CN111867318A - 一种散热结构及电子设备 - Google Patents

一种散热结构及电子设备 Download PDF

Info

Publication number
CN111867318A
CN111867318A CN201910341318.9A CN201910341318A CN111867318A CN 111867318 A CN111867318 A CN 111867318A CN 201910341318 A CN201910341318 A CN 201910341318A CN 111867318 A CN111867318 A CN 111867318A
Authority
CN
China
Prior art keywords
water
temperature
heat
heat dissipation
electronic device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910341318.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111867318B (zh
Inventor
陈纯洋
施健
洪宇平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huawei Technologies Co Ltd
Original Assignee
Huawei Technologies Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huawei Technologies Co Ltd filed Critical Huawei Technologies Co Ltd
Priority to CN201910341318.9A priority Critical patent/CN111867318B/zh
Publication of CN111867318A publication Critical patent/CN111867318A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111867318B publication Critical patent/CN111867318B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2029—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant with phase change in electronic enclosures

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Abstract

本申请实施例公开了一种散热结构及电子设备，所述散热结构用于电子设备，所述散热结构包括：吸水层，所述吸水层包括相对的第一表面和第二表面，所述吸水层的第一表面靠近所述电子设备的发热部件，且所述吸水层的第二表面背离所述电子设备的发热部件；所述吸水层包括：多孔介质，其中，所述多孔介质用于吸附空气中的水蒸气，并使得所述水蒸气凝结成液态水，当电子设备表面的温度高于第一预设温度时，所述多孔介质中的液态水受热蒸发。其中，该散热结构如同人工智能皮肤，不消耗手机电能，其可以模仿生物体在环境温度过高时的体温调节机理，通过出汗的方式，在需要的时候增强与环境的换热，以完成与环境的水分循环和热量交换。

Description

一种散热结构及电子设备
技术领域
本申请实施例涉及电子设备的散热技术领域，尤其涉及一种散热结构及电子设备。
背景技术
近年来智能手机的功能越来越强大,今天的智能手机足以与多年前的电脑硬件配置相提并论。智能手机的闪存、内存、处理器等主要元器件的性能逐渐优异，手机的机身也越来越轻薄，智能手机朝着集成化和小型化的方向发展。随之而来的问题就是手机在高负荷运行时机身发烫，影响用户的使用体验。
为了提高手机的散热性能，现有技术通常在手机的屏蔽罩、中框、后盖等部位贴石墨片，以提高散热性能，或者将热管焊接或粘接在中框上，对主板区域高功耗芯片进行导热，降低热点温度。
但是上述散热结构不利于终端产品的小型化，且散热能力有限，难以满足手机等终端产品的散热需求。
发明内容
本申请实施例提供一种散热结构及电子设备，解决了电子设备散热性能差的问题。
为达到上述目的，本申请实施例采用如下技术方案：
本申请实施例的第一方面，提供一种散热结构，所述散热结构用于电子设备，所述散热结构包括：吸水层，所述吸水层包括相对的第一表面和第二表面，所述吸水层的第一表面靠近所述电子设备的发热部件，且所述吸水层的第二表面背离所述电子设备的发热部件；所述吸水层包括：多孔介质，其中，所述多孔介质用于吸附空气中的水蒸气，并使得所述水蒸气凝结成液态水，当电子设备表面的温度高于预设温度时，所述多孔介质中的液态水受热蒸发。本申请实施例提供的散热结构，吸水层中的多孔介质能够在毛细管冷凝的作用下吸收空气中的水蒸气，并使得水蒸气在多孔介质的孔隙中凝结成液态水，当电子设备表面的温度高于预设温度时，所述多孔介质中的液态水则受热蒸发，又变成水蒸气，在蒸发过程中能够带走电子设备产生的热量。
在一种可选的实现方式中，所述吸水层还包括：温度敏感型水凝胶，其中，所述温度敏感型水凝胶位于所述多孔介质层材料的孔隙中；所述温度敏感型水凝胶用于吸收位于多孔介质的孔隙中的液态水发生溶胀，当电子设备表面的温度高于温度敏感型水凝胶的最低共溶温度时，所述温度敏感型水凝胶释放液态水。由此，通过在多孔介质的孔隙中设置水凝胶，当水凝胶发生相变失水时，在脱水过程中能够吸收大量热量，可以降低与之接触的电子设备的温度。这种散热机制类似于生物体体温调节的机理，当设备发热或者设备所处环境温度较高时，从温度敏感型水凝胶释放水分，利用水分的蒸发相变和质传递带走大量热量。
在一种可选的实现方式中，所述多孔介质为金属有机骨架化合物MOFs或有机共价材料COFs。本申请实施例对多孔介质的具体材质不做限制，本领域技术人员可根据需要选择合适的材料。由此，金属有机骨架化合物或有机共价材料为多孔材料，且孔径为纳米级别，能够在毛细管冷凝的作用下吸收周围环境中的水蒸气，并使得水蒸气在孔隙中凝结成液态水。
在一种可选的实现方式中，所述多孔介质的孔隙率为40％-90％。由此，该多孔介质孔隙率高说明孔隙较多，吸附水蒸气的能力更强，吸水性能更好，可以存储更多的液态水，水分蒸发时可以带走更多热量，有利于提高散热结构的散热性能。
在一种可选的实现方式中，所述多孔介质的比表面积为3000-8000m2/g。由此，该多孔介质比表面积大进一步说明孔隙较多，吸附水蒸气的能力更强，吸水性能更好，可以存储更多的液态水，水分蒸发时可以带走更多热量，有利于提高散热结构的散热性能。
在一种可选的实现方式中，所述多孔介质中设有亲水性基团，所述亲水性基团为羟基、羧基、氨基、磺酸基中的一个或多个。该亲水性基团可与水生成氢键，对水有较大亲和能力，可以吸引空气中的水分子，提高了吸水层的吸水性能。当电子设备表面的温度高于温度敏感型水凝胶的最低共溶温度时，所述温度敏感型水凝胶释放液态水，此时，水分子与亲水性基团之间的氢键发生断裂，氢键断裂时能够吸收热量，提高了吸水层的散热性能。
本申请实施例的第二方面，提供一种散热结构，所述散热结构包括：吸水层，所述吸水层包括相对的第一表面和第二表面，所述吸水层的第一表面靠近所述电子设备的发热部件，且所述吸水层的第二表面背离所述电子设备的发热部件；所述吸水层包括：互穿聚合物网络水凝胶，所述互穿聚合物网络水凝胶用于吸收空气中的水蒸气发送溶胀，当电子设备表面的温度高于互穿聚合物网络水凝胶的最低共溶温度时，所述互穿聚合物网络水凝胶释放液态水。本申请实施例提供的散热结构，吸水层中的互穿聚合物网络水凝胶能够吸收空气中的水蒸气发送溶胀，当电子设备表面的温度高于预设温度时，所述互穿聚合物网络水凝胶则释放液态水发生相变失水，在脱水过程中能够吸收大量热量，可以降低与之接触的电子设备的温度。这种散热机制类似于生物体体温调节的机理，当设备发热或者设备所处环境温度较高时，从温度敏感型水凝胶释放水分，利用水分的蒸发相变和质传递带走大量热量。
在一种可选的实现方式中，所述互穿聚合物网络水凝胶由温度敏感型水凝胶和海藻酸盐聚合形成。由此，由温度敏感型水凝胶和海藻酸盐聚合形成的互穿聚合物网络水凝胶可以直接从空气中吸收水蒸气。
在一种可选的实现方式中，所述散热结构还包括：用于将吸水层中的液态水隔离在电子设备的发热部件之外的隔水层，所述隔水层设置在所述电子设备的发热部件和所述吸水层之间。由此，能够防止吸水层中的液态水浸入电子设备中，提高了电子设备的防水性能。
在一种可选的实现方式中，所述隔水层采用聚四氟乙烯材料或聚酰亚胺制成。本申请对该隔水层的具体材质不做限制。
在一种可选的实现方式中，所述隔水层通过喷涂或粘接的方式设置在所述电子设备的发热部件上。本申请对隔水层与吸水层的具体结合方式不做限制。
在一种可选的实现方式中，所述散热结构还包括：蒸发层，所述蒸发层与所述吸水层的第二表面邻接设置，所述蒸发层上设有与外部连通的纳米孔。由此，该蒸发层可以允许水蒸气通过，同时，纳米孔尺寸较小，能阻挡空气中的杂质。
在一种可选的实现方式中，所述蒸发层的材质为多孔玻璃、陶瓷、金属或者塑料，所述蒸发层具有孔，所述孔的直径为1nm-1000nm。本申请实施例对蒸发层的具体材质不做限制。
本申请实施例的第三方面，提供一种电子设备，所述电子设备上设置有外壳，所述外壳采用如上所述的散热结构制成。由此，该外壳采用上述散热结构，散热性能较好。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种散热结构的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的MOFs材料的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种设置散热结构时电子设备的温度和不设散热结构时电子设备的温度随时间变化的对比情况曲线图；
图4为本申请实施例提供的一种设置散热结构时和不设散热结构时电子设备的温度差随时间变化的曲线图；
图5为本申请实施例提供的另一种设置散热结构时电子设备的温度和不设散热结构时电子设备的温度随时间变化的对比情况曲线图；
图6为本申请实施例提供的另一种设置散热结构时和不设散热结构时电子设备的温度差随时间变化的曲线图；
图7为本申请实施例提供的一种水凝胶的变化状态示意图；
图8为本申请实施例提供的另一种散热结构的结构示意图；
图9为本申请实施例提供的另一种散热结构的结构示意图；
图10为本申请实施例提供的另一种散热结构的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。
以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
此外，本申请中，“上”、“下”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义的，应当理解到，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。
为了方便理解本申请实施例提供的散热结构，对已有的一种散热结构介绍如下：首先，该散热结构例如可以用于电子设备，其中，该电子设备例如包括发热元件，电子设备在工作时在发热元件位置处形成局部相对高温区，该散热结构例如设置在该电子设备的高温区。
该散热结构例如可以采用石墨片，其中，石墨片散热的基本原理是：将高温区的热量快速传递到电子设备上所有贴有石墨片的区域，从而实现散热。为了提高电子设备的散热性能，就需要设置面积更大的石墨片，不利于电子设备的小型化。并且，石墨只能将电子设备的发热元件产生的热量在电子设备上进行传导，其散热能力有限。
因此，本申请实施例提供一种散热结构，以提高电子设备的散热性能。
图1为本申请实施例提供的一种散热结构的结构示意图。如图1所示，该散热结构设置在电子设备100上，该散热结构包括：吸水层101。其中，具体设置该吸水层101时，例如可以将吸水层101设置为片状，并将吸水层101贴附在电子设备100的发热部件上。增大了吸水层101与电子设备100的接触面积。
需要说明的是，本申请实施例中的电子设备，可以为手机、平板电脑、桌面型、膝上型、手持计算机、笔记本电脑、超级移动个人计算机(Ultra-mobile Personal Computer，UMPC)、上网本、蜂窝电话、以及个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)等设备，本申请实施例对该电子设备的具体形式不做特殊限制。
该吸水层101例如包括相对的第一表面和第二表面，吸水层101的第一表面靠近所述电子设备的发热部件，且吸水层101的第二表面背离所述电子设备的发热部件。
该吸水层101例如包括：多孔介质1011。该多孔介质包括：由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小孔隙，其中，该多孔介质内的微小孔隙可能是互相连通的，也可能是部分连通、部分不连通的。
该多孔介质的孔隙尺寸极其微小且孔隙率较高，本申请实施例中该多孔介质的孔隙率例如为40％-90％。
单位体积或单位质量的多孔介质内所有微小空隙的表面积的总和称为比表面积，多孔介质的比表面积数值很大，本申请实施例中的多孔介质的比表面积例如为3000-8000m2/g。
由此，多孔介质的孔隙率和比表面积更大，吸附水蒸气的能力更强，吸水性能更好，可以存储更多的液态水，水分蒸发时可以带走更多热量，有利于提高散热结构的散热性能。
为便于理解，下面对该多孔介质的吸水原理进行解释：
该多孔介质例如可以在毛细管冷凝的作用下从空气中吸附水蒸气，并使得所述水蒸气在低于饱和蒸气压的条件下也能凝结成液态水。这是由于在毛细结构或多孔介质中，气相分子平均自由程减小，使得分子间范德华力的相互作用增强，气体分子更容易凝结成液相。因此，当空气中的水蒸气进入诸如毛细孔、多孔介质等结构时，会发生液化凝聚现象，即水蒸气会由气相凝结成液相并存在于毛细结构或多孔介质的孔洞中，并且，一旦冷凝现象发生以后，在气液相之间会形成一个月牙形的气液界面，从而使得水蒸气即使在低于饱和蒸汽压的条件下也可以维持气液相平衡。
接着对该多孔介质的散热原理进行解释：
多孔介质中存储有液态水，其可以用于电子设备表面，作为吸水层。当使用电子设备时，电子设备的发热元件温度升高，并将热量传递给该多孔介质。当多孔介质中的能量条件大于汽化潜热值时，多孔介质的孔隙中的液态水例如可以转变成水蒸气，在汽化时，多孔介质的孔隙中的液态水的分子平均距离加大、体积急剧增大，需克服分子间引力并反抗大气压力作功，需要吸收热量，该热量例如可以由电子设备产生的热量提供。
其中，当电子设备表面的温度高于预设温度时，所述多孔介质中的液态水受热蒸发，多孔介质孔隙中的液态水在汽化过程中能够吸收电子设备的热量，实现对电子设备散热。
该预设温度为多孔介质中液态水的汽化温度，该预设温度可调，可以通过改变多孔介质的结构和材质来改变多孔介质中液态水的汽化温度。
在具体设置该预设温度时，例如可以先大量采集用户数据，选择令用户感到烫手的温度作为该预设温度，接着根据确定好的预设温度选择合适的多孔介质作为散热结构的吸水层。
本申请实施例提供的散热结构，吸水层中的多孔介质能够在毛细管冷凝的作用下吸收空气中的水蒸气，并使得水蒸气在多孔介质的孔隙中凝结成液态水，当电子设备表面的温度高于预设温度时，所述多孔介质中的液态水则受热蒸发，又变成水蒸气，在蒸发过程中能够带走电子设备产生的热量。
为进一步提高该多孔介质的吸水性能，该多孔介质中例如还设有亲水性基团。该亲水性基团例如可以是：羟基、羧基、氨基、磺酸基等，其中，该亲水性基团易与氢键结合，因而是亲水性的。
使用该散热结构时，空气可以进入该多孔介质的孔隙中，与该亲水性接团接触，该亲水性基团对水有较大亲和能力，可以吸引空气中的水分子，从而提高了散热结构的吸水性能。
当多孔介质中的液态水转化为水蒸气向外扩散时，使得水分子与亲水性基团之间的氢键发生断裂，氢键断裂时能够吸收热量，该热量例如可以由电子设备产生的热量提供，进一步提高了散热结构的散热性能。
在本申请一种具体的实现方式中，该多孔介质具体可以是金属有机框架化合物(Metal organic Framework，简称MOFs)材料。
其中，可以根据孔径的大小，将多孔材料分为三类：微孔材料、介孔材料和大孔材料，其中，微孔材料的平均孔径小于2nm，介孔材料的平均孔径为2～50nm之间，大孔材料的平均孔径大于50nm。MOFs则属于微孔材料，可以在毛细管冷凝的作用下吸附空气中的水蒸气，并使得所述水蒸气凝结成液态水后存储在MOFs材料的孔隙中。
该MOFs材料是由无机金属中心(金属离子或金属簇)与桥连的有机配体通过自组装相互连接，形成的一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料。
图2为本申请实施例提供的一种MOFs材料的结构示意图，如图2所示，该MOFs材料包括金属离子10、有机配体20，以及由金属离子10和有机配体20围成的纳米孔30。其中，MOFs材料以金属离子10为节点，共价连接起有支撑作用的有机配体20，并形成纳米孔30。
该MOFs材料例如可以通过调节金属离子或者有机配体来改变其组成。本申请对该MOFs材料的金属离子和有机配体和配合方式和具体结构不做限制，本领域技术人员可根据需要选择合适的金属离子和有机配体以组成纳米孔，这些均属于本申请的保护范围。
使用该散热结构时，该MOFs材料的纳米孔30例如可以在毛细管冷凝的作用下从空气中吸附水蒸气，并使得所述水蒸气在常温下凝结成液态水，随着电子设备的发热部件温度升高，该MOFs材料的纳米孔30中的液态水受热蒸发，又变成水蒸气，在蒸发过程中能够带走电子设备产生的热量。
此外，MOFs材料可以在合成前、合成过程中或合成后嫁接亲水性基团，可以吸引空气中的水分子，以提高该MOFs材料的吸水性能和散热性能。
本申请实施例还提供一种MOFs材料的制备方法。该制备方法例如包括以下步骤：
S101、通过水热反应法合成MOFs材料。
按照摩尔比为1:1:265:1，将原材料：Cr(NO3)3·9H2O、H2BDC、H2O和Hcl置于水热反应釜中，将加热温度设置为220℃，以及将加热时间设为8h，得到MOFs材料的预制品。
S102、对MOFs材料进行离心处理，接着进行纯化，得到孔道干净的MOFs材料。
在对MOFs材料纯化处理时，可以在100Pa的环境中操作。具体纯化操作可以是：先采用N，N-二甲基甲酰胺对以上合成的MOFs材料进行浸洗，浸洗温度例如为80℃，浸洗时间例如为3小时，接着可采用乙醇进行进一步浸洗，使用乙醇浸洗的温度例如为80℃，浸洗时间例如为3小时。
重复上述纯化步骤后，可以将浸洗得到的产物进行干燥。干燥温度例如为120℃，干燥时间例如为2h。最终得到孔道干净的MOFs材料。
可以利用上述MOFs材料对电子设备的发热部件进行降温，为了检测MOFs材料在不同环境下的降温能力，可以参考表1配置两份MOFs材料，并分别在不同的环境条件下检测MOFs材料的降温性能。
Figure BDA0002040786450000061
表1
对于表1，需要说明的是，由于称量的过程中存在质量误差，很难每次均称取相同质量的MOFs材料，因此，上述MOFs材料的干重可以存在误差，该误差范围可以是±0.1g。也就是说，可以认为实施方式1中的MOFs材料的干重等于实施方式2中的MOFs材料的干重。在该检测试验中，MOFs材料不作为变量。
其中，在本申请的一种实施方式中，如表1的实施例1所示，一份MOFs材料未吸水时的质量为0.41g，其吸足水后，质量变为0.91g，共吸水0.5g，其吸水率超过100％，接着将吸足水的MOFs材料置入模拟环境中，该模拟环境的环境温度为25.3℃，环境湿度为64％，并使得MOFs材料与待散热的电子设备接触，其中，该电子设备的功率例如为2.1W，功率密度为840W/m2，可以检测在该环境条件下，设置吸足水的MOFs材料和未设置MOFs材料时电子设备的发热部件随着时间增长的温度变化情况。在此过程中，MOFs材料释放出0.43g水。
检测结果参考图3和图4，图3和图4中横坐标为时间，单位为s，纵坐标为电子设备发热部件的温度，单位为℃，图3中实线为未设置MOFs材料时电子设备的发热部件随着时间增长的温度变化情况，虚线为设置有吸足水的MOFs材料时电子设备的发热部件随着时间增长的温度变化情况。如图3所示，未设置MOFs材料的电子设备的发热部件随着时间增长温度增幅较大，设置有吸足水的MOFs材料的电子设备的发热部件随着时间增长温度增幅较小，未设置MOFs材料的电子设备的发热部件的温度大于设置有吸足水的MOFs材料的电子设备的发热部件的温度。由此可见，吸足水的MOFs材料可以用于对电子设备的发热部件降温。
此外，如图3中的A点所示，在加热1800s之后，设置有吸足水的MOFs材料的电子设备的发热部件的温度仍小于45℃，低于令用户感到烫手的温度，可见在本实施例中，该吸足水的MOFs材料可以维持至少30min的低温。
图4为未设置MOFs材料的电子设备的发热部件与设置有吸足水的MOFs材料的电子设备的发热部件之间的温度差随着时间增长的变化情况。如图4所示，未设置MOFs材料的电子设备的发热部件与设置有吸足水的MOFs材料的电子设备的发热部件之间的温度差随时间增长先逐渐变大，后趋于平缓，并有下降趋势，其中，如图4中的B点所示，温度差的最大值可以达到6℃，可见，在本申请实施例中，该吸足水的MOFs材料可以实现对电子设备的发热部件降温6℃。
其中，在本申请的另一种实施方式中，如表1的实施例2所示，另一份MOFs材料未吸水时的质量为0.42g，其吸足水后，质量变为0.86g，共吸水0.44g，其吸水率接近100％，接着将吸足水的MOFs材料置入模拟环境中，该模拟环境的环境温度为26℃，环境湿度为64％，并使得MOFs材料与待散热的电子设备接触，其中，该电子设备的功率例如为1.9W，功率密度为760W/m2，可以检测在该环境条件下，设置吸足水的MOFs材料和未设置MOFs材料时电子设备的发热部件随着时间增长的温度变化情况。在此过程中，MOFs材料释放出0.41g水。
检测结果参考图5和图6，图5和图6中横坐标为时间，单位为s，纵坐标为电子设备发热部件的温度，单位为℃，图5中实线为未设置MOFs材料时电子设备的发热部件随着时间增长的温度变化情况，虚线为设置有吸足水的MOFs材料时电子设备的发热部件随着时间增长的温度变化情况。如图5所示，未设置MOFs材料的电子设备的发热部件随着时间增长温度增幅较大，设置有吸足水的MOFs材料的电子设备的发热部件随着时间增长温度增幅较小，未设置MOFs材料的电子设备的发热部件的温度大于设置有吸足水的MOFs材料的电子设备的发热部件的温度。由此可见，吸足水的MOFs材料可以用于对电子设备的发热部件降温。
此外，如图5中的C点所示，在加热1200s之后，设置有吸足水的MOFs材料的电子设备的发热部件的温度仍小于45℃，低于令用户感到烫手的温度，可见在本实施例中，该吸足水的MOFs材料可以维持至少20min的低温。
图6为未设置MOFs材料的电子设备的发热部件与设置有吸足水的MOFs材料的电子设备的发热部件之间的温度差随着时间增长的变化情况。如图6所示，未设置MOFs材料的电子设备的发热部件与设置有吸足水的MOFs材料的电子设备的发热部件之间的温度差随时间增长先逐渐变大，后趋于平缓，并有下降趋势，其中，如图6中的D点所示，温度差的最大值可以达到7℃，可见，在本申请实施例中，该吸足水的MOFs材料最高可以实现对电子设备的发热部件降温7℃。
本申请实施例提供的MOFs材料，能够吸收大量水分，当其用于电子设备的发热部件时，MOFs材料吸收的水分会随着电子设备发热部件温度的升高而蒸发，在水分蒸发的过程中，可以带走电子设备发热部件的温度，从而实现对电子设备发热部件的降温。
为进一步提高该散热结构的散热性能，还可以在多孔介质中混合如图7所示的水凝胶，以得到如图8所示的多孔介质1011和温度敏感型水凝胶1012的复合材料，例如可以将该复合材料压制成片状，作为吸水层101附着在电子设备100上。该水凝胶例如可以是温度敏感型水凝胶。
其中，水凝胶是以水为分散介质的凝胶。包括：网状交联结构的水溶性高分子、疏水基团和亲水性基团，该疏水基团和该亲水性基团位于该水溶性高分子中，该亲水性基团例如可以是：羟基、羧基、氨基、磺酸基等，其中，该亲水性基团易与氢键结合，因而是亲水性的。当水凝胶与水接触时，该亲水性基团可以用于与水分子结合，将水分子连接在网状内部，从而提高了散热结构的吸水性能。该疏水基团可以是遇水膨胀的交联聚合物。水凝胶是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水。当水分子与亲水性基团之间的氢键发生断裂时能够吸收热量，可以用于散热。
为便于理解，下面对温度敏感型水凝胶的散热原理进行说明：
传统的水凝胶对环境的变化如温度或pH等的变化不敏感，而温度敏感的水凝胶自身能感知外界环境温度微小的变化或刺激，并能产生相应的物理结构和化学性质变化。当温度低于温度敏感型水凝胶的最低共溶温度(Lower Critical Solution Temperature，简写为LCST)的时候，参考图7中的a，水分以固态的形式贮存在水凝胶内。而当温度高于LCST的时候，如图7中b所示，水分会以液态的形式释出。
其中，当电子设备表面的温度高于温度敏感型水凝胶的LCST时，所述温度敏感型水凝胶释放液态水。该温度敏感型水凝胶的LCST为温度敏感型水凝胶转变的最低共溶温度，该温度敏感型水凝胶的LCST与该温度敏感型水凝胶的材质相关，例如可以根据用户需要改变该温度敏感型水凝胶的材质，以获取LCST满足用户散热需求的温度敏感型水凝胶。其中，该温度敏感水凝胶的最低共溶温度例如小于或等于该多孔介质液态水的汽化温度。
由此，当电子设备温度升高时，会先达到温度敏感型水凝胶的LCST，使得温度敏感型水凝胶可以产生相变释出液态水，相变过程中可以吸收电子设备的热量，实现降温。当温度进一步升高时，位于多孔介质中的液态水发生汽化，可以吸收电子设备的热量，再次对电子设备进行降温。
在本申请一种具体的实现方式中，该温度敏感型水凝胶例如可以采用聚(N-异丙基丙烯酰胺)(POLY(N-ISOPROPYL ACRYLAMIDE)，简写为PNIPA)水凝胶，其最低共溶温度LCST在30℃-45℃可以进行调节。
将温度敏感型水凝胶和多孔介质复合在一起后，温度敏感型水凝胶进入多孔介质的孔道内。当外界环境低于水凝胶的LCST并且湿度达到水分子在多孔介质孔道内发生毛细冷凝的条件后，水分会储存在多孔介质的孔道内，自动补充给水凝胶，使其发生溶胀；当外界环境高于水凝胶的LCST时，水凝胶发生相变失水，在脱水过程中吸收大量热量，能够降低与之接触的电子设备的温度。
此散热机制类似于生物体体温调节的机理，当设备发热或者设备所处环境温度较高时，从温度敏感型水凝胶(即“皮肤”)释放水分(即“汗”)，利用水分的蒸发相变和质传递带走大量热量。
其中，该温度敏感型水凝胶例如还可以循环使用，当电子设备表面温度较低时，该温度敏感型水凝胶处于再次吸水状态，当电子设备表面温度较高时，该温度敏感型水凝胶内的水分重新释出，类似人体皮肤的“发汗”。
在本申请一种具体的实现方式中，该多孔介质为MOFs材料，该温度敏感型水凝胶为PNIPA，可以制备该MOFs材料和该PNIPA的复合材料，以对电子设备进行散热。
本申请还提供一种MOFs材料和温度敏感型水凝胶的复合材料的制备方法，该MOFs材料和温度敏感型水凝胶的复合材料的制备方法例如包括如下步骤：
S101、通过水热反应法合成所需MOFs材料。
按照摩尔比为1:1:265:1，将原材料：Cr(NO3)3·9H2O、H2BDC、H2O和Hcl置于水热反应釜中，将加热温度设置为220℃，以及将加热时间设为8h，得到MOFs材料的预制品。
S102、对MOFs材料进行离心处理，接着进行纯化，得到孔道干净的MOFs材料。
在对MOFs材料纯化处理时，可以在100Pa的环境中操作。具体纯化操作可以是：先采用N，N-二甲基甲酰胺对以上合成的MOFs材料进行浸洗，浸洗温度例如为80℃，浸洗时间例如为3小时，接着可采用乙醇进行进一步浸洗，使用乙醇浸洗的温度例如为80℃，浸洗时间例如为3小时。
重复上述纯化步骤后，可以将浸洗得到的产物进行干燥。干燥温度例如为120℃，干燥时间例如为2h。最终得到孔道干净的MOFs材料。
S103、按照质量比为3:1，将MOFs材料和N-异丙基丙烯酰胺混合。
S104、加入蒸馏水搅拌均匀，10min后依次加入N,N-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)、四甲基乙二胺(TMEDA)、过硫酸铵(APS)制备MOFs-水凝胶的复合材料。
其中，可按照1gN-异丙基丙烯酰胺配合25mL蒸馏水、60mg BIS、50uLTMEDA和30mgAPS，进行配比。
S105、对MOFs-水凝胶的复合材料进行干燥。
其中，干燥温度例如为60℃，干燥时间例如为5h，以除去MOFs-水凝胶的复合材料中的水分。
S106、将干燥后的MOFs-水凝胶的复合材料进行研磨，形成粒径均匀的粉末。
例如可以将上述研磨得到的粉末压制成片状，作为散热结构设置在电子设备上。
上述公开了分别通过MOFs或MOFs与温度敏感型水凝胶的复合材料制成的散热结构。当然，在本申请的另一个实施例中，如图9所示，该吸水层101例如由互穿聚合物网络水凝胶1013制成，当温度低于该互穿聚合物网络水凝胶的最低共溶温度LCST的时候，该互穿聚合物网络水凝胶例如可以直接吸收周围环境中的水蒸气，且水分子以固态的形式贮存在水凝胶内，当温度高于该互穿聚合物网络水凝胶的最低共溶温度LCST的时候，水分会以水蒸气的形式释出，从而带走电子设备产生的热量。
在本申请实施例一种具体的实现方式中，所述互穿聚合物网络水凝胶由温度敏感型水凝胶和海藻酸盐聚合形成。其中，该温度敏感型水凝胶例如可以采用聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶。该海藻酸盐可以是海藻酸钠。由此，由温度敏感型水凝胶和海藻酸盐聚合形成的互穿聚合物网络水凝胶可以直接从空气中吸收水蒸气。
本申请实施例提供的散热结构，具有体积小、零噪音、低造价、以及无需额外动力驱动的特点。
为了确定在MOFs材料中增加水凝胶之后散热结构散热性能的变化，本申请分别检测了没有设置水凝胶的MOFs材料以及设置有水凝胶的MOFs材料的换热系数。
Figure BDA0002040786450000091
表2
需要说明的是，由于电子设备的发热部件上的温度受多种因素影响，很难每次都将电子设备的发热部件的温度调整成一个固定的值，因此，上述电子设备的发热部件的具体温度值可以存在误差，该误差范围可以是±0.1。因此，在确定在MOFs材料中增加水凝胶之后散热结构散热性能的变化时，该电子设备的发热部件的初始温度不作为变量。
在表2中，h总为材料的总换热系数。空测指的是对没有设置水凝胶的MOFs材料进行检测，发汗指的是对设置有水凝胶的MOFs材料进行检测。蒸发速率指的是单位时间内单位面积上蒸发出来的水汽的质量。
如表2所示，在本申请的一种实施方式中，发热部件的温度为80℃，在环境温度为20℃，环境湿度为30％时，没有设置水凝胶的MOFs材料的换热系数为15.87w/m2k，其他条件不变，环境湿度为60％时，多孔介质的换热系数为16.02w/m2k。
采用设置有水凝胶的MOFs材料进行换热后，发热部件的温度降低至50.8℃，设置有水凝胶的MOFs材料的换热系数达到50.5w/m2k。同时，在其他条件不变，环境湿度为60％时，发热部件的温度降低至51.6℃，设置有水凝胶的MOFs材料的换热系数达到49.2w/m2k。
在本申请的另一种实施方式中，发热部件的温度为87.6℃，在环境温度为30℃，环境湿度为30％时，没有设置水凝胶的MOFs材料的换热系数为16.59w/m2k，其他条件不变，环境湿度为60％时，没有设置水凝胶的MOFs材料的换热系数为16.47w/m2k。
采用设置有水凝胶的MOFs材料进行换热后，发热部件的温度降低至56.5℃，设置有水凝胶的MOFs材料的换热系数达到58.7w/m2k。同时，在其他条件不变，环境湿度为60％时，发热部件的温度降低至57.9℃，设置有水凝胶的MOFs材料的换热系数达到55.7w/m2k。
本申请实施例提供的散热结构，通过在MOFs材料中设置水凝胶，提高了MOFs材料的换热系数，降低了电子设备的发热部件的温度，提高了MOFs材料的散热性能。
该散热结构用于电子设备时，如同人工智能皮肤，不使用风扇，不消耗手机电能，其可以模仿生物体在环境温度过高时的体温调节机理，通过出汗的方式，在需要的时候增强与环境的换热，以完成与环境的水分循环和热量交换。
为避免吸水层中的水浸入电子设备内部损坏电子设备，例如还可以在该电子设备和该吸水层之间设置隔水层。
图10为本申请实施例提供的另一种散热结构的结构示意图。如图10所示，所述隔水层102设置在电子设备100上。
具体设置该隔水层时，该隔水层例如采用聚四氟乙烯材料或聚酰亚胺制成，该隔水层例如被设置在电子设备100的发热部件和所述吸水层101的第一表面之间。其中，隔水层例如可以允许水蒸气通过，同时能阻止液态水通过。在水蒸气的状态下，水颗粒非常细小，根据毛细运动的原理，可以顺利渗透到隔水层另一侧，从而发生透汽现象。当水汽冷凝变成水珠后，颗粒变大，由于水珠表面张力的作用，水分子就不能顺利脱离水珠渗透到另一侧，也就是防止了水的渗透发生，使隔水层有了防水的功能。从而可以将吸水层中的液态水隔离在电子设备外。
其中，所述隔水层例如包括相对的第一表面和第二表面，所述隔水层的第一表面与电子设备的发热部件邻接设置，所述隔水层的第二表面与所述吸水层的第一表面邻接设置。
为了提高该散热结构的强度，该散热结构例如还包括：蒸发层，如图10所示，蒸发层103例如包括相对的第一表面和第二表面，蒸发层103的第一表面与吸水层101的第二表面邻接设置，蒸发层103的第二表面则背离电子设备的发热部件。
蒸发层103的材质例如可以为多孔玻璃、金属或者塑料。所述蒸发层的材料上设有纳米级的孔隙，可允许水蒸气通过。所述孔的直径例如为1nm-1000nm。
本申请实施例还提供一种电子设备，该电子设备例如可以是手机，该手机包括如上所述的散热结构，该散热结构例如可以用做该手机的后盖，或者手机的壳体。
本申请实施例提供的电子设备，采用如上所述的散热结构，提高了电子设备的散热性能。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种散热结构，其特征在于，所述散热结构用于电子设备，所述散热结构包括：吸水层，所述吸水层包括相对的第一表面和第二表面，所述吸水层的第一表面靠近所述电子设备的发热部件，且所述吸水层的第二表面背离所述电子设备的发热部件；
所述吸水层包括：多孔介质，其中，所述多孔介质用于吸附空气中的水蒸气，并使得所述水蒸气凝结成液态水，当电子设备表面的温度高于预设温度时，所述多孔介质中的液态水受热蒸发。
2.根据权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述吸水层还包括：温度敏感型水凝胶，其中，所述温度敏感型水凝胶位于所述多孔介质层材料的孔隙中；
所述温度敏感型水凝胶用于吸收位于多孔介质的孔隙中的液态水发生溶胀，当电子设备表面的温度高于温度敏感型水凝胶的最低共溶温度时，所述温度敏感型水凝胶释放液态水。
3.根据权利要求1或2所述的散热结构，其特征在于，所述多孔介质为金属有机骨架化合物MOFs或有机共价材料COFs。
4.根据权利要求1-3任一项所述的散热结构，其特征在于，所述多孔介质的孔隙率为40％-95％。
5.根据权利要求1-4任一项所述的散热结构，其特征在于，所述多孔介质的比表面积为3000-8000m2/g。
6.根据权利要求1-5任一项所述的散热结构，其特征在于，所述多孔介质中设有亲水性基团，所述亲水性基团为羟基、羧基、氨基、磺酸基中的一个或多个。
7.一种散热结构，其特征在于，所述散热结构用于电子设备，所述散热结构包括：吸水层，所述吸水层包括相对的第一表面和第二表面，所述吸水层的第一表面靠近所述电子设备的发热部件，且所述吸水层的第二表面背离所述电子设备的发热部件；
所述吸水层包括：互穿聚合物网络水凝胶，所述互穿聚合物网络水凝胶用于吸收空气中的水蒸气发送溶胀，当电子设备表面的温度高于互穿聚合物网络水凝胶的最低共溶温度时，所述互穿聚合物网络水凝胶释放液态水。
8.根据权利要求7所述的散热结构，其特征在于，所述互穿聚合物网络水凝胶由温度敏感型水凝胶和海藻酸盐聚合形成。
9.根据权利要求1-8任一项所述的散热结构，其特征在于，所述散热结构还包括：用于将电子设备的热量传递至吸水层，以及用于将吸水层中的液态水隔离在电子设备的发热部件之外的隔水层，所述隔水层设置在所述电子设备的发热部件和所述吸水层的第一表面之间。
10.根据权利要求9所述的散热结构，其特征在于，所述隔水层通过喷涂或粘接的方式设置在所述电子设备的发热部件上。
11.根据权利要求9或10所述的散热结构，其特征在于，所述隔水层的材料为：聚四氟乙烯或聚酰亚胺。
12.根据权利要求1-11任一项所述的散热结构，其特征在于，所述散热结构还包括：蒸发层，所述蒸发层与所述吸水层的第二表面邻接设置，所述蒸发层上设有与外部连通的纳米孔。
13.根据权利要求12所述的散热结构，其特征在于，所述蒸发层的材质为多孔玻璃、陶瓷、金属或者塑料，所述蒸发层上开设有孔，所述孔的直径为1nm-1000nm。
14.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备上设有壳体，所述壳体采用如权利要求1-12任一项所述的散热结构制成。
CN201910341318.9A 2019-04-25 2019-04-25 一种散热结构及电子设备 Active CN111867318B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910341318.9A CN111867318B (zh) 2019-04-25 2019-04-25 一种散热结构及电子设备

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910341318.9A CN111867318B (zh) 2019-04-25 2019-04-25 一种散热结构及电子设备

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111867318A true CN111867318A (zh) 2020-10-30
CN111867318B CN111867318B (zh) 2021-12-21

Family

ID=72951538

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910341318.9A Active CN111867318B (zh) 2019-04-25 2019-04-25 一种散热结构及电子设备

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111867318B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112474592A (zh) * 2020-11-09 2021-03-12 西北工业大学 一种机载设备自清洁降温装置及方法
CN112492839A (zh) * 2020-11-09 2021-03-12 西北工业大学 一种填充MOFs材料的机载显控器内部的加热除湿装置及方法
CN113939148A (zh) * 2021-09-13 2022-01-14 江苏大学 一种仿生汗腺及仿生皮肤
CN114921907A (zh) * 2022-05-27 2022-08-19 上海交通大学 一种高效散热用金属有机框架复合材料的制备方法
WO2023035294A1 (zh) * 2021-09-13 2023-03-16 江苏大学 一种仿生汗腺及仿生皮肤
WO2023236604A1 (zh) * 2022-06-07 2023-12-14 深圳麦克韦尔科技有限公司 加热不燃烧电子雾化装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1757662A (zh) * 2005-07-07 2006-04-12 复旦大学 一种互穿网络聚合物超多孔水凝胶及其制备方法和应用
CN101600324A (zh) * 2009-07-06 2009-12-09 武汉大学 电子设备的表面散热装置
CN106535576A (zh) * 2016-11-28 2017-03-22 中山大学 一种纳米流体的散热装置
CN107722301A (zh) * 2017-10-23 2018-02-23 青岛科技大学 一种化学/离子双交联互穿网络水凝胶的制备方法
CN108440771A (zh) * 2017-12-29 2018-08-24 佛山市锦彤企业管理有限公司 一种温度敏感型高分子水凝胶

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1757662A (zh) * 2005-07-07 2006-04-12 复旦大学 一种互穿网络聚合物超多孔水凝胶及其制备方法和应用
CN101600324A (zh) * 2009-07-06 2009-12-09 武汉大学 电子设备的表面散热装置
CN106535576A (zh) * 2016-11-28 2017-03-22 中山大学 一种纳米流体的散热装置
CN107722301A (zh) * 2017-10-23 2018-02-23 青岛科技大学 一种化学/离子双交联互穿网络水凝胶的制备方法
CN108440771A (zh) * 2017-12-29 2018-08-24 佛山市锦彤企业管理有限公司 一种温度敏感型高分子水凝胶

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112474592A (zh) * 2020-11-09 2021-03-12 西北工业大学 一种机载设备自清洁降温装置及方法
CN112492839A (zh) * 2020-11-09 2021-03-12 西北工业大学 一种填充MOFs材料的机载显控器内部的加热除湿装置及方法
CN112474592B (zh) * 2020-11-09 2021-11-05 西北工业大学 一种机载设备自清洁降温装置及方法
CN113939148A (zh) * 2021-09-13 2022-01-14 江苏大学 一种仿生汗腺及仿生皮肤
WO2023035294A1 (zh) * 2021-09-13 2023-03-16 江苏大学 一种仿生汗腺及仿生皮肤
GB2615655A (en) * 2021-09-13 2023-08-16 Univ Jiangsu Bionic sweat gland and bionic skin
CN114921907A (zh) * 2022-05-27 2022-08-19 上海交通大学 一种高效散热用金属有机框架复合材料的制备方法
CN114921907B (zh) * 2022-05-27 2023-08-08 上海交通大学 一种高效散热用金属有机框架复合材料的制备方法
WO2023236604A1 (zh) * 2022-06-07 2023-12-14 深圳麦克韦尔科技有限公司 加热不燃烧电子雾化装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN111867318B (zh) 2021-12-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111867318B (zh) 一种散热结构及电子设备
Yeo et al. Structurally controlled cellular architectures for high‐performance ultra‐lightweight materials
Jiang et al. Ultralight, thermally insulating, compressible polyimide fiber assembled sponges
Zhao et al. Flexible phase change materials: Preparation, properties and application
Shan et al. High-yield solar-driven atmospheric water harvesting with ultra-high salt content composites encapsulated in porous membrane
Entezari et al. Modifying water sorption properties with polymer additives for atmospheric water harvesting applications
Chang et al. Preparation of silica aerogel/polyurethane composites for the application of thermal insulation
Sun et al. Tough polymer aerogels incorporating a conformal inorganic coating for low flammability and durable hydrophobicity
Calabrese et al. Adsorption performance and thermodynamic analysis of SAPO-34 silicone composite foams for adsorption heat pump applications
Du et al. Multifunctional shape-stabilized phase change composites based upon multi-walled carbon nanotubes and polypyrrole decorated melamine foam for light/electric-to-thermal energy conversion and storage
Wu et al. A review of three-dimensional graphene networks for use in thermally conductive polymer composites: construction and applications
CN105694433A (zh) 一种兼备高导热性和柔韧性的聚合物泡沫/石墨烯复合材料制备方法
Mohamed et al. Enhanced CO 2 capture in nitrogen-enriched microporous carbons derived from Polybenzoxazines containing azobenzene and carboxylic acid units
Huang et al. Study on a new polymer/graphene oxide/clay double network hydrogel with improved response rate and mechanical properties
Lee et al. Highly flexible fabrics/epoxy composites with hybrid carbon nanofillers for absorption-dominated electromagnetic interference shielding
CN112876757B (zh) 一种具有垂直方向导热功能的超薄双面胶带及应用方法
Cheng et al. Advanced phase change hydrogel integrating metal-organic framework for self-powered thermal management
Yuan et al. Preparation and properties of Nafion®/hollow silica spheres composite membranes
Wang et al. Cellulose/Ag-MWCNT/MXene composite scaffolds with hierarchical pores and fast light-to-heat conversion for the preparation of shape-stable phase change materials for thermal energy storage
Chen et al. Integrated Janus cellulosic composite with multiple thermal functions for personalized thermal management
Feng et al. Facile and rapid synthesis of flexible PEG porous polymers as substrates for functional materials by thiol-ene click chemistry
CN110734560A (zh) 一种导热石墨烯-高分子复合薄膜、制备方法及其应用
Maity et al. Hydratable Core–Shell Polymer Networks for Atmospheric Water Harvesting Powered by Sunlight
Hu et al. Preparation of ambient-dried multifunctional cellulose aerogel by freeze-linking technique
Hao et al. Composite phase change materials based on CuS-coated carbonized melamine foam/reduced graphene oxide frameworks for multiple energy conversion and storage applications

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant