基于熱電制冷技術的可降溫式手機外殼探究

劉憬雨+曲鑫淼+程浩+李雪巖+張馨雅+高天文

摘要：手機在當今社會已成為人們日常生活中不可或缺的工具之一，其使用過程中的溫升嚴重影響著手機的運行速度及使用壽命。可降溫式手機殼正是著眼于此，既同常規手機殼一樣具有減震、防摔的作用，又利用熱電制冷原理解決了手機發熱的問題，以達到提高手機運行速度，節省手機消耗電量，延長手機使用壽命的目的。

關鍵詞：手機殼；降溫；熱電制冷；環保

0 引言

伴隨著科技的發展、社會的進步，創新能力對當代大學生而言越來越重要。作為大學生的我們發現，手機功能覆蓋廣且擁有極高的使用頻率，已成為人們溝通交流、休閑娛樂的必需品，但其使用過程中的發熱問題仍有待解決。因此我們積極響應國家和學校的號召，參加大學生創新訓練計劃，運用所學的制冷知識，通過改良手機殼給手機降溫，提高手機的運行速度從而延長其使用壽命，減少了廢舊電池的污染，符合社會倡導的綠色節能環保的宗旨。

1 設計背景

1.1 手機發熱概況

iPhone5s 的發熱部位位于正面的右上部及背面左上部。如圖1所示，通過對iphone5s 的正面拆機結構分析，可以了解到發熱的源頭就是手機的主頻CPU處理器。

1.2 溫度對鋰電池的影響

電池的充放電速度與電池溫度有關。鋰電池在不同溫度下恒流恒壓充電的過程，與-20°C下的充電數據相比，電池在較高溫度下大約可以多充入20%的電量。且鋰電池在溫度高的工作條件下的放電速度比溫度低的工作條件下的放電速度多出很多。

1.3 手機握持燙手情況分析

人體手掌平均溫度在32℃左右，大于這個溫度會使人在握持手機的時候有溫熱的感覺，當手機溫度上升到37℃以上就會有明顯的燙手的感覺。

2 設計思路

手機內部CPU通過溫度影響電池的電量，電池的電量直接決定了手機的使用壽命。利用熱敏式溫度傳感器為開關，手機數據接口為電源，控制半導體制冷片對手機CPU進行間歇式降溫處理，將半導體制冷片制冷端與手機背部接觸，熱端與石墨散熱片接觸并通過手機握持盲區將熱量擴散到空氣中，使手機溫度降低，從而達到延長其使用壽命的目的。

3 設計原理

熱電制冷是以溫差電現象為基礎的制冷方法。用兩種不同的金屬絲相互連接在一起，形成一個閉合電路，把兩個連接點分別放在溫度不同的兩處，就會在兩個連接點之間產生一個電勢差——接觸電動勢。同時閉合電路中就有電流通過。反過來，將兩種不同的金屬線相互連接形成的閉合線路通以直流電，會產生兩個不同溫度的連接點。只要通以直流電，就會使其中一個連接點變熱，另一個連接點變冷。這就是帕爾帖效應，亦稱溫差電現象。

4 設計內容

該手機殼工作層的分布依次為：手機殼內表面層、半導體制冷及溫控層、石墨散熱片層、隔熱層、手機殼外表面層。所述外殼裝置正面設有攝像頭及閃光燈孔；側面設有靜音及音量鍵孔；頂面設有電源鍵開關孔；底面設有耳機通道、揚聲器及話筒通道及數據接口孔。

4.1 外觀設計（以Iphone 5S為例）

如圖2所示，白色部分為硅膠（mSiO2·nH2O），灰色部分為6061鋁合金，黑色部分為鋁合金聚酰亞胺薄膜。各部分名稱分別是：①攝像頭/閃關燈孔；②靜音/音量鍵孔；③電源鍵開關；④lighting USB 數據接口；⑤耳機通道；⑥揚聲器/話筒通道； ⑦lighting USB 數據插頭。

4.2 半導體制冷及溫控層設計（以Iphone 5S為例）

4.2.1 lighting USB數據傳接器

整個設備起到數據及電流傳輸的作用，并且可以在其兩端接上正負極，與溫度傳感器及半導體連接，取用手機電量作為溫度傳感器及半導體的電源使用。除此之外，還可以保證用戶在不拆卸手機殼的情況下進行充電和數據傳輸。

4.2.2 微型半導體制冷片

4.2.3 微型溫度傳感器

4.3石墨散熱片層設計

材料：石墨

位置：緊貼半導體制冷片熱端（圖6-b）

頂端及底端緊貼手機殼外表面（圖6-c）

4.4 隔熱層設計

采用FiberGc超薄隔熱絕緣墊片，隔熱效果非常好，厚度約0.4mm。

4.5 電路設計

當溫度達到觸發溫度時，常閉溫度開關自動斷開，三極管Q（8050）得電飽和導通，半導體制冷片啟動運轉；當溫度降至復位溫度時常閉溫度開關閉合，三極管Q失電截止，半導體制冷片停止運轉，這樣就起到了自動控制半導體制冷片開停的目的，從而達到了自動控溫的效果。

5 工作過程

將半導體制冷片控制手機溫度的外殼裝置按照設計方向安裝于手機上，使所述外殼裝置上攝像頭及閃光燈孔、靜音及音量鍵孔、電源鍵開關孔、數據接口通道孔、耳機通道孔和揚聲器及話筒通道孔對準手機上相應的功能孔；將lighting USB數據傳接器中的插頭插入手機的數據接口中，從手機中取電，進而為整個半導體制冷及溫控層供電，控制芯片開始上電工作，通過電阻調節該lighting USB數據接口的電流。當熱敏式溫度傳感器的檢測溫度低于觸發溫度31.5℃時，溫控開關處于常閉狀態。當手機溫度上升使得檢測溫度達到觸發溫度31.5℃時，熱敏電阻阻值急劇降低，溫控開關自動斷開，此時lighting USB數據傳接器中的三極管得電飽和，與三極管集電極相連的微型半導體制冷片通有電流，啟動運轉，即冷端將冷量傳輸給手機殼內表面層，進而給手機降溫；熱端將熱量傳輸給石墨散熱片層，由于手機隔熱層的存在，熱量得以從外殼裝置頂端及底端散發出去，使得微型半導體制冷片熱端傳至石墨散熱片的溫度不會被人的手掌所感知，也防止手掌的熱量通過手機殼外表面層導入手機。當手機溫度下降使得檢測溫度達到復位溫度26.5℃時，熱敏電阻阻值急劇增大，溫控開關自動閉合，此時lighting USB數據傳接器中的三極管失電截止，與三極管集電極相連的微型半導體制冷片失去電流，停止運轉；這樣就起到了自動控制溫度，進而自動控制微型半導體制冷片間歇式降溫的效果。

6 優點及作用

（1）該手機殼成本低廉，僅11.2元，防震美觀且攜帶方便。

（2）該手機殼工作時間短但制冷效果顯著，僅需要5min左右即可將手機溫度降低到26.5℃，系統消耗3.7%的電量來減少14.6%的額外耗電，共省電10.9%。

（3）該保護外殼適用于所有智能手機型號，而且可以應用于其他電子設備，如筆記本電腦，平板電腦。如果得到推廣那么一年可以節省2.2億度電，減少1898 噸廢舊電池污染。對實現我國經濟的可持續發展有著重大的意義。

7 總結

該大學生創新訓練項目培養了我們的創新意識，提高了我們發現問題、解決問題的能力，對我們更深刻的理解專業知識并學以致用有很大的幫助。在今后的學習過程中，作為大學生的我們應該走出課堂，著眼社會，積極利用所學知識為國家的可持續發展貢獻自己的力量。

基金項目：天津市大學生創新訓練項目--基于熱電制冷技術的電子產品保護外衣（項目編號201510058085）

參考文獻

[1]彥啟森.《空氣調節用制冷技術》[M].中國建筑工業出版社.2010，第3-10頁

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[3]楊可楨.《機械設計基礎》[M].高等教育出版社.2013，第114-125頁endprint