一个笔记本电脑支架与水冷散热相结合的方案

华秋实　张博闻　马赟　肖寒

关键词：笔记本电脑支架；散热；水冷

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）03-0082-02

据有关报道，美国杜克大学人机工程学教授塔玛拉·詹姆斯在发表的一次演讲中提出，最近几年以来全球拥有笔记本电脑的人数剧增[1]。但是，笔记本电脑的散热问题一直为人所诟病，由于其较小的体积，无法做到有效地散热，导致在使用一段时间后，CPU 温度快速上升，从而导致电脑性能大幅下降，甚至出现电脑卡顿或死机，并且这种可能性，随着电脑使用年份的上升而逐渐增加。

针对这个问题，本文在充分调研了当前市场环境的条件下，提出一种散热方案，对现有的笔记本电脑支架进行改进。将台式机水冷散热与笔记本支架相结合，大幅提高笔记本支架的散热能力；同时可为该支架开发专属App，使用户可以实时监控电脑温度以及通过手机端一键调整支架散热模式与风扇噪音。

1 市场环境分析

1.1 国内市场分析

通过调查发现，目前市场上的电脑支架大部分为固定式电脑支架（如图1所示）。这种支架本身比较笨重，不方便携带，而且不可调节。还有一种电脑支架是带风扇的“智能支架”（如图2所示），其实质是在支架的基础上加装了两个风扇，对于散热的帮助效果有限。使用时，如果风道设置得不当，反而会对散热起到反作用[2]。

1.2 国外市场分析

通过查询亚马逊平台，在电脑支架的销售统计中显示：关于电脑支架的月搜索量或月购买量，数据都很高。根据该平台提供的月度销售曲线，可以看出笔记本支架的销售存在相应的旺季，数据显示为每年的6、7、8月份（也就是暑期）。2015—2020年电脑支架的市场热度和销量情况一直处于中高水平，并且缓慢增长。2021年开始，笔记本电脑支架的热度呈现出爆发式增长。可以看出，国外市场对笔记本支架的需求正爆发式上涨。

1.3 目标市场分析

通过调研发现笔记本支架的销售存在旺季，且旺季在每年的夏季，也就是大量高中毕业、大学毕业的学生最有购买笔记本电脑需求的时期。因此，本文针对18-22岁的学生群体，在其学习毕业时购买笔记本电脑，经过一两年的使用后，随着笔记本电脑的老化，很可能出现由于散热不足导致的卡顿、掉帧等一系列问题。本文提供的笔记本电脑支架散热方案会为各笔记本用户提供帮助。

2 设计思路与原理

2.1 支架设计目标

设计一款能够改善笔记本电脑用户散热问题的支架，通过将水冷与笔记本支架相结合的形式，同时用户可以通过App轻松控制支架的性能，从而改善并解决笔记本电脑散热的问题。

2.2 设计思路

笔记本电脑用户都会面临的一个问题是笔记本电脑在长时间使用后，由于电脑散热能力不足，导致CPU持续高温，从而使得电脑性能大幅下降。使用时，会出现网页打开卡死，或者游戏界面帧数突然大幅下降，电脑画面出现撕裂，或者更严重的出现电脑过热黑屏关机等现象。

采用目前市场上能够购买的笔记本电脑支架，散热效果一般，无法从根源上解决电脑散热的问题。对比台式机散热效果明显优于笔记本电脑的效果，分析发现：台式机散热效果好，一方面是因为台式机的机箱空间比较大，有足够的空间让热量散发到空气中。另外，台式机还搭配了水冷散热装置。在台式机上，水冷散热可以大幅降低CPU温度，并且保持CPU在低温状态下满频运行。将水冷散热应用到笔记本电脑支架中，并使用App进行参数控制，是本文的总体设计思路。

2.3 水冷散热设计原理

水冷散热的原理是利用液体在泵的带动下强制循环带走热量[3]。水冷散热的散热性能与水冷管内的散热液（水或其他液体）流速成正比，制冷液的流速又与制冷系统水泵功率相关。水冷散热的热负载能力相当于风冷系统的5倍，这导致的直接好处就是CPU工作温度曲线十分平缓。水冷散热系统可以减少使用系统在运行CPU负载较大的程序时会出现的在短时间内的温度热尖峰，相较风冷散热而言，能更好地解决因CPU散热不好而导致死机的问题。水冷系統可以将CPU的温度保持在室温状态，这样高效改善了微机内部的工作环境。但使用水冷散热系统不方便、体积大、安装麻烦，且存在水的泄漏和由此造成的短路问题[4]。

值得注意的是，从水冷散热原理来看水冷散热器又可分为主动式水冷和被动式水冷两大类。其中，主动式水冷（如图3所示）除了在具备水冷散热器全部配件外，还需要安装额外的散热风扇来辅助散热，这样能够大幅提升水冷散热器的散热效果;被动式水冷不需要安装任何散热风扇，靠水冷散热器本身来进行散热，最多是增加一些散热片来辅助散热，该水冷散热效果比起主动式水冷性能略逊一筹，但可以做到完全静音效果[5]。

3 设计方案

3.1 总体设计

水冷散热装置可以装备在笔记本支架的不同位置。一种方式是将水冷散热独立于支架，安装在支架的侧面。这种方式对笔记本支架的实用性以及便携性有一定的影响。另一种方式是将水冷装置安装在支架的正面，该种方式需要协调水冷装置与已有的散热风扇的位置。最佳的选择是将水冷安装在支架的背面，这种方式对笔记本支架已有装置不产生影响，同时又便于水冷管的排布。

将水冷散热系统安装在支架背面，通过定制水管链接在定制冷头上，在使用时，用户只需要将冷头安装在笔记本电脑键盘上方的空挡处（通常为笔记本电脑的CPU以及显卡所在处），即可打开开关启动水冷散热系统。初次使用的用户可以在App中打开手机蓝牙配对到支架，即可将App与支架相匹配，用户可通过使用App就可以调整支架的散热性能以及风扇的转速、噪音等。

支架整体装配有主动式水冷散热，配备三个120mm风扇，风扇转速支持800-1800rpm可调，风量为85.5cfm，配备纯铜冷头和铝质冷排。支架支持蓝牙链接，用户可通过App控制支架性能以及风扇转速。

3.2 App 设计与开发

笔记本电脑支架的App拟与支架主体配套，主要包括配对设置、性能监控和参数调整等三个模块的功能。

配对设置通过蓝牙进行连接，将手机App与笔记本支架进行匹配，进行数据的传输。性能监控模块主要实时反馈散热风扇的转速数据，同时会显示噪声数据。参数调整中预设了三种不同的模式，可以进行一键选择，或者也可以在程序界面上手动进行风扇转速参数的调整。

首先，用户在打开App之前，需要打开手机的蓝牙功能。在进入App界面后，App顶部有一个蓝牙配对的选项，点击这个按键，App就会通过内部蓝牙功能自动识别手机蓝牙信号，并将支架与手机蓝牙相匹配，从而起到一键配对的功能。App设置了独立的性能监控页面，在这个界面，用户可以简洁明了地了解到当前电脑的温度以及支架的运作情况以及噪声分贝值。在该页面，为噪声分贝设置了一个动态条，在提供了一定乐趣的同时，用户可以通过这个动态条了解到当前支架运作的实时分贝。

除此之外，用户还可以在参数调整界面调整支架的输出性能。App设置了三档不同的性能供用户选择，分别是狂暴、静音以及舒适等三种模式。通过选择对应的选项，就可以轻松快捷地调整风扇的性能。App内特意设置了一个自定义界面，在这个界面，用户可以调整一切支架属性，从风扇转速、风扇分贝甚至到单一风扇的每秒风量，在这个界面用户都可以自由设置，充分满足了用户的DIY需求。

4 各部件功能

笔记本电脑支架主要由三个部分组成，分别是主体支架、水冷散热组件以及配套App。

4.1 主体支架

主体支架运用导热金属、高级工程塑胶和硅胶共同组成，整体采用长方形框架结构，这样可以使得支架与笔记本电脑的接触面积更大，整个支架的正面都可以覆盖并且支撑住整个笔记本电脑，这样可以更好地维持笔记本电脑在上面的稳定性，也更便于安装水冷散热系统。

支架的各个衔接处都安装有防滑硅胶垫，且底部配备可调节支架，可以调节支架角度使用户可以从更舒适的角度去使用笔记本电脑。支架正面安装隐藏式防滑挡板，即使调整角度也能保证电脑不会滑落，同时也保证了支架整体的协调与美观。

4.2 水冷散热组件

水冷散热组件主要由三个120mm风扇、纯铜冷头以及铝制冷排组成。三个风扇串联在冷排上，风扇转速支持800-1800rpm可调，最大风量为85.5cfm。高性能的风扇不仅可以提供更好的散热效果，同时在控制噪音等方面也有更突出的表现。一般的风扇转速最高只有1500rpm，本方案的风扇最高可支持到1800rpm，這也意味着在需要快速降温的场景，本方案可以提供更优秀的散热表现。用户可以通过App控制风扇的转速。纯铜冷头以及铝制冷排则保证了制冷效应，可以提供更好的制冷效果。

4.3 配套App

通过App可以实时监控风扇的运作情况，并能可视化的调整风扇运行的参数，包括风扇转速、风扇噪音等。

App提供了三种预设的模式，分别是静音模式、舒适模式和狂暴模式。这三种不同的模式，分别对应风扇的最低、适中和最高强度速度运行，以满足笔记本电脑不同的散热需求。

5 结语

本文介绍了水冷散热系统与笔记本电脑支架相结合的一种全新的电脑支架，为笔记本电脑散热问题提供了一种新的解决方案。在缓解笔记本电脑用户散热问题的同时，通过使用支架配对的App，可以设定不同的风扇参数以满足其不同的使用需求。

本文为笔记本电脑支架的发展提供了一个全新的角度，通过对水冷散热笔记本电脑支架的进一步改善，以提高水冷散热的性能、适配不同笔记本机型、缩小水冷散热组件的体积等，能更好地解决笔记本电脑散热问题。