概念阶段 - 冷却与气流 第1部分

在这一期的开源笔记本电脑项目中，我们将更仔细地研究冷却系统。首先，我们将关注设备内部的气流，并找出为满足前一篇文章中定义的要求需要考虑哪些因素。

在概念阶段，我们研究了应在最终产品中实现的关键技术要求。其中一个要求是设备底部不能吸入空气。市场上许多（如果不是大多数）笔记本电脑都是这样做的——而且有充分的理由。在我们深入CAD模型并开始我们自己的设计之前，让我们看看现状，并了解我们可以从已验证的方法中学到什么。

看一看Dell XPS 9500

为了展示现代笔记本电脑中是如何实现冷却解决方案的，我们将看看Dell XPS 9500。这是一款配备i7-10750处理器和NVIDIA GTX 1650 Ti GPU的15英寸设备，在满负荷下可以消耗超过100瓦的功率。因此，其冷却解决方案将比13英寸设备的要大得多，但操作原理保持不变。

在设备底部，我们看到大量的进气口。通风口的阵列几乎延伸到设备底盖的整个长度。

DELL XSP 9500的底部视图

移除底盖后发现，实际上只有一小部分通风口被内部风扇使用。大约50%的通风口被绝缘箔封闭。在可以主动吸入空气的区域，风扇前面没有空气过滤器。细网空气过滤器可能具有特别高的流动阻力。这就是为什么没有额外过滤器的低压侧系统能够在三年的使用期内，不因冷却鳍片堵塞而损失性能，这一点非常有趣。当然，这个例子并不完全具有代表性，因为不同地方的颗粒数量和颗粒大小是不同的。

设备底部盖

该机器使用两个径向风扇，每个风扇前方直接配有一个拉链鳍片散热器包。这两个散热器包通过两根8mm平面热管与主CPU和GPU连接。

叠加底盖和组件布局的两张图片，可以展示系统内部气流的发展情况。

XPS 9500内的气流

这种布局的好处是：

• 流动路径尽可能短，这最小化了压力降，并使得通过散热器的空气速度更高；
• 没有空气被迫流过主板或任何其他内部组件，使得电子设备上积尘的可能性不大；
• 冷空气进口和热空气出口相距较远。

这种布局的缺点是：

• 当笔记本电脑放在柔软的表面上时，底部的通风口容易被堵塞；
• 没有主板上的气流意味着所有产生热量的组件都需要一个大的散热片，或需要与CPU或GPU的散热片热耦合。

开源笔记本的气流概念

前一种方法的好处是非常有力的论据，用于将空气进口放在设备的底部。然而，应该有方法将空气进口移至设备的后部或侧面，而不会创建不必要的瓶颈。

因此，我们考虑了两种冷却概念设计的方法：

对于第一种方法，空气从设备的右侧吸入，经过主板，然后从笔记本电脑的左侧排出。散热器包直接位于笔记本电脑左侧的通风口和径向风扇之间。

这种方法的主要缺点是主板需要位于笔记本电脑的前部，即触控板下方。电池组则需要放置在键盘下方。这会使笔记本电脑的重心后移，当屏幕完全向后弯曲打开使用时，会使其变得不稳定。因此，我们后来放弃了这种方法。

下图展示了第一个概念中气流如何发展。（我们稍后将讨论如何使用免费和开源工具设置这样的模拟。）

被弃用的冷却概念的气流路径

由于将电池移到后部不再是一个选项，因此必须设计内部组件的新布局。由于主板现在位于键盘下方，因此无法再从侧面吸入空气，因为空气通风口所需的空间已被IO接口占用。

作为一种替代方法，我们将进气口和出气口都放在了笔记本电脑的后部。这样，几乎可以利用笔记本电脑的整个长度作为通风口，最小化了气流阻力。如果进气口放置在出气口附近，必须小心不要将热空气重新吸入机器内部。

更新后的气流路径如下所示：

更新后的气流路径

采用这种方法，设备背部的大部分区域专用于冷却空气进气口。由于这个空气进气口的横截面积相对较大，我们可以在进气口前安装一个细网空气过滤器，而不会造成太大的压力降。过滤后的冷却空气穿过主板，使我们能够冷却SSD、内存、VRM和支持电路等组件。由于冷却空气经过过滤，我们还减少了主板上积累灰尘的风险。通过主板吸入冷却空气的另一个好处是，我们可以确保键盘和主板之间不会形成热空气囊。这应该能有效降低重度使用下的键盘温度。

以下渲染图展示了主板在键盘模块下方的新位置：

主板位于键盘模块下方的位置

散热风扇进气间隙

如上图所示，我们已经设定了一种有效的系统冷却方式。现在，我们需要将这个概念整合到CAD中，并通过初次迭代中的模拟验证这种方法。

在细化CAD模型之前，我们需要了解系统中风扇位置的约束条件。特别需要注意的是冷却风扇进气口周围的间隙。风扇的进气口直接位于键盘模块下方，仅留有很小的空隙来吸入空气。我们可以通过模拟来验证该部分的压降。然而，当障碍物非常靠近风扇的进气口时，会产生额外的空气动力学效应。轴流风扇尤其容易受到进气路径中阻塞的影响。虽然离心风扇通常更适用于高流动阻力环境，但进气口附近的次优空气流动会对性能产生较大影响。

我们将确保风扇进气口不会出现旋涡或旋转流动。这会降低风扇性能并产生额外噪音。我们还需要确保质量流均匀地进入风扇，以便风扇转子的每个部分都经历均匀的压力差。

如果在进气口附近放置一个平面障碍物，风扇转子本身的影响可能会产生旋转流动。不幸的是，这正是在所述冷却概念中使用的风扇的安装位置。使用模拟来模拟这些旋转流动非常困难，需要准确了解风扇叶片的几何形状。由于模拟不是一个可行的选项，我们将不得不对风扇进行测量。

简化的风扇测量

目标是确定平面障碍物必须与风扇进气口保持的最小距离。

在实验设置中，测量冷却风扇的空气速度时，风扇进气口没有任何阻碍。使用一个阻挡板，它被逐渐靠近风扇进气口，同时监测风扇出口的空气速度。通过这种方式，可以确定输出空气速度与阻挡物到风扇进气口距离的函数。这个函数应该告诉我们，障碍物到进气口的最小距离应该是多少，以避免风扇性能下降超过10%。

为了达到预期结果，需要一种可重复的方法来测量风扇出口的空气速度。由于我无法使用风速计测量这么小的风扇出口的空气速度，我们将不得不即兴发挥。

为此，我们将使用两个冷却风扇相连，只有一个风扇被主动驱动。第二个风扇由第一个风扇产生的气流驱动，因此我们可以利用第二个风扇的转速信号，通过频率计来测量转子速度。

当尝试仅用外部来源提供的气流来驱动风扇时，我们很快就会遇到问题——特别是在低流速下。风扇电机的磁阻转矩导致风扇只有在高流速下才会旋转。

为了避免这个问题，必须对第二个风扇进行修改，移除定子，同时保留带有霍尔传感器的电路板，以便于保留转速信号。以下是我们的做法：

• 然后，使用一种磁铁排列，我们可以将转子从其MagFix轴承中推出：

• 最后，我们能够在不损坏控制器PCB的情况下移除风扇电机：

通过这些修改重新组装风扇后，现在可以用来指示非常低速度的气流。使用转速输出，转速可以被准确地量化。风扇每转一圈输出两个脉冲。

为了进行可重复且可靠的测量，一个良好的机械设计是必要的。一个简单的3D打印支架被用来固定两个风扇，同时为测试设备到测量风扇提供一个气流引导。

3D打印测试夹具

安装测试和测量风扇后的3D打印测试夹具

简化风扇测量结果

使用上述的测试测量设置，一个阻挡板被放置在DUT进气口前。阻挡板与风扇进气口之间的距离在0mm到2mm之间以0.1mm的步长变化。一个没有放置阻挡板的测试运行被用作最大可达到的空气速度的参考，同时，声级也被记录下来。

测量结果空气速度与进气口阻塞距离

噪声水平频谱分布

测量结果显示，为了确保风扇性能不下降超过10%，我们需要至少1.1mm的进气间隙。所有测量运行中，风扇噪声的频谱分布出奇地相似。在较高频率范围内，尤其是在近距离测量时，存在一些变化——这是预期之中的。与距离超过1mm的测量运行相比，噪声频谱之间只有非常小的偏差。

气流模拟

之前的测量为我们提供了重要的见解，现在可以转移到CAD模型上。风扇应该与风扇进气口和安装在风扇上方的键盘模块之间至少有1.1mm的距离集成。

对于径向风扇，使用正确的安装间隔器，键盘模块与风扇顶部之间的间隙大约为1.92mm。从该值中，需要为键盘下方的加固件和绝缘膜减去0.5mm。幸运的是，距离仍然大于1.1mm。在系统中初步放置风扇后，可以根据现有几何形状创建一个模拟模型。

风扇进气口与键盘模块底部之间的距离

模拟模型的目标是提供笔记本电脑的空气进气口和空气排气口之间的压降。散热片包和空气过滤器将在流动路径中产生最大的压降。这两个方面尚未定义，将在未来的模拟中考虑。目前，我们的重点仅在于笔记本电脑内部的流动剖面及其相关的压降。

内部空气路径的压降将针对几个体积流量进行计算。横扫几个流量允许我们创建一个压降与体积流量的函数。这个函数与风扇数据表给出的风扇曲线的交点告诉我们系统中风扇产生的最终体积空气流量，因此是风扇产生的空气速度。一旦计算出来，流动剖面压降的函数需要通过散热片包和空气过滤器的压降函数进行补偿。

为了准备模拟，需要简化CAD模型，并提取用于流体模拟域的体积。在第一步中，位于主板上的组件将被替换为边界框模型。这大大减少了几何复杂性以及稍后将创建的模拟网格的复杂性。

主板上带有原始几何形状的组件

边界框的设置方式是，它遵循几何特征的大特征，但包含顶点计数高的特征。小但高细节的特征对流动剖面没有显著影响，因此可以忽略不计。

在仿真域内围绕关键几何特征的边界框

通过简化组件的表示，可以通过笔记本电脑外壳、主板及其所有组件与简化的空气体积之间的简单布尔差运算提取笔记本电脑内部的空气体积。

将用于仿真的空气体积

以每小时1立方米的体积流量进行首次仿真，提供以下速度和压力分布：

首次仿真结果

这次模拟为我们提供了两个非常重要的见解。第一个结果是进气口和出气口之间的平均压降为15帕斯卡。第二个结果指的是压力场热图中可见的深蓝色点。这个局部非常低压的区域是一个旋转气流的中心——一个位于风扇进气口正上方的小旋涡。这种旋转是因为进入域的气流具有垂直于风扇轴线的冲动。随着空气被吸引到风扇附近，它会加速并由于动量守恒形成一个快速旋转的旋涡。

如前一节所述，风扇进气口处的旋转气流会导致额外的噪音并降低效率。因此，我们必须找到一种方法来防止旋涡的形成。这将是未来更新的一个挑战。

通过对体积流量进行扫描，模拟揭示了以下压降与流量曲线：

笔记本内部气流路径的压降与体积流量

目前正在考虑的风扇的数据表提供了以下压力与体积流量图：

风扇的数据表

提取风扇曲线的X和Y值，并将它们放在与模拟压降相同的图表中，显示出两个交叉的函数。风扇曲线与模拟压降曲线之间的交点表明了将在单元中建立的体积流量和压力。然而，我们仍然缺少两个关键参数：散热片的压降和空气过滤器的压降。有了上述建立的工作流程，后续添加这些值将不会是问题。

没有散热片和空气过滤器的系统的结果气流应该是大约1.5m³/h，在28帕斯卡的压降下。

风扇曲线与压降曲线

在即将到来的项目更新中，我们将进一步完善气流概念，并深入研究使用开源工具进行流动和热传递模拟。我们还将设计、组装并测试笔记本电脑的首批组件。

还有很多内容需要探索，敬请期待！