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一种半导体制冷片控制手机温度的外壳装置
申请号	CN201710387991.7	申请日	2017-05-24	公开(公告)号	CN107249061A	公开(公告)日	2017-10-13
申请人	天津工业大学;			发明人	任悦; 曲鑫淼; 李雅峰; 李嘉瑞; 邱大均; 张馨雅; 程浩; 李雪岩; 刘憬雨;
摘要	本发明涉及家用手持电子产品温度调节技术领域，特别涉及一种半导体制冷片控制手机温度的外壳装置。本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种半导体制冷片控制手机温度的外壳装置，所述外壳装置的构造由多个工作层组成，按照贴近手机后盖的内侧向外侧方向，所述外壳装置工作层的分布依次为：手机壳内表面层、半导体制冷及温控层、石墨散热片层、隔热层、手机壳外表面层。本发明的技术方案采用的热电制冷技术具有制冷速度快、热惯性小、无振动、无噪音、寿命长、易安装的特点，产品具有广阔的市场前景。
权利要求	1.一种半导体制冷片控制手机温度的外壳装置，其特征在于：所述外壳装置的构造由多个工作层组成，按照贴近手机后盖的内侧向外侧方向，所述外壳装置工作层的分布依次为：手机壳内表面层、半导体制冷及温控层、石墨散热片层、隔热层、手机壳外表面层；所述手机壳内表面层使用材料为铝合金，厚度为0.2mm；所述手机壳外表面层，使用材料为铝合金聚酰亚胺薄膜和硅胶，厚度为0.3mm；手机壳内表面层和手机壳外表面层对所述半导体制冷及温控层、石墨散热片层和隔热层起到保护和封闭作用，同时可以降温散热及防水防尘；所述半导体制冷及温控层包括：Lighting USB数据传接器、微型温度传感器和半导体制冷片；所述Lighting USB数据传接器由lighting USB数据插头、电阻、控制芯片、三极管、lighting USB数据接口组成；所述Lighting USB数据插头插入手机的充电接口中，从手机中取电，进而为半导体制冷片供电；所述电阻用以调节通过该数据接口的电流；所述控制芯片作为温控层核心单元，控制调节温控层元件的运行；所述三极管的饱和状态和截止状态分别用以控制所述半导体制冷片的启动和停止；所述Lighting USB数据接口用来与外部的充电器相连，保证用户在不拆卸手机外壳装置的情况下，对手机进行充电和数据传输；所述微型温度传感器由热敏式温度传感器和温控开关组成；由于手机的正常工作温度介于0℃到35℃之间，人的手掌温度约为32℃；所述半导体制冷片控制手机温度的外壳装置将31.5℃作为该触发温度，将26.5℃作为复位温度；所述热敏式温度传感器用于检测手机温度，当检测温度达到触发温度31.5℃时，所述温控开关自动断开；当检测温度降至复位温度26.5℃时，所述温控开关自动闭合；所述半导体制冷片包括冷端和热端；所述冷端紧贴手机壳内表面层，用以吸收手机散发的热量；所述热端紧贴石墨散热片层，将吸收的热量散发出去；半导体制冷片的冷端和热端共同作用实现制冷，并保证制冷片的持续工作；所述石墨散热片层，石墨具有片状结构，使热量沿石墨片层方向均匀导热；所述石墨散热片层内侧紧贴微型半导体制冷片热端，外侧紧贴隔热层，顶端及底端部分紧贴手机壳外表面层，通过手机壳外表面层的人手握持盲区部分，将手机的热量散发出去；所述隔热层紧贴石墨散热片层，隔热层面积小于石墨散热片层，位于外壳装置的中间部位；隔热层保证微型半导体制冷片热端传至石墨的温度，不会被人的手掌所感知，也防止手掌的热量导入手机。
说明书全文	一种半导体制冷片控制手机温度的外壳装置技术领域 [0001] 本发明涉及家用手持电子产品温度调节技术领域，特别涉及一种半导体制冷片控制手机温度的外壳装置。背景技术 [0002] 近年来手机、平板电脑等电子产品在人类的通信及娱乐生活已成为不可或缺的一部分，给予此类电子产品提供能源的锂电池应用越来越广泛。手机等电子产品在温度过低、温度过高或者长时间发热情况下，会降低产品的使用寿命，影响产品的使用舒适性，重则引起电池燃烧爆炸等严重的后果。锂电池在寒冷或炎热条件下工作，会出现化学反应，电池耗电量会增大。LCD屏幕采用液态晶体，在寒冷条件下会使原本排列在一起的晶体，聚集或者聚合，产生气泡。为了能使手机等电子产品恒温工作，达到连续调节冷端和被冷却物体温度的目的，分析热电制冷装置变工况工作特性和变电压工作特性，提出温度控制方案。 [0003] 针对手机运行发热时，自耗电量迅速增加，其锂电池在恶劣条件下放电量急剧增加，电子产品内部会积聚热量导致温度上升。手机LCD屏幕所采用的液态晶体在低温条件下凝聚或聚合的问题，提出一种旨在降低电子产品工作温度、提高工作性能、延长使用寿命的技术方案，基于热电制冷技术的控制手机温度的外壳装置。该技术方案采用的热电制冷技术具有制冷速度快、热惯性小、无振动、无噪音、寿命长、易安装的特点，产品具有广阔的市场前景。发明内容 [0004] 本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种半导体制冷片控制手机温度的外壳装置，可以实现温度自动控制，按照设定的工作温度区间自动通断开关，灵活将手机温度控制在手机最佳运行温度，减少手机的损耗，增加手机的使用寿命与使用者的舒适度。 [0005] 本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是： [0006] 一种半导体制冷片控制手机温度的外壳装置，所述外壳装置的构造由多个工作层组成，按照贴近手机后盖的内侧向外侧方向，所述外壳装置工作层的分布依次为：手机壳内表面层、半导体制冷及温控层、石墨散热片层、隔热层、手机壳外表面层。所述外壳装置正面设有摄像头及闪光灯孔；侧面设有静音及音量键孔；顶面设有电源键开关孔；底面设有耳机通道、扬声器及话筒通道及数据接口孔。 [0007] 所述手机壳内表面层使用材料为铝合金，厚度为0.2mm；所述手机壳外表面层，使用材料为铝合金聚酰亚胺薄膜和硅胶，厚度为0.3mm；手机壳内表面层和手机壳外表面层对所述半导体制冷及温控层、石墨散热片层和隔热层起到保护和封闭作用，同时可以降温散热及防水防尘，使所述该外壳装置的运行安全稳定。 [0008] 所述半导体制冷及温控层包括：Lighting USB数据传接器、微型温度传感器和半导体制冷片；所述LightingUSB数据传接器由lightingUSB数据插头、电阻、控制芯片、三极管、lighting USB数据接口组成；所述Lighting USB数据插头插入手机的充电接口中，从手机中取电，进而为半导体制冷片供电；所述电阻用以调节通过该数据接口的电流；所述控制芯片作为温控层核心单元，控制调节温控层元件的运行；所述三极管的饱和状态和截止状态分别用以控制所述半导体制冷片的启动和停止；所述Lighting USB数据接口用来与外部的充电器相连，保证用户在不拆卸手机外壳装置的情况下，对手机进行充电和数据传输。所述微型温度传感器由热敏式温度传感器和温控开关组成；由于手机的正常工作温度介于0℃到35℃之间，人的手掌温度约为32℃；所述半导体制冷片控制手机温度的外壳装置将31.5℃作为该触发温度，将26.5℃作为复位温度；所述热敏式温度传感器用于检测手机温度，当检测温度达到触发温度31.5℃时，所述温控开关自动断开；当检测温度降至复位温度 26.5℃时，所述温控开关自动闭合。所述半导体制冷片包括冷端和热端；所述冷端紧贴手机壳内表面层，用以吸收手机散发的热量；所述热端紧贴石墨散热片层，将吸收的热量散发出去；半导体制冷片的冷端和热端共同作用实现制冷，并保证制冷片的持续工作。 [0009] 所述石墨散热片层，石墨具有片状结构，使热量沿石墨片层方向均匀导热；所述石墨散热片层内侧紧贴微型半导体制冷片热端，外侧紧贴隔热层，顶端及底端部分紧贴手机壳外表面层，通过手机壳外表面层的人手握持盲区部分，将手机的热量散发出去。 [0010] 所述隔热层紧贴石墨散热片层，隔热层面积小于石墨散热片层，位于外壳装置的中间部位；隔热层保证微型半导体制冷片热端传至石墨的温度，不会被人的手掌所感知，也防止手掌的热量导入手机。 [0011] 本发明的半导体制冷片控制手机温度的外壳装置工作过程如下： [0012] 将半导体制冷片控制手机温度的外壳装置按照设计方向安装于手机上，使所述外壳装置上摄像头及闪光灯孔、静音及音量键孔、电源键开关孔、数据接口通道孔、耳机通道孔和扬声器及话筒通道孔对准手机上相应的功能孔；将Lighting USB数据传接器中的插头插入手机的数据接口中，从手机中取电，进而为整个半导体制冷及温控层供电，控制芯片开始上电工作，通过电阻调节该lighting USB数据接口的电流。当热敏式温度传感器的检测温度低于触发温度31.5℃时，温控开关处于常闭状态。当手机温度上升使得检测温度达到触发温度31.5℃时，热敏电阻阻值急剧降低，温控开关自动断开，此时Lighting USB数据传接器中的三极管得电饱和，与三极管集电极相连的微型半导体制冷片通有电流，启动运转，即冷端将冷量传输给手机壳内表面层，进而给手机降温；热端将热量传输给石墨散热片层，由于人手握持手机隔热层的存在，进而将热量从外壳装置顶端及底端散发出去，使得微型半导体制冷片热端传至石墨散热片的温度不会被人的手掌所感知，也防止手掌的热量通过手机壳外表面层1导入手机。当手机温度下降使得检测温度达到复位温度26.5℃时，热敏电阻阻值急剧增大，温控开关自动闭合，此时Lighting USB数据传接器中的三极管失电截止，与三极管集电极相连的微型半导体制冷片失去电流，停止运转；这样就起到了自动控制温度，进而自动控制微型半导体制冷片间歇式降温的效果。 [0013] 根据本发明提供一种半导体制冷片控制温度的手机壳工作流程图，所述流程包括步骤： [0014] 步骤A1：将半导体制冷片控制手机温度的外壳装置电源接到手机充电接口，开始工作； [0015] 步骤A2：使手机处于工作运行状况； [0016] 步骤A3：手机温度升高； [0017] 步骤A4：判断手机温度是否大于等于31.5℃。如果温度大于等于31.5℃，进行步骤A5；如果温度小于31.5℃，继续保持手机运行； [0018] 步骤A5：热敏电阻急剧降低，电流增大； [0019] 步骤A6：控制半导体工作，对手机进行降温处理，通过手机握持盲区将热量扩散到空气中； [0020] 步骤A7：判断温度是否小于等于26.5℃。，如果温度小于等于26.5℃，进行步骤A8；如果温度大于26.5℃，返回步骤A5； [0021] 步骤A8：系统关闭； [0022] 步骤A9：结束。 [0023] 本发明具有的优点和积极效果是： [0024] 1、本发明将仅有防震美观作用的普通手机壳转化为能够为手机降温的半导体制冷片控制手机温度的外壳装置，耗电量小，携带方便，环保，制冷，延长手机的使用寿命。 [0025] 2、本系统减少手机用电，有效避免手机电池的损伤，减少废旧电池污染，绿色环保，节能减排。 [0026] 3、为便于实现手机温度的控制，设定了一个手机正常运行的状态的最佳温度范围(26.5℃-31.5℃)，当高于范围上限时开始制冷，当温度复位至范围下限时停止制冷，恢复常态。附图说明 [0027] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。 [0028] 在附图中： [0029] 图1是根据本发明所述半导体制冷片控制手机温度的外壳装置主视图及侧视图； [0030] 图2是根据本发明所述半导体制冷片控制手机温度的外壳装置各模块单元的示意图； [0031] 图中：1、手机壳外表面层；2、USB数据接口；3、手机壳内表面层；4、半导体制冷及温控层；5、微型温度传感器；6、石墨散热片层；7、隔热层 [0032] 图3是根据本发明所述半导体制冷片控制手机温度的外壳装置的各个单元的热量传输方向示意图，图中箭头表示导热方向； [0033] 图中：1、手机壳外表面层；2、USB数据接口；3、手机壳内表面层；4、半导体制冷及温控层；5、微型温度传感器；6、石墨散热片层；7、隔热层 [0034] 图4是根据本发明所述半导体制冷片控制手机温度的外壳装置的壳体部分结构示意图； [0035] 图中：1-1摄像头及闪光灯孔；1-2静音及音量键孔；1-3电源键开关孔；1-4数据接口通道孔；1-5耳机通道孔；1-6扬声器及话筒通道孔 [0036] 图5是本发明所述半导体制冷片控制手机温度的外壳装置的接口部分的结构图； [0037] 图中：2-1、lightingUSB数据插头；2-2、热敏电阻；2-3、控制芯片(CH315G)；2-4、lighting USB数据接口；2-5、三极管(Q8050) [0038] 图6是本发明所述半导体制冷片控制手机温度的外壳装置半导体制冷片层的结构示意图图： [0039] 图中：4-1、热端；4-2、冷端 [0040] 图7是本发明所述半导体制冷片控制手机温度的外壳装置的微型温度传感器的展示图； [0041] 图中：5-1、热敏式温度传感器；5-2、温控开关 [0042] 图8是本发明所述半导体制冷片控制手机温度的外壳装置的石墨片散热层的展示图； [0043] 图中：6-1、石墨散热片 [0044] 图9是本发明所述半导体制冷片控制手机温度的外壳装置工作流程图。具体实施方式 [0045] 为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下(以iphone5s手机机型为例)： [0046] iphone5s：背面有摄像头及闪光灯；侧面有静音键及音量键；顶面有电源键开关；底面有耳机插孔、扬声器及话筒、lighting数据接口。尺寸123.8mm×58.6mm×7.6mm； [0047] Lighting USB数据传接器：控制芯片型号CH315G，三极管型号Q8050。尺寸24mm×9.8mm×5mm； [0048] 微型温度传感器：热敏式温度传感器型号AT153-3950，温控开关型号BW9700。热敏式温度传感器尺寸d×h＝2.9mm×12mm； [0049] 微型半导体制冷片：型号TESI-06305T125，尺寸15mm TESI-06305T125，尺寸15mm×30mm×2.9mm； [0050] 手机壳内表面层：采用6061铝合金。尺寸108.8mm×61.6mm×0.2mm； [0051] 石墨散热片层：尺寸123.8mm×40mm×0.1mm； [0052] 隔热层：采用FiberGc超薄隔热绝缘垫片；尺寸108.8mm×58.6mm×0.4mm； [0053] 手机壳外表面层：采用铝合金聚酰亚胺薄膜和硅胶(mSiO2·nH2O)。 [0054] 本发明的半导体制冷片控制手机温度的外壳装置用于iphone5s手机上，其工作过程如下： [0055] 将半导体制冷片控制手机温度的外壳装置按照设计方向安装于手机上，使所述外壳装置上摄像头及闪光灯孔1-1、静音及音量键孔1-2、电源键开关孔1-3、数据接口通道孔1-4、耳机通道孔1-5和扬声器及话筒通道孔1-6对准手机上相应的功能孔，将Lighting USB数据传接器2中的插头2-1插入手机的数据接口中，从手机中取电，进而为整个半导体制冷及温控层4供电，控制芯片2-3开始上电工作，通过电阻2-2调节该1ighting USB数据接口2- 4的电流。当热敏式温度传感器5-1的检测温度低于触发温度31.5℃时，温控开关5-2处于常闭状态。当手机温度上升使得检测温度达到触发温度31.5℃时，热敏电阻5-1阻值急剧降低，温控开关5-2自动断开，此时Lighting USB数据传接器2中的三极管2-5得电饱和，与三极管集电极相连的微型半导体制冷片4通有电流，启动运转，即冷端4-2将冷量传输给手机壳内表面层3，进而给手机降温；热端4-1将热量传输给石墨散热片层6，由于人手握持手机隔热层7的存在，进而将热量从外壳装置顶端及底端散发出去，使得微型半导体制冷片4热端传至石墨散热片6-1的温度不会被人的手掌所感知，也防止手掌的热量通过手机壳外表面层1导入手机。当手机温度下降使得检测温度达到复位温度26.5℃时，热敏电阻5-1阻值急剧增大，温控开关5-2自动闭合，此时Lighting USB数据传接器2中的三极管2-5失电截止，与三极管2-5集电极相连的微型半导体制冷片4失去电流，停止运转；这样就起到了自动控制温度，进而自动控制微型半导体制冷片间歇式降温的效果。 [0056] 温控过程的能耗和时间计算如下： [0057] (1)工作时间的计算 [0058] 手机散热量Q＝Aλ(tw1-tw2)/δ＝0.196×10-3×4.5×(32-26)/2.8×10-3＝1.89W[0059] 其中：CPU发热温度tw1＝32℃；手机背面温度为tw2＝26℃；导热系数λ＝4.5W/(m·K)；传热厚度δ＝2.8mm；传热面积A＝14×10-3×14×10-3＝0.196×10-3m2。 [0060] 已知型号为TESI-06305T125的微型半导体制冷片最大产冷量为2.9W，达到额定温度的时间为10s。 [0061] 如果iphone5s正在运行大频率的程序，手机会在120s左右回升到触发温度31.5℃，此过程中手机释放的热量为120×1.89＝226.8J，将手机温度降低到复位温度26.5℃需要的时间为226.8/2.9＝78s，即在iphone5s运行大频率的程序的条件下，需要88s即可将手机温度降低到26.5℃；如果iphone5s正在运行中低频率的程序，手机会在400s至600s左右回升到触发温度31.5℃，同理可知需要5min左右即可将手机温度降低到26.5℃。 [0062] (2)耗电量的计算 [0063] 已知iphone5s电池容量为1570mAh；电源电压3.8V，则1Wh＝263mAh。 [0064] 温度传感器的额定功率为15mW，耗电量为4mAh，可忽略。 [0065] 微型半导体制冷片的额定功率为0.38W，耗电量为100mAh： [0066] 根据人们使用手机的频率及使用程序平均所占比重，进行5小时续航时间，包括打游戏、看电子书、听音乐、打电话、网页浏览、聊天、刷微博等。 [0067] 5h后手机平均所剩电量为27％，即耗电量为73％，由于温度会影响锂电池的放电速度，故5小时内因发热而带来的额外耗电量为25％；在不发热的情况下5小时耗电量为0.73/(1+0.25)＝58.4％；则额外耗电量为73％-58.4％＝14.6％。 [0068] 5小时内温度超过32℃的时间约为120min，由于半导体属于间歇式工作，平均使用时间约为35min，所耗电量为35/60×100＝58.3mAh，约为总电量的58.3/1570＝3.7％。 [0069] 综上所述，本系统消耗了3.7％的电量来减少14.6％的额外耗电，共省电10.9％。 [0070] 以上对本发明的具体实施进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例而已，并被认为不用于限制本发明的实施范围；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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