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基本信息

項目名稱：
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)，使手機可能替代計算機成為下一代個人辦公、娛樂和信息處理設(shè)備。目前整個半導(dǎo)體行業(yè)，都在為手機與計算機的合二為一而積極努力。然而使手機流暢運行電腦操作系統(tǒng)，無風(fēng)扇散熱技術(shù)成為瓶頸。國內(nèi)外目前的研究都無法滿足手機散熱需求，但本項目的手機發(fā)汗冷卻技術(shù)，模仿生物體溫調(diào)節(jié)機理，利用水分蒸發(fā)相變帶走熱量，可以有效的解決手機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，其可以自動釋出水分進(jìn)行散熱；當(dāng)溫度低于水凝膠臨界轉(zhuǎn)變溫度時，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。因為整個作用過程安靜可控，所以將此種材料應(yīng)用到手機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。本項目研究了溫度敏感型水凝膠此種智能材料的仿生散熱機理，以便于更好的將它應(yīng)用在手機散熱。通過光學(xué)實驗方法，測量了水凝膠蒸發(fā)散熱過程中空氣的干涉圖像，并通過與同等實驗條件下沒有加入水凝膠時的空氣的干涉圖像對比，研究了水凝膠智能冷卻時的溫度、濕度分布和散熱的特性。這對水凝膠仿生散熱的實際應(yīng)用及開展實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

本文在對水凝膠的基礎(chǔ)散熱機理的研究中，通過光學(xué)干涉方法，研究了水凝膠在加熱表面作用時，其表面上層空間中的溫度場和濕度場變化，獲得了其作用時的相關(guān)性能指標(biāo)。這對水凝膠仿生散熱的實際應(yīng)用及開展實物研究，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)手機處于高功率大負(fù)荷工作時，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)手機處于待機時，溫度達(dá)不到水凝膠釋水工作溫度，水凝膠便自動的停止工作。并且水凝膠在充電過程中吸水進(jìn)行重復(fù)利用。此項目的手機將實現(xiàn)便攜手掌計算機的目標(biāo)，將個人PC機的功能及用戶體驗完全體現(xiàn)在手機大小的移動終端上，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)革新。

應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義

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。該研究力爭突破當(dāng)前由自然對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，為實現(xiàn)便攜手掌完全版計算機的目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。這將使我國擁有一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)，為我國在下一輪信息產(chǎn)業(yè)的競爭中占領(lǐng)制高點奠定基礎(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自動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)機理，在電子設(shè)備過熱的時候利用水分的蒸發(fā)相變強化換熱。本文通過光學(xué)實驗方法，測量了水凝膠蒸發(fā)散熱過程中空氣的干涉圖像，并通過與同等實驗條件下沒有加入水凝膠時的空氣的干涉圖像對比，研究了水凝膠智能冷卻時的溫度、濕度分布和散熱的特性。

獲獎情況

2010年10月，上海，上海交通大學(xué)，中國工程熱物理年會接收（論文編號103369） 2011年4月，武漢，2011年度國家大學(xué)生創(chuàng)新實驗計劃評定為優(yōu)秀項目結(jié)題 (項目編號091048631)

鑒定結(jié)果

情況屬實

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

整個半導(dǎo)體行業(yè)都在為手機與移動計算機的合一而積極努力。 各大OEM廠商要求手機系統(tǒng)設(shè)計必須不能有風(fēng)扇，主要原因是噪音，其次是電池耗能。通過計算表明，為了流暢運行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），通過自然對流和輻射對空氣散熱，其理論極限（即黑體表面）為2-3W。由于散熱方面的困難，UMPC計劃在2007年初被迫一分為二：1）有風(fēng)扇，能運行通用計算機操作系統(tǒng)——新型計算機。沿用“筆記本”的命名方式稱之為“上網(wǎng)本”。2）無風(fēng)扇，不能運行通用計算機操作系統(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算機的運算能力。 如何在不使用風(fēng)扇的前提下，大幅度提高手機與周圍空氣的換熱強度，降低掌上電子設(shè)備的表面溫度，是對電子冷卻從理論到實踐的巨大挑戰(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，從而擾動周圍空氣而強化換熱。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，怎樣在手機上集成壓電振片并安靜高效地運行，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的作用下產(chǎn)生移動，帶走熱量。實現(xiàn)該技術(shù)所需的高壓是該技術(shù)在手機上應(yīng)用的瓶頸。 其三：相變材料是研究得比較多的技術(shù)。其得益于這樣一個事實：移動電子設(shè)備并不總是運行在滿負(fù)荷狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備由于滿負(fù)荷運行而溫度比較高的時候，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），即使手機全部用相變材料制成，也會在十幾分鐘的時間里消耗殆盡。
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