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手机智能散热器设计

张翰林 隋晓莹

关键词：手机;智能;散热器设计
1 研究背景
在手机使用过程中，手机机体发热是大多数手机使用者需要面对的共同问题。智能手机包含了许多能产生热量的部件，以及因为受热导致性能与使用方法不良而造成部件损坏。其中，处理器是产生热量的主要部件，其他能够产生大量热量的部件还有锂离子电池、图像传感器、光源等。手机发热的原因大多是手机通话时间过长、下载文件、运行游戏软件或者充电时产生大量热量等。而手机发热则会导致手机信号不稳定、运行卡顿、电路老化加快、电池续航减弱、使用寿命缩短等问题发生，造成使用者安全性和舒适性的降低，以及维修费用上的经济损失[1]。
近年来，随着智能科技的稳定发展，智能制造已经成为诸多产品研发的重点，推进智能制造技术可以有效地提高产品的工作效率，以及降低其运行成本，因此在手机散热器方面，可以寻找一些升级的突破口，比如运用特定的装置来实现智能控温[2]。在智能手机进入5G 时代后，手机的使用频率增多，其配件必将承受更大的使用压力，因此我们应当尽力排除外界因素的影响，以延长手机的使用寿命[3-4]。
目前国内大部分的手机散热器都无法有效解决以上困难，且同时存在噪音大、体积大且散热效率低的问题，导致大多数散热器使用者不再购买手机散热器，使得手机散热器市场越来越局限。
2 研究意义
研究的意义在于加快手机散热效率，减少手机散热器体积来保证产品的实用性与便携性，并结合相关的技术和知识，达到高温感应、及时降温的目的，给产品使用者带来良好的手机使用环境。
3 手机智能散热器设计思路
手机智能散热器设计的思路是在散热器中加入无线温度传感装置，感知手机温度，并实时向手机传送温度数据，让使用者通过配套APP 实时监测到手机的温度，自行选择是否开启散热器的降温模式。同时，将它的散热模式分为先后两个步骤：当散热器感应到手机温度上升到一定程度时，散热器先自动开启冷夹散热系统进行手机的高温冷却处理，在温度降低到设定的正常值后再启动离心风扇持续恒定的降温。这样分层式的设计既节省了散热器的电量，也减轻了散热器自身电路在长时间运行下的负荷，以保证手机智能散热器的长期使用。
结合现在已经成熟的温度传感技术和冷夹系统为手机散热器打造一种“多维立体制冷系统”，如图1所示。
3.1 加入温度传感器
温度传感器这项技术已经成型多年，其中包含分立式温度传感器、模拟集成温度传感器，但是这类温度传感器的应用领域具有较大的局限性，特别是对于近年来出现的诸多高科技产品，这些温度传感器的应用与理想中的效果具有一定的差距[5]。因此，可以运用针对性更强、更加先进、便捷的新型温度传感器――无线温度传感器。
无线温度传感器属于接触式温度传感器，它的优势在于体积小巧，安装过程简便，且出现问题后便于返厂维修。除此之外，无线温度传感器的传输距离也不受距离限制，可以向终端实时传送手机的温度数据，在短距离的数据传输下更不易受外界环境干扰，便于监测而且安全可靠[6]。
3.2 利用冷夹制冷系统制冷
冷夹制冷系统是将冰瓷制冷和冷却鳍片相结合的方式，对手机机体发热的部分进行冷却调控，属于物理降温的范畴，不仅不会抑制手机内部软件运行和CPU、GPU 等功能，反而会使其发挥出超常的运行功能。
冷夹制冷器降温很快，在实验室环境下，几分钟之内冷夹系统通过半导体技术可以将50℃左右的高温手机降至20℃左右，能使手机温度足足下降接近30℃。在温度的调控下又能保证手机不过于冰冷，适合长时间使用手机的用户，比如玩大型游戏、直播等等。
3.3 使用离心风扇散热
离心风扇扇叶的片数不同，风的稳定程度也会不同，随着叶数的增多，在转数相同的情况下，风的波动就会越密集，同时风量变大，噪音变小，危险性降低，但风速不变。因此，多叶离心风扇多应用于转速比较低的电机，且需要低噪音的应用场所。因此，选用七叶离心风扇，可以在保证风力稳定且低噪环境下，让手机温度维持在一个相对稳定的数值，以节省散热器自身的电量。
4 手机智能散热器设计实践
根据上述的设计思路以及针对手机散热器市场、使用人群和所需技术的严谨调研，对手机智能散热器设计了以下A、B 两个不同造型、不同配色的方案：
4.1 设计方案A
方案A 中的这款手机智能散热器顶部为离心风扇的出风口，其内部包含一个七叶的离心风扇，能大幅度地降低散热时产生的噪音。散热器的底部可以吸附在手机机体的背面部分，方便使用者操作。除此之外，这款散热器的底部还带有无线温度传感器，能准确且快速地感知手机温度，并且快速同步到手机APP 上，可以智能调控这款产品的启动及关闭，达到节能的目的，同时小巧便携，符合人机工程学原理。
4.2 设计方案B
方案B 中的这款手机智能散热器，下方是制冷用的冷瓷片，上方为散热风扇，在方体的上表面有一个嵌合方体为触摸开关，与散热风扇连接的换气管作为散热口，预防机器持续运行，出现过热情况。手机散热器的两侧有手机夹，可以使散热器固定在手机背面。除此之外手机夹外侧为圆角面，可防止使用者被划伤，造型上由简单的几何形体组合而成，几何形的缺口让每一个冷瓷片恰到好处地嵌入其中，通过计算机科学计算得出的格状结构不但疏密有致，而且颇具美感。
4.3 设计总结
方案A、B 两种不同造型的散热器的配色是针对不同年龄段的手机使用人群来进行搭配设计的，比如方案A 中富有金属感的黑色相对低调内敛，适用于比较成熟稳重的成年人。相对而言，方案A、B 采用的绚丽的紫色都给这款手机散热器带来了非同寻常的光感和造型感，视觉效果突出，达到吸引年轻人关注的目的。其他配色则根据不同的人群进行特殊的颜色定制，比如深蓝色、墨绿色等。
以上两个设计方案通过对冷夹系统和温度传感技术进行充分的技术调研、对手机使用人群进行合理的设计定位，以及对已经掌握的工业设计专业知识进行合理的运用，将其与先进科技和手机使用的需求相结合，发挥创意与巧思，运用计算机软件和团队的智慧设计了这两款手机智能散热器，其中还运用了RHINO 和KEYSHOT 进行3D 模型的建模及渲染，得到了完成度较高的设计效果图和产品模型。
5 结语
按照目前国内手机散热器市场的发展趋势来看，手机使用者对散热器的需求逐渐提高，与此同时，对于散热器的实用性的硬性要求也越来越高。因此，市面上涌现了各种各样的手机散热器，譬如利用黑科技产生的水冷散热器，类似于小型空调的手机制冷器等。但是这些产品都存在一个普遍问题，就是不便携带以及散热时间较长，只适用于某些特定地点，比如家、办公室等室内场所。而结合了无线温度传感技术和冷夹制冷系统的手机智能散热器设计不仅提升了散热效率，且方便携带，噪音微弱，能适用于不同时间以及多种场合，非常实用。特别是如今我国5G 手机开始发行，各类日常所用的APP 数量增多，智能手機的硬件负担逐渐变大，在手机产生的热量也越来越多的情况下，更需要一款更强大的手机智能散热器来减少这些损耗，以延长手机寿命。因此，手机智能散热器设计研究具有重要意义。

-全文完-