一個(gè)筆記本電腦支架與水冷散熱相結(jié)合的方案

華秋實(shí)　張博聞　馬赟　肖寒

關(guān)鍵詞：筆記本電腦支架；散熱；水冷

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）03-0082-02

據(jù)有關(guān)報(bào)道，美國杜克大學(xué)人機(jī)工程學(xué)教授塔瑪拉·詹姆斯在發(fā)表的一次演講中提出，最近幾年以來全球擁有筆記本電腦的人數(shù)劇增[1]。但是，筆記本電腦的散熱問題一直為人所詬病，由于其較小的體積，無法做到有效地散熱，導(dǎo)致在使用一段時(shí)間后，CPU 溫度快速上升，從而導(dǎo)致電腦性能大幅下降，甚至出現(xiàn)電腦卡頓或死機(jī)，并且這種可能性，隨著電腦使用年份的上升而逐漸增加。

針對(duì)這個(gè)問題，本文在充分調(diào)研了當(dāng)前市場環(huán)境的條件下，提出一種散熱方案，對(duì)現(xiàn)有的筆記本電腦支架進(jìn)行改進(jìn)。將臺(tái)式機(jī)水冷散熱與筆記本支架相結(jié)合，大幅提高筆記本支架的散熱能力；同時(shí)可為該支架開發(fā)專屬App，使用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電腦溫度以及通過手機(jī)端一鍵調(diào)整支架散熱模式與風(fēng)扇噪音。

1 市場環(huán)境分析

1.1 國內(nèi)市場分析

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前市場上的電腦支架大部分為固定式電腦支架（如圖1所示）。這種支架本身比較笨重，不方便攜帶，而且不可調(diào)節(jié)。還有一種電腦支架是帶風(fēng)扇的“智能支架”（如圖2所示），其實(shí)質(zhì)是在支架的基礎(chǔ)上加裝了兩個(gè)風(fēng)扇，對(duì)于散熱的幫助效果有限。使用時(shí)，如果風(fēng)道設(shè)置得不當(dāng)，反而會(huì)對(duì)散熱起到反作用[2]。

1.2 國外市場分析

通過查詢亞馬遜平臺(tái)，在電腦支架的銷售統(tǒng)計(jì)中顯示：關(guān)于電腦支架的月搜索量或月購買量，數(shù)據(jù)都很高。根據(jù)該平臺(tái)提供的月度銷售曲線，可以看出筆記本支架的銷售存在相應(yīng)的旺季，數(shù)據(jù)顯示為每年的6、7、8月份（也就是暑期）。2015—2020年電腦支架的市場熱度和銷量情況一直處于中高水平，并且緩慢增長。2021年開始，筆記本電腦支架的熱度呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長?？梢钥闯觯瑖馐袌鰧?duì)筆記本支架的需求正爆發(fā)式上漲。

1.3 目標(biāo)市場分析

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)筆記本支架的銷售存在旺季，且旺季在每年的夏季，也就是大量高中畢業(yè)、大學(xué)畢業(yè)的學(xué)生最有購買筆記本電腦需求的時(shí)期。因此，本文針對(duì)18-22歲的學(xué)生群體，在其學(xué)習(xí)畢業(yè)時(shí)購買筆記本電腦，經(jīng)過一兩年的使用后，隨著筆記本電腦的老化，很可能出現(xiàn)由于散熱不足導(dǎo)致的卡頓、掉幀等一系列問題。本文提供的筆記本電腦支架散熱方案會(huì)為各筆記本用戶提供幫助。

2 設(shè)計(jì)思路與原理

2.1 支架設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)一款能夠改善筆記本電腦用戶散熱問題的支架，通過將水冷與筆記本支架相結(jié)合的形式，同時(shí)用戶可以通過App輕松控制支架的性能，從而改善并解決筆記本電腦散熱的問題。

2.2 設(shè)計(jì)思路

筆記本電腦用戶都會(huì)面臨的一個(gè)問題是筆記本電腦在長時(shí)間使用后，由于電腦散熱能力不足，導(dǎo)致CPU持續(xù)高溫，從而使得電腦性能大幅下降。使用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)頁打開卡死，或者游戲界面幀數(shù)突然大幅下降，電腦畫面出現(xiàn)撕裂，或者更嚴(yán)重的出現(xiàn)電腦過熱黑屏關(guān)機(jī)等現(xiàn)象。

采用目前市場上能夠購買的筆記本電腦支架，散熱效果一般，無法從根源上解決電腦散熱的問題。對(duì)比臺(tái)式機(jī)散熱效果明顯優(yōu)于筆記本電腦的效果，分析發(fā)現(xiàn)：臺(tái)式機(jī)散熱效果好，一方面是因?yàn)榕_(tái)式機(jī)的機(jī)箱空間比較大，有足夠的空間讓熱量散發(fā)到空氣中。另外，臺(tái)式機(jī)還搭配了水冷散熱裝置。在臺(tái)式機(jī)上，水冷散熱可以大幅降低CPU溫度，并且保持CPU在低溫狀態(tài)下滿頻運(yùn)行。將水冷散熱應(yīng)用到筆記本電腦支架中，并使用App進(jìn)行參數(shù)控制，是本文的總體設(shè)計(jì)思路。

2.3 水冷散熱設(shè)計(jì)原理

水冷散熱的原理是利用液體在泵的帶動(dòng)下強(qiáng)制循環(huán)帶走熱量[3]。水冷散熱的散熱性能與水冷管內(nèi)的散熱液（水或其他液體）流速成正比，制冷液的流速又與制冷系統(tǒng)水泵功率相關(guān)。水冷散熱的熱負(fù)載能力相當(dāng)于風(fēng)冷系統(tǒng)的5倍，這導(dǎo)致的直接好處就是CPU工作溫度曲線十分平緩。水冷散熱系統(tǒng)可以減少使用系統(tǒng)在運(yùn)行CPU負(fù)載較大的程序時(shí)會(huì)出現(xiàn)的在短時(shí)間內(nèi)的溫度熱尖峰，相較風(fēng)冷散熱而言，能更好地解決因CPU散熱不好而導(dǎo)致死機(jī)的問題。水冷系統(tǒng)可以將CPU的溫度保持在室溫狀態(tài)，這樣高效改善了微機(jī)內(nèi)部的工作環(huán)境。但使用水冷散熱系統(tǒng)不方便、體積大、安裝麻煩，且存在水的泄漏和由此造成的短路問題[4]。

值得注意的是，從水冷散熱原理來看水冷散熱器又可分為主動(dòng)式水冷和被動(dòng)式水冷兩大類。其中，主動(dòng)式水冷（如圖3所示）除了在具備水冷散熱器全部配件外，還需要安裝額外的散熱風(fēng)扇來輔助散熱，這樣能夠大幅提升水冷散熱器的散熱效果;被動(dòng)式水冷不需要安裝任何散熱風(fēng)扇，靠水冷散熱器本身來進(jìn)行散熱，最多是增加一些散熱片來輔助散熱，該水冷散熱效果比起主動(dòng)式水冷性能略遜一籌，但可以做到完全靜音效果[5]。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 總體設(shè)計(jì)

水冷散熱裝置可以裝備在筆記本支架的不同位置。一種方式是將水冷散熱獨(dú)立于支架，安裝在支架的側(cè)面。這種方式對(duì)筆記本支架的實(shí)用性以及便攜性有一定的影響。另一種方式是將水冷裝置安裝在支架的正面，該種方式需要協(xié)調(diào)水冷裝置與已有的散熱風(fēng)扇的位置。最佳的選擇是將水冷安裝在支架的背面，這種方式對(duì)筆記本支架已有裝置不產(chǎn)生影響，同時(shí)又便于水冷管的排布。

將水冷散熱系統(tǒng)安裝在支架背面，通過定制水管鏈接在定制冷頭上，在使用時(shí)，用戶只需要將冷頭安裝在筆記本電腦鍵盤上方的空擋處（通常為筆記本電腦的CPU以及顯卡所在處），即可打開開關(guān)啟動(dòng)水冷散熱系統(tǒng)。初次使用的用戶可以在App中打開手機(jī)藍(lán)牙配對(duì)到支架，即可將App與支架相匹配，用戶可通過使用App就可以調(diào)整支架的散熱性能以及風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、噪音等。

支架整體裝配有主動(dòng)式水冷散熱，配備三個(gè)120mm風(fēng)扇，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速支持800-1800rpm可調(diào)，風(fēng)量為85.5cfm，配備純銅冷頭和鋁質(zhì)冷排。支架支持藍(lán)牙鏈接，用戶可通過App控制支架性能以及風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

3.2 App 設(shè)計(jì)與開發(fā)

筆記本電腦支架的App擬與支架主體配套，主要包括配對(duì)設(shè)置、性能監(jiān)控和參數(shù)調(diào)整等三個(gè)模塊的功能。

配對(duì)設(shè)置通過藍(lán)牙進(jìn)行連接，將手機(jī)App與筆記本支架進(jìn)行匹配，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。性能監(jiān)控模塊主要實(shí)時(shí)反饋散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，同時(shí)會(huì)顯示噪聲數(shù)據(jù)。參數(shù)調(diào)整中預(yù)設(shè)了三種不同的模式，可以進(jìn)行一鍵選擇，或者也可以在程序界面上手動(dòng)進(jìn)行風(fēng)扇轉(zhuǎn)速參數(shù)的調(diào)整。

首先，用戶在打開App之前，需要打開手機(jī)的藍(lán)牙功能。在進(jìn)入App界面后，App頂部有一個(gè)藍(lán)牙配對(duì)的選項(xiàng)，點(diǎn)擊這個(gè)按鍵，App就會(huì)通過內(nèi)部藍(lán)牙功能自動(dòng)識(shí)別手機(jī)藍(lán)牙信號(hào)，并將支架與手機(jī)藍(lán)牙相匹配，從而起到一鍵配對(duì)的功能。App設(shè)置了獨(dú)立的性能監(jiān)控頁面，在這個(gè)界面，用戶可以簡潔明了地了解到當(dāng)前電腦的溫度以及支架的運(yùn)作情況以及噪聲分貝值。在該頁面，為噪聲分貝設(shè)置了一個(gè)動(dòng)態(tài)條，在提供了一定樂趣的同時(shí)，用戶可以通過這個(gè)動(dòng)態(tài)條了解到當(dāng)前支架運(yùn)作的實(shí)時(shí)分貝。

除此之外，用戶還可以在參數(shù)調(diào)整界面調(diào)整支架的輸出性能。App設(shè)置了三檔不同的性能供用戶選擇，分別是狂暴、靜音以及舒適等三種模式。通過選擇對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)，就可以輕松快捷地調(diào)整風(fēng)扇的性能。App內(nèi)特意設(shè)置了一個(gè)自定義界面，在這個(gè)界面，用戶可以調(diào)整一切支架屬性，從風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇分貝甚至到單一風(fēng)扇的每秒風(fēng)量，在這個(gè)界面用戶都可以自由設(shè)置，充分滿足了用戶的DIY需求。

4 各部件功能

筆記本電腦支架主要由三個(gè)部分組成，分別是主體支架、水冷散熱組件以及配套App。

4.1 主體支架

主體支架運(yùn)用導(dǎo)熱金屬、高級(jí)工程塑膠和硅膠共同組成，整體采用長方形框架結(jié)構(gòu)，這樣可以使得支架與筆記本電腦的接觸面積更大，整個(gè)支架的正面都可以覆蓋并且支撐住整個(gè)筆記本電腦，這樣可以更好地維持筆記本電腦在上面的穩(wěn)定性，也更便于安裝水冷散熱系統(tǒng)。

支架的各個(gè)銜接處都安裝有防滑硅膠墊，且底部配備可調(diào)節(jié)支架，可以調(diào)節(jié)支架角度使用戶可以從更舒適的角度去使用筆記本電腦。支架正面安裝隱藏式防滑擋板，即使調(diào)整角度也能保證電腦不會(huì)滑落，同時(shí)也保證了支架整體的協(xié)調(diào)與美觀。

4.2 水冷散熱組件

水冷散熱組件主要由三個(gè)120mm風(fēng)扇、純銅冷頭以及鋁制冷排組成。三個(gè)風(fēng)扇串聯(lián)在冷排上，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速支持800-1800rpm可調(diào)，最大風(fēng)量為85.5cfm。高性能的風(fēng)扇不僅可以提供更好的散熱效果，同時(shí)在控制噪音等方面也有更突出的表現(xiàn)。一般的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速最高只有1500rpm，本方案的風(fēng)扇最高可支持到1800rpm，這也意味著在需要快速降溫的場景，本方案可以提供更優(yōu)秀的散熱表現(xiàn)。用戶可以通過App控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。純銅冷頭以及鋁制冷排則保證了制冷效應(yīng)，可以提供更好的制冷效果。

4.3 配套App

通過App可以實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)扇的運(yùn)作情況，并能可視化的調(diào)整風(fēng)扇運(yùn)行的參數(shù)，包括風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇噪音等。

App提供了三種預(yù)設(shè)的模式，分別是靜音模式、舒適模式和狂暴模式。這三種不同的模式，分別對(duì)應(yīng)風(fēng)扇的最低、適中和最高強(qiáng)度速度運(yùn)行，以滿足筆記本電腦不同的散熱需求。

5 結(jié)語

本文介紹了水冷散熱系統(tǒng)與筆記本電腦支架相結(jié)合的一種全新的電腦支架，為筆記本電腦散熱問題提供了一種新的解決方案。在緩解筆記本電腦用戶散熱問題的同時(shí)，通過使用支架配對(duì)的App，可以設(shè)定不同的風(fēng)扇參數(shù)以滿足其不同的使用需求。

本文為筆記本電腦支架的發(fā)展提供了一個(gè)全新的角度，通過對(duì)水冷散熱筆記本電腦支架的進(jìn)一步改善，以提高水冷散熱的性能、適配不同筆記本機(jī)型、縮小水冷散熱組件的體積等，能更好地解決筆記本電腦散熱問題。