0 引言

隨著智能手機的普及,我國幾乎要達到全民網(wǎng)絡(luò)化,據(jù)CNNIC統(tǒng)計我國網(wǎng)民規(guī)模突破9億,手機上網(wǎng)比例達99.3%?據(jù)中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心統(tǒng)計,中國網(wǎng)絡(luò)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(fā)熱這種現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)在很多的手機已經(jīng)有了相關(guān)的散熱技術(shù),仍然還是沒能夠徹底的改變手機發(fā)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(fā)熱,這就要了解發(fā)熱的原因?

1 手機發(fā)熱的原因

首先,手機發(fā)熱的根本原因是在手機運行過程中,電池輸出的電流經(jīng)過用電元件時產(chǎn)生了熱量,正常情況下手機在運行過程中是肯定會產(chǎn)生熱量的?智能手機發(fā)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(fā)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(zhuǎn)化,當我們一邊手機充電一邊玩,就會導(dǎo)致手機溫度上升,很容易導(dǎo)致手機溫度上升很快?現(xiàn)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,也是一個原因?手機發(fā)熱的原因有很多,而且危險也很大?

手機產(chǎn)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(huán)境?現(xiàn)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(huán)境中?這種散熱的方式在很多數(shù)手機上都在使用,但是產(chǎn)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(xué)原理中熱傳導(dǎo)定律,熱傳遞的三種方式包括:熱傳導(dǎo)?熱對流?熱輻射?熱傳導(dǎo)是物質(zhì)和物質(zhì)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(chǎn)生溫度差,產(chǎn)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(shù)?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(shù)越大,熱量被帶走的越多?

熱輻射是在沒有介質(zhì)?無需接觸的情況下產(chǎn)生的熱的傳遞的方式?熱輻射與熱輻射系數(shù)?物質(zhì)表面面積和溫度差有關(guān),只是熱輻射在沒有介質(zhì)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(xiàn)的,并且現(xiàn)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(dǎo)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(fā)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(dǎo)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(nèi)的組件可以正常穩(wěn)定工作。

關(guān)于石墨片的散熱原理的一項實驗表明,在手機持續(xù)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(nèi)部放入了一層金屬導(dǎo)熱板,將手機產(chǎn)生的熱量傳到金屬導(dǎo)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(guān)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(dǎo)熱的設(shè)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(gòu)件,常用的熱管由三部分組成:主體為一根封閉的金屬管,內(nèi)部有少量工作介質(zhì)和毛細結(jié)構(gòu),管內(nèi)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(xué)原理:(1)在真空狀態(tài)下,液體的沸點降低;(2)同種物質(zhì)的汽化潛熱比顯熱高的多;(3)多孔毛細結(jié)構(gòu)對液體的抽吸力可使液體流動?

這種散熱方式的優(yōu)點是熱管自冷散熱系統(tǒng)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(tǒng),節(jié)約水資源和相關(guān)的輔助設(shè)備投資?此外,熱管散熱還能將發(fā)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(shè)備的安全可靠性和應(yīng)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(zhuǎn),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(fā)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(qū)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(tǒng)的例子有iQOONeo855,內(nèi)部采用了超長熱管?可固化導(dǎo)熱凝膠?高導(dǎo)熱鋁合金框架以及多層復(fù)合石墨散熱片組成一套完善的手機散熱系統(tǒng),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(yīng)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(nèi)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(wěn)定的散熱系統(tǒng),對此可以利用技術(shù)創(chuàng)新方法中沖突理論解決方法來創(chuàng)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(shù)沖突解決過程如下:(1)沖突描述?為了改善系統(tǒng)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(dǎo)致系統(tǒng)的成本增加?(2)轉(zhuǎn)換成TRIZ標準沖突?改善的參數(shù):8,9;惡化的參數(shù):18,27?(3)查找沖突矩陣,得到如表1所示的發(fā)明原理?

所以方案為:依據(jù)7套疊原理,35性能轉(zhuǎn)換原理發(fā)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(zhuǎn)換原理內(nèi)容通過改變物理狀態(tài)濃度或密度?柔性和靈活程度,實現(xiàn)性能優(yōu)化和改變,可以改變散熱材料的熱流密度,導(dǎo)熱系數(shù)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(shù)沖突解決過程:(1)沖突描述?為了改善系統(tǒng)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(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜性增加?(2)轉(zhuǎn)換成TRIZ標準沖突?改善的參數(shù):32,43;惡化的參數(shù):18,27?(3)查找沖突矩陣,得到如表2所示的發(fā)明原理?

所以方案為:依據(jù)6多元性原理,13反向作用原理,28機械系統(tǒng)替代原理,35性能轉(zhuǎn)換原理發(fā)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(tǒng)替代原理:過程可以加入熱?光?電?磁場等系統(tǒng)代替原機械系統(tǒng),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。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(fā)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?

可以將上面從兩個不同問題著手點開始得到的解綜合來看,對此,可以簡單的提出一種新型的散熱系統(tǒng)—立體式芯片通道熱管散熱,這種散熱系統(tǒng)是利用半導(dǎo)體集成技術(shù),納米技術(shù)和熱管散熱技術(shù)?將該散熱芯片從傳統(tǒng)平面2D式做法變成帶有中間的堆疊3D式并在這個立體式芯片存在的間隙間加入水冷的散熱方式等等?

5 結(jié)論

所以手機散熱一直是困擾手機發(fā)展的一大問題,相信隨著科技的發(fā)展,這個問題也會得到有效的改善?

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