便攜式電腦散熱技術(shù)綜述

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)筆記本電腦的性能、功耗以及便攜性等方面的要求也不斷提高。由于筆記本電腦的集成化程度高，散熱一直是限制筆記本電腦發(fā)展的技術(shù)瓶頸。本文基于DWPI和SIPOABS專利數(shù)據(jù)庫(kù)，通過檢索、統(tǒng)計(jì)和分析國(guó)內(nèi)外有關(guān)便攜式電腦散熱技術(shù)的專利申請(qǐng)，梳理了便攜式電腦散熱技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)，并重點(diǎn)分析了典型的技術(shù)方案，展現(xiàn)了專利技術(shù)分析在專利實(shí)質(zhì)審查過程中的重要作用。

一、便攜式電腦的基本概況

1、散熱原理

熱力學(xué)第二定律指出：凡是有溫差存在的地方，就有熱能（亦可稱為熱量）自發(fā)從高溫物體到低溫物體傳遞，其傳遞方式基本分為三種，即熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射[1]。以便攜式電腦為例，熱量由CPU、GPU等元器件產(chǎn)生，以熱傳導(dǎo)的方式傳遞至與其緊密接觸的散熱片，然后，通過其他方式（如風(fēng)扇）排出主機(jī)體。整個(gè)散熱過程包括4個(gè)環(huán)節(jié)：第一是CPU，熱源產(chǎn)生者;第二是散熱片，熱量的傳導(dǎo)體;第三是風(fēng)扇，是增加熱傳導(dǎo)和指向熱傳導(dǎo)的媒介;第四就是空氣，這是熱交換的最終流向。

2、便攜式電腦的散熱方式

根據(jù)工作方式不同，便攜式電腦的散熱方式可分為：主動(dòng)式散熱和被動(dòng)式散熱。

主動(dòng)式散熱，除了在顯卡、CPU等電子元件周圍安裝導(dǎo)熱裝置外，還安裝了散熱風(fēng)扇、液冷循環(huán)系統(tǒng)等輔助散熱裝置。

被動(dòng)式散熱，不需要額外的散熱裝置，如風(fēng)扇、液冷循環(huán)系統(tǒng)等，僅通過銅或鋁等金屬制作的散熱結(jié)構(gòu)或者熱管[2]將機(jī)體內(nèi)的熱量傳導(dǎo)至機(jī)體外。

二、便攜式電腦散熱技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r分析

1、便攜式電腦散熱技術(shù)分支

便攜式電腦散熱技術(shù)領(lǐng)域主要的技術(shù)分支如表1所示，其主要包括：被動(dòng)散熱、主動(dòng)散熱和散熱管理三個(gè)大分支，在不同時(shí)期，其對(duì)應(yīng)的專利申請(qǐng)量也呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì)。

2、便攜式電腦散熱技術(shù)發(fā)展路線演進(jìn)

通過對(duì)便攜式電腦散熱技術(shù)領(lǐng)域在各個(gè)時(shí)期的專利文獻(xiàn)進(jìn)行梳理和分析，可以得到該領(lǐng)域的專利技術(shù)演進(jìn)路線，如圖1所示。

在便攜式電腦的發(fā)展初期，被動(dòng)散熱方式比較常見，但隨著集成化程度的提升，被動(dòng)散熱已經(jīng)不能滿足散熱需求，風(fēng)冷、液冷以及熱管理技術(shù)得到快速發(fā)展。但隨著處理器、系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展、優(yōu)化，在設(shè)備效能進(jìn)一步提升的同時(shí)，其發(fā)熱量卻越來(lái)越小，因此需要占據(jù)機(jī)體的一部分空間的風(fēng)扇也被舍棄（如蘋果的MacBook）以減小機(jī)體的厚度?？梢?，便攜式電腦已根據(jù)人們的需求，而逐漸朝著多元化的方向發(fā)展。

三、典型技術(shù)方案分析

1、被動(dòng)散熱

（1）熱傳導(dǎo)

JP18947795A是由日本富士通公司在1995年7月25日提出的申請(qǐng)，其同族被引證次數(shù)為73次，其公開了發(fā)熱單元通過樹脂與金屬部件接觸，而金屬部件構(gòu)成了電子裝置的外殼，由于金屬具有較好的導(dǎo)熱性，使得熱量通過外殼排出機(jī)體。

2、主動(dòng)散熱

（1）風(fēng)冷

EP3147749是由蘋果公司在2016年8月31日提交的專利申請(qǐng)，結(jié)合附圖可知風(fēng)扇帶有更小的輪軸，風(fēng)扇葉片的葉輪以及徑向地部署于葉輪周圍的多個(gè)層疊電感組件，葉片具有磁性作用，通過線圈控制葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。

此外，風(fēng)扇也不再是普通的散熱風(fēng)扇，而是朝著設(shè)計(jì)巧妙、散熱效率高且智能控制的方向發(fā)展。

（2）液冷

US53883340A是艾美達(dá)實(shí)驗(yàn)室（Aavid Lab）在1994年3月24日提出的申請(qǐng)，該專利公開的技術(shù)為首次把液冷的散熱方式用于便攜式電腦中，其同族被引證次數(shù)高達(dá)150次，為液冷用于便攜式電腦散熱技術(shù)中的基礎(chǔ)專利。在該申請(qǐng)中，蒸發(fā)器位于基座18內(nèi)電路板44的上方，通過導(dǎo)管50與設(shè)置于顯示屏的背后冷凝器42相連，極大的提高了散熱效率。

3、熱管理技術(shù)

（1）風(fēng)扇控制

CN1332398A是由日本株式會(huì)社東芝在2001年6月15日申請(qǐng)的專利，并于2006年1月4日授權(quán)，其被引證28次。在其公開的技術(shù)方案中，該裝置由冷卻風(fēng)扇19、風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)控制電路20、CPU11、控制器19、電源電路21組成，在CPU內(nèi)部設(shè)置有溫度傳感器，通用控制器根據(jù)相應(yīng)控制標(biāo)識(shí)確定風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，從而進(jìn)行高效冷卻。

（2）能耗管理

US5590061是由美國(guó)蘋果公司在1994年5月12日提出的關(guān)于便攜式電腦中散熱管理的專利申請(qǐng)，同族被引證次數(shù)為80次，其技術(shù)方案公開了在裝置內(nèi)部設(shè)置溫度傳感器，檢測(cè)機(jī)體內(nèi)部的實(shí)時(shí)溫度，若超過一定閾值，則系統(tǒng)關(guān)閉一部分系統(tǒng)應(yīng)用，從而減少熱量的產(chǎn)生。

由此可知，在主動(dòng)散熱、被動(dòng)散熱已經(jīng)很難取得突破性進(jìn)展時(shí)，熱管理技術(shù)已經(jīng)成為重點(diǎn)研究對(duì)象，相信未來(lái)會(huì)有更合理的熱管理方式，既能減少產(chǎn)生不必要的熱量的同時(shí)，又能提高散熱效率。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)便攜式電腦在散熱領(lǐng)域的技術(shù)分支、專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)、技術(shù)發(fā)展線路演進(jìn)以及重要的專利申請(qǐng)進(jìn)行了綜述分析。從整體來(lái)看，隨著科技的進(jìn)步，便攜式電腦的散熱技術(shù)也越發(fā)成熟。同時(shí)，對(duì)散熱技術(shù)的要求也越來(lái)越高，仍需要更多人力、物力資源的投入以獲得更好的散熱效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孔瓏，工程流體力學(xué)[M]，第4版，北京：中國(guó)電力出版社，2014.2

[2] 孫煒，熱管型電子散熱器的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究[D]，浙江：浙江大學(xué)，2002

作者簡(jiǎn)介：

劉朝兵（1987-）， 男，籍貫：河南省濮陽(yáng)市清豐縣，職稱和學(xué)歷：研究實(shí)習(xí)員? 碩士研究生，研究方向或?qū)I(yè)：主機(jī)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?qū)＠麑彶?。