平板電腦半導(dǎo)體制冷散熱器的研發(fā)

姜達(dá)++劉洋+高紅巍++劉寶石++吉昊

文章編號(hào)：2095-6835（2016）07-0100-02

摘 要：目前，平板電腦散熱器的散熱效果并不理想，因此，將半導(dǎo)體制冷片加入到了散熱器中，并通過調(diào)整底座的外形和配合方式，使半導(dǎo)體散熱器具有了更好的散熱效果。利用半導(dǎo)體制冷片在運(yùn)行過程中引入的冷空氣，可增加平板電腦底部的空氣流動(dòng)，從而使平板電腦內(nèi)部各發(fā)熱元件充分散熱。結(jié)果表明，將半導(dǎo)體制冷片放置在散熱器前端構(gòu)成制冷區(qū)，將較大的風(fēng)扇放置在散熱區(qū)，將底座制作成斜坡樣式，并在底座左、右各添加1個(gè)散熱口，可提升散熱器的散熱效果。

關(guān)鍵詞：平板電腦；散熱器；半導(dǎo)體制冷片；底座

中圖分類號(hào)：TB66 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.07.100

目前，全球平板電腦的銷量以每年15%左右的速度增長，而在中國市場(chǎng)，更是以20%左右的速度在增長。其中，2009年全年平板電腦的銷售量達(dá)到了10.6萬臺(tái)，2010年為13萬臺(tái)，預(yù)計(jì)到2018年將達(dá)到2 770萬臺(tái)，中國已經(jīng)成為繼美國之后的第二大平板電腦市場(chǎng)。市面上的平板電腦散熱器一般是通過墊高底座來散熱的，但為平板電腦墊上底座只能略微提升其散熱效果。而平板電腦長時(shí)間在高溫下運(yùn)行會(huì)影響其使用壽命。

目前，市場(chǎng)上主要有華碩、九州風(fēng)神等品牌的散熱器，其散熱模式單一（主要采用風(fēng)冷的散熱方式），散熱結(jié)構(gòu)為風(fēng)扇+熱管+散熱板的組合。很多平板電腦采用鋁鎂合金制成的外殼，這對(duì)其散熱起到了一定的作用。此外，散熱器包含機(jī)械傳動(dòng)部分，該部分在運(yùn)行中的噪聲較大，且會(huì)污染環(huán)境；制冷參數(shù)會(huì)受到空間方向和重力的影響，在機(jī)械過載的情況下無法正常運(yùn)行。

在現(xiàn)行的平板電腦散熱技術(shù)的基礎(chǔ)上，我們采用最先進(jìn)的半導(dǎo)體制冷技術(shù)為消費(fèi)者提供了更好的平板電腦散熱體驗(yàn)。針對(duì)平板電腦散熱產(chǎn)品噪聲大、風(fēng)力小、散熱途徑單一的現(xiàn)狀，通過組建的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種半導(dǎo)體制冷散熱系統(tǒng)（含有制冷片）。其特征在于利改變了平板電腦傳統(tǒng)的散熱方式，引入了冷空氣，增加了平板電腦底部的空氣流動(dòng)，從而有效降低了平板電腦內(nèi)部各發(fā)熱元件的溫度。該系統(tǒng)采用制冷和散熱的雙重散熱模式，散熱效果較好，且無液、氣工作介質(zhì)，不會(huì)污染環(huán)境；制冷參數(shù)不受空間方向和重力的影響，在機(jī)械過載的情況下可正常運(yùn)行；運(yùn)行效率高、使用壽命長、易于控制，且外觀設(shè)計(jì)個(gè)性化，符合大眾潮流。

1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料包括1片半導(dǎo)體制冷片、1塊隔熱棉、1塊導(dǎo)冷片、1個(gè)導(dǎo)冷風(fēng)扇、1塊散熱鋁板、1個(gè)散熱風(fēng)扇、1臺(tái)電源適配器（12 V，5 A）、1根導(dǎo)風(fēng)管、1個(gè)底座以及220 V電源、鉗子、手鋸、鐵剪子、硅膠、黏合劑等。本產(chǎn)品所使用的工具全部購置于遼寧省沈陽市三好街五金店，所用實(shí)驗(yàn)材料均在淘寶網(wǎng)購買。

2 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

2.1 散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和組裝

圖1為散熱器的結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖。平板電腦半導(dǎo)體散熱器主要包括制冷端和導(dǎo)熱端，其中，制冷端包括制冷片（N型和P半導(dǎo)體），導(dǎo)冷風(fēng)扇處于制冷端與導(dǎo)熱端之間的隔熱棉中。半導(dǎo)體制冷片是一個(gè)熱傳遞的工具，當(dāng)N型半導(dǎo)體材料和P型半導(dǎo)體材料組合成的熱電偶對(duì)中有電流通過時(shí)，兩端之間會(huì)產(chǎn)生熱量的轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，熱量會(huì)從一端轉(zhuǎn)移至另一端，進(jìn)而產(chǎn)

生溫差，形成冷、熱端。但當(dāng)電流經(jīng)過半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體自身存在電阻會(huì)產(chǎn)生熱量，進(jìn)而影響熱量的傳遞，且兩個(gè)極板之間的熱量會(huì)通過空氣和半導(dǎo)體材料進(jìn)行逆向熱傳遞。當(dāng)冷、熱端熱傳遞的量相等時(shí)，就會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，正、逆向熱傳遞會(huì)相互抵消。此時(shí)，冷、熱端的溫度會(huì)停止變化。為了降至更低的溫度，可采用散熱等方式降低熱端的溫度。風(fēng)扇和散熱片的作用主要是為制冷片的熱端散熱。通常情況下，半導(dǎo)體制冷片冷、熱端的溫差可達(dá)到40～65 ℃。如果通過主動(dòng)散熱的方式降低熱端溫度，則冷端溫度也會(huì)隨之下降。因此，我們除了在制冷端安裝了小型風(fēng)扇外，還在散熱段安裝了較大的風(fēng)扇。此外，還在大風(fēng)扇前端安裝了散熱片，從而提升散熱器在使用過程中的散熱效果。

在半導(dǎo)體散熱器的組裝和使用過程中，還要考慮電源的匹配問題。因此，在購買材料的過程中，我們與廠家進(jìn)行了溝通和交流，并開展了實(shí)驗(yàn)，最終確定采用H-225型電源適配器。這款電源適配器可充分發(fā)揮半導(dǎo)體制冷散熱器的作用。電源適配器連接220 V電源后，可為制冷器供電。通過半導(dǎo)體制冷片可產(chǎn)生冷空氣，冷空氣通過導(dǎo)冷風(fēng)扇進(jìn)入導(dǎo)冷管，導(dǎo)冷管連接在底座上，從而將冷風(fēng)送入底座，平板電腦內(nèi)部風(fēng)扇吸入冷風(fēng)，引入的冷空氣可大大增加平板電腦底部的空氣流動(dòng)。

2.2 散熱器與底座的配合

散熱器與底座的配合水平對(duì)散熱器的散熱效果影響較大。平板電腦半導(dǎo)體散熱器的底座不僅要起到一定的支撐作用，還應(yīng)易于切割、不易損壞安裝的零部件。通常情況下，我們會(huì)將散熱器安裝在平板電腦下方CPU所在的位置，從而最大程度地提升散熱效果。綜合考慮后，選擇了泡沫板作為散熱器底座的材料。

在第一次制作中，組裝完成的平板電腦半導(dǎo)體散熱器平放在平板電腦下方，如圖2中的a所示，但此產(chǎn)品預(yù)留的空氣流動(dòng)空間較小，且在散熱器與電腦之間未設(shè)置隔板，長期運(yùn)行后會(huì)縮短散熱器的使用壽命。

在第二次制作中，很好地解決了上述空氣流通空間不足和散熱器的受力問題，如圖2中的b所示，左側(cè)用泡沫板制作的空間用來流通空氣，中間增加了鐵板，擴(kuò)大了空氣流通的路徑，并將整個(gè)散熱器裝置放置在空氣流通室外面，在泡沫板與平板電腦之間增加了鐵網(wǎng)，從而分散底座的受力。但在實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)以下3點(diǎn)問題：①散熱器放在外面易損壞，且會(huì)占用較大的空間，不利于物品的擺放；②在空氣流通裝置中安裝的鐵板未起到散熱的作用，反而阻礙了空氣的流通；③底座制作成平面后不利于空氣的流通。

在第三次制作中，綜合考慮了之前實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題，在各方面進(jìn)行了改進(jìn)——將散熱器放置在底座中，節(jié)省了部分空間，將底座制作成了坡面，并在坡面?zhèn)让嬖O(shè)置了通風(fēng)孔，在坡面背面放置了散熱風(fēng)扇，這不僅擴(kuò)大了空氣流動(dòng)的空間，還增加了空氣流通的出口，實(shí)現(xiàn)了熱空氣向上、冷空氣向下的空氣流動(dòng)過程，如圖2中的c和圖3所示。經(jīng)過檢驗(yàn)，此次制作的產(chǎn)品的散熱效果較好。

2.3 分析討論

目前，我國的平板電腦散熱器主要采用風(fēng)冷的方式散熱，即采用各類型的風(fēng)扇對(duì)平板電腦的高熱部位進(jìn)行散熱。當(dāng)平板電腦溫度過高時(shí)，風(fēng)扇式的散熱器無法有效散去平板電腦在長時(shí)間使用過程中產(chǎn)生的大量熱量，散熱效果會(huì)大打折扣。而我們?cè)谏崞鹘Y(jié)構(gòu)中加入半導(dǎo)體技術(shù)的方案在國內(nèi)尚屬首例，目前，半導(dǎo)體制冷片已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，已經(jīng)被廣泛用于許多相關(guān)行業(yè)，這也促使了半導(dǎo)體式散熱器的不斷升級(jí)。

平板電腦半導(dǎo)體散熱器的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)有以下4點(diǎn)：①散熱效果好。制冷空氣混合風(fēng)冷的散熱方式比單一風(fēng)冷的散熱效果好。②價(jià)格便宜。半導(dǎo)體制冷片、變壓器、散熱片、聚乙烯底座、風(fēng)扇等的均價(jià)格便宜，且結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝，材料成本量產(chǎn)后僅需125元。③綠色環(huán)保。該散熱器的運(yùn)行過程中不同于壓縮機(jī)的制冷過程，半導(dǎo)體制冷不產(chǎn)生機(jī)械摩擦，具有噪聲小、無制冷劑污染、壽命長的特點(diǎn)。④個(gè)性化。制冷器和變壓器的殼體采用了可更換外殼，且具有多種顏色，可滿足年輕人對(duì)于個(gè)性的追求。

3 結(jié)論

半導(dǎo)體制冷散熱器的制冷元件是半導(dǎo)體制冷片。該元件可主動(dòng)制冷，從而加大空氣與平板電腦的溫差，使電腦表面的熱量快速散失，從而達(dá)到高效率散熱的目的；配置有坡面底座，既節(jié)省了空間，又?jǐn)U大了熱氣的流通空間和散熱通道，使用效果良好。

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作者簡介：姜達(dá)（1994—），男，遼寧省甲級(jí)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目主持人。