一個筆記本電腦支架與水冷散熱相結合的方案

華秋實　張博聞　馬赟　肖寒

關鍵詞：筆記本電腦支架；散熱；水冷

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）03-0082-02

據有關報道，美國杜克大學人機工程學教授塔瑪拉·詹姆斯在發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，導致在使用一段時間后，CPU 溫度快速上升，從而導致電腦性能大幅下降，甚至出現電腦卡頓或死機，并且這種可能性，隨著電腦使用年份的上升而逐漸增加。

針對這個問題，本文在充分調研了當前市場環境的條件下，提出一種散熱方案，對現有的筆記本電腦支架進行改進。將臺式機水冷散熱與筆記本支架相結合，大幅提高筆記本支架的散熱能力；同時可為該支架開發專屬App，使用戶可以實時監控電腦溫度以及通過手機端一鍵調整支架散熱模式與風扇噪音。

1 市場環境分析

1.1 國內市場分析

通過調查發現，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，而且不可調節。還有一種電腦支架是帶風扇的“智能支架”（如圖2所示），其實質是在支架的基礎上加裝了兩個風扇，對于散熱的幫助效果有限。使用時，如果風道設置得不當，反而會對散熱起到反作用[2]。

1.2 國外市場分析

通過查詢亞馬遜平臺，在電腦支架的銷售統計中顯示：關于電腦支架的月搜索量或月購買量，數據都很高。根據該平臺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的旺季，數據顯示為每年的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出爆發式增長?？梢钥闯?，國外市場對筆記本支架的需求正爆發式上漲。

1.3 目標市場分析

通過調研發現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、大學畢業的學生最有購買筆記本電腦需求的時期。因此，本文針對18-22歲的學生群體，在其學習畢業時購買筆記本電腦，經過一兩年的使用后，隨著筆記本電腦的老化，很可能出現由于散熱不足導致的卡頓、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為各筆記本用戶提供幫助。

2 設計思路與原理

2.1 支架設計目標

設計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合的形式，同時用戶可以通過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 設計思路

筆記本電腦用戶都會面臨的一個問題是筆記本電腦在長時間使用后，由于電腦散熱能力不足，導致CPU持續高溫，從而使得電腦性能大幅下降。使用時，會出現網頁打開卡死，或者游戲界面幀數突然大幅下降，電腦畫面出現撕裂，或者更嚴重的出現電腦過熱黑屏關機等現象。

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。對比臺式機散熱效果明顯優于筆記本電腦的效果，分析發現：臺式機散熱效果好，一方面是因為臺式機的機箱空間比較大，有足夠的空間讓熱量散發到空氣中。另外，臺式機還搭配了水冷散熱裝置。在臺式機上，水冷散熱可以大幅降低CPU溫度，并且保持CPU在低溫狀態下滿頻運行。將水冷散熱應用到筆記本電腦支架中，并使用App進行參數控制，是本文的總體設計思路。

2.3 水冷散熱設計原理

水冷散熱的原理是利用液體在泵的帶動下強制循環帶走熱量[3]。水冷散熱的散熱性能與水冷管內的散熱液（水或其他液體）流速成正比，制冷液的流速又與制冷系統水泵功率相關。水冷散熱的熱負載能力相當于風冷系統的5倍，這導致的直接好處就是CPU工作溫度曲線十分平緩。水冷散熱系統可以減少使用系統在運行CPU負載較大的程序時會出現的在短時間內的溫度熱尖峰，相較風冷散熱而言，能更好地解決因CPU散熱不好而導致死機的問題。水冷系統可以將CPU的溫度保持在室溫狀態，這樣高效改善了微機內部的工作環境。但使用水冷散熱系統不方便、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式水冷和被動式水冷兩大類。其中，主動式水冷（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;被動式水冷不需要安裝任何散熱風扇，靠水冷散熱器本身來進行散熱，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式水冷性能略遜一籌，但可以做到完全靜音效果[5]。

3 設計方案

3.1 總體設計

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立于支架，安裝在支架的側面。這種方式對筆記本支架的實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，該種方式需要協調水冷裝置與已有的散熱風扇的位置。最佳的選擇是將水冷安裝在支架的背面，這種方式對筆記本支架已有裝置不產生影響，同時又便于水冷管的排布。

將水冷散熱系統安裝在支架背面，通過定制水管鏈接在定制冷頭上，在使用時，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），即可打開開關啟動水冷散熱系統。初次使用的用戶可以在App中打開手機藍牙配對到支架，即可將App與支架相匹配，用戶可通過使用App就可以調整支架的散熱性能以及風扇的轉速、噪音等。

支架整體裝配有主動式水冷散熱，配備三個120mm風扇，風扇轉速支持800-1800rpm可調，風量為85.5cfm，配備純銅冷頭和鋁質冷排。支架支持藍牙鏈接，用戶可通過App控制支架性能以及風扇轉速。

3.2 App 設計與開發

筆記本電腦支架的App擬與支架主體配套，主要包括配對設置、性能監控和參數調整等三個模塊的功能。

配對設置通過藍牙進行連接，將手機App與筆記本支架進行匹配，進行數據的傳輸。性能監控模塊主要實時反饋散熱風扇的轉速數據，同時會顯示噪聲數據。參數調整中預設了三種不同的模式，可以進行一鍵選擇，或者也可以在程序界面上手動進行風扇轉速參數的調整。

首先，用戶在打開App之前，需要打開手機的藍牙功能。在進入App界面后，App頂部有一個藍牙配對的選項，點擊這個按鍵，App就會通過內部藍牙功能自動識別手機藍牙信號，并將支架與手機藍牙相匹配，從而起到一鍵配對的功能。App設置了獨立的性能監控頁面，在這個界面，用戶可以簡潔明了地了解到當前電腦的溫度以及支架的運作情況以及噪聲分貝值。在該頁面，為噪聲分貝設置了一個動態條，在提供了一定樂趣的同時，用戶可以通過這個動態條了解到當前支架運作的實時分貝。

除此之外，用戶還可以在參數調整界面調整支架的輸出性能。App設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。通過選擇對應的選項，就可以輕松快捷地調整風扇的性能。App內特意設置了一個自定義界面，在這個界面，用戶可以調整一切支架屬性，從風扇轉速、風扇分貝甚至到單一風扇的每秒風量，在這個界面用戶都可以自由設置，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

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

支架的各個銜接處都安裝有防滑硅膠墊，且底部配備可調節支架，可以調節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，即使調整角度也能保證電腦不會滑落，同時也保證了支架整體的協調與美觀。

4.2 水冷散熱組件

水冷散熱組件主要由三個120mm風扇、純銅冷頭以及鋁制冷排組成。三個風扇串聯在冷排上，風扇轉速支持800-1800rpm可調，最大風量為85.5cfm。高性能的風扇不僅可以提供更好的散熱效果，同時在控制噪音等方面也有更突出的表現。一般的風扇轉速最高只有1500rpm，本方案的風扇最高可支持到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秀的散熱表現。用戶可以通過App控制風扇的轉速。純銅冷頭以及鋁制冷排則保證了制冷效應，可以提供更好的制冷效果。

4.3 配套App

通過App可以實時監控風扇的運作情況，并能可視化的調整風扇運行的參數，包括風扇轉速、風扇噪音等。

App提供了三種預設的模式，分別是靜音模式、舒適模式和狂暴模式。這三種不同的模式，分別對應風扇的最低、適中和最高強度速度運行，以滿足筆記本電腦不同的散熱需求。

5 結語

本文介紹了水冷散熱系統與筆記本電腦支架相結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，通過使用支架配對的App，可以設定不同的風扇參數以滿足其不同的使用需求。

本文為筆記本電腦支架的發展提供了一個全新的角度，通過對水冷散熱筆記本電腦支架的進一步改善，以提高水冷散熱的性能、適配不同筆記本機型、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。