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基本信息

項(xiàng)目名稱：
溫度敏感型水凝膠智能冷卻的性能研究
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
超大容量閃存、3G技術(shù)和超薄可折疊屏的出現(xiàn)，使手機(jī)可能替代計(jì)算機(jī)成為下一代個(gè)人辦公、娛樂和信息處理設(shè)備。目前整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)，都在為手機(jī)與計(jì)算機(jī)的合二為一而積極努力。然而使手機(jī)流暢運(yùn)行電腦操作系統(tǒng)，無風(fēng)扇散熱技術(shù)成為瓶頸。國(guó)內(nèi)外目前的研究都無法滿足手機(jī)散熱需求，但本項(xiàng)目的手機(jī)發(fā)汗冷卻技術(shù)，模仿生物體溫調(diào)節(jié)機(jī)理，利用水分蒸發(fā)相變帶走熱量，可以有效的解決手機(jī)高功率工作條件下的無噪音散熱問題。
詳細(xì)介紹：
新近發(fā)明的手機(jī)發(fā)汗冷卻技術(shù)，采用了一種仿生智能高分子材料——溫度敏感型水凝膠。該材料可以模仿生物體體溫調(diào)節(jié)機(jī)理，利用水分蒸發(fā)相變帶走熱量。當(dāng)溫度高于水凝膠臨界轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，其可以自動(dòng)釋出水分進(jìn)行散熱；當(dāng)溫度低于水凝膠臨界轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，水分停止釋出。由于水的相變潛熱很大，少量水的蒸發(fā)即可達(dá)到顯著的散熱效果。因?yàn)檎麄€(gè)作用過程安靜可控，所以將此種材料應(yīng)用到手機(jī)高功率工作條件下的散熱，可以有效解決下一代信息處理設(shè)備的無風(fēng)扇散熱問題。本項(xiàng)目研究了溫度敏感型水凝膠此種智能材料的仿生散熱機(jī)理，以便于更好的將它應(yīng)用在手機(jī)散熱。通過光學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)量了水凝膠蒸發(fā)散熱過程中空氣的干涉圖像，并通過與同等實(shí)驗(yàn)條件下沒有加入水凝膠時(shí)的空氣的干涉圖像對(duì)比，研究了水凝膠智能冷卻時(shí)的溫度、濕度分布和散熱的特性。這對(duì)水凝膠仿生散熱的實(shí)際應(yīng)用及開展實(shí)物研究提供了理論支持。也為之后成品的制成，投入批量生產(chǎn)奠定了一定的基礎(chǔ)。

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

本文在對(duì)水凝膠的基礎(chǔ)散熱機(jī)理的研究中，通過光學(xué)干涉方法，研究了水凝膠在加熱表面作用時(shí)，其表面上層空間中的溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)變化，獲得了其作用時(shí)的相關(guān)性能指標(biāo)。這對(duì)水凝膠仿生散熱的實(shí)際應(yīng)用及開展實(shí)物研究，技術(shù)產(chǎn)業(yè)化提供了理論支持。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

可以在無風(fēng)扇小尺寸的情況下進(jìn)行大功率智能散熱。通過溫敏型水凝膠這一智能材料，當(dāng)手機(jī)處于高功率大負(fù)荷工作時(shí)，可以在超過一定溫度后才釋出水份，進(jìn)行高效率無噪音蒸發(fā)散熱。而當(dāng)手機(jī)處于待機(jī)時(shí)，溫度達(dá)不到水凝膠釋水工作溫度，水凝膠便自動(dòng)的停止工作。并且水凝膠在充電過程中吸水進(jìn)行重復(fù)利用。此項(xiàng)目的手機(jī)將實(shí)現(xiàn)便攜手掌計(jì)算機(jī)的目標(biāo)，將個(gè)人PC機(jī)的功能及用戶體驗(yàn)完全體現(xiàn)在手機(jī)大小的移動(dòng)終端上，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)革新。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

無風(fēng)扇掌上電子設(shè)備散熱技術(shù)是當(dāng)前信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一，也是電子冷卻領(lǐng)域非常具有挑戰(zhàn)性和緊迫性的新的前沿課題。該研究力爭(zhēng)突破當(dāng)前由自然對(duì)流和黑體輻射理論限定的掌上設(shè)備無風(fēng)扇散熱的極限，從而開辟電子冷卻的新方向，為實(shí)現(xiàn)便攜手掌完全版計(jì)算機(jī)的目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。這將使我國(guó)擁有一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)，為我國(guó)在下一輪信息產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)中占領(lǐng)制高點(diǎn)奠定基礎(chǔ)。

學(xué)術(shù)論文摘要

溫度敏感型水凝膠是一種能夠在高溫時(shí)自動(dòng)釋出水分的智能高分子材料，可以用來模擬生物體體溫調(diào)節(jié)機(jī)理，在電子設(shè)備過熱的時(shí)候利用水分的蒸發(fā)相變強(qiáng)化換熱。本文通過光學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)量了水凝膠蒸發(fā)散熱過程中空氣的干涉圖像，并通過與同等實(shí)驗(yàn)條件下沒有加入水凝膠時(shí)的空氣的干涉圖像對(duì)比，研究了水凝膠智能冷卻時(shí)的溫度、濕度分布和散熱的特性。

獲獎(jiǎng)情況

2010年10月，上海，上海交通大學(xué)，中國(guó)工程熱物理年會(huì)接收（論文編號(hào)103369） 2011年4月，武漢，2011年度國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃評(píng)定為優(yōu)秀項(xiàng)目結(jié)題 (項(xiàng)目編號(hào)091048631)

鑒定結(jié)果

情況屬實(shí)

參考文獻(xiàn)

[1] J. J. Barton. Mobile phones will become the primary personal computing devices [J].Mobile Computing Systems and Applications, 2006, 17:3-9. [2] 金士頓公司[DB/OL］. ，2010-03-02. [3] 3G技術(shù)[DB/OL］.，2010-04-01 [4]UMPC[DB/OL]. 2010-04-02. [5] S. M. Wait.Piezoelectric fans using higher flexural modes for electronics cooling applications, IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2007, 30(1): 119-128. [6] D. B. Go,Ionic winds for locally enhanced cooling, Journal of Applied Physics, 2007, 102: 32-53. [7] F. L. Tan, C.P. Tso, Cooling of mobile electronic devices using phase change materials, Applied Thermal Engineering, 2004, 24: 159-169. [8] X. J. Hu, Transpiration Cooling for Passive Cooled Personal Computer, US Patent 7463486, 2008.

同類課題研究水平概述

整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)都在為手機(jī)與移動(dòng)計(jì)算機(jī)的合一而積極努力。 各大OEM廠商要求手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須不能有風(fēng)扇，主要原因是噪音，其次是電池耗能。通過計(jì)算表明，為了流暢運(yùn)行Windows Vista，即使使用Intel下一代32nm制造技術(shù)，系統(tǒng)所消耗的功率也將達(dá)到10W或更多。而以手機(jī)的表面大小，在表面不過熱的情況下（UMG標(biāo)準(zhǔn)：平均不超過45 度，最高不超過50度），通過自然對(duì)流和輻射對(duì)空氣散熱，其理論極限（即黑體表面）為2-3W。由于散熱方面的困難，UMPC計(jì)劃在2007年初被迫一分為二：1）有風(fēng)扇，能運(yùn)行通用計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)——新型計(jì)算機(jī)。沿用“筆記本”的命名方式稱之為“上網(wǎng)本”。2）無風(fēng)扇，不能運(yùn)行通用計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)——新型上網(wǎng)通訊設(shè)備。 PC二字被去掉，意味著該設(shè)備并不具有能夠被稱之為計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力。 如何在不使用風(fēng)扇的前提下，大幅度提高手機(jī)與周圍空氣的換熱強(qiáng)度，降低掌上電子設(shè)備的表面溫度，是對(duì)電子冷卻從理論到實(shí)踐的巨大挑戰(zhàn)。 其一：壓電振片（Piezoelectric fan）散熱技術(shù)。該技術(shù)通過壓電效應(yīng)，迫使壓電片在其固有頻率產(chǎn)生振動(dòng)，從而擾動(dòng)周圍空氣而強(qiáng)化換熱。在一定的幾何尺寸和材料力學(xué)性能下，壓電振片的振動(dòng)頻率可能在人類聽覺所能感知的范圍之外，顯得非常安靜。但是，由于壓電振片的固有頻率將隨著尺寸的縮小而增大，怎樣在手機(jī)上集成壓電振片并安靜高效地運(yùn)行，尚未能很好地解決。 其二：離子風(fēng)（Ionic Wind）散熱技術(shù)。該技術(shù)在納米結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)上產(chǎn)生局部高電壓，以電離微量空氣分子。帶電的空氣分子而后在交互電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生移動(dòng)，帶走熱量。實(shí)現(xiàn)該技術(shù)所需的高壓是該技術(shù)在手機(jī)上應(yīng)用的瓶頸。 其三：相變材料是研究得比較多的技術(shù)。其得益于這樣一個(gè)事實(shí)：移動(dòng)電子設(shè)備并不總是運(yùn)行在滿負(fù)荷狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備由于滿負(fù)荷運(yùn)行而溫度比較高的時(shí)候，相變材料可以從固態(tài)變成液態(tài)，吸收一部分熱量，防止溫度的進(jìn)一步升高；而當(dāng)設(shè)備負(fù)荷變輕或關(guān)閉，溫度降低的時(shí)候，相變材料又放出熱量變回固態(tài)。遺憾的是，相變材料的能量貯存密度還太低（一般不超過200J/cm3），即使手機(jī)全部用相變材料制成，也會(huì)在十幾分鐘的時(shí)間里消耗殆盡。
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