關于手機散熱問題的探究

熱設計 2022-06-20

0引言

隨著智能手機的普及,我國幾乎要達到全民網絡化,據CNNIC統計我國網民規模突破9億,手機上網比例達99.3%?據中國互聯網絡信息中心統計,中國網絡游戲用戶達到5.22億?因此,人們對于手機的性能需求也越來越高?然而,伴隨著性能的提升,散熱問題成為了需要解決的重中之重的大問題?

智能手機在讓用戶體驗高性能的同時,大部分的用戶都體會過手機后殼的滾燙?尤其在玩游戲的時候或者長時間進行工作的時候,手機發熱這種現象更是給用戶帶來極大的安全隱患,所以需要很好地解決手機的散熱問題?目前,手機生產商們都在尋找各種材料或者先進的散熱方式來為手機“降溫”來提升使用體驗?

盡管現在很多的手機已經有了相關的散熱技術,仍然還是沒能夠徹底的改變手機發熱的這個情況,散熱問題雖然沒辦法徹底根治,但是我們可以在使用手機的過程當中盡量控制手機不要過于發熱,這就要了解發熱的原因?

1手機發熱的原因

首先,手機發熱的根本原因是在手機運行過程中,電池輸出的電流經過用電元件時產生了熱量,正常情況下手機在運行過程中是肯定會產生熱量的?智能手機發熱的主要地方有CPU?芯片?處理器?手機電池等等?

其次,我們使用手機的習慣或不當也會造成手機發熱,如用手機玩游戲或者安裝了其他高能耗的APP,占用過多的CPU就會導致手機溫度過高;手機運行的程序很多,如果手機后臺運行多款應用,也同樣占用很多CPU,當CPU運算超過了自己的上限值時,就會導致溫度過高,手機溫度也隨之升高?手機充電過程會伴有電能的轉化,當我們一邊手機充電一邊玩,就會導致手機溫度上升,很容易導致手機溫度上升很快?現在很多人都會給自己的手機選一個好看的手機殼,有的只顧及外觀美觀,但手機散熱就不好了,也是一個原因?手機發熱的原因有很多,而且危險也很大?

手機產生的熱量一般都是通過手機背部的散熱材料自然散出,這就需要良好的散熱材料和適合的散熱環境?現在手機的外部一般都是金屬后殼,熱量通過金屬后殼散到周圍的環境中?這種散熱的方式在很多數手機上都在使用,但是產生熱量過多的時候,手機就不太適合使用,因此就需要新的散熱材料和散熱方式?

2熱傳遞的原理和方式

由物理學原理中熱傳導定律,熱傳遞的三種方式包括:熱的傳導?熱的對流?熱的輻射?熱傳導是物質和物質之間的接觸時,能量的傳遞?這種熱的傳遞方式有局限性,常見于固體與液體間,由于氣體的分子不是特別緊密,在氣體中不常見,只是熱的擴散?

熱對流是流體與固體表面接觸,造成流體從固體表面將熱量帶走的傳熱形式?這種傳熱方式是流體受熱之后或者是產生了溫度差,產生了熱的傳遞?可以分為自然對流和強制對流?這種對流方式更具有效率?且這種散熱方式與熱對流系數?有效接觸面積和溫度差成正比,有效接觸面積越大,溫度差越大,熱對流系數越大,熱量被帶走的越多?

熱輻射是在沒有介質?無需接觸的情況下產生的熱的傳遞的方式?熱輻射與熱輻射系數?物質表面面積和溫度差有關,只是熱輻射在沒有介質的熱量的吸收效率比較低?

我們可以從這三個方面來解決手機散熱的問題?但是這三種方式中熱輻射對于手機是不太好實現的,并且現在手機變的越來越薄,體積越來越小,對流?輻射都不是那么容易做到的?目前廠商們采用的也都是熱傳導的方法來為手機“降溫”?

3散熱材料和散熱方式

3.1石墨散熱片

這是目前主流的一種散熱方式?石墨散熱片是一種將手機發熱的中心溫度均勻的分布在一個二維平面上,以方便均勻散熱?再加上導熱的凝脂,直接將處理器表面熱量傳遞到散熱材料上,以保證手機內的組件可以正常穩定工作?

關于石墨片的散熱原理的一項實驗表明,在手機持續使用過程中,未采取散熱的措施時,高溫局部集中,周圍也是接近高溫?在使用石墨散熱片后,局部高溫擴散,熱源高溫得到了控制?

石墨散熱片的例子:在iPhone4S?三星GALAXYNote系列都加入了石墨散熱片,在小米手機里,芯片和中間層有一石墨散熱片,屏幕和中間層也有一石墨散熱片?

3.2金屬背板散熱

這種方式就是在手機的內部放入了一層金屬導熱板,將手機產生的熱量傳到金屬導熱板,再傳到機身的四處,從而確保手機可以處于正常溫度運行,讓熱量可以迅速擴散?

關于金屬背板散熱的方式的研究表明,這種的散熱方式缺點就是散熱不是很快很明顯,常見在這些中端機型中使用,例如三星GALAXY的C系列就采用了金屬邊框?金屬背板導熱的設計,除了美觀外,也是為了散熱?

3.3熱管散熱器

熱管是一種傳熱性極好的人工構件,常用的熱管由三部分組成:主體為一根封閉的金屬管,內部有少量工作介質和毛細結構,管內的空氣及其他雜物必須排除在外?熱管工作時利用了三種物理學原理:(1)在真空狀態下,液體的沸點降低;(2)同種物質的汽化潛熱比顯熱高的多;(3)多孔毛細結構對液體的抽吸力可使液體流動?

這種散熱方式的優點是熱管自冷散熱系統無需風扇?沒有噪音?免維修?安全可靠,熱管風冷甚至自冷可以取代水冷系統,節約水資源和相關的輔助設備投資?此外,熱管散熱還能將發熱件集中,甚至密封,而將散熱部分移到外部或遠處,能防塵?防潮?防爆,提高電器設備的安全可靠性和應用范圍?

這種熱管散熱方式常見于高端機型,由于這些手機都是高性能的,在運行時都是高性能運轉,這時候就要特殊的散熱方式?散熱管里有特殊的液體,當手機發熱時,熱管里液體就會吸收熱能變成氣體,并且擴散到其他區域,達到熱能交換與平均散熱的效果?這種散熱的效果遠比金屬的要好?目前的電腦的散熱器中常說的液冷散熱,其原理就基本和熱管散熱一樣?

這種手機散熱系統的例子有iQOONeo855,內部采用了超長熱管?可固化導熱凝膠?高導熱鋁合金框架以及多層復合石墨散熱片組成一套完善的手機散熱系統,可以讓手機在長時間游戲之后,依然保持著舒適的握持溫度?再有就是在黑鯊?紅魔手機中也是應用了這樣的先進的散熱方式,并且加入了一些可拆裝式的散熱器或者內置散熱風扇?

4利用沖突理論解決散熱問題

手機散熱方式的研究一直是在追求更好更強更穩定的散熱系統,對此可以利用技術創新方法中沖突理論解決方法來創新?

首先,從“散熱材料的分布影響散熱”為入手點解決問題,該問題的技術沖突解決過程如下:(1)沖突描述?為了改善系統的“散熱材料增加散熱”問題,我們需要改變散熱材料的體積問題從而找更加先進的小型散熱材料,但這樣做了會導致系統的成本增加?(2)轉換成TRIZ標準沖突?改善的參數:8,9;惡化的參數:18,27?(3)查找沖突矩陣,得到如表1所示的發明原理?

所以方案為:依據7套疊原理,35性能轉換原理發明原理,得到的解如下:可以利用套疊原理將一些散熱材料從平面式變成堆疊的方式,也就是將其做成3D立體式,利用35性能轉換原理內容通過改變物理狀態濃度或密度?柔性和靈活程度,實現性能優化和改變,可以改變散熱材料的熱流密度,導熱系數來增加散熱?

其次,以“散熱材料的散熱方式的改變”為入手點解決問題,該問題的技術沖突解決過程:(1)沖突描述?為了改善系統的“散熱材料增加散熱”,我們需要改變散熱的材料或散熱方式,但這樣做了會導致系統的復雜性增加?(2)轉換成TRIZ標準沖突?改善的參數:32,43;惡化的參數:18,27?(3)查找沖突矩陣,得到如表2所示的發明原理?

所以方案為:依據6多元性原理,13反向作用原理,28機械系統替代原理,35性能轉換原理發明原理,得到的解如下:可以利用多元性原理得到采用集成散熱芯片來代替前面所述的方式,來達到更好的散熱效果?利用機械系統替代原理:過程可以加入熱?光?電?磁場等系統代替原機械系統,所以可以利用加入熱管散熱的方式來代替之前的石墨烯直接散熱,由?利用反向作用原理:把物體(或者過程)倒過來從而達到相同目的,這個發明原理加上之前提出的芯片方式,就類似于倒裝芯片提高散熱?