笔记型电脑散热系统之研究
摘要
近年来，随著轻、薄、短、小的需求与高性能微处理器的使用，散热设计一直是笔记型电脑性能好坏的重要因素。本研究採用 IBM T-40 当作分析的模型，使用FLOTHERM 3.2 对笔记型电脑系统内部进行散热装置之模拟分析，目标在达到理想的 CPU 温度。首先，进行实验以验证FLOTHERM 的準确性，实验与模拟 CPU 温度最大误差为2.6% 、热阻最大误差为5% ，验证FLOTHERM 在热分析上之準确性。
分析结果显示，考虑风扇的位置及流道，离心式风扇(Blower fan)出口区风速能有效的作用在散热片高温表面，减少系统内部回流的发生。就鰭片厚度及其片数对散热性能之影响而言，在基座面积为50mm^2、鰭片片数24 片、厚度 0.6mm 可得到一个最佳 CPU 温度值。
使用多根热管能有效降低热阻，但受限於冷凝端的散热效率( 小鰭片、低风速) ，添加第三根热管比使用二根热管，热阻约下降4%左右，差异很小。经整体模拟分析，RHE(Remote Heat Exchanger)散热模组，总热阻约为 1.33℃/W 左右；双散热片模组热阻约 1.29℃/W 左右；双风扇模组热阻约为0.93℃/W 左右。
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目录
表目录....... IV
图目录.........V
符号说明....... IX
第一章 序论.......1
1-1 前言 .......1
1-2 研究动机 .......2
1-3 文献回顾.......3
第二章 热设计理论分析 .......6
2-1 笔记型电脑主要热传路径.......7
2-2 热阻基本定义 .......7
第三章 实验方法与设备.......9
3-1 实验方法.......9
3-2 实验模型.......9
3-2-1 模拟晶片.......9
3-2-2 铝块.......10
3-2-3 热管 .......10
3-2-4 冷凝端散热模组.......10
3-2-5 散热膏.......11
3-3 实验设备.......11
3-3-1 电源供应器.......11
3-3-2 烘箱.......11
3-3-3 热电偶 .......11
3-3-4 温度擷取系统.......12
第四章 数值模拟 .......13
4-1 热设计流程 .......13
4-2 FLOTHERM 软体介绍.......13
4-3 数值模型介绍 .......19
4-3-1 笔记型电脑内部结构设计.......19
4-3-2 材料性质之设定.......20
第五章 结果与讨论 .......21
5-1 热设计需求及目标 .......21
5-2 初步热设计分析.......21
5-3 实验与模拟之比较.......22
5-4 散热模组元件之探讨.......23
5-5 散热孔位置与散热孔开孔率之影响.......34
5-6 散热模组之改良.......35
第六章 结论 .......38
参考文献 ........40
表目录
表 1- 1 、INTEL 最新Note Book CPU 之发热功率【1】.......43
表 1- 2 、文献摘要整理.......44
表4- 1 、笔记型电脑模组发热瓦数:.......47
表4- 2 、相关材质的热传导係数:.......47
表 5- 1 、不同发热功率下，实验与模拟CPU 温度比较.......48
表 5- 2 、不同发热功率下，实验与模拟热阻比较.......48
表 5- 3 、不同发热功率下，实验与模拟热阻比较(环境温度取决机壳内) .......48
表 5- 4 、Blower 规格.......49
表 5- 5 、热管运作流程图.......49
图目录
图 1- 1 、热管连接CPU 和散热鰭片示意图【2】.......50
图 1- 2 、热管连接於键盘下散热平板示意图【3】.......50
图 1- 3 、Hinged heat pipe system 【3】.......51
图 1- 4 、Remote heat exchanger system 【4】.......51
图2- 1 、笔记型电脑主要散热途径【14】.......52
图3- 1 、实验模组示意图.......52
图3- 2 、模拟晶片示意图.......53
图3- 3 、数位式直流电源供应器.......53
图3- 4 、热电偶原理示意图【15】.......54
图3- 5 、热电偶温度擷取系统.......54
图4- 1 、笔记型电脑设计流程图.......55
图4- 2 、FLOTHERM 主系统视窗 .......56
图4- 3 、FLOTHERM 绘图视窗 .......56
图4- 4 、网格分佈图.......57
图4- 5 、笔记型电脑内部细部结构图.......57
图5- 1 、发热功率35W ，初步不加任何散热装置等温线图.......58
图5- 2 、初步添加散热装置等温线图.......58
图5- 3 、初步加装散热机制之速度分佈图.......59
图5- 4 、实验与模拟在不同瓦数之CPU 温度比较图.......59
图5- 5 、实验与模拟在不同瓦数之热阻比较图.......60
图5- 6 、实验与模拟在不同瓦数之热阻比较图(环境温度为机壳内部之温度) .......60
图5- 7 、Axial Fan 散热器.......61
图5- 8 、Blower 散热器 .......61
图5- 9 、轴流式风扇(Axial fan)模组化 .......62
图5- 10 、离心式风扇(Blower)模组化.......62
图5- 11 、轴流式风扇速度分佈图.......63
图5- 12 、离心式风扇速度分佈图.......63
图5- 13 、轴流式风扇温度分佈图.......64
图5- 14 、离心式风扇温度分佈图.......64
图5- 15 、风扇在不同风速下之热阻比较图.......65
图5- 16 、风扇在不同风速下之晶片最高温度比较图.......65
图5- 17 、片状式鰭片.......66
图5- 18 、鰭片基座底面积与CPU 最高温度关係图.......66
图5- 19 、发热瓦数(25W)Tmax与鰭片片数之关係图 .......67
图5- 20 、发热瓦数(35W)Tmax与鰭片片数之关係图 .......67
图5- 21 、发热瓦数(45W)Tmax与鰭片片数之关係图 .......68
图5- 22 、发热功率35w ，鰭片平均流速、CPU 最高温度及增加散热片数关係图 .......68
图5- 23 、鰭片热阻值与散热片数关係图【17】.......69
图5- 24 、为35W 时CPU 最高温度与不同散热片厚度之关係图.......69
图5- 25 、热管模组示意图.......70
图5- 26 、热管管径3mm 实际最大热传量与模拟所传递之热量比较图.......70
图5- 27 、热管管径4mm 实际最大热传量与模拟所传递之热量比较图.......71
图5- 28 、热管管径5mm 实际最大热传量与模拟所传递之热量比较图.......71
图5- 29 、热管管径6mm 实际最大热传量与模拟所传递之热量比较图.......72
图5- 30 、单根不同管径3 、4 、5 、6mm 於不同瓦数之热阻比较图 .......72
图5- 31 、热管管径3mm ，添加不同根数於不同瓦数之热阻比较图.......73
图5- 32 、热管管径4mm ，添加不同根数於不同瓦数之热阻比较图.......73
图5- 33 、热管管径5mm ，添加不同根数於不同瓦数之热阻比较图.......74
图5- 34 、热管管径6mm ，添加不同根数於不同瓦数之热阻比较图.......74
图5- 35 、笔记型电脑机壳下方开孔处.......75
图5- 36 、笔记型电脑机壳侧边开孔.......75
图5- 37 、不同进风口位置.......76
图5- 38 、进风口-1 温度分佈图.......76
图5- 39 、进风口-2 温度分佈图.......77
图5- 40 、进风口-3 温度分佈图.......77
图5- 41 、原始进风口温度分佈图.......78
图5- 42 、不同开孔率对CPU 温度的影响.......78
图5- 43 、晶片位置於机壳上方处.......79
图5- 44 、双散热片模组示意图.......79
图5- 45 、双散热片模组与原始散热模组之热阻比较图.......80
图5- 46 、双风扇模组.......80
图5- 47 、双风扇模组与原始散热模组之热阻比较图.......81
图5- 48 、三种散热模组热阻比较图.......81
图5- 49 、整体模拟分析等温线图.......82
图5- 50 、不同进风口整体模拟分析等温线图.......82