工程边缘
片剂自然对流冷却效率的比较
消费者正迅速从台式电脑和笔记本电脑转向平板电脑和智能手机进行计算，游戏和通信需求。
Guy R.瓦格纳和威廉·马尔茨，电子冷却解决方案
H手持设备越来越能够运行过去需要高性能PC系统的应用程序。具有较小的形状系数，这提出了重大挑战，尤其是当人们认为被动冷却几乎是绝对的要求时。
随着平板电脑和智能手机性能的快速增长，其结果是功耗增加，导致设备无法承受高温。尤其是在这些设备上观看视频或玩游戏变得非常流行之后。这些类型的操作都是CPU和图形密集型的，与查看相对静态的屏幕相比，这涉及到更高的功耗。下一代手持平板电脑设备和智能手机的热设计需要解决关键内部部件的舒适表面接触温度和最高温度限制，同时还需要满足积极的工业设计要求。
图1垂直方向10英寸平板的Flotherm®CFD模型
本研究中探讨的手持设备冷却限制是基于各种条件下的测试和模拟。并提供了评估这些设备的冷却选项质量的方法。影响最大可能功耗的因素有：表面积和发射率；外壳材料；热界面材料；散热性能；还有气隙。这些装置热设计的限制因素通常是外表面的接触温度。有研究指出手持设备的最大允许接触温度。本文讨论了最大限度地提高这些设备内部热扩散的效果，这有助于将这些设备的接触温度保持在舒适的范围内。
绩效预期
手持设备越来越能够运行以前需要更强大的前辈的应用程序。用户希望这些设备能够提供与过去常用的笔记本电脑和台式电脑类似的性能。这提出了重大挑战，尤其是当人们认为被动冷却几乎是这些小尺寸设备的一项要求时。一些研究集中在手持设备的冷却挑战上；Brown等人[2]，李等人〔5〕；Mongia等人[6]，胡赫等人〔4〕；Gurrum等人[3]。
图2温度升高超过环境温度与平板电脑功率的函数关系
最大功耗
本研究使用Flotherm®CFD模拟计算了自然对流和辐射的最大可能功率耗散，如图1所示。在25°C环境条件下，根据表面温度不超过接触温度41°C的要求计算最大总功耗。这是Berhe[1]提出的最大铝外壳舒适性接触温度。
可以看出，当一个10英寸的平板垂直悬浮在空气中，所有表面都有传导和辐射时，理论上的最大总功耗为17.1瓦特。仅从侧面和前表面进行热传递。这些值确定了装置在静止空气中不同方向可散发的最大热量的界限。
为了计算全尺寸平板电脑的总功耗，以下假设是作为610K元件的Flotherm模型的输入进行的：一个典型的10英寸平板尺寸为180 mm（W）x 240 mm（H）x 10 mm（D），具有理想的均匀表面温度条件。将片剂模拟为具有均匀内部发热的非常高的导热性块（k=10000 w/mk），以产生基本上恒温的表面。理想表面发射率为1.0，辐射换热部件占总功率17.1瓦特的惊人9.9瓦特，而对流换热部件为7.2瓦特。因为在25°C的环境温度下，辐射可以占总功耗的一半以上，高发射率表面处理的使用非常重要。
为了达到最大的功耗，设计参数需要仔细考虑。设计设备时应尽可能保持恒温，以最大限度地提高从所有表面到周围环境的热传递量。如果表面不再可用于传热，例如，当设备放在毯子上时，可以耗散的能量几乎减半。
图3功耗与表面温度为41°C的设备的表面积
最大接触温度为41°C时的功耗采用CFD计算，适用于三种设备，从智能手机尺寸到微型和全尺寸平板电脑。功耗与表面积的关系如图3所示，对于在垂直和水平位置具有绝热下表面的装置。平板电脑很有可能在水平位置使用，其下表面几乎是绝热的，而智能手机很少以这种方向运行。根据功率和温升计算，现在可以计算垂直方向的热阻，如图4所示，作为暴露表面积函数的等温片剂。
图4热阻与表面温度为41°C的垂直恒温装置的表面积
数值模型
为了分析不同热管理技术的影响，使用Flotherm XT™建立了详细的计算流体动力学（CFD）热模型。由于平板电脑中主处理器的热特性数据可能未知，实际处理器的热特性可以使用Mentor图形“T3STER”硬件以高精度测量，以确定处理器IC到机箱和PCB的热阻；Wagner等人[7]。这允许从处理器的顶部和底部准确捕获热流。处理器的热模型可以直接放到平板计算流体动力学模型中。FlothermXT中的自适应网格允许将平板内部组件的细微特征包括在模型中，同时将网格数保持在图5和6所示的合理大小。
图5药片内部成分温度的Flotherm-XT模型
图6flotherm-xt模型显示了片剂背面的热点和自然对流气流。
利用CFD热模型，可以解决以下问题：
- 在降低接触温度的同时，高导热体能提高多少散热性能？？
- 什么是将热量从产生热量的组件转移到片剂表面的最佳方式，使其安全地消散？？
- 如何在热管理过程中战略性地使用气隙？？
- 除了对流之外，考虑辐射有多重要？？
- 耗散的能量应该在震源或地表传播吗？？
- 与铝或镁外壳相比，用塑料外壳设计平板电脑的效果如何？？
因为我们的目标是保持接触温度在或低于41°C，回答问题1对设计有很大影响。
温度均匀性可以通过在片剂的外壳内提供高导电性的热传导器或通过将外壳本身制成高导电性材料来实现；瓦格纳（Wagner）等人[8]必须记住，最大接触温度是热传导器或外壳传导率的一个强大函数。
随着导电率的下降，最高舒适触摸温度升高。例如，如果外壳由导热系数在0.2 w/mk范围内的塑料制成，用户感觉到的外壳温度较低，因为塑料的低导热性对用户皮肤的导热性较小。表面接触温度随导热性的增加而降低，壳体材料的密度和比热（k.ρ.cp）减小。当此产品较低时，接触温度可比固体金属外壳升高约5°C。因为外壳的表面积相对于塑料的厚度大，与铝外壳相比，空气中的热传递没有明显减少。这假设热量通过使用高x-y导电性铝板或石墨板在塑料外壳的内表面扩散。
红外图像
在评估热撒布机的有效性时，无论是内部还是通过使用高导电性外壳材料，当被测设备在其最大计算水平下运行时，拍摄被测设备的红外图像非常有用。已经发现，图形密集型的处理过程也需要大量的计算，并且将以最大的功率运行平板电脑。一般来说，药片达到稳定温度至少需要30分钟。图7显示了在热测试期间运行相同游戏的三个平板电脑。
图7使用热电偶监测温度时运行激流GP的三种不同药片的图像
由于片剂表面的发射率并不总是已知的，热电偶放置在平板电脑前后的不同位置，以读取选定位置的温度。调整红外摄像机图像的发射率设置，直到热电偶读数和红外图像之间的差异最小化。
图8包括四种不同型号平板电脑背面的红外图像。平板电脑正在运行一个名为激流GP的游戏，同时测量了移动设备的图形和计算能力。记录每次试验时的环境空气温度，以确定热点的温升。从平板A的中心向上延伸的黑暗区域是由支撑平板的垂直位置支撑的。
图8运行激流GP的四种不同平板电脑背面的红外图像
注意内部热部件的位置。”打印通过形成热点的案例。
热溶液质量优值
由于热扩散是从片剂外表面散热和降低热点温度的最重要因素，作者提出了以下几个优点，以确定片剂热设计的有效性。
平板的热扩散效率可以定义为等温平板的理想热阻除以实际平板的测量或模拟热阻之比。发射率等于1.0的等温片的热阻是理论上能达到的最好的热阻。通过将高于环境温度的温升除以等温药片的耗散药片功率来计算等温热阻。实际热阻的计算方法是将热点高于环境温度的温升除以消耗的药片功率。
热扩散效率=Ri/Ra
Ri=∆Ti/Qi理想等温片的热阻
Ra=∆Ta/Qa实际片剂的热阻
在哪里？
∆ti=发射率为1.0的理想等温片的温升高于环境温度
qi=理想恒温片的功耗
∆ta=实际片剂的热点温度高于环境温度
qa=实际平板电脑的功耗
下表总结了四片药片的测试结果，并计算了每片药片热设计的热扩散效率。
总结
综上所述，建立一个精确的平板电脑热模型，使设计者能够快速测试设计和材料变化的影响，而不会造成测试原型的成本和进度延迟。这加快了上市时间，降低了开发成本。
内部组件的最大功耗不仅取决于平板电脑的大小，还取决于热量在内部传播的程度，以降低热点温度。很少有工程师意识到辐射在散热片暴露表面的热量方面起着重要作用。直到经过精确计算，辐射在片剂热设计中的重要性才真正显现出来。如果各个表面的发射率很高，超过一半的热传递是由辐射引起的。
介绍了用理论上的最大冷却效率来衡量片剂实际冷却效率的热扩散效率的优点图。对于自然对流冷却的片剂，完美的热设计将具有1.0的热扩散效率。然而，药片厚度和重量必须与效率进行权衡。
参考文献：
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BerheM.K.手持电子设备的人体工学温度限值，ASME Interpack'07程序，纸号IPACK2007
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布朗L.,SeshadriH.Cool Hand Linux®手持热扩展，Linux研讨会论文集，卷。1，PP 75—80，二千零七
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GurrumS.P.爱德华兹D.R.马尔尚·戈尔德，T.AkiyamaJ.YokoyaS.DrouardJ.F.DahanF.电话和平板电脑系统的一般热分析，IEEE电子元器件与技术会议论文集，二千零一十二
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呵呵，Y.移动设备电源管理的未来方向，IEEE亚洲固态电路会议，2011。
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李，J.格拉克D.W.JoshiY.K.手持电子设备传热的参数化热模拟，第11届IEEE电子系统热机械现象学会间会议记录，i-THM，PP 604-609，二千零八
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蒙吉亚R.BhattacharyaA.波哈纳H.未来移动形状因子计算设备中的皮肤冷却和其他挑战，微电子杂志，卷。39，第992-1000页，二千零八
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瓦格纳G.R.MaltzW.关于下一代手持设备的热管理挑战，2013年美国机械工程师协会Interpack会议记录，纸号Interpack2013-73237
