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关于手机散热问题的探究

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关于手机散热问题的探究

摘 要:关于手机散热的研究据中国互联网络信息中心统计,我国网民规模突破9.04亿,网络游戏用户达到5.22亿。人们对于手机的性能需求也越来越高,伴随着性能的提升,散热问题成为了需要解决的问题。利用套叠原理将一些散热材料从平面式变成堆叠的方式,也就是将其做成3D立体式,利用35性能转换原理内容通过改变物理状态浓度或密度、柔性和灵活程度,实现性能优化和改变,可以改变散热材料的热流密度,导热系数来增加散热。

关键词:智能化;散热;高性能;冲突理论

0 引言

       随着智能手机的普及,我国几乎要达到全民网络化 ,据CNNIC 统计我国网民规模突破9亿 ,手机上网比例达99.3%。据中国互联网络信息中心统计,中国网络游戏用户达到5.22亿。因此,人们对于手机的性能需求也越来越高。然而,伴随着性能的提升,散热问题成为了需要解决的重中之重的大问题。

       智能手机在让用户体验高性能的同时,大部分的用户都体会过手机后壳的滚烫。尤其在玩游戏的时候或者长时间进行工作的时候,手机发热这种现象更是给用户带来极大的安全隐患,所以需要很好地解决手机的散热问题。目前,手机生产商们都在寻找各种材料或者先进的散热方式来为手机“降温”来提升使用体验[1-3]。

       尽管现在很多的手机已经有了相关的散热技术,仍然还是没能够彻底的改变手机发热的这个情况,散热问题虽然没办法彻底根治,但是我们可以在使用手机的过程当中尽量控制手机不要过于发热,这就要了解发热的原因。

1 手机发热的原因

       首先,手机发热的根本原因是在手机运行过程中,电池输出的电流经过用电元件时产生了热量,正常情况下手机在运行过程中是肯定会产生热量的。智能手机发热的主要地方有CPU、芯片、处理器、手机电池等等。

       其次,我们使用手机的习惯或不当也会造成手机发热,如用手机玩游戏或者安装了其他高能耗的APP,占用过多的CPU就会导致手机温度过高;手机运行的程序很多,如果手机后台运行多款应用,也同样占用很多CPU,当CPU运算超过了自己的上限值时,就会导致温度过高,手机温度也随之升高。手机充电过程会伴有电能的转化,当我们一边手机充电一边玩,就会导致手机温度上升,很容易导致手机温度上升很快。现在很多人都会给自己的手机选一个好看的手机壳,有的只顾及外观美观,但手机散热就不好了,也是一个原因。手机发热的原因有很多,而且危险也很大[4-5]。

       手机产生的热量一般都是通过手机背部的散热材料自然散出,这就需要良好的散热材料和适合的散热环境。现在手机的外部一般都是金属后壳,热量通过金属后壳散到周围的环境中。这种散热的方式在很多数手机上都在使用,但是产生热量过多的时候,手机就不太适合使用,因此就需要新的散热材料和散热方式。

2 热传递的原理和方式

       由物理学原理中热传导定律,热传递的三种方式包括:热的传导、热的对流、热的辐射。热传导是物质和物质之间的接触时,能量的传递。这种热的传递方式有局限性,常见于固体与液体间,由于气体的分子不是特别紧密,在气体中不常见,只是热的扩散。

       热对流是流体与固体表面接触,造成流体从固体表面将热量带走的传热形式。这种传热方式是流体受热之后或者是产生了温度差,产生了热的传递。可以分为自然对流和强制对流。这种对流方式更具有效率。且这种散热方式与热对流系数、有效接触面积和温度差成正比,有效接触面积越大,温度差越大,热对流系数越大,热量被带走的越多。

       热辐射是在没有介质、无需接触的情况下产生的热的传递的方式。热辐射与热辐射系数、物质表面面积和温度差有关,只是热辐射在没有介质的热量的吸收效率比较低。

       我们可以从这三个方面来解决手机散热的问题。但是这三种方式中热辐射对于手机是不太好实现的,并且现在手机变的越来越薄,体积越来越小,对流、辐射都不是那么容易做到的。目前厂商们采用的也都是热传导的方法来为手机“降温”。

3 散热材料和散热方式

3.1 石墨散热片

       这是目前主流的一种散热方式。石墨散热片是一种将手机发热的中心温度均匀的分布在一个二维平面上,以方便均匀散热。再加上导热的凝脂,直接将处理器表面热量传递到散热材料上,以保证手机内的组件可以正常稳定工作。

       关于石墨片的散热原理的一项实验表明,在手机持续使用过程中,未采取散热的措施时,高温局部集中,周围也是接近高温。在使用石墨散热片后,局部高温扩散,热源高温得到了控制。石墨散热片的例子:在iPhone4S、三星GALAXY  Note系列都加入了石墨散热片,在小米手机里,芯片和中间层有一石墨散热片,屏幕和中间层也有一石墨散热片。

3.2 金属背板散热

       这种方式就是在手机的内部放入了一层金属导热板,将手机产生的热量传到金属导热板,再传到机身的四处,从而确保手机可以处于正常温度运行,让热量可以迅速扩散。

       关于金属背板散热的方式的研究表明,这种的散热方式缺点就是散热不是很快很明显,常见在这些中端机型中使用,例如三星GALAXY的C系列就采用了金属边框、金属背板导热的设计,除了美观外,也是为了散热。

3.3 热管散热器

       热管是一种传热性极好的人工构件,常用的热管由三部分组成:主体为一根封闭的金属管,内部有少量工作介质和毛细结构,管内的空气及其他杂物必须排除在外。热管工作时利用了三种物理学原理:(1)在真空状态下 ,液体的沸点降低 ;(2)同种物质的汽化潜热比显热高的多;(3)多孔毛细结构对液体的抽吸力可使液体流动[6]。

       这种散热方式的优点是热管自冷散热系统无需风扇、没有噪音、免维修、安全可靠,热管风冷甚至自冷可以取代水冷系统,节约水资源和相关的辅助设备投资。此外,热管散热还能将发热件集中,甚至密封,而将散热部分移到外部或远处,能防尘、防潮、防爆,提高电器设备的安全可靠性和应用范围。

       这种热管散热方式常见于高端机型,由于这些手机都是高性能的,在运行时都是高性能运转,这时候就要特殊的散热方式。散热管里有特殊的液体,当手机发热时,热管里液体就会吸收热能变成气体,并且扩散到其他区域,达到热能交换与平均散热的效果。这种散热的效果远比金属的要好。目前的电脑的散热器中常说的液冷散热,其原理就基本和热管散热一样。

       这种手机散热系统的例子有iQOO  Neo 855,内部 采用了超长热管、可固化导热凝胶、高导热铝合金框架以及多层复合石墨散热片组成一套完善的手机散热系统,可以让手机在长时间游戏之后,依然保持着舒适的握持温度。再有就是在黑鲨、红魔手机中也是应用了这样的先进的散热方式,并且加入了一些可拆装式的散热器或者内置散热风扇。

4 利用冲突理论解决散热问题

       手机散热方式的研究一直是在追求更好更强更稳定的散热系统,对此可以利用技术创新方法中冲突理论解决方法来创新。首先,从“散热材料的分布影响散热”为入手点解决问题,该问题的技术冲突解决过程如下:(1)冲突描 述。为了改善系统的“散热材料增加散热”问题,我们需要改变散热材料的体积问题从而找更加先进的小型散热材料,但这样做了会导致系统的成本增加。(2)转换成TRIZ标准冲突。改善的参数:8,9;恶化的参数:18,27。(3)查找冲突矩阵,得到如表1所示的发明原理。

       所 以 方 案 为 :依 据7套叠原理,35性能转换原理发明原理,得到的解如下:可以利用套叠原理将一些散热材料从平面式变成堆叠的方式,也就是将其做成3D 立体式 ,利用35性能转换原理内容通过改变物理状态浓度或密度、柔性和灵活程度,实现性能优化和改变,可以改变散热材料的热流密度,导热系数来增加散热。其次,以“散热材料的散热方式的改变”为入手点解决问题,该问题的技术冲突解决过程:(1)冲突描述。为了改善系统的“散热材料增加散热”,我们需要改变散热的材料或散热方式,但这样做了会导致系统的复杂性增加 。(2)转换成TRIZ标准冲突。改善的参数:32,43;恶化的参数:18,27。(3)查找冲突矩阵,得到如表2所示的发明原理。

       所以方案为:依据6多元性原理,13反向作用原理,28机械系统替代原理,35性能转换原理发明原理,得到的解如下:可以利用多元性原理得到采用集成散热芯片来代替前面所述的方式,来达到更好的散热效果。利用机械系统替代原理:过程可以加入热、光、电、磁场等系统代替原机械系统,所以可以利用加入热管散热的方式来代替之前的石墨烯直接散热。利用反向作用原理:把物体(或者过程)倒过来从而达到相同目的,这个发明原理加上之前提出的芯片方式,就类似于倒装芯片提高散热。

可以将上面从两个不同问题着手点开始得到的解综合来看,对此,可以简单的提出一种新型的散热系统—立体式芯片通道热管散热,这种散热系统是利用半导体集成技术,纳米技术和热管散热技术。将该散热芯片从传统平面2D式做法变成带有中间的堆叠3D式并在这个立体式芯片存在的间隙间加入水冷的散热方式等等。

5 结论

       所以手机散热一直是困扰手机发展的一大问题,相信随着科技的发展,这个问题也会得到有效的改善。

参考文献

[1]  赵吉志.最新散热技术——相变散热技术初探[J].科技浪潮,2011(1):23-24.

[2]  关凤艳.汽车散热器的优化设计及传热性能分析的研究[J].制造业自动化,2011,33(14):143-145.

[3]  代丹.计算机芯片散热技术的最新研究进展及其评价[J].现代计算机(专业版),2014(23):26-30.

[4]  邱恬.服务器机柜散热技术比较研究[J].信息与电脑(理论版),2020,32(16):34-36.

[5]  .内嵌式微流体散热技术实现芯片高效冷却[J].电子机械工程,2020,36(3):47.

[6]  陈烈强.5GAAU基站散热技术研究与应用[J].数字通信世界,2020(5):16-17.

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