CN102157470B - 一种集成电流体动力泵的微型lhp散热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成电流体动力泵的微型LHP散热系统，该系统包括有EHD蒸发器、EHD冷凝器、蒸汽管道、液体管道等。EHD蒸发器中布置有用绝缘隔板隔开并与蒸发面平行的高压电极和多孔金属烧结板，高压电极用来强化蒸发器的蒸发传热，多孔金属烧结板可以提高液体工质的回流速度，该蒸发器具有尺寸小、结构紧凑、无需机械动力等优点；EHD冷凝器中布置有表面粗糙化的加工柱和高压电极，加工柱能够加快强化蒸汽的冷凝速度，高压电极将提高冷凝器中液体工质的泵送效率，从而极大地提高了微型环路热管的冷凝换热效率。采用该散热系统可以对高热流密度的电子元器件进行即时且充分的冷却，从而满足高性能微型电子元器件的散热要求。

Description

一种集成电流体动力泵的微型LHP散热系统

技术领域

本发明涉及一种用于微电子设备散热的微型LHP系统，特别是涉及一种用作微电子高热流密度条件下的集成电流体动力泵的微型LHP散热系统。

背景技术

随着各种电子器件及设备高频、高速以及集成电路技术的迅速发展和微电子机械技术的进步，如计算机芯片等向高性能、小型化及微型化的趋势发展，使得单位容积电子器件的发热量和热流密度快速增加，散热装置的布置和设计的约束也越来越多，如何在有限的空间实现高热流密度的散热成为空间热控技术问题的焦点。以计算机CPU为例，其运行过程中产生的热流密度已经达到60-100W/cm²，半导体激光器中甚至达到10³W/cm²数量级。”另一方面，电子器件工作的可靠性对温度十分敏感，器件温度在70-80℃水平上每增加1℃，可靠性就会下降5％，较高的温度水平已日益成为制约电子器件性能的瓶颈。常用的散热或冷却方式主要有：自然散热或冷却、强制散热或冷却、液体冷却、制冷方式、疏导方式、热隔离方式等。目前已研究的散热方式已经明显跟不上电子器件和设备微小型化的发展趋势，特别是当前MEMS加工技术发展非常迅猛，发展新的散热或冷却方式是势在必行的。

LHP是一种依靠工质相变原理工作的散热器，现已广泛应用于航天热控领域，在解决电子装置等高热流密度散热问题上也具有广阔前景。国内外对LHP系统的研究主要是基于其在航天领域的应用，一般都不考虑重力对系统的影响，而LHP系统应用于普通地面电子装置时都是受到重力影响的。同时，无论是何种形式的LHP系统，其启动与稳定运行性能都取决于LHP系统结构是否能够有效保证液态工质的及时补充和气态工质的顺利排出，即LHP系统中的工质能否定向稳定循环。

电流体动力泵(Electrohydrodynamic，EHD)强化传热是将电场及其理论引入传热学领域的一种方法，它是在流体中施加一外电场，利用电场、流场和温度场的相互作用而达到强化传热的目的。在众多主动强化换热技术中，EHD技术是一种新的且很有前景的散热技术。将EHD应用于微型LHP的蒸发器和冷凝器中能够促进和强化换热的原因在于高压电场的三个效益：一是对流体的电对流效应；二是对汽泡行为的运动效应；三是对流体的泵送效应。通过合理布置高压电极在蒸发器和冷凝器中的位置，可以控制工质在微型LHP系统中的流动方向，同时还能对工质产生泵送效应，使得工质不仅在微型LHP中能够定向稳定的循环，还能在反重力的情况下正常运行，从而提高微型LHP的散热效率。此系统不仅能够实现工质在微型LHP中定向稳定的循环，又满足微型化的简易结构，使得微型电子设备的具有更大的发展空间。

尽管现阶段LHP的结构多种多样，但是实现LHP中工质的定向稳定循环一直是研究人员面临的难解决的问题。

发明内容

本发明主要解决的是，针对当前LHP中存在的工质不能定向稳定循环，在有限的空间难以实现高热流密度的散热问题，提出了一种集成电流体动力泵的微型LHP散热系统，实现了工质的稳定的定向循环，为解决高热流密度问题提供了一条有效的解决途径。

本发明通过下述技术方案实现：

一种集成电流体动力泵的微型LHP散热系统，包含EHD蒸发器、EHD冷凝器，所述EHD蒸发器与EHD冷凝器之间通过蒸汽管道和液体管道连接；

所述EHD蒸发器依次设有带液体管道接口的盖板、毛细芯、高压电击、绝缘隔板，所述高压电极、绝缘隔板相互贴合并置于蒸发器的内蒸发面，所述毛细芯贴合于盖板的内面，所述毛细芯采用多孔金属烧结板；

所述EHD冷凝器依次设有带液体管道接口的盖板、带孔的绝缘隔板、高压电极、散热翅片，所述绝缘隔板和高压电极相互贴合并设置在盖板的内面，所述散热翅片的一端置于冷凝器内部，另一端穿过冷凝器置于外部；

所述蒸汽管道的一端通过EHD蒸发器的侧壁与EHD蒸发器内部连通，另一端通过EHD冷凝器的侧壁与EHD冷凝器的内部连通；

所述液体管道的一端通过EHD蒸发器盖板的接口与EHD蒸发器内部连通，另一端通过EHD冷凝器盖板的接口与EHD冷凝器内部连通。

所述EHD蒸发器和EHD冷凝器内的高压电极可以采用线状电极、柱状电极、网状电极或螺旋状电极中的任意一种；

所述EHD蒸发器内的蒸发面可以为粗糙表面，所述散热翅片表面也可以为粗糙表面；

所述散热翅片与EHD冷凝器衔接部位涂敷有硅胶层。

本发明工作机理和过程如下：

首先在整个系统内充入适量的液体工质(为介电工质)，接着对该系统进行抽真空，使得液体工质处于真空状态；其次，将加热块通过硅胶与蒸发器的外表面紧密粘合，使得加热块的热量能够最大的传递给蒸发器。当加热块开始工作温度上升，加热块与蒸发器之间存在温度梯度，热量由加热块传导给蒸发器，蒸发器内部液态工质开始汽化沸腾，LHP系统启动。本系统的蒸发器和冷凝器中都装有高压电极作为正极，蒸发器壁和冷凝器壁作为负极(接地)，正常运行时蒸发器内部的液体工质受高压电极产生的电场作用，促进液体工质朝着电场强度增加的方向流体，即朝着蒸发面方向运动；同时，毛细芯对液体工质的毛细泵吸力使得液体工质更快地进入蒸发室，加速蒸发器内蒸汽的溢出，强化蒸发传热。蒸汽顺着蒸汽管道达到冷凝器，汽态工质在冷凝器中冷凝成液态工质并放出热量，同时液态工质受高压电极产生的电场作用，朝着液体管道方向流动并通过液体管道回流到蒸发器内部毛细芯，毛细芯稳定的毛细压头将液态工质源源不断地补充到蒸发器受热面。如此循环，实现热能由加热块到冷凝器的不断转移。

与现有技术相比本发明的有益效果在于：

(1)、本发明所述的LHP散热系统在蒸发器中布置有高压电极，使得蒸发器中的液体工质朝着电场强度增加的方向流动，即朝着EHD蒸发器的蒸发面方向运动，不仅使得工质在LHP中能够定向稳定循环，还提高了蒸发器内蒸汽的溢出并强化了蒸发器中多孔金属烧结板的毛细泵吸力，从而提高了蒸发器的传热效率。

(2)、本发明所述的LHP散热系统在冷凝器中也布置有高压电极，对冷凝器中的液体工质流入液体管道产生泵送效应，使得工质朝着液体管道方向运动并提高了液体工质的回流速度，从而强化了冷凝器的传热。

(3)、本发明在蒸发器中采用了多孔金属烧结板作为毛细芯，提高了毛细芯的泵吸力，从而提高了LHP的传热功率。

(4)、本发明采用简便易行技术的手段，大大提高了传热效率，取得了积极有益的技术效果。

附图说明

图1为本发明集成电流体动力泵的微型LHP散热系统的结构示意图；

图2为图1中EHD蒸发器装置结构示意图；

图3为图1中EHD冷凝器装置结构示意图；

图4中，(a)为EHD蒸发器高压电极结构示意图，(b)为EHD冷凝器中的高压电极结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。

实施例

如图1所示，本发明集成电流体动力泵的微型LHP散热系统，包含EHD蒸发器2、EHD冷凝器8，所述EHD蒸发器2与EHD冷凝器8之间通过蒸汽管道7和液体管道13连接；所述EHD蒸发器2依次设有带液体管道接口的盖板6、毛细芯5、高压电极4、绝缘隔板3，所述高压电极4、绝缘隔板3相互贴合并置于蒸发器2内的蒸发面14(见图2)，所述毛细芯5贴合于盖板6的内面；所述毛细芯5可采用多孔金属烧结板；所述盖板6与EHD蒸发器2密封配合；所述EHD冷凝器8依次设有带液体管道13接口的盖板12、带孔的绝缘隔板11、高压电极10、散热翅片9，所述绝缘隔板11和高压电极10相互贴合并设置在盖板12的内面，所述散热翅片9的一端置于冷凝器8内部，另一端穿过冷凝器8置于外部。所述盖板12与EHD冷凝器8密封配合；散热翅片9与EHD冷凝器8衔接部位涂敷有硅胶层。

如图1、2所示。具体说，绝缘隔板3用于将高压电极4与蒸发面14隔开，高压电极4可以强化EHD蒸发器的蒸发传热，并且对液体工质有泵送效应，可以加速液体工质向蒸发面14运动，提高蒸汽的溢出速度，毛细芯5可以提高液体工质的回流速度；EHD冷凝器8中布置的表面粗糙化的散热翅片9和高压电极10，其高压电极10与EHD冷凝器8内(冷凝室)之间用绝缘隔板11隔开，散热翅片9可以强化蒸汽的冷凝速度，高压电极对液体工质具有泵送效应，可以提高液体工质的回流速度，提高该散热系统的散热效率。

如图1所示，所述蒸汽管道7的一端通过EHD蒸发器2的侧壁与EHD蒸发器2内部连通，另一端通过EHD冷凝器8的侧壁与EHD冷凝器8的内部连通；所述液体管道13的一端通过EHD蒸发器2盖板6的接口与EHD蒸发器2内部连通，另一端通过EHD冷凝器8盖板12的接口与EHD冷凝器8内部连通。

所述EHD蒸发器2内的蒸发面14为粗糙表面，可采用化学腐蚀或激光加工；所述散热翅片9表面为粗糙表面；所述EHD蒸发器2的外表面设置有加热块。

如图2所示，具体说，外界热量通过蒸发器2内的蒸发面14传到蒸发器2内部。绝缘隔板3竖直平行地附在蒸发面14上，用于高压电极4与蒸发室的绝缘。在绝缘隔板3上布置高压电极4的正极，负极为蒸发器2壁(接地)。高压电极4与高压电源相连，使液体工质中产生电场作用，对液体工质产生泵送效应，加速了蒸发器2内蒸汽的溢出并增加了毛细芯5的泵吸力，强化了蒸发器2的传热。在蒸发器2盖板6内壁面上布置有多孔金属烧结板作为毛细芯5，毛细芯5通过盖板6压紧于蒸发器2内。

如图3所示，具体说，蒸发器2中的液体工质受热汽化并通过蒸汽管道7进入冷凝器8内，冷凝器8内部散热翅片9与外部的散热翅片9结合在一起，加速工质蒸汽的冷凝。冷凝器8外部的散热翅片9采用风扇通过强制对流的冷却方式加速蒸汽的凝结。绝缘隔板11竖直平行地附在冷凝器8盖板12的内壁面上，在绝缘隔板11上布置有高压电极10的正极，负极为冷凝器8壁(接地)。高压电极10与高压电源相连，使液体工质中产生电场作用，对工质产生泵送效应，提高液体工质的回流速度，强化了冷凝器8的传热效率。

图4(a)、(b)分别为蒸发器2中的高压电极4和冷凝器8中的高压电极10的结构示意图，本发明选用的是线状电极。然而，其结构和形式的选择可以有很多种，如柱状电极、杆状电极、螺旋状电极等。

本发明的集成电流体动力泵的微型LHP散热系统的工作机理和过程如下：

首先在整个系统内充入适量的液体工质(为介电工质)，接着对该系统进行抽真空，使得液体工质处于真空状态；加热块1通过硅胶与蒸发器2的外表面紧密粘合，使得加热块1的热量能够最大的传递给蒸发器2。当加热块1开始工作温度上升，加热块1与蒸发器2之间存在温度梯度，热量由加热块1传导给蒸发器2，蒸发器2内部液态工质开始汽化沸腾，LHP系统启动。本系统的蒸发器2和冷凝器8中都装有高压电极4、10作为正极，蒸发器2壁和冷凝器8壁作为负极(接地)，正常运行时蒸发器2内部的液体工质受高压电极4产生的电场作用，促进液体工质朝着电场强度增加的方向流体，即朝着蒸发面14方向运动；同时，毛细芯5对液体工质的毛细泵吸力使得液体工质更快地进入蒸发器2内部，加速蒸发器2内蒸汽的溢出，强化蒸发传热。蒸汽顺着蒸汽管道7通过带孔的绝缘隔板11达到冷凝器8内，汽态工质在冷凝器8内冷凝成液态工质并放出热量，同时液态工质受高压电极产生的电场作用，朝着液体管道13方向流动并通过液体管道13回流到蒸发器2内部毛细芯5，毛细芯5稳定的毛细压头将液态工质源源不断地补充到蒸发器2蒸发面14。如此循环，实现热能由加热块1到冷凝器8的不断转移。

如上所述便可较好地实现本发明。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种集成电流体动力泵的微型LHP散热系统，包含EHD蒸发器、EHD冷凝器，所述EHD蒸发器与EHD冷凝器之间通过蒸汽管道和液体管道连接，其特征在于：

所述EHD蒸发器依次设有带液体管道接口的盖板、毛细芯、高压电极、绝缘隔板，所述高压电极、绝缘隔板相互贴合并置于蒸发器内的蒸发面，所述毛细芯贴合于盖板的内面；

所述EHD冷凝器依次设有带液体管道接口的盖板、带孔的绝缘隔板、高压电极、散热翅片，所述绝缘隔板和高压电极相互贴合并设置在盖板的内面，所述散热翅片的一端置于冷凝器内部，另一端穿过冷凝器置于外部；

所述蒸汽管道的一端通过EHD蒸发器的侧壁与EHD蒸发器内部连通，另一端通过EHD冷凝器的侧壁与EHD冷凝器的内部连通；

所述液体管道的一端通过EHD蒸发器盖板的接口与EHD蒸发器内部连通，另一端通过EHD冷凝器盖板的接口与EHD冷凝器内部连通。

2.根据权利要求1所述的集成电流体动力泵的微型LHP散热系统，其特征在于：所述EHD蒸发器和EHD冷凝器内的高压电极采用线状电极、柱状电极、网状电极或螺旋状电极中的任意一种。

3.根据权利要求1或2所述的集成电流体动力泵的微型LHP散热系统，其特征在于：所述毛细芯采用多孔金属烧结板。

4.根据权利要求3所述的集成电流体动力泵的微型LHP散热系统，其特征在于：所述EHD蒸发器内的蒸发面为粗糙表面。

5.根据权利要求3所述的集成电流体动力泵的微型LHP散热系统，其特征在于：散热翅片与EHD冷凝器衔接部位涂敷有硅胶层。

6.根据权利要求5所述的集成电流体动力泵的微型LHP散热系统，其特征在于：所述散热翅片表面为粗糙表面。

7.根据权利要求3所述的集成电流体动力泵的微型LHP散热系统，其特征在于：所述EHD蒸发器的外表面设置有加热块。

8.根据权利要求3所述的集成电流体动力泵的微型LHP散热系统，其特征在于：所述绝缘隔板为N型硅片。

9.根据权利要求3所述的集成电流体动力泵的微型LHP散热系统，其特征在于：所述散热翅片为柱状、片状或者针状中的任意一种形状。

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