基本信息
- 项目名称：
- 温度敏感型水凝胶智能冷却的性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 超大容量闪存、3G技术和超薄可折叠屏的出现，使手机可能替代计算机成为下一代个人办公、娱乐和信息处理设备。目前整个半导体行业，都在为手机与计算机的合二为一而积极努力。然而使手机流畅运行电脑操作系统，无风扇散热技术成为瓶颈。国内外目前的研究都无法满足手机散热需求，但本项目的手机发汗冷却技术，模仿生物体温调节机理，利用水分蒸发相变带走热量，可以有效的解决手机高功率工作条件下的无噪音散热问题。
- 详细介绍：
- 新近发明的手机发汗冷却技术，采用了一种仿生智能高分子材料——温度敏感型水凝胶。该材料可以模仿生物体体温调节机理，利用水分蒸发相变带走热量。当温度高于水凝胶临界转变温度时，其可以自动释出水分进行散热；当温度低于水凝胶临界转变温度时，水分停止释出。由于水的相变潜热很大，少量水的蒸发即可达到显著的散热效果。因为整个作用过程安静可控，所以将此种材料应用到手机高功率工作条件下的散热，可以有效解决下一代信息处理设备的无风扇散热问题。本项目研究了温度敏感型水凝胶此种智能材料的仿生散热机理，以便于更好的将它应用在手机散热。通过光学实验方法，测量了水凝胶蒸发散热过程中空气的干涉图像，并通过与同等实验条件下没有加入水凝胶时的空气的干涉图像对比，研究了水凝胶智能冷却时的温度、湿度分布和散热的特性。这对水凝胶仿生散热的实际应用及开展实物研究提供了理论支持。也为之后成品的制成，投入批量生产奠定了一定的基础。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本文在对水凝胶的基础散热机理的研究中，通过光学干涉方法，研究了水凝胶在加热表面作用时，其表面上层空间中的温度场和湿度场变化，获得了其作用时的相关性能指标。这对水凝胶仿生散热的实际应用及开展实物研究，技术产业化提供了理论支持。
科学性、先进性及独特之处
- 可以在无风扇小尺寸的情况下进行大功率智能散热。通过温敏型水凝胶这一智能材料，当手机处于高功率大负荷工作时，可以在超过一定温度后才释出水份，进行高效率无噪音蒸发散热。而当手机处于待机时，温度达不到水凝胶释水工作温度，水凝胶便自动的停止工作。并且水凝胶在充电过程中吸水进行重复利用。此项目的手机将实现便携手掌计算机的目标，将个人PC机的功能及用户体验完全体现在手机大小的移动终端上，实现产业技术革新。
应用价值和现实意义
- 无风扇掌上电子设备散热技术是当前信息产业发展的瓶颈之一，也是电子冷却领域非常具有挑战性和紧迫性的新的前沿课题。该研究力争突破当前由自然对流和黑体辐射理论限定的掌上设备无风扇散热的极限，从而开辟电子冷却的新方向，为实现便携手掌完全版计算机的目标奠定基础。这将使我国拥有一批具有自主知识产权的关键技术，为我国在下一轮信息产业的竞争中占领制高点奠定基础。
学术论文摘要
- 温度敏感型水凝胶是一种能够在高温时自动释出水分的智能高分子材料，可以用来模拟生物体体温调节机理，在电子设备过热的时候利用水分的蒸发相变强化换热。本文通过光学实验方法，测量了水凝胶蒸发散热过程中空气的干涉图像，并通过与同等实验条件下没有加入水凝胶时的空气的干涉图像对比，研究了水凝胶智能冷却时的温度、湿度分布和散热的特性。
获奖情况
- 2010年10月，上海，上海交通大学，中国工程热物理年会接收（论文编号103369） 2011年4月，武汉，2011年度国家大学生创新实验计划评定为优秀项目结题 (项目编号091048631)
鉴定结果
- 情况属实
参考文献
- [1] J. J. Barton. Mobile phones will become the primary personal computing devices [J].Mobile Computing Systems and Applications, 2006, 17:3-9. [2] 金士顿公司[DB/OL］. ，2010-03-02. [3] 3G技术[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.
同类课题研究水平概述
- 整个半导体行业都在为手机与移动计算机的合一而积极努力。 各大OEM厂商要求手机系统设计必须不能有风扇，主要原因是噪音，其次是电池耗能。通过计算表明，为了流畅运行Windows Vista，即使使用Intel下一代32nm制造技术，系统所消耗的功率也将达到10W或更多。而以手机的表面大小，在表面不过热的情况下（UMG标准：平均不超过45 度，最高不超过50度），通过自然对流和辐射对空气散热，其理论极限（即黑体表面）为2-3W。由于散热方面的困难，UMPC计划在2007年初被迫一分为二：1）有风扇，能运行通用计算机操作系统——新型计算机。沿用“笔记本”的命名方式称之为“上网本”。2）无风扇，不能运行通用计算机操作系统——新型上网通讯设备。 PC二字被去掉，意味著该设备并不具有能够被称之为计算机的运算能力。 如何在不使用风扇的前提下，大幅度提高手机与周围空气的换热强度，降低掌上电子设备的表面温度，是对电子冷却从理论到实践的巨大挑战。 其一：压电振片（Piezoelectric fan）散热技术。该技术通过压电效应，迫使压电片在其固有频率产生振动，从而扰动周围空气而强化换热。在一定的几何尺寸和材料力学性能下，压电振片的振动频率可能在人类听觉所能感知的范围之外，显得非常安静。但是，由于压电振片的固有频率将随着尺寸的缩小而增大，怎样在手机上集成压电振片并安静高效地运行，尚未能很好地解决。 其二：离子风（Ionic Wind）散热技术。该技术在纳米结构的顶点上产生局部高电压，以电离微量空气分子。带电的空气分子而后在交互电场的作用下产生移动，带走热量。实现该技术所需的高压是该技术在手机上应用的瓶颈。 其三：相变材料是研究得比较多的技术。其得益于这样一个事实：移动电子设备并不总是运行在满负荷状态。当设备由于满负荷运行而温度比较高的时候，相变材料可以从固态变成液态，吸收一部分热量，防止温度的进一步升高；而当设备负荷变轻或关闭，温度降低的时候，相变材料又放出热量变回固态。遗憾的是，相变材料的能量贮存密度还太低（一般不超过200J/cm3），即使手机全部用相变材料制成，也会在十几分钟的时间里消耗殆尽。
