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211、985硕士，职场15年+
从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作，涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域
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本期给大家带来的是关于笔记本电脑的散热系统发展与仿真分析研究内容，希望对大家有帮助。
由于集成电路（IC）必须通过越来越小的封装中的更多的晶体管提供更高的功能，导致功率密度越来越大。
消除这些电子芯片耗散的热量，已成为设计便携式和其他空间限制的电子设备时的巨大挑战。
这些电子芯片在笔记本电脑上的冷却是特别具有挑战性的，因为笔记本电脑的空间受限。
工作原理
目前，如图1所示的热管用于将热量从高功率组件输送到远端换热器。
图1：笔记本电脑中的热管冷却
然后，热量通过远端换热器被耗散到外部空气中。
目前市面上已研究其它冷却方法，以实现所需的耗散率，同时满足所需的可靠性和成本考虑。这些方法分别是热电制冷、压电等方法。
以制冷冷却为例，其允许在低结温度下的高热通量损耗，这将提高微处理器在较低操作温度下的性能，并提高芯片的可靠性。
然而，制冷冷却也增加了冷却系统的尺寸、复杂性和成本。复杂性会增加系统可靠性的不确定性。
蒸汽压缩制冷系统
一个基本的蒸汽压缩制冷系统由四个主要部件组成：蒸发器、压缩机、冷凝器和节流装置。
图2 一个蒸汽压缩制冷系统的示意图。蒸汽压缩制冷循环的主要传热方式是制冷剂的蒸发、冷凝。
图2：蒸汽压缩制冷系统示意图
当制冷剂进入蒸发器时，它由于低压而蒸发，并在恒温条件下从蒸发器吸收热量。然后，蒸汽制冷剂通过压缩机增压，蒸汽制冷剂因高压而在冷凝器中冷凝，在恒温条件下向冷凝器排热。
然后制冷剂通过节流装置，降低液体制冷剂压力。低压液体制冷剂重新进入蒸发器并重新启动循环。
图3显示了一个蒸汽压缩循环的热力学状态点图。
图3-蒸汽压缩循环热力学状态点和压力测量点示意图
对于电子冷却，蒸发器将直接连接到高功率电子芯片上，吸收芯片的散热。散热作用将通过风冷式冷凝器被抑制到周围环境中。图4 显示了计算机内蒸汽压缩循环的原理图。
图4-一个微型制冷系统的原理图
近年来，有许多研究旨在进一步研究电子冷却制冷系统的可行性。蒸汽压缩系统和系统仿真的研究是针对笔记本电脑的散热冷却。
小型制冷系统包括压缩机、冷板、冷凝器和节流装置，需要特别设计，以满足整个冷却系统可以整合在笔记本的小型空间内。
图5显示了整个系统的原理图，温度图蒸汽压缩循环热力学状态点和压力测量点。
图5：小型制冷系统示意图
选择异丁烷作为工作流体。冷板和冷凝器包含微通道，以有效地向制冷剂传递热量。
图6 显示了一个完整的形状因子循环，它也被建立和测试，以确定系统的可行性和整体性能。
测试结果如图7 所示，表明该系统在中等温升条件下可达到性能系数（COP）> 2.25。该系统的热阻范围为0.28-0.7°C/W。
图6：完整的小型制冷形式系数回路
图7：通过小型制冷技术得出的结果
图8笔记本式的小型制冷系统
仿真分析
让我们先来回顾一下关于热管的建模、相关参数说明与计算。
详细计算过程，之前的文章有分享过，有需要的可点击下方链接了解详情。
基于Flotherm软件的热管仿真技术
首先，分析基本结构，如下图参考模型，笔记本的CPU散热模组实物图。
通过观察上述实物图，可以获取的基本信息是，其中关键的模型是热管、离心风扇以及扣齿散热片。
这里我们只做了一个出风口，分享其建模与设置的方法。
用MCAD接口互通工具，导入模型后，在其中进行布尔运算，减去热管部分，然后简化成Flotherm能识别的模型，如下图所示。
MCAD中进行布尔运算与简化识别
对于扣齿散热器，可以在软件中进行阵列工具快速建模，如下图所示。
阵列后的Fin模型
关于扣齿散热器以及其他类型的散热器说明，可点击下方链接进行了解。
散热器的种类、工艺及其优化设计
最后，比较关键的就是离心风扇。
离心风扇建模的三种方法，之前有分享过，想了解的可点击下方链接与视频进行学习。
关于离心风机数值建模的三种方法
按照上述方法，我们在扣齿Fin侧面建立离心风扇，如下图所示，
对于出风口的出风方向设定，软件提供了三种方式，分别是法向、斜角、切变，根据实际情况进行设定即可。
Flotherm中出风口的三种供给方向
关于风扇PQ曲线设定，以及最终的风扇工作点查看以及确认方式，不同软件里面的入口不一样，比如下方的是Flotherm的风扇工作点查看。
在icepak中，可通过报表，英文版是report菜单，进入查看风扇工作点的窗口，如下图所示。
Flotherm的NB仿真后处理图
上图是基于Flotherm的NB风冷散热设计仿真的案例后处理图，关注公众号，发送“笔记本模型”，领取其三维模型文件，自行学习。
其它散热仿真视频教程陆续上传到B站，复制下方链接到浏览器即可。
https://www.bilibili.com/cheese/play/ss22920?csource=private_space_class_null&spm_id_from=333.1387.0.0
