机械创新设计结课论文-笔记本电脑散热器的改进

《机械创新设计》结课论文课程名称《机械创新设计》院（系、部、中心）机械工程学院专业机械设计制造及其自动化班级K机设111姓名张晓峰学号240110144题目下置式笔记本电脑散热器改进起止日期2014-05-06~2014-06-06任课教师王育荣下置式笔记本电脑散热器改进作者：张晓峰（南京工程学院康尼学院，南京211167)摘要：将笔记本底部散热方式加上底座，采用多个9cm口径无刷直流电机配合可移动位置的风扇，在不十分高的转速下保证一定的风量，做到散热和静音的平衡。并且在散热底座和笔记本电脑底部之间采取一定的密封措施提高进气效率。关键词：笔记本电脑散热；下置底座；风扇；密封；1引言普通笔记本电脑的设计散热方式为：铜管接触重要原件，也是主要发热元件,如中央处理器芯片（CPU）和独立显示卡芯片（GPU），依靠铜管将元件散发的热量传导到散热口附近的铜或铝的散热翅片上，使用反馈调速的离心风扇向散热翅片吹气，带走热量。笔记本电脑使用年限增长以后，电脑发热量会随着电子元件的老化、内部电阻的升高而增加。笔记本原先的散热只能一定程度上解决核心元件的发热问题，而且散热铜管和核心元件之间的接触可靠性需要通过涂抹散热硅脂来保证，而散热硅脂的效果会随着时间推移和高温而逐渐失效。这种铜管+离心风扇的散热方式，没有兼顾到如电脑主板和硬盘等组件。同处理器和显卡一样，主板上的原件也会随着时间的推移发热量增加，而同时发热增加返回来破坏元件性能，造成恶性循环。这使笔记本电脑的散热情况愈加恶化，甚至引起蓝屏、死机等恶劣的后果，轻则丢失当前打开文件，重则损坏硬盘等物理元件。2国内外研究状况现在有一部分电脑的主板设计是将风扇的进风口朝向键盘底部和底部机壳，它虽然能一定程度上带动机体内空气流动，但是仅在局部起效，效果比较差。图1笔记本电脑自身散热系统鉴于无数笔记本电脑用户收到散热这一老大难问题的困扰，所以市场上出现了大量的外置散热装置，其中以风扇散热装置最为普遍。其中最为常见的有传统的下置吹气式和近年来发展起来的出风口吸气式。图2两种最常见的笔记本风扇式散热器2.1下置吹气式风扇散热底座这种散热方式采用底座形式，底座一般内置一个较大直径（10cm以上）的轴流式风扇，也有布置多个小直径（10cm以下）风扇的，方便不同底部进风口的笔记本电脑选用。单风扇的散热底座，风扇转速低，噪音小，利用大口径的风扇保证风量。但是其气流分布比较均匀，不能按照笔记本电脑底部进气口分布针对性的吹气。多风扇的散热底座虽然增加了吹风的针对性，但是现在市场上的笔记本电脑型号众多，结构各异，单一布置的风扇并不能满足不同进风口设计的笔记本电脑需求。其优点为噪音小，电源使用笔记本USB接口直接提供，驱动方便。缺点是散热效果不明显，且为了底部通风，一般做成前低后高的形式，体积较大，携带不方便。图3普通风扇散热底座的漏气缺陷现在普通的下置式笔记本散热底座，采用的是轴流式风扇往笔记本内部吹气的方式，笔记本电脑直接置于底座上，没有任何密封装置。由于笔记本底部用于空气对流的缝隙较小，散热底座吹入机体内部的气流很少，大部分气流被挡住或者从缝隙中散逸。当机器进行高强度作业（比如3D游戏、三维制图等）时，其散热的效果基本不能达到要求。尤其是使用了两年甚至三年以上，散热硅脂又已经失效的比较老的机器，在进行作业时发热量很大，散热底座起到的效果微乎其微。图4笔记本底部细小的进风口2.2外置式抽气散热装置这种散热方式采用专门的装置，安装在笔记本原本的散热出气口上。利用弹性橡胶套进行一定密封。利用装置内置的离心风扇朝散热装置的出气口吹气，从图四所示的尾部结构可以看到，风扇的出风口与装置内部通过塑料隔板隔开，提高了装置内外压差。在装置内部产生负压，在橡胶进气口处产生吸力，辅助电脑自带散热装置进行排气，增大风量。此装置在增大排气量的同时也增加了进气量，在电脑内部形成气流，一定程度上促进了其余元件散热。其离心风扇采用电子控制，利用安置在装置热气进气口的温度传感器感受进气热量，能够自动调节风扇转速，做到自动反馈控制。图5吸气式散热装置的结构原理及安装这类散热装置存在下面几个问题1、离心风扇为了保证风量，转速很高，噪音巨大，对自己和他人的学习生活影响较大。装置震动造成的低频噪声达到70dB以上，长期使用对人体听觉器官造成损伤，造成头晕头痛等不适症状。2、温度传感系统动态特性差，不能在核心元件大量发热的时候迅速开始散热，等到原件大量发热之后才开始散热。3、由于笔记本电脑的散热风扇风道设计，如下图，一般笔记本散热风扇的上部紧贴键盘部位，在键盘下方的金属隔板上会有开口加快空气流动。但是正是这个开口影响了外置抽气装置的散热效果。这个开口导致外置抽气装置在抽气时，有相当一部分气流是从该开口吸出的。从而导致从笔记本电脑机体内部吸出的热气减少，影响了对主板等组件的散热。图6笔记本电脑自带散热风扇的气流进口位置3对以上散热装置的改进方案由于外置吸气装置的噪声很大，而且其效果需要高转速、大排量来保证，其降温效果与巨大噪声是一对主要矛盾。故不取用离心风扇抽气的形式。但是这种装置的密封装置具有可取之处，所以吸取其密封装置的优点。对于下置式散热器，因为使用无刷电机带动轴流式风扇，所以静音效果比较好。但是其漏气的问题较大。综上，现提出一种下置式散热底座，添加弹性密封的散热装置。并且将风扇位置设计为可调，满足不同结构笔记本电脑需求。4工作原理及基本参数4.1主要工作机理4.1.1工作原理为笔记本电脑安装散热底座，利用轴流式风扇，将笔记本电脑外部的较低温空气送入笔记本电脑内部，并且在安装间隙处添加柔软的封条装置，提高进气效率。4.1.2设计要点笔记本电脑底部具有一定形状，所以需要封条装置需要有一定的柔软性和可变形性。同时由于笔记本电脑具有一定质量，会一定程度上对密封装置的弹性造成损害。所以该弹性密封装置需要有一定回弹性能和寿命要求。图7密封装置由于散热底座，其形状一般为固定，本设计将其后部制作设计为可收起，可一定程度上减小其体积，方便收纳。图8支架在不使用时可收起4.2基本参数4.2.1形状参数图9~11改进后的散热底座结构参数4.2.2功率参数笔记本电脑USB接口直接供电或者外接5V直流电源：参数数据散热风扇电压5.0V散热风扇电流0.1A单个风扇功率0.5W总功率1.5W表1散热底座的电气参数5各部分构成方案5.1底板底板因为需要固定风扇，而且风扇在底板上面改变位置时需要松开和拧紧螺栓，所以采用铝板弯制成形。铝板表面采用阳极氧化处理，营造磨砂效果。既美观，金属铝板又可便于散热。在制定部位利用螺纹固定一个用于架放支架的装置。图12地板的材料及细部结构5.2支座支座采用直径8mm的铝棒弯制，分两截构成，之间采用销子绞接。支座与底板连接处的结构由铝材铣制。整套支架部分可涂敷彩色漆，增加美观性。支架可以在不用的时候收起，便于收纳由于本散热底座形状基本与一般笔记本电脑大小相同，所以可以比较方便地放置于笔记本电脑包中。图13支架的材料及细部结构5.3密封密封采用高回弹PU聚氨酯材料。与底座之间采用优质双面胶固定。双面胶粘贴在新的密封条上，更换密封条时只需将旧密封条从底板上撕下，将新密封条上双面胶的保护层撕下，将新密封条直接贴于底板上即可。图14密封装置的材料及结构5.4风扇风扇采用常见的直流无刷轴流式散热风扇正方形边长80mm，扇叶直径72mm，配置三个风扇，与底板上的槽之间采用螺栓连接，可以根据笔记本电脑底部进风口灵活调整风扇位置。图15风扇的安装方式5.5其他元件底板与支架脚连接沉头螺栓x6风扇与底板连接直径4mm长度10mm螺栓x12，4mm螺母x12导线若干及USB插头6总结本装置应用UG对所有部件进行建模和装配。利用电脑进行了一定的渲染。本装置利用轴流式风扇，避免的离心风扇巨大的噪音，又利用弹性封条提高了进气效率，可以较好的改善笔记本电脑的散热条件。尤其是对主板和硬盘等不能被笔记本电脑自身散热装置顾及的元件，有着较好的散热效果。从而可以改善笔记本电脑使用体验，延长笔记本电脑的使用寿命。参考文献[1]毛炳秋，李云霞，张俊，唐友亮.中文版UGNX8.0基础教程[M].北京电子工业出版社，2012.8[2]许建国.电机与控制[M].武汉测绘科技大学出版社，1998.8[3]朱炜青，钱国柱等译G沃克编.热气机[M].机械工业出版社，1980[4][5][6]