馬宏坤 湯子越 龔啟家 邱泉 湯莉莉* 尤澤原

（1.湖北大學(xué)知行學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 湖北武漢 430011；2.湖北民族大學(xué)智能科學(xué)與工程學(xué)院湖北恩施 445000）

筆記本計(jì)算機(jī)散熱器是一種能夠延長(zhǎng)筆記本計(jì)算機(jī)使用壽命的小設(shè)備，目的是使筆記本計(jì)算機(jī)內(nèi)部形成的熱能能夠更快地傳播到計(jì)算機(jī)外面，這樣一來(lái)就不會(huì)危害筆記本計(jì)算機(jī)的正常功能，也沒(méi)有讓計(jì)算機(jī)的內(nèi)部線路形成太熱軟化現(xiàn)象，從而增加了應(yīng)用年限，并確保筆記本計(jì)算機(jī)能夠正常工作。由于筆記本計(jì)算機(jī)散熱片的功能很多，所以對(duì)于筆記本計(jì)算機(jī)而言，在性能和便攜性競(jìng)爭(zhēng)中，散熱成為了最重要的原因。筆記本計(jì)算機(jī)散熱量大始終是筆記本計(jì)算機(jī)核心技術(shù)中的瓶頸，能夠有效保護(hù)內(nèi)部的低溫度工作環(huán)境，是能夠高效減少筆記型電腦內(nèi)部工作溫度的小裝置。而筆記本電腦散熱片一般都只能幫助筆記本電腦散熱，而大部分的散熱片主要是通過(guò)提高底部塑料外殼的內(nèi)部空氣流通速率，來(lái)實(shí)現(xiàn)降低筆記本電腦外殼工作溫度，而由于筆記本電腦的內(nèi)部熱能大多通過(guò)CPU風(fēng)扇來(lái)強(qiáng)制將對(duì)流帶出來(lái)，而筆記本電腦的散熱片接力將內(nèi)部熱能全部帶走才能實(shí)現(xiàn)降溫，所以單純外部散熱片效果上還無(wú)法保持最理想的溫度狀態(tài)，如果能夠讓其自身能制冷，那么就大大提高了散熱效果。目前，市面上已有的各類散熱器優(yōu)缺點(diǎn)十分明顯，且都難以攜帶，價(jià)格昂貴。通過(guò)對(duì)市面上各類散熱器的分析，以及對(duì)使用電子產(chǎn)品的人群進(jìn)行調(diào)研，為此設(shè)計(jì)了一款易攜帶的便捷散熱器［1-2］。

1 總體設(shè)計(jì)方案

高效筆記本電腦散熱器整體結(jié)構(gòu)原則：通過(guò)對(duì)筆記本電腦的USB 端口或者充電寶、電源USB 端口直接供電，對(duì)筆記本電腦進(jìn)行降溫散熱。利用溫度傳感器采集的筆記本或電腦體溫，自動(dòng)控制散熱器的開(kāi)關(guān)，也可手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)，處于常開(kāi)模式。高效筆記本散熱器的整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 整體設(shè)計(jì)方案框圖

1.1 方案選材

（1）散熱器的主控單片機(jī)選用的是型號(hào)W1209 溫控器。

（2）選用的半導(dǎo)體制冷片型號(hào)為JB17206，其功率低，散熱性較強(qiáng)，為此我們采用該型號(hào)半導(dǎo)體制冷片。

（3）散熱器電源接口使用的是USB-type-C，可以將USB接口接在電腦上，也可以攜帶便捷式充電寶，其極大地滿足了便攜性這一優(yōu)點(diǎn)。

1.2 制冷方案設(shè)計(jì)

綜合考慮日常使用的安全性、可靠性、節(jié)能性、高效性，對(duì)市場(chǎng)上已有的多種材料進(jìn)行了對(duì)比，最終決定使用半導(dǎo)體制冷片為電腦進(jìn)行散熱處理。當(dāng)有輸出電壓穿過(guò)由各種類型的導(dǎo)線所構(gòu)成的電路中時(shí)，除了形成不可逆式的焦耳熱外，在各個(gè)導(dǎo)線的連接處，由于輸出電壓方向的差異會(huì)產(chǎn)生放熱等現(xiàn)象。使用鋁片為電腦端進(jìn)行導(dǎo)熱，在其后端外加一個(gè)小型風(fēng)扇為放熱端散發(fā)熱量，雙重散熱，以達(dá)到高效散熱的目的［3-4］?？紤]到節(jié)能的情況下，設(shè)計(jì)出了兩種工作模式。（1）日常工作模式：日常工作模式即通電狀態(tài)下散熱器的半導(dǎo)體制冷片與小型風(fēng)扇一直處于工作狀態(tài)，即為日常工作狀態(tài)。（2）節(jié)能模式：節(jié)能模式則使用溫度傳感器采集筆記本電腦主板周?chē)臏囟龋跈z測(cè)到溫度超過(guò)設(shè)定的溫度值時(shí)，散熱器開(kāi)始工作，為電腦主板周?chē)M(jìn)行降溫處理，通過(guò)一段時(shí)間的降溫使溫度降低到正常范圍內(nèi)時(shí)，散熱器停止工作，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)自主節(jié)能。

1.3 W1209溫控器使用原理介紹

W1209溫控器設(shè)置啟動(dòng)溫度，關(guān)閉溫度，作為中轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)控制半導(dǎo)體制冷片，自動(dòng)開(kāi)關(guān)以達(dá)到節(jié)能目的。W1209溫控器控溫原理如圖2所示。

圖2 W1209溫控器控溫原理圖

采用的XH-W1209溫控器，其工作精度較高，溫度采集范圍較大（其最高限定溫度為110℃，最低限制溫度為零下50℃），其電路板上裝有蜂鳴器，可在溫度達(dá)到設(shè)置值之上時(shí)發(fā)出警報(bào)，提醒使用者，以便于使用者進(jìn)行下一步操作，以免儀器損壞［5-6］。

分析了市面上大多數(shù)的溫度傳感器的型號(hào)，其中，主要的有螺紋頭、水滴頭、空氣頭、圓環(huán)頭、磁鐵頭、探針式。螺紋頭、磁鐵頭個(gè)形較大，占空間較大，不宜放在散熱器中；水滴頭空氣頭因其外表是塑料，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間使用后，可能會(huì)對(duì)其表現(xiàn)有影響，從而影響其測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性；探針式靈敏性較高，有不銹鋼探頭，多股銅線鍍錫護(hù)套。所以，經(jīng)過(guò)多組實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，最終采用探針式作為我們的溫度傳感探頭。

1.4 技術(shù)難點(diǎn)

（1）對(duì)溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的采集與處理。必須設(shè)計(jì)選用對(duì)溫度敏感的設(shè)備模塊，要求溫度數(shù)值精確、溫度數(shù)據(jù)采集時(shí)間短等特點(diǎn)。

（2）當(dāng)設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，能人為控制整個(gè)系統(tǒng)，就要做到人為控制權(quán)限大于設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)。

（3）半導(dǎo)體制冷片的特點(diǎn)很明顯，一面制冷，一面產(chǎn)生熱量，需要的是其制冷的優(yōu)良效果，需要摒棄的是其產(chǎn)生的熱量。而半導(dǎo)體制冷片工作時(shí)產(chǎn)生的熱量最好的辦法就是通過(guò)無(wú)刷風(fēng)扇將其吹出整個(gè)設(shè)備內(nèi)部，要考慮的是風(fēng)扇最佳的安裝部位，這個(gè)還需要大量的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)來(lái)確定具體的部位。

（4）用戶在不同工作環(huán)境的狀態(tài)下不能影響設(shè)備的工作效率而且要能夠保障設(shè)備的穩(wěn)定狀態(tài)，這是至關(guān)重要的一方面。

2 設(shè)計(jì)方案特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 特點(diǎn)介紹

本外置筆記本散熱器是以單片機(jī)為核心處理器、半導(dǎo)體制冷片、熱敏電阻、W1209 溫控器、USB 供電模組等構(gòu)成的一款高效筆記本散熱器，具體實(shí)現(xiàn)功能如下。當(dāng)用戶的筆記本電腦長(zhǎng)時(shí)間工作發(fā)熱時(shí)，該設(shè)備檢測(cè)到筆記本電腦主板附近溫度過(guò)高，散熱器設(shè)備自動(dòng)處于工作狀態(tài)，對(duì)用戶的電腦主板附近進(jìn)行降溫處理，溫度下降到一定程度后，散熱器會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，節(jié)約電量。當(dāng)用戶自身將筆記本處于高強(qiáng)度工作下，發(fā)熱量將增大需要啟動(dòng)散熱器制冷系統(tǒng)時(shí)，用戶可自行通過(guò)散熱器上的控制開(kāi)關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行降溫處理。本設(shè)備使用半導(dǎo)體制冷片降溫，用風(fēng)扇加上鋁片導(dǎo)熱給半導(dǎo)體散熱，低功耗下制冷量效率高，適合用于小型設(shè)備，不會(huì)過(guò)多耗電，并且本設(shè)備有自動(dòng)開(kāi)關(guān)功能，避免因用戶使用完忘記關(guān)閉而產(chǎn)生多余耗電，溫度太低導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)有冷凝水，損壞筆記本電腦。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）對(duì)溫度控制系統(tǒng)的檢測(cè)。當(dāng)溫度達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)，制冷系統(tǒng)將自行開(kāi)啟，及時(shí)對(duì)設(shè)備降溫。

（2）對(duì)手動(dòng)控制系統(tǒng)的檢測(cè)。當(dāng)使用人想自行降溫，可手動(dòng)調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)開(kāi)關(guān)，提前對(duì)相應(yīng)設(shè)備降溫。

（3）對(duì)鼓風(fēng)系統(tǒng)的檢測(cè)。核心部件制冷系統(tǒng)檢測(cè)完畢，需要對(duì)鼓風(fēng)系統(tǒng)檢測(cè)，制冷系統(tǒng)對(duì)空氣進(jìn)行制冷操作后，需要鼓風(fēng)系統(tǒng)將冷風(fēng)鼓出進(jìn)入筆記本電腦內(nèi)部，冷風(fēng)帶走熱量，從而對(duì)設(shè)備進(jìn)行降溫。

（4）對(duì)工作環(huán)境的檢測(cè)。檢測(cè)設(shè)備工作于不同環(huán)境的效率及穩(wěn)定狀態(tài)。

3 整體測(cè)試與分析

3.1 高效筆記本散熱器整體結(jié)構(gòu)

高效筆記本散熱器整體實(shí)物如圖3 所示，整個(gè)散熱器由外殼、制冷模塊、控制模塊3 個(gè)部分組成，控制模塊采用自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種方式。（1）自動(dòng)控制：當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)，設(shè)備自動(dòng)監(jiān)測(cè)到高溫，立即開(kāi)啟制冷系統(tǒng)和鼓風(fēng)系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備及時(shí)降溫，溫度降低后自動(dòng)關(guān)閉，節(jié)約電量。（2）手動(dòng)控制：當(dāng)用戶想通過(guò)提前控溫來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的筆記本電腦不出現(xiàn)高溫情況，可以通過(guò)按設(shè)備上的手動(dòng)控制按鈕開(kāi)啟設(shè)備，讓設(shè)備一直處于開(kāi)啟模式，持續(xù)給設(shè)備降溫。

圖3 筆記本散熱器整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3.2 散熱器的整體調(diào)試

散熱器最終實(shí)現(xiàn)的功能有如下幾點(diǎn)。

（1）對(duì)溫度控制系統(tǒng)的檢測(cè)。當(dāng)溫度達(dá)到一特定值時(shí)，制冷系統(tǒng)制動(dòng)開(kāi)啟。

（2）對(duì)手動(dòng)控制系統(tǒng)的檢測(cè)。當(dāng)人們想自行降溫，可手動(dòng)調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行降溫。

（3）對(duì)工作環(huán)境的檢測(cè)。檢測(cè)設(shè)備工作于不同環(huán)境的效率及穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 散熱器溫度控制系統(tǒng)檢測(cè)測(cè)試

（1）將散熱器供電后，與一臺(tái)發(fā)熱筆記本電腦貼合，筆記本后蓋溫度超過(guò)界限值，散熱器開(kāi)始自動(dòng)工作。

（2）將散熱器供電后，與一臺(tái)發(fā)熱的筆記本電腦貼合，筆記本后蓋溫度未超過(guò)界限值，使用者人為按鍵降溫，制冷系統(tǒng)開(kāi)始工作。

3.4 散熱器工作環(huán)境檢測(cè)測(cè)試

將散熱器供電后，與一臺(tái)發(fā)熱的筆記本電腦貼合，散熱器溫度顯示器顯示與紅外線測(cè)溫器測(cè)溫結(jié)果接近。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)多次反復(fù)調(diào)試和修改線路，可以成功實(shí)現(xiàn)高效筆記本散熱器預(yù)設(shè)的所有功能，在24h 的范圍內(nèi)測(cè)試穩(wěn)定，控制可靠，只是在溫控導(dǎo)熱片的選材過(guò)程中遇到過(guò)一些麻煩，經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，最終找到了最合適的導(dǎo)熱片。方案的意義在于將筆記本散熱器的效率最大化，能夠使得市面上90%的設(shè)備能夠有效使用，深化了筆記本散熱器的概念，為筆記本散熱器的設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。本方案可應(yīng)用推廣到臺(tái)式電腦散熱系統(tǒng)、智能家居等領(lǐng)域。