手機(jī)智能散熱器設(shè)計(jì)

張翰林 隋曉瑩

關(guān)鍵詞：手機(jī);智能;散熱器設(shè)計(jì)

1 研究背景

在手機(jī)使用過程中，手機(jī)機(jī)體發(fā)熱是大多數(shù)手機(jī)使用者需要面對的共同問題。智能手機(jī)包含了許多能產(chǎn)生熱量的部件，以及因?yàn)槭軣釋?dǎo)致性能與使用方法不良而造成部件損壞。其中，處理器是產(chǎn)生熱量的主要部件，其他能夠產(chǎn)生大量熱量的部件還有鋰離子電池、圖像傳感器、光源等。手機(jī)發(fā)熱的原因大多是手機(jī)通話時(shí)間過長、下載文件、運(yùn)行游戲軟件或者充電時(shí)產(chǎn)生大量熱量等。而手機(jī)發(fā)熱則會(huì)導(dǎo)致手機(jī)信號不穩(wěn)定、運(yùn)行卡頓、電路老化加快、電池續(xù)航減弱、使用壽命縮短等問題發(fā)生，造成使用者安全性和舒適性的降低，以及維修費(fèi)用上的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

近年來，隨著智能科技的穩(wěn)定發(fā)展，智能制造已經(jīng)成為諸多產(chǎn)品研發(fā)的重點(diǎn)，推進(jìn)智能制造技術(shù)可以有效地提高產(chǎn)品的工作效率，以及降低其運(yùn)行成本，因此在手機(jī)散熱器方面，可以尋找一些升級的突破口，比如運(yùn)用特定的裝置來實(shí)現(xiàn)智能控溫[2]。在智能手機(jī)進(jìn)入5G 時(shí)代后，手機(jī)的使用頻率增多，其配件必將承受更大的使用壓力，因此我們應(yīng)當(dāng)盡力排除外界因素的影響，以延長手機(jī)的使用壽命[3-4]。

目前國內(nèi)大部分的手機(jī)散熱器都無法有效解決以上困難，且同時(shí)存在噪音大、體積大且散熱效率低的問題，導(dǎo)致大多數(shù)散熱器使用者不再購買手機(jī)散熱器，使得手機(jī)散熱器市場越來越局限。

2 研究意義

研究的意義在于加快手機(jī)散熱效率，減少手機(jī)散熱器體積來保證產(chǎn)品的實(shí)用性與便攜性，并結(jié)合相關(guān)的技術(shù)和知識(shí)，達(dá)到高溫感應(yīng)、及時(shí)降溫的目的，給產(chǎn)品使用者帶來良好的手機(jī)使用環(huán)境。

3 手機(jī)智能散熱器設(shè)計(jì)思路

手機(jī)智能散熱器設(shè)計(jì)的思路是在散熱器中加入無線溫度傳感裝置，感知手機(jī)溫度，并實(shí)時(shí)向手機(jī)傳送溫度數(shù)據(jù)，讓使用者通過配套APP 實(shí)時(shí)監(jiān)測到手機(jī)的溫度，自行選擇是否開啟散熱器的降溫模式。同時(shí)，將它的散熱模式分為先后兩個(gè)步驟：當(dāng)散熱器感應(yīng)到手機(jī)溫度上升到一定程度時(shí)，散熱器先自動(dòng)開啟冷夾散熱系統(tǒng)進(jìn)行手機(jī)的高溫冷卻處理，在溫度降低到設(shè)定的正常值后再啟動(dòng)離心風(fēng)扇持續(xù)恒定的降溫。這樣分層式的設(shè)計(jì)既節(jié)省了散熱器的電量，也減輕了散熱器自身電路在長時(shí)間運(yùn)行下的負(fù)荷，以保證手機(jī)智能散熱器的長期使用。

結(jié)合現(xiàn)在已經(jīng)成熟的溫度傳感技術(shù)和冷夾系統(tǒng)為手機(jī)散熱器打造一種“多維立體制冷系統(tǒng)”，如圖1所示。

3.1 加入溫度傳感器

溫度傳感器這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成型多年，其中包含分立式溫度傳感器、模擬集成溫度傳感器，但是這類溫度傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域具有較大的局限性，特別是對于近年來出現(xiàn)的諸多高科技產(chǎn)品，這些溫度傳感器的應(yīng)用與理想中的效果具有一定的差距[5]。因此，可以運(yùn)用針對性更強(qiáng)、更加先進(jìn)、便捷的新型溫度傳感器――無線溫度傳感器。

無線溫度傳感器屬于接觸式溫度傳感器，它的優(yōu)勢在于體積小巧，安裝過程簡便，且出現(xiàn)問題后便于返廠維修。除此之外，無線溫度傳感器的傳輸距離也不受距離限制，可以向終端實(shí)時(shí)傳送手機(jī)的溫度數(shù)據(jù)，在短距離的數(shù)據(jù)傳輸下更不易受外界環(huán)境干擾，便于監(jiān)測而且安全可靠[6]。

3.2 利用冷夾制冷系統(tǒng)制冷

冷夾制冷系統(tǒng)是將冰瓷制冷和冷卻鰭片相結(jié)合的方式，對手機(jī)機(jī)體發(fā)熱的部分進(jìn)行冷卻調(diào)控，屬于物理降溫的范疇，不僅不會(huì)抑制手機(jī)內(nèi)部軟件運(yùn)行和CPU、GPU 等功能，反而會(huì)使其發(fā)揮出超常的運(yùn)行功能。

冷夾制冷器降溫很快，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，幾分鐘之內(nèi)冷夾系統(tǒng)通過半導(dǎo)體技術(shù)可以將50℃左右的高溫手機(jī)降至20℃左右，能使手機(jī)溫度足足下降接近30℃。在溫度的調(diào)控下又能保證手機(jī)不過于冰冷，適合長時(shí)間使用手機(jī)的用戶，比如玩大型游戲、直播等等。

3.3 使用離心風(fēng)扇散熱

離心風(fēng)扇扇葉的片數(shù)不同，風(fēng)的穩(wěn)定程度也會(huì)不同，隨著葉數(shù)的增多，在轉(zhuǎn)數(shù)相同的情況下，風(fēng)的波動(dòng)就會(huì)越密集，同時(shí)風(fēng)量變大，噪音變小，危險(xiǎn)性降低，但風(fēng)速不變。因此，多葉離心風(fēng)扇多應(yīng)用于轉(zhuǎn)速比較低的電機(jī)，且需要低噪音的應(yīng)用場所。因此，選用七葉離心風(fēng)扇，可以在保證風(fēng)力穩(wěn)定且低噪環(huán)境下，讓手機(jī)溫度維持在一個(gè)相對穩(wěn)定的數(shù)值，以節(jié)省散熱器自身的電量。

4 手機(jī)智能散熱器設(shè)計(jì)實(shí)踐

根據(jù)上述的設(shè)計(jì)思路以及針對手機(jī)散熱器市場、使用人群和所需技術(shù)的嚴(yán)謹(jǐn)調(diào)研，對手機(jī)智能散熱器設(shè)計(jì)了以下A、B 兩個(gè)不同造型、不同配色的方案：

4.1 設(shè)計(jì)方案A

方案A 中的這款手機(jī)智能散熱器頂部為離心風(fēng)扇的出風(fēng)口，其內(nèi)部包含一個(gè)七葉的離心風(fēng)扇，能大幅度地降低散熱時(shí)產(chǎn)生的噪音。散熱器的底部可以吸附在手機(jī)機(jī)體的背面部分，方便使用者操作。除此之外，這款散熱器的底部還帶有無線溫度傳感器，能準(zhǔn)確且快速地感知手機(jī)溫度，并且快速同步到手機(jī)APP 上，可以智能調(diào)控這款產(chǎn)品的啟動(dòng)及關(guān)閉，達(dá)到節(jié)能的目的，同時(shí)小巧便攜，符合人機(jī)工程學(xué)原理。

4.2 設(shè)計(jì)方案B

方案B 中的這款手機(jī)智能散熱器，下方是制冷用的冷瓷片，上方為散熱風(fēng)扇，在方體的上表面有一個(gè)嵌合方體為觸摸開關(guān)，與散熱風(fēng)扇連接的換氣管作為散熱口，預(yù)防機(jī)器持續(xù)運(yùn)行，出現(xiàn)過熱情況。手機(jī)散熱器的兩側(cè)有手機(jī)夾，可以使散熱器固定在手機(jī)背面。除此之外，手機(jī)夾外側(cè)為圓角面，可防止使用者被劃傷，造型上由簡單的幾何形體組合而成，幾何形的缺口讓每一個(gè)冷瓷片恰到好處地嵌入其中，通過計(jì)算機(jī)科學(xué)計(jì)算得出的格狀結(jié)構(gòu)不但疏密有致，而且頗具美感。

4.3 設(shè)計(jì)總結(jié)

方案A、B 兩種不同造型的散熱器的配色是針對不同年齡段的手機(jī)使用人群來進(jìn)行搭配設(shè)計(jì)的，比如方案A 中富有金屬感的黑色相對低調(diào)內(nèi)斂，適用于比較成熟穩(wěn)重的成年人。相對而言，方案A、B 采用的絢麗的紫色都給這款手機(jī)散熱器帶來了非同尋常的光感和造型感，視覺效果突出，達(dá)到吸引年輕人關(guān)注的目的。其他配色則根據(jù)不同的人群進(jìn)行特殊的顏色定制，比如深藍(lán)色、墨綠色等。

以上兩個(gè)設(shè)計(jì)方案通過對冷夾系統(tǒng)和溫度傳感技術(shù)進(jìn)行充分的技術(shù)調(diào)研、對手機(jī)使用人群進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)定位，以及對已經(jīng)掌握的工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行合理的運(yùn)用，將其與先進(jìn)科技和手機(jī)使用的需求相結(jié)合，發(fā)揮創(chuàng)意與巧思，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件和團(tuán)隊(duì)的智慧設(shè)計(jì)了這兩款手機(jī)智能散熱器，其中還運(yùn)用了RHINO 和KEYSHOT 進(jìn)行3D 模型的建模及渲染，得到了完成度較高的設(shè)計(jì)效果圖和產(chǎn)品模型。

5 結(jié)語

按照目前國內(nèi)手機(jī)散熱器市場的發(fā)展趨勢來看，手機(jī)使用者對散熱器的需求逐漸提高，與此同時(shí)，對于散熱器的實(shí)用性的硬性要求也越來越高。因此，市面上涌現(xiàn)了各種各樣的手機(jī)散熱器，譬如利用黑科技產(chǎn)生的水冷散熱器，類似于小型空調(diào)的手機(jī)制冷器等。但是這些產(chǎn)品都存在一個(gè)普遍問題，就是不便攜帶以及散熱時(shí)間較長，只適用于某些特定地點(diǎn)，比如家、辦公室等室內(nèi)場所。而結(jié)合了無線溫度傳感技術(shù)和冷夾制冷系統(tǒng)的手機(jī)智能散熱器設(shè)計(jì)不僅提升了散熱效率，且方便攜帶，噪音微弱，能適用于不同時(shí)間以及多種場合，非常實(shí)用。特別是如今我國5G 手機(jī)開始發(fā)行，各類日常所用的APP 數(shù)量增多，智能手機(jī)的硬件負(fù)擔(dān)逐漸變大，在手機(jī)產(chǎn)生的熱量也越來越多的情況下，更需要一款更強(qiáng)大的手機(jī)智能散熱器來減少這些損耗，以延長手機(jī)壽命。因此，手機(jī)智能散熱器設(shè)計(jì)研究具有重要意義。