CN109343596A - 一种基于相变胶囊和仿生微流道的手机控温装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相变胶囊和仿生微流道的手机温控装置，包括手机壳体和散热板，手机壳体内部设有凹槽，散热板放置于手机壳体的凹槽内；散热板上设有仿生微流道，仿生微流道内设有去离子冷却液作为循环工质，利用自然界的生物体的管道系统无论在换热还是压损方面都具有优越性，通过高导热的散热板将热量可迅速导入辐射状流道部分，通过流道的循环工质，热量得以迅速导出到壳体下部区域进行散热即散热板背面，分布于散热流道内的吸液芯，通过毛细效应提供微流道中流体循环的动力，保证热量可以迅速导出，达到对手机的有效散热和温控。以实现便携式移动电子设备的低能耗、紧凑型、高效率散热。

Description

一种基于相变胶囊和仿生微流道的手机控温装置

技术领域

本发明属于强化传热领域；具体涉及一种相变胶囊和仿生微流道的手机温控装置。

背景技术

随着半导体工业与互联网产业的发展，以手机为代表的便携式计算设备在社会生活中占据了越来越重要的地位，电子器件的散热也成为当前研究的热点。目前，电子设备功能的实现主要基于硅基芯片，其消耗的电能将最终全部以热的形式耗散至环境中，导致环境温度上升。高温环境会严重损害硅基芯片的工作性能，并缩短其寿命，这将导致能源和资源的巨大浪费。因此，电子器件的散热问题值得引起重视。然而，适用于传统计算设备如高性能计算机等的散热系统，几乎没有对散热系统的空间占用或能量消耗有限制，往往体积、噪声、耗电较大，无法满足便携式移动电子设备的散热需求。

目前市面上常见的手机壳的散热效果普遍不好，应用强化传热理论和技术设计的散热手机壳数量极少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相变胶囊和仿生微流道的手机温控装置，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种相变胶囊和仿生微流道的手机温控装置，包括手机壳体和散热板，手机壳体内部设有凹槽，散热板放置于手机壳体的凹槽内，散热板上设有仿生微流道，仿生微流道内设有去离子冷却液作为循环工质，仿生微流道内还设有毛细吸液芯。

进一步的，散热板至少有一面均设有仿生微流道，手机壳体凹槽底部为通孔结构，手机壳体凹槽内侧四周设有多个挡块，散热板通过挡块与隔板卡设在手机壳体内；散热板的一面与隔板接触，另一面与空气直接接触。

进一步的，其中仿生微流道包括设置于上半部分的放射树状仿生微流道和设置于下半部分的平行树状仿生微流道；放射树状仿生微流道中间设有用于循环工质临时储存及缓冲场所，放射树状仿生微流道之间的空白区域为相变材料布置区；散热板四周设有连通放射树状仿生微流道和平行树状仿生微流道的工质循环通道。

进一步的，放射树状仿生微流道和平行树状仿生微流道的分叉角度为80-120度。

进一步的，放射树状仿生微流道和平行树状仿生微流道的分叉角度为100度。

进一步的，放射树状仿生微流道和平行树状仿生微流道的上下级管径比为0.7-0.9。

进一步的，放射树状仿生微流道和平行树状仿生微流道上下级管径比为0.8。

进一步的，工质循环通道采用毛细吸液芯作为毛细压力驱动流体流动。

进一步的，手机壳体采用硅胶或橡胶等材料，隔板采用金属薄板制成，相变材料布置区内设有有机或无机的相变微胶囊。

进一步的，散热板为铜质基底或铝质基底。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种相变胶囊和仿生微流道的手机温控装置，包括手机壳体和散热板，手机壳体内部设有凹槽，散热板放置于手机壳体的凹槽内；散热板上设有仿生微流道，仿生微流道内设有去离子冷却液作为循环工质，利用自然界的生物体的管道系统无论在换热还是压损方面都具有优越性，通过高导热的散热板将热量可迅速导入辐射状流道部分，通过流道的循环工质，热量得以迅速导出到壳体下部区域进行散热即散热板背面，分布于散热流道内的吸液芯，通过毛细效应提供微流道中流体循环的动力，保证热量可以迅速导出，达到对手机的有效散热和温控。以实现便携式移动电子设备的低能耗、紧凑型、高效率散热。

进一步的，利用仿生微流道的冷却液流体通过对流带走大部分热量，分布于上部的相变微胶囊区域吸收多余热量，保证手机上部温度不超过额定值。根据不同手机的发热类型，可以设计不同的相变材料的布置区，并添加不同量的相变胶囊以达到对不同手机的温控效果。此外，仿生微流道的布置方式，也可根据不同手机的散热需求，进行不同地方的布置，而且还可以改变分叉级数来达到不同的换热效果。

进一步的，手机壳体采用硅胶或橡胶等材料，起到保护手机的作用；隔板采用金属薄板制成，起到隔开手机和散热板的作用。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中仿生微流道散热板的结构示意图；

图3为微流道分形参数优化结构示意图。

图4为固体下表面温度随分叉角变化结构示意图。

图5为流体压降随分叉角变化结构示意图。

图6为放射状树状分形微流道立体图。

图7为平行树状分形微流道立体图。

图中：1为散热板；2为放射树状仿生微流道；3为相变材料布置区；4为循环工质临时储存及缓冲场所；5为仿生微流道散热板的基底；6为平行树状仿生微流道；7为工质循环通道；8为隔板；9为手机壳体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1、图2所示，一种相变胶囊和仿生微流道的手机温控装置，包括手机壳体9、隔板8和散热板1，手机壳体9内部设有凹槽，散热板1放置于手机壳体9的凹槽内，隔板8覆盖于散热板1上端；散热板1上设有仿生微流道，仿生微流道内设有去离子冷却液作为循环工质。利用隔板8将整个散热板1与手机隔开，最终手机壳体9、散热板1和隔板8封装为一体，形成整个散热装置。

散热板1为仿生微流道散热板；散热板1内的仿生微流道为密封流道；

散热板1至少有一面均设有仿生微流道；

如图6、图7所示，其中仿生微流道包括设置于上半部分的放射树状仿生微流道2和设置于下半部分的平行树状分形的仿生微流道6；放射树状仿生微流道2中间设有用于循环工质临时储存及缓冲场所4，放射树状仿生微流道2之间的空白区域为相变材料布置区3；散热板1四周设有连通放射树状仿生微流道2和平行树状仿生微流道6的工质循环通道7；工质循环通道7呈环状设置，工质循环通道7内设有毛细吸液芯，通过毛细压力驱动流体流动。

散热板1为铜质基底或铝质基底；

相变材料布置区3内设有有机或无机的相变微胶囊；

手机壳体9采用硅胶或橡胶等材料，起到保护手机的作用；

手机壳体9后端为开口设置，手机壳体9内侧四周设有多个挡块，散热板1通过挡块与隔板8卡设在手机壳体9内；散热板1的一面与隔板接触，另一面与空气直接接触，有利于散热板的热量散发；

隔板8采用金属薄板制成，起到隔开手机和散热板1，并且将手机热量传送至散热板1的作用。

其中所述的散热板1的金属基底，采用激光刻蚀加工而成，或者采用微铣削工艺加工而成。结合各种加工技术，需要保证仿生微流道的分叉角度和分叉前后的管径比的准确度，可以采用激光刻蚀加工而成，也可以采用微铣削工艺加工而成，优选为3D打印技术。

放射树状仿生微流道2和平行树状仿生微流道6的分叉角度为80-120度；放射树状仿生微流道2即以缓冲场所4为中心向四周辐射仿生微流道分支；形成放射树状仿生微流道2；

如图3所示，对于分叉的管径比，根据能量消耗最小化原则，得出分叉夹角与管径制约关系为:

根据单级数值模拟的结果可以发现，当分叉角度较小时，其整体的最高温度和最低温度差距较大，得出其温度均匀性不好；当分叉角度超过120度后，散热效果提升不明显，但是随着角度的增大，流体的阻力损失增大较为明显，为了能够有效驱动循环工质的流动，分叉角度不宜过大。既能达到良好的散热效果，又能保证流体阻力的阻力损失较小，优选的放射树状仿生微流道2和平行树状仿生微流道6的分叉角度为100度。

放射树状仿生微流道2和平行树状仿生微流道6的上下级管径比为0.7-0.9；能够保证分支下级流道的流量分配均匀性；

当输运流量相同时，最优化的分形管径之间存在如下关系(其中D为母管直径，D_i为子管直径)：

为简化流道布置，并综合考虑制造难易度与成本，我们选择了“一分二”的分形模式，且子管径相等。由此根据Murray定理可得：

因此，确定管径比为0.80。而已有理论成果对管道分叉角度的研究较少，因此我们利用数值模拟的方法，研究不同分支角对流体流动和传热的影响。优选的放射树状仿生微流道2和平行树状仿生微流道6上下级管径比为0.8；平行树状仿生微流道6即为多个多级平行设置的仿生微流道；形成平行树状仿生微流道6；

放射树状仿生微流道2和平行树状仿生微流道6生成方法采用基于Visual C++语言的递归分形算法生成。

本发明相变胶囊和仿生微流道的手机温控系统具体工作过程：

当手机长时间进行通话、运行游戏软件、视频播放、拍摄等大功耗的任务时，上部摄像头及CPU区域发热功率急剧增大，通过高导热的散热板将热量可迅速导入辐射状流道部分，通过流道的循环工质，热量得以迅速导出到壳体下部区域进行散热，分布于散热流道四周的吸液芯，通过毛细效应提供微流道中流体循环的动力，保证热量可以迅速导出，达到对手机的有效散热和温控。

当热功率进一步提升时，除了仿生微流道的冷却液流体通过对流带走大部分热量，分布于上部的相变微胶囊区域吸收多余热量，保证手机上部温度不超过额定值。根据不同手机的发热类型，可以设计不同的相变材料的布置区，并添加不同量的相变胶囊以达到对不同手机的温控效果。此外，仿生微流道的布置方式，也可根据不同手机的散热需求，进行不同地方的布置，而且还可以改变分叉级数来达到不同的换热效果。

选用计算流体力学分析软件ANSYSCFX对上述模型的换热流动情况进行数值模拟。选定流体工质为水，进口流速1.0m/s，温度为20℃,出口压力为101325Pa。水的物性参数设为常数，密度为10³kg/m³，比热容为4179J/(kg·℃)，动力粘度系数为8.55×10^-4kg/(m·s)，导热系数为0.613W/(m·℃)。经过计算得到雷诺数Re小于1000，故流动模型为层流。固体基底材料为纯铜，密度为8920kg/m³，比热容为386J/(kg·℃)，导热系数为377W/(m·℃)。圆形铜板底部设为10W均匀面热源，计算得热流密度为31831.92W/m²。固体侧面、固体上面和流体上面均为绝热边界。计算残差设为10^-4，使用稳态模型。

改变分叉角度，研究获取了分叉角度为30°到180°模型树状分形微通道的冷却效果和流体阻力损失的计算结果。树状分形微通道的冷却效果可以通过不同模型温度的比较来衡量，其中平均温度可衡量分叉流道的整体冷却效果，最低温度和最高温度可衡量分形流道冷却的均匀性。由图4可知，在分支夹角θ较小或较大时，平均温度较高，说明总体的冷却效果不够好；在分支夹角θ较小时，最高温度和最低温度偏离平均温度较大，说明散热的均匀性不够好。从局部固定区域散热角度来考虑，应尽量避免设计过大或过小的分支夹角。夹角θ为80°到160°之间时，整个区域的平均温度较低，同时最高温度和最低温度偏离平均温度较小，散热的整体效率较高，均匀性也较好，整体散热效果较为理想。

但是，不同分叉角度下流体的阻力损失也影响微流道散热器的性能。如图5所示，随着分支夹角θ的增加，冷却工质的流动压力损失也随之增加，可以看出角度和流体压降近似存在线性关联。分支夹角θ越大，冷却工质的流动压力损失随之线性增加。而从散热效果与分支夹角θ的关系可以看出，在分支夹角θ取80°到160°这段区间，尤其是在120°到160°这段夹角范围内散热效果差别不是特别明显。此时分支夹角θ越小冷却工质的流动压力损失越小，这意味着循环冷却工质需要的能耗越小。

综合考虑散热效果和循环冷却工质需要的能耗，分支夹角θ在100°左右时即具有较好的散热效果，也较为节能。此综合分析的结果也比较接近观测结果。

总之，两侧分支流道流量相等时，分支后流道的管径约为分叉前流道的0.80倍较为理想。而在优化散热夹角附近，冷却工质的流动压力损失较大，流动效率并不理想；相比较而言，分支夹角θ在100°附近时较为理想，既具有较好的散热效果，冷却工质的流动效率也较高。

Claims (10)

1.一种相变胶囊和仿生微流道的手机温控装置，其特征在于，包括手机壳体(9)和散热板(1)，手机壳体(9)内部设有凹槽，散热板(1)放置于手机壳体(9)的凹槽内，散热板(1)上设有仿生微流道，仿生微流道内设有去离子冷却液作为循环工质，仿生微流道内还设有毛细吸液芯。

2.根据权利要求1所述的一种相变胶囊和仿生微流道的手机温控装置，其特征在于，散热板(1)至少有一面均设有仿生微流道，手机壳体(9)凹槽底部为通孔结构，手机壳体(9)凹槽内侧四周设有多个挡块，散热板(1)通过挡块与隔板(8)卡设在手机壳体(9)内；散热板(1)的一面与隔板(8)接触，另一面与空气直接接触。

3.根据权利要求2所述的一种相变胶囊和仿生微流道的手机温控装置，其特征在于，其中仿生微流道包括设置于上半部分的放射树状仿生微流道(2)和设置于下半部分的平行树状仿生微流道(6)；放射树状仿生微流道(2)中间设有用于循环工质临时储存及缓冲场所(4)，放射树状仿生微流道(2)之间的空白区域为相变材料布置区(3)；散热板(1)四周设有连通放射树状仿生微流道(2)和平行树状仿生微流道(6)的工质循环通道(7)。

4.根据权利要求3所述的一种相变胶囊和仿生微流道的手机温控装置，其特征在于，放射树状仿生微流道(2)和平行树状仿生微流道(6)的分叉角度为80-120度。

5.根据权利要求4所述的一种相变胶囊和仿生微流道的手机温控装置，其特征在于，放射树状仿生微流道(2)和平行树状仿生微流道(6)的分叉角度为100度。

6.根据权利要求3所述的一种相变胶囊和仿生微流道的手机温控装置，其特征在于，放射树状仿生微流道(2)和平行树状仿生微流道(6)的上下级管径比为0.7-0.9。

7.根据权利要求6所述的一种相变胶囊和仿生微流道的手机温控装置，其特征在于，放射树状仿生微流道(2)和平行树状仿生微流道(6)上下级管径比为0.8。

8.根据权利要求1所述的一种相变胶囊和仿生微流道的手机温控装置，其特征在于，工质循环通道(7)采用毛细吸液芯作为毛细压力驱动流体流动。

9.根据权利要求1所述的一种相变胶囊和仿生微流道的手机温控装置，其特征在于，手机壳体(9)采用硅胶或橡胶等材料，隔板(8)采用金属薄板制成，相变材料布置区(3)内设有有机或无机的相变微胶囊。

10.根据权利要求1所述的一种相变胶囊和仿生微流道的手机温控装置，其特征在于，散热板(1)为铜质基底或铝质基底。