CN101252822A - 一种ehd强化的微型散热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子器件的散热冷却装置，特别涉及用于电子器件高热流密度条件下的EHD强化的微型散热装置。包括有蒸发器、冷凝器(2)和软塑料毛细管(3)和布置在蒸发器中毛细管两侧的、与蒸发器的蒸发面相平行的高压电极(9)。其中：蒸发器、软塑料毛细管(3)和冷凝器(2)串连成单向循环回路。蒸发器的毛细芯为固定在基板(6)上的组合毛细芯，包括有内外两层，且内层毛细芯的孔径较大，外层毛细芯的孔径较小。高压电极可以强化蒸发器的蒸发传热。采用该散热装置可以对高热流密度电子器件进行即时充分的冷却，从而满足高性能计算机芯片、高能激光器及其他电子器件的散热要求。

Description

一种EHD强化的微型散热装置
技术领域
本发明涉及电子器件的散热冷却装置，特别涉及用于电子器件高热流密度条件下的EHD强化的微型散热装置。
背景技术
随着电子器件的高频、高速以及集成电路技术的迅速发展和MEMS(MicroElectronic Mechanical System)技术的进步，使得单位容积电子器件的发热量和热流密度大幅度增加，散热装置的布置和设计遇到的约束越来越多。以微电子芯片的设计为例，目前一般已达(60～100)W/cm2，最高达到200W/cm2以上。常用传统的散热方式如风冷(强制对流)，由于其冷却效率与风扇的速度成正比。当热流密度达到一定的数值时，这种冷却方式显得力不从心。流行的散热方式还包括：水冷散热、半导体制冷、热管技术。针对电子器件功率密度的继续增大，中国专利99253842.4提出了水冷技术，水冷的优点是冷却效果突出，但是水冷系统的结构非常复杂，按照冷却要求，其水筒的容量至少在20升以上，并且它本身还有致命的缺点-安全问题，一旦水冷系统出现泄露，将会导致计算机损坏。
中国专利03137561.8提出一种新型的冷却技术：利用微型制冷系统对计算机CPU进行冷却，该技术具有可对CPU进行主动降温冷却，具有结构紧凑、可靠性高、操作简单的特点。但是该技术造价高、系统复杂。
EHD(Electrohydrodynamic)强化传热是将电场及其理论引入传热学领域，是利用电场力与流场和温度场的相互作用而达到传热强化的一种方法。该理论认为由于Maxwell力的产生使流体中产生体积力，导致液体的局部流动，从而强化传热。在众多主动强化换热技术中，EHD技术是一个新的且有前途的技术。将电场应用于电介质就会产生EHD泵送效应。相对于其它主动强化方式来说，EHD强化具有以下几个优点：(1)不需要大空间；(2)设计简单，轻便；(3)控制强化过程迅速；(3)消耗功率小；(4)可应用于单相和两相流；(5)泵送区域内的压力均匀。而且利用EHD作用可以实现汽-液分离。对毛细蒸发器使用EHD技术，有三个因素可以促进和传热强化，它们分别是EHD对气泡行为的影响、EHD对工质的泵送作用，EHD导致的不稳定性。
发明内容
本发明提出了一种传热效率高、无需泵等外加动力源，适用于高热流密度电子器件冷却的一种EHD强化的微型散热装置。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本装置包括有蒸发器、冷凝器2和软塑料毛细管3，蒸发器、软塑料毛细管3和冷凝器2串连成单向循环回路。本装置还包括有布置在蒸发器中毛细管两侧的、与蒸发器的蒸发面相平行的高压电极9。
蒸发器的毛细芯为组合毛细芯，所述的组合毛细芯包括有依次固定在基板6上的内层毛细芯7和外层毛细芯8，且内层毛细芯7的孔径大于外层毛细芯8的孔径。
所述的组合毛细芯为多层金属丝网组合而成，其中：毛细芯的内层丝网的孔径大于15μm，外层丝网的孔径范围为5μm～10μm。
所述连接蒸发器1和冷凝器2的回路上设有微止回阀5。
所述的冷凝器2为自然空冷式或强制空冷式冷凝器。
所述的布置在蒸发器内的高压电极为铜丝网或柱形电极或螺旋状电极或卵形电极。
本发明的微型换热装置的工作原理和过程如下：起始时，在整个装置内充入一定量的液体工质。高热流密度电子元件通过硅胶与毛细蒸发器的受热面紧密贴和，蒸发器内的液体工质在毛细力的作用下上升，热量通过毛细芯的导热到达汽-液界面，在汽—液界面处液体开始蒸发，蒸气流入蒸发器的空腔，增加毛细芯的压头，可以增加蒸发器传递热量的能力。本装置在蒸发器内安装有铜丝网高压电极作为正极，铜丝网高压电极与蒸发面平行。毛细芯蒸发受热面为负极(接地)。蒸发器内充有介电工质，介电工作介质在电场的作用下会产生极性化作用，电场中的开尔文力会对电介质中的偶极子产生影响，驱动液体沿电场强度增强的方向流动，流体沿感应作用而导致液面的上升，从而增大了毛细驱动力，强化了传热，增加了毛细芯蒸发器的传热能力。蒸发器中的蒸气通过连接管路进入冷凝器，冷凝后的液体在驱动力的作用下进入蒸发器，重新进入下一个新的循环过程。既蒸发器液体蒸发—蒸气进入冷凝器—冷凝后的液体再次进入蒸发器，这样，工质在周而复始的循环过程中，将发热电子器件散失的热量不断带走。
本发明具有如下优点：
1)本发明设置了高压电极，从而增大了毛细驱动力，强化了传热增加了毛细芯蒸发器的传热能力。
2)本发明采用了多层丝网毛细芯，可以在提高毛细驱动力的同时降低其流动阻力。
附图说明
图1本发明的结构示意图
图2(a)毛细芯蒸发面的示意图
图2(b)为图2(a)的A-A剖示图
图3为蒸发器结构的示意图(包括高压电极和高压电源)
图4高压丝网电极的示意图
图5冷凝器的结构示意图
图中：1、蒸发器，2、冷凝器，3、软塑料毛细管，4、发热电子器件，5、截止阀，6、基板，7、内层丝网，8、外层丝网，9、高压电极，10、工质。
具体实施方式
下面结合附图1～5对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施例包括有蒸发器1、冷凝器2、软塑料毛细管3、高电压发生装置和电极。本实施例中的各部件由软塑料毛细管3按冷凝器2、毛细蒸发器1(内装有高压电极9)的顺序串联形成单向循环回路。
毛细芯蒸发器的布置形式如图2所示，蒸发器1中的毛细芯为固定在基板6上的组合毛细芯，组合毛细芯包括内层丝网和外层丝网，如图2(b)所示。内层丝网7的孔径大于15μm，外层丝网8的孔径范围为5μm～10μm。这样蒸发器工作时，内层毛细芯孔径较大，液态工质流动阻力小，以降低蒸发器的压力损失。本实施例中的丝网为多层金属丝网。在毛细蒸发器1内毛细管的两侧布置有高压电极9，高压电极9的正极为铜丝网，负极为毛细芯蒸发表面(接地)。高压电极与高压电源相连，在电场中开尔文力的作用下，毛细芯对液体的毛细抽吸力增强，从而增强蒸发器的传热能力。
本实施例中，蒸发器1由基板6和多层金属丝网通过热处理的方法处理为一个整体，这样可以有效减少金属板与丝网之间的接触热阻。在组合毛细芯的的作用下，使充于回路中的液体工质在回路中循环，回路中装有截止阀5。
毛细蒸发器1置于发热电子器件4之上并与之通过导热硅脂紧密贴合。本发明可应用于计算机CPU的冷却散热。
图2(a)和图2(b)为毛细芯蒸发面的示意图。
图4为高压丝网电极的示意图，高压电极还可以采用其它的结构和形式，如柱形、螺旋状、卵形等。
冷凝器的结构如图5所示，由于换热而产生的蒸汽将通过管路进入冷凝器内的空腔内部，在冷凝器上布置有散热片，散热片可通过自然对流的方式散热来冷却工质，还可在散热片的上部安装有风扇，风扇通过强制对流的散热方式使冷凝器的蒸气凝结为液体，重新进入管路循环。在本发明电子器件散热装置中，冷凝器用来冷却毛细芯蒸发器内液体工质的蒸发所产生的蒸气。冷凝器可以为自然空冷式或强制空冷式冷凝器。
本实施例中的电子散热装置与高热流密度电子器件的之间通过导热硅脂紧密贴合，当电子器件开始工作时。散热装置开始工作，回路中的液体在毛细蒸发器内受热蒸发变为蒸气，蒸汽在通过回路中的蒸汽段回至冷凝器的内部，冷凝器通过布置于其散热片上部的风扇的强制对流进行散热。最后蒸气凝结于冷凝器中。随之，另一循环过程开始。

Claims (6)

1、一种EHD强化的微型散热装置，包括有蒸发器、冷凝器(2)和软塑料毛细管(3)，蒸发器、软塑料毛细管(3)和冷凝器(2)串连成单向循环回路；其特征在于：还包括有布置在蒸发器中毛细管两侧的、与蒸发器的蒸发面相平行的高压电极(9)。
2、根据权利要求1所述的一种EHD强化的微型散热装置，其特征在于：蒸发器的毛细芯为组合毛细芯，所述的组合毛细芯包括有依次固定在基板(6)上的内层毛细芯(7)和外层毛细芯(8)，且内层毛细芯(7)的孔径大于外层毛细芯(8)的孔径。
3、根据权利要求2所述的一种EHD强化的微型散热装置，其特征在于：所述的组合毛细芯为多层金属丝网组合而成，其中：毛细芯的内层丝网的孔径大于15μm，外层丝网的孔径范围为5μm～10μm。
4、根据权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的一种EHD强化的微型散热装置，其特征在于：所述连接蒸发器(1)和冷凝器(2)的回路上设有微止回阀(5)。
5、根据权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的一种EHD强化的微型散热装置，其特征在于：所述的冷凝器(2)为自然空冷式或强制空冷式冷凝器。
6、根据权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的一种EHD强化的微型散热装置，其特征在于：所述的布置在蒸发器内的高压电极为铜丝网或柱形电极或螺旋状电极或卵形电极。
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