高效笔记本散热器设计

马宏坤 汤子越 龚启家 邱泉 汤莉莉* 尤泽原

（1.湖北大学知行学院计算机与信息工程学院 湖北武汉 430011；2.湖北民族大学智能科学与工程学院湖北恩施 445000）

笔记本计算机散热器是一种能够延长笔记本计算机使用寿命的小设备，目的是使笔记本计算机内部形成的热能能够更快地传播到计算机外面，这样一来就不会危害笔记本计算机的正常功能，也没有让计算机的内部线路形成太热软化现象，从而增加了应用年限，并确保笔记本计算机能够正常工作。由于笔记本计算机散热片的功能很多，所以对于笔记本计算机而言，在性能和便携性竞争中，散热成为了最重要的原因。笔记本计算机散热量大始终是笔记本计算机核心技术中的瓶颈，能够有效保护内部的低温度工作环境，是能够高效减少笔记型电脑内部工作温度的小装置。而笔记本电脑散热片一般都只能帮助笔记本电脑散热，而大部分的散热片主要是通过提高底部塑料外壳的内部空气流通速率，来实现降低笔记本电脑外壳工作温度，而由于笔记本电脑的内部热能大多通过CPU风扇来强制将对流带出来，而笔记本电脑的散热片接力将内部热能全部带走才能实现降温，所以单纯外部散热片效果上还无法保持最理想的温度状态，如果能够让其自身能制冷，那么就大大提高了散热效果。目前，市面上已有的各类散热器优缺点十分明显，且都难以携带，价格昂贵。通过对市面上各类散热器的分析，以及对使用电子产品的人群进行调研，为此设计了一款易携带的便捷散热器［1-2］。

1 总体设计方案

高效笔记本电脑散热器整体结构原则：通过对笔记本电脑的USB 端口或者充电宝、电源USB 端口直接供电，对笔记本电脑进行降温散热。利用温度传感器采集的笔记本或电脑体温，自动控制散热器的开关，也可手动控制开关，处于常开模式。高效笔记本散热器的整体设计框图如图1所示。

图1 整体设计方案框图

1.1 方案选材

（1）散热器的主控单片机选用的是型号W1209 温控器。

（2）选用的半导体制冷片型号为JB17206，其功率低，散热性较强，为此我们采用该型号半导体制冷片。

（3）散热器电源接口使用的是USB-type-C，可以将USB接口接在电脑上，也可以携带便捷式充电宝，其极大地满足了便携性这一优点。

1.2 制冷方案设计

综合考虑日常使用的安全性、可靠性、节能性、高效性，对市场上已有的多种材料进行了对比，最终决定使用半导体制冷片为电脑进行散热处理。当有输出电压穿过由各种类型的导线所构成的电路中时，除了形成不可逆式的焦耳热外，在各个导线的连接处，由于输出电压方向的差异会产生放热等现象。使用铝片为电脑端进行导热，在其后端外加一个小型风扇为放热端散发热量，双重散热，以达到高效散热的目的［3-4］。考虑到节能的情况下，设计出了两种工作模式。（1）日常工作模式：日常工作模式即通电状态下散热器的半导体制冷片与小型风扇一直处于工作状态，即为日常工作状态。（2）节能模式：节能模式则使用温度传感器采集笔记本电脑主板周围的温度，在检测到温度超过设定的温度值时，散热器开始工作，为电脑主板周围进行降温处理，通过一段时间的降温使温度降低到正常范围内时，散热器停止工作，进入待机状态，从而实现自主节能。

1.3 W1209温控器使用原理介绍

W1209温控器设置启动温度，关闭温度，作为中转开关控制半导体制冷片，自动开关以达到节能目的。W1209温控器控温原理如图2所示。

图2 W1209温控器控温原理图

采用的XH-W1209温控器，其工作精度较高，温度采集范围较大（其最高限定温度为110℃，最低限制温度为零下50℃），其电路板上装有蜂鸣器，可在温度达到设置值之上时发出警报，提醒使用者，以便于使用者进行下一步操作，以免仪器损坏［5-6］。

分析了市面上大多数的温度传感器的型号，其中，主要的有螺纹头、水滴头、空气头、圆环头、磁铁头、探针式。螺纹头、磁铁头个形较大，占空间较大，不宜放在散热器中；水滴头空气头因其外表是塑料，当长时间使用后，可能会对其表现有影响，从而影响其测量温度的准确性；探针式灵敏性较高，有不锈钢探头，多股铜线镀锡护套。所以，经过多组实验的对比，最终采用探针式作为我们的温度传感探头。

1.4 技术难点

（1）对温度检测数据系统的采集与处理。必须设计选用对温度敏感的设备模块，要求温度数值精确、温度数据采集时间短等特点。

（2）当设备自动运行时，能人为控制整个系统，就要做到人为控制权限大于设备自动控制系统。

（3）半导体制冷片的特点很明显，一面制冷，一面产生热量，需要的是其制冷的优良效果，需要摒弃的是其产生的热量。而半导体制冷片工作时产生的热量最好的办法就是通过无刷风扇将其吹出整个设备内部，要考虑的是风扇最佳的安装部位，这个还需要大量的实验检测来确定具体的部位。

（4）用户在不同工作环境的状态下不能影响设备的工作效率而且要能够保障设备的稳定状态，这是至关重要的一方面。

2 设计方案特点及关键技术

2.1 特点介绍

本外置笔记本散热器是以单片机为核心处理器、半导体制冷片、热敏电阻、W1209 温控器、USB 供电模组等构成的一款高效笔记本散热器，具体实现功能如下。当用户的笔记本电脑长时间工作发热时，该设备检测到笔记本电脑主板附近温度过高，散热器设备自动处于工作状态，对用户的电脑主板附近进行降温处理，温度下降到一定程度后，散热器会自动关闭，节约电量。当用户自身将笔记本处于高强度工作下，发热量将增大需要启动散热器制冷系统时，用户可自行通过散热器上的控制开关进行调节，对设备进行降温处理。本设备使用半导体制冷片降温，用风扇加上铝片导热给半导体散热，低功耗下制冷量效率高，适合用于小型设备，不会过多耗电，并且本设备有自动开关功能，避免因用户使用完忘记关闭而产生多余耗电，温度太低导致设备内有冷凝水，损坏笔记本电脑。

2.2 关键技术

（1）对温度控制系统的检测。当温度达到某一设定值时，制冷系统将自行开启，及时对设备降温。

（2）对手动控制系统的检测。当使用人想自行降温，可手动调节制冷系统开关，提前对相应设备降温。

（3）对鼓风系统的检测。核心部件制冷系统检测完毕，需要对鼓风系统检测，制冷系统对空气进行制冷操作后，需要鼓风系统将冷风鼓出进入笔记本电脑内部，冷风带走热量，从而对设备进行降温。

（4）对工作环境的检测。检测设备工作于不同环境的效率及稳定状态。

3 整体测试与分析

3.1 高效笔记本散热器整体结构

高效笔记本散热器整体实物如图3 所示，整个散热器由外壳、制冷模块、控制模块3 个部分组成，控制模块采用自动控制和手动控制两种方式。（1）自动控制：当温度升高到一定值时，设备自动监测到高温，立即开启制冷系统和鼓风系统，对设备及时降温，温度降低后自动关闭，节约电量。（2）手动控制：当用户想通过提前控温来实现自己的笔记本电脑不出现高温情况，可以通过按设备上的手动控制按钮开启设备，让设备一直处于开启模式，持续给设备降温。

图3 笔记本散热器整体内部结构图

3.2 散热器的整体调试

散热器最终实现的功能有如下几点。

（1）对温度控制系统的检测。当温度达到一特定值时，制冷系统制动开启。

（2）对手动控制系统的检测。当人们想自行降温，可手动调节制冷系统，对设备进行降温。

（3）对工作环境的检测。检测设备工作于不同环境的效率及稳定状态。

3.3 散热器温度控制系统检测测试

（1）将散热器供电后，与一台发热笔记本电脑贴合，笔记本后盖温度超过界限值，散热器开始自动工作。

（2）将散热器供电后，与一台发热的笔记本电脑贴合，笔记本后盖温度未超过界限值，使用者人为按键降温，制冷系统开始工作。

3.4 散热器工作环境检测测试

将散热器供电后，与一台发热的笔记本电脑贴合，散热器温度显示器显示与红外线测温器测温结果接近。

4 结语

通过多次反复调试和修改线路，可以成功实现高效笔记本散热器预设的所有功能，在24h 的范围内测试稳定，控制可靠，只是在温控导热片的选材过程中遇到过一些麻烦，经过不断的实验测试，最终找到了最合适的导热片。方案的意义在于将笔记本散热器的效率最大化，能够使得市面上90%的设备能够有效使用，深化了笔记本散热器的概念，为笔记本散热器的设计提供了一定的参考价值。本方案可应用推广到台式电脑散热系统、智能家居等领域。