型3 翅片的几何尺寸相同的情况下，制作模型1

翅片要比制作模型2、模型3 翅片的用料多出98.97%至100%。

【参考文献】

【相关文献】

［1］胡赢.笔记本风扇的散热专利技术[J].湖南科技，1003-5168,2015,03-0030-4.

［2］黄庆.热管用于笔记本电脑智能温控散热的分析[J].热管技术与应用[J].1001-552,2005,01-0034-03.

［3］林潘忠.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，1001-0505,2014,01-0093-06.

［4］王大东.两热源热管散热模组瞬态性能热分析[J].电子工艺技术，1001-3474,2011,02—0068-05.

［5］陆声琰.笔记本电脑散热器数值模拟及设计优化[J].辽宁科技大学学报，1647-1048,2014,01-0049-07.

［6］李环.热管在笔记本电脑中的应用[J].贵州电力技术，1008-083X,2015,09-0059-02.

［7］唐连伟.双热管CPU 散热器空气侧翅片性能的数值研究及优化设计[J].西安，710049.

［8］乔俊生.笔记本电脑内热管散热系统的热分析[D].上海市制冷协会2005 年学术年会论文集，上海 200030.

［9］宋慧瑾.一种笔记本电脑水冷散热系统设计及散热效果[J].实验室研究与探索，1006-7167,2017,03-0055-04.