CN101360412B - 微型液体冷却装置及其所采用的微液滴产生器 - Google Patents

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Abstract

一种微液滴产生器，包括一第一极板及盖设于该第一极板上的一第二极板，其中该第一极板与第二极板之间形成有一液滴通道，该微液滴产生器在该液滴通道的一端与另一端分别设有与该液滴通道相连通的一进液口与一出液口，该第一极板上对应该液滴通道间隔设置有若干控制电极，该第二极板上设有一参考电极层，该参考电极层与这些控制电极通过一控制电路电连接，通过控制电路规律性地对各控制电极施加电压，自进液口进入到微液滴产生器的液体将产生出液滴并沿液滴通道向出液口运动，第一、第二极板之间设有分别位于液滴通道两侧的两支撑件、液滴通道的两端设有将该两端密封的第一、第二端盖。本发明还涉及一采用微液滴产生器的微型液体冷却装置。

Description

微型液体冷却装置及其所采用的微液滴产生器 
技术领域
本发明涉及一种微型液体冷却装置，特别是关于一种用于对发热电子元件进行冷却的微型液体冷却装置，本发明还涉及该微型液体冷却装置所采用的一种微液滴产生器。 
背景技术
随着电脑产业的迅速发展，CPU追求高速度化，高功能化及小型化所衍生的散热问题越来越严重，这在笔记本电脑等内部空间狭小的电子装置中更为突出。如果无法将笔记本电脑内的CPU等电子元件所产生的热量及时有效地散发出去，将极大地影响电子元件的工作性能，同时还会缩减电子元件的使用寿命，因此业界通常采用一冷却装置来对电子元件散热。 
在众多的冷却技术中，液体冷却是一种极为有效的冷却方式。传统的液体冷却装置为由吸热体、散热体、泵及传输管所构成的一回路，该回路中填充有冷却液，冷却液在该吸热体处吸收电子元件所产生的热量，经传输管传至散热体后放出热量。在该泵的驱动作用下，该冷却液在回路中不断循环，从而源源不断地带走该电子元件所产生的热量。 
目前，液体冷却装置已被业者用于桌上型电脑中对CPU进行散热，然而由于传统的液体冷却装置中泵所占用的空间较大，很难适用于内部空间狭小的笔记本电脑内对电子元件散热。另外，泵在运行时还会产生较大的噪音，影响使用者的听觉感受。伴随着笔记本电脑等电子装置朝向微型化及高性能化方向设计，发热量增加的同时散热装置所能占据的空间却在不断减少。如何设计出能适用于笔记本电脑内对电子元件进行有效散热的新型液体冷却装置，对于业者来说是又一个新的研究课题。 
介质材料上的电润湿效应(Electrowetting On Dielectric，EWOD)是一种通过施加电势来改变液体表面张力的可逆现象。图1A与图1B为介质上的电润湿效应的原理图。如图1A所示，下极板10包括一基底11，基底11上设有下电极层12，该下电极层12被一层绝缘层13覆盖，液滴14位于绝缘层13的表面，上电极15插入液滴14的内部。该上电极15与下电极层12之间通过电源线连接有一开关16及一可调电源17，该开关16用于控制电路的断开与闭合，该可调电源17用来给下极板10与上电极15之间提供施加电压。当上电极15与下极板10之间不加电压，即开关16处于断开状态时，该下极板10的绝缘层13的表面为疏水的，此时液滴14的静态接触角为θ0＞90°。如图1B所示，当开关16闭合时，可调电源17提供一电压V，在液滴14与下极板10之间产生电势作用，此时，液滴14的静态接触角由原来的θ0变化为θ(V)，θ(V)＜θ0。当V的大小达到一定值时，θ(V)＜90°，此时绝缘层13的表面变成亲水的。当开关16重新断开时，也就是液滴14与下电极板10之间没有电势作用时，液滴14的静态接触角重新回复到θ0。上述的这种现象称为介质材料上的电润湿效应。
利用这种介质材料上的电润湿效应原理，美国杜克大学(Duck University)的Pollack M G等人首先基于介质材料上的电润湿效应并采用微机械制作的微电极阵列进行了微液滴的运动控制，并提出了“数字微流体(DigitalMicrofluidics)”的概念。美国洛杉矶加州大学(UCLA)的Cho S K等人成功地利用EWOD效应对直径为70μm的微液滴进行了微液滴的产生、传输、混合和分裂四个基本操作，并在25V的交流电压下得到了250mm/s的微液滴移动速度(Cho S K，Moon H，Kim C J.Creating，Transporting，Cutting，and MergingLiquid Droplets by Electrowetting-Based Actuation for Distal MicrofluidicCircuits[J].Journal of Microelectromechanical Systems，2003，12(1)：70-80.)。可见，基于介质材料上的电润湿效应是一种十分有效的微流体控制技术。 
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种占用体积小且具有较好的静音效果的微型液体冷却装置。 
本发明还提供一种该微型液体冷却装置所采用的微液滴产生器。 
一种微液滴产生器，包括一第一极板及盖设于该第一极板上的一第二极板，其中该第一极板与第二极板之间形成有一液滴通道，该微液滴产生器在该液滴通道的一端与另一端分别设有与该液滴通道相连通的一进液口与一出液口，该第一极板上对应该液滴通道间隔设置有若干控制电极，该第二极板上设有一参考电极层，该参考电极层与这些控制电极通过一控制电路电连接，通过控制电路规律性地对各控制电极施加电压，自进液口进入到微液滴产生器的液体将产生出液滴并沿液滴通道向出液口运动，该微液滴产生器还包括两支撑件、一第一端盖及一第二端盖，该两支撑件设于第一极板与第二极板 之间并分别位于液滴通道的两侧，该第一端盖与第二端盖分别设于液滴通道的两端并将该两端密封。 
一种微型液体冷却装置，其中该微型液体冷却装置包括一吸热体、一散热体、一微液滴产生器及若干传输管，这些传输管将该吸热体、散热体及微液滴产生器串接形成一回路，该回路中填充有一定量的冷却液，冷却液在该微液滴产生器的作用下产生液滴并在该回路中循环流动，其中该微液滴产生器，包括一第一极板及盖设于该第一极板上的一第二极板，该第一极板与第二极板之间形成有一液滴通道，该微液滴产生器在该液滴通道的一端与另一端分别设有与该液滴通道相连通的一进液口与一出液口，该第一极板上对应该液滴通道间隔设置有若干控制电极，该第二极板上设有一参考电极层，该参考电极层与这些控制电极通过一控制电路电连接，通过控制电路规律性地对各控制电极施加电压，自进液口进入到微液滴产生器的液体将产生出液滴并沿液滴通道向出液口运动，该微液滴产生器还包括两支撑件、一第一端盖及一第二端盖，该两支撑件设于第一极板与第二极板之间并分别位于液滴通道的两侧，该第一端盖与第二端盖分别设于液滴通道的两端并将该两端密封。 
与传统的液体冷却装置相比，本发明的微型液冷散热装置中采用一微液滴产生器来对冷却液进行传输。该微液滴产生器制作工艺简单，适合进行微型化设计，可用于内部空间较小的电子装置内对电子元件进行散热。该微液滴产生器中，对冷却液传输未采用像泵这类机械传动件，因此具有良好的静音效果。 
附图说明
下面参照附图，结合实施例对本发明作进一步描述。 
图1A与图1B为介质材料上的电润湿效应原理的示意图，其中， 
图1A为不加电压时，液滴的静态接触角为θ0＞90°的情况； 
图1B为施加一定电压作用下，液滴的静态接触角为θ(V)＜90°的情况。 
图2本发明微型液体冷却装置其中一较佳实施例的立体组装示意图。 
图3是图2中微型液体冷却装置中的微液滴产生器的立体分解示意图。 
图4是图3微液滴产生器的立体组装示意图。 
图5是图4中微液滴产生器的局部剖视图。 
图6A、6B及6C为微液滴的产生过程的示意图。 
图7A、7B及7C为微液滴传输过程的示意图。 
具体实施方式
本发明旨在将基于介质材料上的电润湿效应这一微流体控制技术应用于微型液体冷却装置中。 
如图2所示为本发明微型液体冷却装置200其中一较佳实施例的立体组装图。该微型液体冷却装置200包括一吸热体20、一散热体30、一微液滴产生器40及若干传输管50。该吸热体20、散热体30及微液滴产生器40通过这些传输管50串接而形成一回路，该回路中填充有冷却液(图未示)。该吸热体20与一发热电子元件热连接并吸收其所产生的热量，该散热体30用于对流经其内部的冷却液进行冷却。在微液滴产生器40的驱动作用下，冷却液在该回路中循环流动，从而源源不断地将吸热体20所吸收的热量带走。 
该吸热体20用于贴设在一发热电子元件(图未示)的表面以吸收其所产生的热量。在本实施例中，该吸热体20为一长方体块状的吸热块。该吸热体20包括一上盖21与一底座22，该底座22内设有供冷却液流经的流道(图未示)，该流道的入口及出口分别通过传输管50与散热体30及微液滴产生器40相连通。该吸热体20并不局限于图2中所示的形状及结构，可以根据不同的散热需求，对该吸热体20进行合理地设计。 
该散热体30用于对经吸热体20加热后的冷却液进行冷却。本实施例中，该散热体30为一散热器，其包括一基座31及设于该基座31上的若干散热片32。该基座31内也设有供冷却液流经的流道(图未示)，该基座31内的流道的入口及出口通过传输管50分别与微液滴产生器40及吸热体20相连通。该基座31的流道内还可以设置各种散热结构如散热柱等以增加散热体30与冷却液之间的换热效率。经基座31的流道的入口流入基座31内的冷却液与散热体30进行热交换，冷却液被降低温度后流向吸热体20。该散热体30并不局限于图2中所示的形状及结构，该散热体30还可以为其他的形状及结构。例如用于笔记本电脑内时，该散热体30可以是设于显示屏背面的一设有流道的冷却板。 
如图3及图4所示，该微液滴产生器40包括一下极板42、盖设于该下极板42上的一上极板44、连接于下极板42与上极板44之间的相应的控制电路(图未示)、两支撑件46以及第一、第二端盖48、49。 
该下极板42为一长方体板状结构，其具有与上极板44相对的一表面425。该下极板42的左右两端分别自该表面425向内凹陷形成有矩形的第一、第二凹槽426、427，该第一、第二凹槽426、427分别用来收容与之相对应的第一、 第二端盖48、49。请一并参阅图5，该下极板42包括一下基板421、若干控制电极422、一介电层423及一疏水层424。该下基板421可以为一玻璃基板或一硅基板，在本实施例中，该下基板421为一玻璃基板。这些控制电极422呈间隔设置于下基板421上，并排列于下基板421的中央位置。这些控制电极422的表面覆盖有介电层423，该介电层423是通过在控制电极422的表面沉积一层绝缘材料所形成。该介电层423的表面覆盖有一层很薄的疏水材料作为疏水层424。 
请继续参照图3，下基板42上于最左端的控制电极422与第一凹槽426之间设有一圆柱形的储液槽428以用来储存冷却液，该最左端的控制电极422延伸至与储液槽428的边缘相接。该下极板42的表面425上于这些控制电极422的中间位置设有一具有较小宽度的沟槽429，该沟槽429的左端与储液槽428相连通，其右端与第二凹槽427相连通。由于该沟槽429的宽度较小，对进入该沟槽429内的冷却液能够产生毛细吸力作用，从而使得外接的控制电路仅需在下极板42与上极板44之间施加一较小的电压就可以将液滴从储液槽428中产生出来并沿控制电极422运动。由于该沟槽429的设置，将每一控制电极422分成彼此相连通的三部分，即位于沟槽429两侧的电极部分4221及位于沟槽429内的电极部分4222。该下极板42的表面425上对应每一控制电极422还设有一外接电极430，并通过一引线431将相应的控制电极422与外接电极430相连通。这些外接电极430可以分布在这些控制电极422的两侧，也可以仅分布在这些控制电极422的一侧。在本实施例中，这些外接电极430分布在这些控制电极422的两侧。该下极板42上还设有若干用于安装固定第一、第二端盖48、49的安装孔432及若干用于安装固定支撑件46与上极板44的安装孔433。 
该上极板44也为一长方体板状结构，其包括一上基板441、一参考电极层442及一疏水层443(图5所示)。该上基板441可以为一玻璃基板或一硅基板，在本实施例中，该上基板441为一玻璃基板。该参考电极层442覆盖于该上基板441与下极板42相对的一表面上，该参考电极层442的表面覆盖有一层很薄的疏水材料作为疏水层443，其中该参考电极层442与疏水层443之间也可以设置一层很薄的介电层。 
该两支撑件46均为狭长的板体，其设于下极板42与上极板44之间以用于支撑上极板44。该两支撑件46上对应下极板42上的安装孔433也设有相应的安装孔444。本实施例中，该两支撑件46为与上、下极板44、42相分离的板体。可以理解地，该两支撑件46也可以一体形成于上极板44上。 
该第一、第二端盖48、49均为一长方体块状结构，其中该第一端盖48上设有一进液口，该第二端盖49上设有一出液口。该进液口与出液口均包括一入口端与一出口端，其中进液口的入口端及出口端的形状分别与出液口的出口端及入口端的形状相对应，图3中仅示出进液口的出口端481及出液口的出口端491。该第一端盖48内还可以在其入口端与出口端481之间设置一储液空间以用来储存冷却液。同样地，该第二端盖49内也可以在其入口端与出口端491之间设置一储液空间。该进液口的入口端及出液口的出口端491分别用来与一传输管50相连接。将第一、第二端盖48、49设于下极板42的第一、第二凹槽426、427内时，该进液口与下极板42上的储液槽428相对，该出液口则与下极板42上的沟槽429的末端相对。另外，该第一、第二端盖48、49上对应下极板42的安装孔432也相应地设有安装孔482、492。 
为使对本发明中的微液滴产生器40的制作有一个清楚的认识，现对本实施例中微液滴产生器40的下极板42及上极板44的制作过程作如下说明： 
下极板42的制作过程为：首先在玻璃基板上利用机械加工或湿法刻蚀的方法制作出第一、第二凹槽426、427、储液槽428、沟槽429及安装孔432、433，然后利用化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition)在玻璃基板上沉积一层具有导电能力的ITO(Indium Tin Oxide)透明玻璃层；对ITO层进行图形化光刻蚀，形成具有一定形状且呈间隔分布的控制电极422、外接电极430及引线431；然后利用气相沉积法在这些控制电极422的表面沉积一层氮化硅(Si3N4)作为介电层423；然后再通过旋转覆盖(Spin Coat)的方法在介电层423上涂布一层Teflon作为疏水层424。 
上极板44的制作过程为：首先在玻璃基板上利用机械加工或湿法刻蚀的方法制作出安装孔444；然后利用化学气相沉积法在玻璃基板上形成一层均匀的ITO层作为参考电极层442；然后在ITO层上利用旋转覆盖的方法涂布一层Teflon作为疏水层443。 
如图4所示，将制作好的各部件组装成微液滴产生器40时，该两支撑件46设于下极板42上并位于下极板42的控制电极422的两侧，从而在下极板42与上极板44之间于对应控制电极422的位置形成用于传输液滴的液滴通道。每一支撑件46位于下极板42的控制电极422与外接电极430之间，即下极板422的外接电极430位于支撑件46的外侧，这样可以便于将外接电极430与外部的控制电路电连接。该上极板44盖设于该两支撑件46上，并通过螺栓等连接件穿过下极板42、支撑件46及上极板44上所设的安装孔433、461、444从而将三者固定 在一起。该两支撑件46对上极板44进行支撑的同时还将微液滴产生器40的两侧进行密封。为增加密封效果，还可以在支撑件46与下极板42及上极板44之间涂一层密封胶或设置一密封件。该第一、第二端盖48、49分别收容于下极板42的两端所设的第一、第二凹槽426、427内并将上极板44夹设于该第一、第二端盖48、49之间，再通过螺栓等连接件穿过第一、第二端盖48、49及下极板42上所设的安装孔482、492、432以将第一、第二端盖48、49与下极板42固定在一起，从而将微液滴产生器40的两端密封。同样地，为增加密封效果，该第一、第二端盖48、49与下极板42及上极板44之间也可以涂一层密封胶或设置一密封件。该第一、第二端盖48、49安装至下极板42的两端第一、第二凹槽426、427内时，第一端盖48上所设的进液口与储液槽428相连通，而第二端盖49所设的出液口则与控制电极422相对，亦即该储液槽428与液滴通道的左端连通，该出液口则与液滴通道的右端连通。 
如图2所示，将微型液体冷却装置200组装在一起时，通过传输管50将微液滴产生器40、吸热体20及散热体30依次串接从而形成一回路，在该回路中充入一定量的冷却液。该冷却液为可电解的、可极化的、具有导电能力的或带电的液体。在本实施例中，该冷却液为去离子水。微液滴产生器40的上极板44的参考电极层442及下极板42的外接电极422通过导线与外部的控制电路进行电连接。外部的控制电路采用计算机程序来控制施加于各控制电极422上的电压的施加时间及施加顺序，所施加的电压的大小由电源控制，该控制电极阵列的控制方法及电压大小的控制方法采用常规的控制方法。 
如图6A至图6C所示，液滴D从微液滴产生器40的储液槽428产生出来的过程为：首先通过外接的控制电路对控制电极422a(为使叙述方便，将控制电极从左至右依次命名为422a、422b、422c......)施加一定的电压，由于电润湿效应，与该控制电极422a相接触的冷却液的接触角会变小，接触角的变小表现为冷却液的表面张力的变化，当施加的电压达到一定值时，冷却液会自储液槽428沿电极422a向右运动(图6A所示)；冷却液运动至与电极422b接触时对电极422b施加同样的电压，从而使冷却液沿控制电极422b继续向右运动(图6B所示)；当冷却液运动至与控制电极422c接触时，对控制电极422c施加电压的同时取消控制电极422b上所施加的电压，冷却液在控制电极422a、422c上所加电压的作用下在控制电极422b处断开，从而形成液滴D(图6C所示)。 
如图7A至图7C所示，液滴D的传输过程为：当液滴D接触到控制电极422d时，对控制电极422d施加电压的同时取消422c上所施加的电压，从而使液滴D 由控制电极422c所在位置运动到控制电极422d所在位置；当液滴D运动至与控制电极422e接触时，对控制电极422e施加电压的同时取消控制电极422d上所施加的电压，从而使液滴D从控制电极422d所在位置运动到控制电极422e所在位置。通过这样有规律性地对各控制电极422施加电压，就可以实现将储液槽428中所产生出的液滴D沿控制电极422的从左向右传输。 
请继续参照图2，液冷散热系统200工作时，吸热体20贴设于一发热电子元件(图未示)上。利用外接的控制电路对微液滴产生器40的各控制电极422上电压的施加时间及施加顺序进行控制，可以从储液槽428中产生出液滴，并将液滴通道向右传输。液滴传到这些控制电极422的最右端时因具有一定的速度会继续向前运动，并经第二端盖49所设出液口的入口端流入到该第二端盖49内。通过控制电路对这些控制电极422进行循环控制，就可以不断地从储液槽428中产生出液滴并传输到第二端盖49内，从而将第二端盖49内的冷却液压出并经传输管50流向散热体30。冷却液经散热体30冷却后再经传输管50流向吸热体20。冷却液在吸热体20内与吸热体20发生热交换，被加热后的冷却液经传输管50流向微液滴产生器40的第一端盖48内，再经第一端盖48进液口流回至微液滴产生器40的储液槽428内，从而完成一次循环流动。 
该液冷散热系统200中，由微液滴产生器40、散热体30、吸热体20及传输管50串接形成一回路，吸热体20用来吸收电子所产生的热量，该微液滴产生器40对冷却液进行传输，使冷却液在该回路中循环流动，从而源源不断地将吸热体20所吸收的热量带走。 
该微液滴产生器40制作工艺简单，适合进行微型化设计，可用于内部空间较小的笔记本电脑等电子装置内对电子元件进行散热。该微型液体冷却装置200中，采用微液滴产生器40来对冷却液进行传输，没有像泵这类机械传动件，因此具有良好的静音效果。 
上述实施例中，微液滴产生器40的下极板42的两端分别设有第一、第二凹槽426、427，第一、第二端盖48、49收容于该第一、第二凹槽426、427内以将微液滴产生器40的两端密封。可以理解地，该第一、第二端盖48、49也可以与下极板42或上极板44一体成型，当第一、第二端盖48、49与下极板42一体成型时，则不需要再在下极板42的两端设置第一、第二凹槽426、427。 
上述实施例中，微液滴产生器40的进液口设于第一端盖48上。可以理解地，该微液滴产生器40的进液口也可设置于上极板44上并与储液槽428相对。 
上述实施例中，微液滴产生器40的下极板42上设有一储液槽428。可以理 解地，该储液槽428内也可以设置一控制电极，该储液槽428内的控制电极可以通过一引线与一外接电极相连，并利用导线将该外接电极与外部的控制电路电相连。该储液槽428内的控制电极可以用于在产生液滴时将断裂后的液体拉回储液槽428内。 
上述实施例中，微液滴产生器40的下极板42与上极板44之间设有两支撑件46，从而在下板板42与上极板44之间形成传输液滴的液滴通道。可以理解地，该下极板42与上极板44之间也可以不设置支撑件46和储液槽428，此种情况下，通过在下极板42上凹设一细长的槽体，该槽体的两端分别与微液滴产生器40的进液口及出液口连通，该上极板44直接盖设于该下极板42上，从而形成传输液滴的液滴通道。该槽体的宽度与控制电极422的宽度相同或略大于控制电极的宽度，控制电极422设于该槽体内。 

Claims (10)

1.一种微液滴产生器，包括一第一极板及盖设于该第一极板上的一第二极板，其特征在于：该第一极板与第二极板之间形成有一液滴通道，该微液滴产生器在该液滴通道的一端与另一端分别设有与该液滴通道相连通的一进液口与一出液口，该第一极板上对应该液滴通道间隔设置有若干控制电极，该第二极板上设有一参考电极层，该参考电极层与这些控制电极通过一控制电路电连接，通过控制电路规律性地对各控制电极施加电压，自进液口进入到微液滴产生器的液体将产生出液滴并沿液滴通道向出液口运动，该微液滴产生器还包括两支撑件、一第一端盖及一第二端盖，该两支撑件设于第一极板与第二极板之间并分别位于液滴通道的两侧，该第一端盖与第二端盖分别设于液滴通道的两端并将该两端密封。
2.如权利要求1所述的微液滴产生器，其特征在于：该第一极板包括一第一基板、一介电层及一第一疏水层，这些控制电极位于该基板上，该介电层覆盖于这些控制电极的表面，该第一疏水层覆盖于该介电层的表面，该第二极板包括一第二基板，该参考电极层位于该第二基板的表面上，该参考电极层上覆盖有一层第二疏水层。
3.如权利要求1所述的微液滴产生器，其特征在于：该第一极板的两端对应第一、第二端盖分别设有第一、第二凹槽，该第一、第二端盖分别收容在该第一、第二凹槽内并将第二极板夹设于该第一、第二端盖之间。
4.如权利要求1所述的微液滴产生器，其特征在于：该进液口及出液口分别设于该第一端盖及第二端盖上。
5.如权利要求1所述的微液滴产生器，其特征在于：该第一极板上设有一储液槽，该储液槽位于进液口与液滴通道之间且将进液口与液滴通道连通。
6.如权利要求5所述的微液滴产生器，其特征在于：该第一极板上沿该液滴通道的延伸方向设有一沟槽，该沟槽的一端与储液槽相连通，另一端与出液口连通。
7.如权利要求6所述的微液滴产生器，其特征在于：该沟槽位于这些控制电极的中部，该沟槽将每一控制电极分割成位于该沟槽两侧的电极部分及位于沟槽内的电极部分。
8.如权利要求1所述的微液滴产生器，其特征在于：该第一极板上对应每一控制电极还设有一外接电极，该控制电极与外接电极之间通过一引线连接，所述控制电路通过导线与这些外接电极电连接。
9.如权利要求8所述的微液滴产生器，其特征在于：该两支撑件设于这些控制电极的两侧，这些外接电极分布在控制电极的两侧且位于该两支撑件的外侧。
10.一种微型液体冷却装置，其特征在于：该微型液体冷却装置包括一吸热体、一散热体、一微液滴产生器及若干传输管，这些传输管将该吸热体、散热体及微液滴产生器串接形成一回路，该回路中填充有一定量的冷却液，冷却液在该微液滴产生器的作用下产生液滴并在该回路中循环流动，该微液滴产生器为权利要求1至9项中任意一项所述的微液滴产生器。
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