国立成功大学论文（笔记本电脑散热设计研究）

    国立成功大学论文（笔记本电脑散热设计研究）



国 立 成 功 大 学工 程 科 学 系 硕 士 班 硕 士 论 文
笔记型计算机散热系统之研究
A study of thermal management for Note Book PCs
研 究 生：吴培立
指导教授：周荣华
中华民国九十三年六月
热设计 https://www.resheji.com

摘要
近年来，随着轻、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计算机性能好坏的重要因素。本研究采用IBMT-40 当作分析的模型，使用FLOTHERM 3.2 对笔记型计算机系统内部进行散热装置之仿真分析，目标在达到理想的CPU 温度。首先，进行实验以验证FLOTHERM 的准确性，实验与仿真CPU 温度最大误差为2.6%、热阻最大误差为5%，验证FLOTHERM 在热分析上之准确性。
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。就鳍片厚度及其片数对散热性能之影响而言，在基座面积为50mm2、鳍片片数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，但受限于冷凝端的散热效率(小鳍片、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。经整体仿真分析，RHE(Remote Heat Exchanger)散热模块，总热阻约为1.33oC/W 左右；双散热片模块热阻约1.29oC/W 左右；双风扇模块热阻约为0.93oC/W 左右。


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 笔记型计算机主要热传路径...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 仿真芯片..9
3-2-2 铝块...10
3-2-3 热管...10
3-2-4 冷凝端散热模块.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 温度撷取系统.12
第四章 数值模拟.13
4-1 热设计流程.13
4-2 FLOTHERM 软件介绍..13
4-3 数值模型介绍..19
4-3-1 笔记型计算机内部结构设计..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 散热模块组件之探讨...23
5-5 散热孔位置与散热孔开孔率之影响.34
5-6 散热模块之改良..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、笔记型计算机模块发热瓦数:..47
表4- 2、相关材质的热传导系数:..47
表5- 1、不同发热功率下，实验与仿真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 和散热鳍片示意图【2】.50
图1- 2、热管连接于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、笔记型计算机主要散热途径【14】52
图3- 1、实验模块示意图.52
图3- 2、仿真芯片示意图.53
图3- 3、数字式直流电源供应器...53
图3- 4、热电偶原理示意图【15】...54
图3- 5、热电偶温度撷取系统..54
图4- 1、笔记型计算机设计流程图...55
图4- 2、FLOTHERM 主系统窗口56
图4- 3、FLOTHERM 绘图窗口56
图4- 4、网格分布图57
图4- 5、笔记型计算机内部细部结构图...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布图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)模块化.62
图5- 10、离心式风扇(Blower)模块化...62
图5- 11、轴流式风扇速度分布图.63
图5- 12、离心式风扇速度分布图.63
图5- 13、轴流式风扇温度分布图.64
图5- 14、离心式风扇温度分布图.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芯片最高温度比较图65
图5- 17、片状式鳍片...66
图5- 18、鳍片基座底面积与CPU 最高温度关系图.66
图5- 19、发热瓦数(25W)Tmax 与鳍片片数之关系图.67
图5- 20、发热瓦数(35W)Tmax 与鳍片片数之关系图.67
图5- 21、发热瓦数(45W)Tmax 与鳍片片数之关系图.68
图5- 22、发热功率35w，鳍片平均流速、CPU 最高温度及增加散热片数关系图...68
图5- 23、鳍片热阻值与散热片数关系图【17】...69
图5- 24、为35W 时CPU 最高温度与不同散热片厚度之关系图.69
图5- 25、热管模块示意图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 于不同瓦数之热阻比较图72
图5- 31、热管管径3mm，添加不同根数于不同瓦数之热阻比较图73
图5- 32、热管管径4mm，添加不同根数于不同瓦数之热阻比较图73
图5- 33、热管管径5mm，添加不同根数于不同瓦数之热阻比较图74
图5- 34、热管管径6mm，添加不同根数于不同瓦数之热阻比较图74
图5- 35、笔记型计算机机壳下方开孔处.75
图5- 36、笔记型计算机机壳侧边开孔.75
图5- 37、不同进风口位置76
图5- 38、进风口-1 温度分布图76
图5- 39、进风口-2 温度分布图77
图5- 40、进风口-3 温度分布图77
图5- 41、原始进风口温度分布图.78
图5- 42、不同开孔率对CPU 温度的影响78
图5- 43、芯片位置于机壳上方处.79
图5- 44、双散热片模块示意图79
图5- 45、双散热片模块与原始散热模块之热阻比较图80
图5- 46、双风扇模块...80
图5- 47、双风扇模块与原始散热模块之热阻比较图81
图5- 48、三种散热模块热阻比较图.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


第一章 序论
1-1 前言
近年来由于高功率电子组件的发展，加上半导体制程技术的进步，使得现今许多电子产品都走向高性能、轻量化、小型化的趋势。
1965 年，摩尔先生预测硅芯片晶体管数每隔18 个月会倍增，因此由半导体制程技术由1989 年的最小线宽0.7mm、晶体管数量100K 左右进步至2000 年的0.13mm线宽、晶体管数量5M，可以预计在二十一世纪初可进入奈米纪元。然而，电子产品微小化相对的是对组件、系统的重大影响，因为在芯片性能大幅提升但芯片面积越来越小的情况下，而使得热通量不断的增加。表1-1 为现今Note Book 的热设计功率(TDP)【1】，未来二、三年内发热功率甚至可能会达到50W 以上。
因此，基于以上情况，能有效地散热便显得格外的重要，所以在热设计上，就需要一个有效的散热方式，使组件和系统能在稳定的情况下操作。
散热问题，一直是笔记型计算机的技术瓶颈，它关系到整体笔记型计算机的稳定度，许多当机都是因为热设计不良所造成。由于为了要符合Note Book所标榜的方便性与可携带性，所以必须做得轻、薄、短、小，以达到重量轻、体积小的境界。换言之，Note Book 内部空间极其有限，要使CPU 所产生的热量能在那么小的空间有效的排出，乃一大挑战。

非常不错的资料，谢谢。

国立成功大学，看过好多这学校出的散热行业资料。 很多台湾散热设计的论文，都不错啊。

pdf没有字库，看不见，怎么办？

谢谢 下来研究研究

收下了,楼主辛苦了 ..

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不错的资料，谢谢