筆記本熱管型散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及特點(diǎn)分析

程蓉蓉

(山西體育職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030006)

當(dāng)前市場日益流行的平板計(jì)算機(jī)主要采用了無風(fēng)扇的散熱設(shè)計(jì)方式，主要依靠單個散熱片與高性能導(dǎo)熱材料相結(jié)合的方式來進(jìn)行散熱。

1 筆記本散熱模組的主要構(gòu)成部件結(jié)構(gòu)形式

筆記本散熱模組的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 筆記本散熱模組的基本結(jié)構(gòu)

1.1 熱管

筆記本計(jì)算機(jī)散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，采用的典型熱管為內(nèi)壁燒結(jié)粉末結(jié)構(gòu)熱管。但是，對于一些對整體結(jié)構(gòu)有要求的筆記本，例如超薄的筆記本，在特定的情況下可以設(shè)計(jì)使用復(fù)合管，即將燒結(jié)粉末與絲網(wǎng)管復(fù)合使用，通過這種方式能夠在受限制的空間內(nèi)部結(jié)構(gòu)下獲得更好的熱傳遞效果。不同的管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)及散熱性能詳情如表1 所示。

表1 不同熱管管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)及散熱性能

在設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)筆記本內(nèi)部空間需要將熱管進(jìn)行折彎、壓扁處理，從而影響到熱管的整體性能參數(shù)。因此，在筆記本內(nèi)部空間滿足相關(guān)要求的前提下，應(yīng)該盡量減少對熱管進(jìn)行折彎、壓扁等處理。

1.2 鰭片

筆記本散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，所使用的鰭片材料主要是金屬鋁、銅等，在使用設(shè)計(jì)過程中主要考慮散熱系統(tǒng)的制造成本以及整體散熱效率。通過這兩個參數(shù)合理確定材料的厚度以及間距的設(shè)置。同時，在設(shè)計(jì)過程中還需要考慮系統(tǒng)的合理搭配，從而對其他參數(shù)進(jìn)行定義。

1.3 散熱板

因?yàn)闊峁懿⒉荒軐⒐P記本的整個發(fā)熱芯片完全覆蓋，所以需要通過設(shè)置散熱板將整個芯片覆蓋，從而達(dá)到增加散熱的目的。散熱板與熱管直接焊接起來，并選擇性能良好的金屬銅作為散熱板的主要材料，這主要是因?yàn)殂~的導(dǎo)熱效果好，而且容易實(shí)現(xiàn)精密加工，但是，在制造成本方面也較高，與其他鋁材相比沒有優(yōu)勢。

1.4 散熱介質(zhì)

筆記本散熱系統(tǒng)的介質(zhì)主要是采用TIM(Thermal interference material)材料，該種材料是當(dāng)前筆記本散熱系統(tǒng)中發(fā)熱芯片以及散熱板填充的主要介質(zhì)，這主要是因?yàn)樗O(shè)置的散熱面板以及發(fā)熱器件，例如芯片、CPU 等不是一個完整的平面，其表層存在著微觀的不平度。通過使用TIM 材料能夠有效地填補(bǔ)表面所產(chǎn)生的凹凸缺陷。而對于發(fā)熱量較大的元器件，例如CPU 等，還需要使用導(dǎo)熱膏，這種介于液態(tài)、固態(tài)之間的物質(zhì)能夠增加散熱系統(tǒng)與產(chǎn)熱器件之間的導(dǎo)熱效果。

1.5 風(fēng)扇

對于空間受限制的筆記本，必須在風(fēng)扇的下方設(shè)置入風(fēng)口，從而加大系統(tǒng)內(nèi)部空氣與外部空氣的交換效率。通常，所使用的風(fēng)扇類型包括軸流式、離心式兩種。軸流式風(fēng)扇具有體積大、風(fēng)量高、噪聲大的特點(diǎn)，主要用于服務(wù)器或者臺式機(jī)中;而筆記本主要使用功耗較低、噪音較小的離心式風(fēng)扇。

2 散熱系統(tǒng)熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)及主要特點(diǎn)

當(dāng)熱管的物理結(jié)構(gòu)沒有經(jīng)過折彎、壓扁等處理，處于原始的圓直管狀態(tài)時，其導(dǎo)熱特性為最佳狀態(tài)。但是，在實(shí)際的應(yīng)用過程中，因?yàn)槭艿较到y(tǒng)整體空間的限制，加之主板在布局等方面也有一定的影響，在設(shè)計(jì)過程中不能使用理想狀態(tài)下的圓直管，必然會需要進(jìn)行折彎、壓扁等操作，從而使得其部分熱力特性受到損失。所以，在設(shè)計(jì)的過程中需要將這些因素考慮進(jìn)來，從而滿足散熱系統(tǒng)的整體需求。

圖2、圖3 以及圖4 分別是某型熱管的壓扁厚度、折彎數(shù)等對熱管整體熱力特性損失所產(chǎn)生的影響，這是筆記本散熱系統(tǒng)熱管設(shè)計(jì)的主要數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖2 6mm 熱管壓扁厚度對熱力特性的影響

圖3 8mm 熱管壓扁厚度對熱力特性的影響

從上述兩圖分析可知，在沒有折彎操作的情況下，直徑為6mm、8mm 的熱管在設(shè)計(jì)的壓扁厚度確定時，隨著熱管整體長度的增加，其熱力特性會迅速下降。同時，當(dāng)熱管長度固定時，熱管的壓扁量增加也會造成熱管的整體熱力性能下降。因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中要盡量避免出現(xiàn)熱管長度以及壓扁厚度過大的問題。

圖4 熱管折彎數(shù)對熱管熱傳遞功率的影響

從圖4 分析可知，隨著熱管折彎數(shù)的增加，熱管的整體熱傳遞功率開始呈現(xiàn)迅速下降的變化趨勢。因此，在實(shí)際的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中要避免熱管的整個路徑過于復(fù)雜，并盡量保持熱管處于整體直線布置的狀態(tài)。但是，實(shí)際的使用過程中因?yàn)榭臻g布局等條件的限制，完全圓直管的情況基本不可能，因此在設(shè)計(jì)過程中可以接受整個熱管長度范圍內(nèi)有2～3 個角度小于60°的折彎。

另外，散熱模組所使用的材料一般是具有高導(dǎo)熱屬性的銅合金、鋁合金等，與一般的金屬純銅或者是鋁材相比，合金材料的整體強(qiáng)度以及導(dǎo)熱效果等相差并不明顯，其主要是在成本、重量以及實(shí)際的導(dǎo)熱量方面的差距，在設(shè)計(jì)的過程中需要根據(jù)這些因素進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

不同熱管的優(yōu)劣不同，在不同情況下具有不同的應(yīng)用范圍，必須對筆記本散熱模組的整體設(shè)計(jì)及后續(xù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

［1］風(fēng)清揚(yáng).CPU 散熱原理與方法［J］.電子計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備，2010，5(5):134-135.

［2］丘東元，何文志，張波，等.基于FloTHERM 軟件的電力電子裝置熱分析［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報，2011(02):54.

［3］孫志軍.新型CPU 集成熱管散熱技術(shù)研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2006.

［4］丁新民.熱管技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)的發(fā)展［J］.電腦應(yīng)用，2003(5):22.