平板電腦半導體制冷散熱器的研發

姜達++劉洋+高紅巍++劉寶石++吉昊

文章編號：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，將半導體制冷片加入到了散熱器中，并通過調整底座的外形和配合方式，使半導體散熱器具有了更好的散熱效果。利用半導體制冷片在運行過程中引入的冷空氣，可增加平板電腦底部的空氣流動，從而使平板電腦內部各發熱元件充分散熱。結果表明，將半導體制冷片放置在散熱器前端構成制冷區，將較大的風扇放置在散熱區，將底座制作成斜坡樣式，并在底座左、右各添加1個散熱口，可提升散熱器的散熱效果。

關鍵詞：平板電腦；散熱器；半導體制冷片；底座

中圖分類號：TB66 文獻標識碼：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，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到了10.6萬臺，2010年為13萬臺，預計到2018年將達到2 770萬臺，中國已經成為繼美國之后的第二大平板電腦市場。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。而平板電腦長時間在高溫下運行會影響其使用壽命。

目前，市場上主要有華碩、九州風神等品牌的散熱器，其散熱模式單一（主要采用風冷的散熱方式），散熱結構為風扇+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，這對其散熱起到了一定的作用。此外，散熱器包含機械傳動部分，該部分在運行中的噪聲較大，且會污染環境；制冷參數會受到空間方向和重力的影響，在機械過載的情況下無法正常運行。

在現行的平板電腦散熱技術的基礎上，我們采用最先進的半導體制冷技術為消費者提供了更好的平板電腦散熱體驗。針對平板電腦散熱產品噪聲大、風力小、散熱途徑單一的現狀，通過組建的科研團隊研發出了一種半導體制冷散熱系統（含有制冷片）。其特征在于利改變了平板電腦傳統的散熱方式，引入了冷空氣，增加了平板電腦底部的空氣流動，從而有效降低了平板電腦內部各發熱元件的溫度。該系統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，不會污染環境；制冷參數不受空間方向和重力的影響，在機械過載的情況下可正常運行；運行效率高、使用壽命長、易于控制，且外觀設計個性化，符合大眾潮流。

1 實驗材料

實驗材料包括1片半導體制冷片、1塊隔熱棉、1塊導冷片、1個導冷風扇、1塊散熱鋁板、1個散熱風扇、1臺電源適配器（12 V，5 A）、1根導風管、1個底座以及220 V電源、鉗子、手鋸、鐵剪子、硅膠、黏合劑等。本產品所使用的工具全部購置于遼寧省沈陽市三好街五金店，所用實驗材料均在淘寶網購買。

2 實驗過程及結果

2.1 散熱器的結構設計和組裝

圖1為散熱器的結構示意圖和實物圖。平板電腦半導體散熱器主要包括制冷端和導熱端，其中，制冷端包括制冷片（N型和P半導體），導冷風扇處于制冷端與導熱端之間的隔熱棉中。半導體制冷片是一個熱傳遞的工具，當N型半導體材料和P型半導體材料組合成的熱電偶對中有電流通過時，兩端之間會產生熱量的轉移現象，熱量會從一端轉移至另一端，進而產

生溫差，形成冷、熱端。但當電流經過半導體時，半導體自身存在電阻會產生熱量，進而影響熱量的傳遞，且兩個極板之間的熱量會通過空氣和半導體材料進行逆向熱傳遞。當冷、熱端熱傳遞的量相等時，就會達到一個平衡點，正、逆向熱傳遞會相互抵消。此時，冷、熱端的溫度會停止變化。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，半導體制冷片冷、熱端的溫差可達到40～65 ℃。如果通過主動散熱的方式降低熱端溫度，則冷端溫度也會隨之下降。因此，我們除了在制冷端安裝了小型風扇外，還在散熱段安裝了較大的風扇。此外，還在大風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，我們與廠家進行了溝通和交流，并開展了實驗，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揮半導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。通過半導體制冷片可產生冷空氣，冷空氣通過導冷風扇進入導冷管，導冷管連接在底座上，從而將冷風送入底座，平板電腦內部風扇吸入冷風，引入的冷空氣可大大增加平板電腦底部的空氣流動。

2.2 散熱器與底座的配合

散熱器與底座的配合水平對散熱器的散熱效果影響較大。平板電腦半導體散熱器的底座不僅要起到一定的支撐作用，還應易于切割、不易損壞安裝的零部件。通常情況下，我們會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體散熱器平放在平板電腦下方，如圖2中的a所示，但此產品預留的空氣流動空間較小，且在散熱器與電腦之間未設置隔板，長期運行后會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，左側用泡沫板制作的空間用來流通空氣，中間增加了鐵板，擴大了空氣流通的路徑，并將整個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，從而分散底座的受力。但在實踐過程中發現以下3點問題：①散熱器放在外面易損壞，且會占用較大的空間，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，綜合考慮了之前實驗過程中存在的問題，在各方面進行了改進——將散熱器放置在底座中，節省了部分空間，將底座制作成了坡面，并在坡面側面設置了通風孔，在坡面背面放置了散熱風扇，這不僅擴大了空氣流動的空間，還增加了空氣流通的出口，實現了熱空氣向上、冷空氣向下的空氣流動過程，如圖2中的c和圖3所示。經過檢驗，此次制作的產品的散熱效果較好。

2.3 分析討論

目前，我國的平板電腦散熱器主要采用風冷的方式散熱，即采用各類型的風扇對平板電腦的高熱部位進行散熱。當平板電腦溫度過高時，風扇式的散熱器無法有效散去平板電腦在長時間使用過程中產生的大量熱量，散熱效果會大打折扣。而我們在散熱器結構中加入半導體技術的方案在國內尚屬首例，目前，半導體制冷片已實現產業化，已經被廣泛用于許多相關行業，這也促使了半導體式散熱器的不斷升級。

平板電腦半導體散熱器的產品優勢有以下4點：①散熱效果好。制冷空氣混合風冷的散熱方式比單一風冷的散熱效果好。②價格便宜。半導體制冷片、變壓器、散熱片、聚乙烯底座、風扇等的均價格便宜，且結構簡單、易于安裝，材料成本量產后僅需125元。③綠色環保。該散熱器的運行過程中不同于壓縮機的制冷過程，半導體制冷不產生機械摩擦，具有噪聲小、無制冷劑污染、壽命長的特點。④個性化。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，可滿足年輕人對于個性的追求。

3 結論

半導體制冷散熱器的制冷元件是半導體制冷片。該元件可主動制冷，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，從而達到高效率散熱的目的；配置有坡面底座，既節省了空間，又擴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（1994—），男，遼寧省甲級大學生創業訓練項目主持人。