CN104409433B - 一种基于液态金属双电层效应驱动的双流体热扩展器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液态金属双电层效应驱动的双流体薄片式热扩展器，该热扩展器包括：散热器结构体(1)，流道(11)、溶液(2)、液态金属球(3)、电极对(41、42)，电源芯片(7)。电源芯片置于热扩展器表面，提供驱动电压。本发明所提供的热扩展器第一次将液态金属的双电层效应应用于驱动散热，滚动的液态金属球破坏了流动溶液的热边界层，强化了散热效果；这种双流体的薄片散热器结构紧凑，适合于小空间布置。

Description

一种基于液态金属双电层效应驱动的双流体热扩展器

技术领域

本发明涉及紧凑式散热器技术领域，更具体涉及一种基于液态金属双电层效应驱动的双流体热扩展器。

背景技术

芯片技术在当今的信息产业及现代工业中占据着举足轻重的地位，其作用不可替代。从第一代集成电路到现在，几十年来，芯片上的晶体管数目以几何倍数攀升，而芯片本身则越来越小型化，随之而来的一个显著问题就是散热问题。可以说，散热问题成为束缚芯片向更高性能迈进的魔咒。

为解决芯片的散热问题，世界各国耗费大量心力。总结来说，现有的散热技术可分为三类：风冷、热管和水冷。风冷散热结构简单，但散热能力日益不能满足当下大热流密度的散热需求；热管散热在热流超过散热极限后会无法工作，可能导致器件温度持续攀升直至烧毁；水冷散热效果相对不错，尤其在微通道下，性能优异，但是水冷散热长期存在的一个问题就是驱动。

传统的流体芯片散热中一直存在流体驱动困难的问题，不论是电脑的CPU水冷散热，还是小型设备的散热，要想达到好的散热效果，对流散热无疑是最优选的方案，但驱动泵的问题始终存在，比如在普通的个人台式电脑上，CPU水冷的驱动泵一般为旋转叶轮机构驱动，不仅占体积而且耗能多。尤其在一些狭小空间设备，诸如笔记本电脑、平板电脑、手机上，水冷散热由于驱动泵所占的大体积几乎不大可能成为选择。

早在10多年前，本实验室提出一种全新的散热工质——液态金属，此种工质为散热领域带来了重大突破。液态金属的导热性是水的接近50倍，可通过电磁泵驱动，这种电磁泵结构体积小且无运动部件。着眼于液态金属，研究者开发了普通的塔式CPU散热器，性能优异。之后研究者又提出集成一体化的电磁泵驱动刀片式散热器，这种一体化刀片散热器结构消除了外流道管路、驱动泵体的连接和密封，其最优之处为刀片结构状的散热器可以适应狭小范围的布置，能比较灵活地满足特定光电器件和设备，如笔记本电脑、平板电脑、LED灯、通讯基站内部元件、手机等散热的需求。总的说来，采用了电磁泵后，已有的液态金属散热器体积得以大大减小，但这种方式必不可少的磁体有时会对电子造成磁干扰，若加以封装则会增大散热器体积乃至成本。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题就是将液态金属的双电层效应应用于驱动散热，减小散热器结构体积，使之应用于微小空间的散热布置。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于液态金属双电层效应驱动的双流体热扩展器，该热扩展器包括：

薄片式散热器结构体(1)，将吸热端、流道(11)、溶液(2)、液态金属球(3)和散热端集成为一体，其内部为流道(11)，流道表面设有绝缘层(12)，防止电源与散热器结构体及外部导通；

溶液(2)，其充于流道内；

液态金属球(3)，设于流道内；

电极对(41、42)，设置于流道内表面，用于控制流道内液态金属球(3)的运动；

电源芯片(7)，其设置于热扩展器外表面，给电极对提供输入电流。

优选地，所述溶液2为水、碱性溶液或盐溶液。

优选地，所述溶液2为水、NaOH溶液，NaCl盐溶液或Na₂SO₄溶液。

优选地，所述液体金属球3为低熔点金属或其合金。

优选地，所述液体金属球3为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金或水银。

优选地，所述电极对41、42浸没于流道内溶液2中，且与薄片式散热器结构体(1)绝缘，所述电极对的导线由热扩展器1壁面引出。

优选地，所述电极对41、42的材料为金、银、钛、镍或石墨；其为1-100对。

优选地，所述散热器结构体1的材料为铝、铜、金、银、钛、镍、不锈钢、石墨、有机玻璃、玻璃、二氧化硅、环氧树脂、塑料或聚四氟乙烯。

优选地，所述散热器结构体1的外形为矩形、方形、圆形或椭圆形。

优选地，所述散热器结构体1中心部位镂空成翅片状结构13或在其外表面设置有导热肋片14。

(三)有益效果

本发明由于引入双流体及电极结构，将流道，溶液，液态金属小球全集成到一个薄片式热扩展器中，外面只需提供低电压即可驱动。整个散热器结构紧凑，可以用于手机，平板电脑等各种微小空间的散热布置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一体化的基于液态金属双电层效应驱动的双流体薄片式热扩展器示意图；

图2是沿图1中A-A的剖面(平面横截面)示意图；

图3是本发明的带有镂空散热翅片结构的热扩展器外形示意图；

图4是本发明的成辐射状流道结构的热扩展器A-A剖面(平面横截面)示意图；

图5是沿图4中D-D的剖面示意图；

图6是本发明中液态金属球成环形转圈运动的热扩展器A-A剖面(平面横截面)示意图；

图7是沿图6中D-D的剖面示意图；

图8是本发明利用电场下液态金属球诱导出两个低压涡旋效应驱动流道中的溶液的流动的热扩展器A-A剖面(平面横截面)示意图；

图9是本发明单侧带有导热肋片热扩展器外观示意图；

图10是本发明两个或三个热扩展器的组合外形图。

图中标记：1、散热器结构体，2、溶液，3、液态金属球，7、电源芯片，11、流道，12、绝缘层，13、翅片状结构，14、导热肋片，15、瓶颈结构，31、液态金属球，32、液态金属球，41、电极，42、电极，43、电极，44、电极，45、电极，46、电极，47、电极，48、电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

针对散热器中的流体驱动，我们可以提出的这样的基本问题，能否仅采用电场就能驱动流体工作呢？同时，液态金属本身热容仍小于常规的水。是否可以将二者合二为一以进一步增大散热效果呢？这样的答案是可行的。

近一段时间，我们在实验室获得了新的基础发现，即浸没在水或电解溶液中的液态金属球，当施加并不高的电场如1V-30V之后，液态金属小球会在周围水体中诱发出快速旋转状态下的两个低压漩涡；而调整电极和流道，还可将液态金属的运动方式转为单一的快速定向移动。这是由于在电场作用下，处于溶液中的液态金属小球表面产生电荷积累，正电荷聚集在靠近负电极的一端，负电荷聚集在靠近正电极的一端，聚集的电荷同时会诱导溶液中的正负离子，从而形成双电层效应，在双电层对小球的剪切力和电场力合力的作用下，小球向正电极运动，如果双电层对小球的剪切力和电场合力不足以驱使小球运动，由于小球两半球电荷极性相反，则会诱导出两个低压涡旋。这些基础效应激发了对实用技术的研究推进。

根据上述新发现的物理效应，本发明首次提出一种一体化封装的电驱动型双流体热扩展器，这在本质上区别于以往的电磁驱动的单一液态金属冷却方式，也区别于单一的传统流体如水冷方式，也不同于机械泵驱动的流体冷却方式。

本发明的目的在于提供一种一体化封装的薄片式双流体热扩展器，特别涉及到一种利用浸没在溶液中的电极利用双电层效应驱动液态金属乃至周边流体，且无需其他驱动泵装置的热扩展器。该设计将吸热端、流道、导电液、散热段集成为一体。通过液态金属小球处于电场下的双电层效应产生的驱动力驱动溶液将接触点热源的热量散至整个散热片。

本发明第一次提出将溶液中液态金属双电层驱动流体效应应用于热扩展器，只需将电极浸没在流道溶液中即可，再无须其他任何泵结构，封装简单。流道内的溶液受液态金属小球驱动，液态金属小球的运动方式受电极的布置和流道的形状而变，电极可以灵活布置，且电极上可以加载不同类型的电波。这种驱动效应免去了传统电磁泵中的磁体，因而体积大大减小，封装难度显著降低，也进一步降低了成本；同时由于引入了双流体散热工质，因此集合了液态金属高导热性和水类介质高热容的双重优势。

在适当的流道布置下，电极可驱动小球诱导出两个涡旋，环形转动，来回摆动等多种形式的运动，进而驱动流道中的液体，将热源发出的热量充分散发到整个散热器。流体将热量从热源导出后，可以在散热器结构上设薄翅片或者将散热器非流道处镂空形成翅片结构，增大换热面积，排出热量。

本发明由于引入双流体及电极结构，将流道，溶液，液态金属小球全集成到一个薄片式热扩展器中，外面只需提供低电压即可驱动。整个散热器结构紧凑，可以用于手机，平板电脑等各种微小空间的散热布置。

本发明提供的一体化的双流体热扩展器，其包括：

一内部流道结构的散热器结构体1，其吸热端、流道、溶液、液态金属球、电极和散热端合而为一个连通的环形；由此可形成薄片型热扩展器，当其外壁局部贴附于热源时，流道内该处溶液2可吸收热量，并由此传输到热扩展器远端一侧再释放出去。

所述散热器结构体1材料为金属时，其内表面为通过诸如阳极氧化、高温纯氧作用或化学反应处理后形成绝缘层12，也可为在内表面镀上环氧树脂、塑料、二氧化硅或聚四氟乙烯等形成绝缘层12；若所述散热器结构材料为非金属如环氧树脂、塑料、二氧化硅或聚四氟乙烯时，其内表面自动绝缘，此时无需作额外处理。

本发明散热器结构体的外形可以是：矩形、方形、圆形、椭圆形或其它形状，热扩展器内部可以镂空成翅片状或在外部可设导热肋片。

热扩展器引入并固定一对电极对，用于控制液态金属球2以形成不同运动形式，电极对浸没在流道中，此电极对与散热器结构体1要绝缘，且长度要小，约1mm左右，以不阻挡流道内液态金属球的运动为宜，电极对材料由金、银、钛、镍、石墨等制成，电极对数目可为1-100个，所述电极对的导线由热扩展器1壁面引出，连在电源芯片7上。

充于流道内的溶液2可以为水、NaOH溶液，NaCl盐溶液，Na₂SO₄溶液，或其他碱性溶液、盐溶液。

充于流道内的液态金属球3的液态金属为低熔点金属或其合金，如镓、镓铟合金、镓铟锡合金、甚至是水银或上述金属合金。

电源芯片7设于热扩展器外表面上，给电极对41、42提供电压信号，此信号可以是正弦波，矩形波，间断或持续的电波信号等。

散热器结构体1的材料可以是金属材料，如铝、铜、金、银、钛、镍、不锈钢、石墨，或者非金属材料如环氧树脂、塑料、玻璃、二氧化硅或聚四氟乙烯等。

散热器结构体1中的流道在适当地方可缩小直径形成凸起的瓶颈结构15从而限制液态金属球3的运动，这是由于液态金属球表面张力极大，在低电压下不易变形通过瓶颈结构，这样能更好地配合电极41、42对液态金属球3的控制。

电极对41和42通过导线与外部的电源芯片7形成电连接，电源芯片7由外界电源供电；插入流道内的电极对长度应比较短，以不阻挡流道内的液态金属球运动为宜。

本发明的一体化的双流体薄片式热扩展器的特点在于：这种薄片型散热器1结构很薄；当接通电源芯片7的外接电源时，浸没于流道溶液2内的液态金属球3会在电场的诱导下产生双电层效应，从而诱导出两个低压涡旋或者驱使小球向正极的运动。当流道的瓶颈结构限制了液态金属球的运动后，液态金属球会在液态金属球附近诱导出两个涡旋，形成低压，从而驱动流道内的溶液流动；如果没有瓶颈结构限制液态金属球3的运动，液态金属球3会向电极的正极移动，驱动流道中的溶液流动，流动的溶液或者液态金属球本身冲刷发热表面，由此达到冷却散热能力。电源芯片7可以控制电流输入正反向、波形、大小及频率，从而控制流道内溶液2的运动方式。本发明中电极41和电极42的结构可以多种形式设置。

所述电极对由与溶液2及液态金属球3不发生腐蚀作用的材料制成，以确保不会被所输送的流体所腐蚀。比如，所述电极41和电极42可为导电材料如石墨、金、钛、镍或银等材料。

本发明第一次将液态金属在溶液中的双电层驱动效应应用于散热。其双流体工质不同于以往的纯液态金属，驱动方式由于略去了传统电磁泵中必不可少的磁体，因而简化许多，这种结构源于电场诱发所改变的双电层效应，工作原理独特。在国内外文献和专利中未见报道，是一种概念崭新的紧凑型液体散热器。

本发明的一体化的双流体薄片式热扩展器的制作如下：

在一块材料上通过机械加工出流道结构，同时制作出上端盖；若散热器结构材料为非金属材料，则直接进行后续制作即可，若散热器结构材料为金属，则需对其内表面予以绝缘化，实现方法为：阳极氧化、高温纯氧氧化或化学反应，由此可在流道内表面形成绝缘层；按照设计位置，热扩展器引入并固定一对电极对，用于控制液态金属球2以形成不同运动形式，电极对浸没在流道中，此电极对与散热器结构体1要绝缘，且长度要小，约1mm左右，以不阻挡流道内液态金属球的运动为宜；所述电极对的导线由热扩展器1壁面引出，连在电源芯片7上；之后将下部分与上端盖合并焊接好缝隙，确保流道结构对准；最后，将下部分与上端盖焊接在一起，便完成了一体化热扩展器的制作。

下面通过实施例进一步说明本发明。

实施例1：

图1是本发明一种基于液态金属双电层效应驱动的双流体薄片式热扩展器外形示意图，图2为其A-A截面，即横截面图。

该热扩展器将吸热端、流道、溶液、液态金属球和散热端集成为一体，成薄片状。

该散热器结构体1当用金属制作时，可以选用铝、铜、金、银、钛、镍、不锈钢或石墨，但材料内表面应通过阳极氧化、高温纯氧作用或化学反应处理，以形成绝缘层12，或者镀上环氧树脂、塑料、漆等构成的绝缘层12；防止电源与热扩展器结构体及外部导通；

假如散热器结构体1非金属材料如环氧树脂、塑料、玻璃、二氧化硅或聚四氟乙烯时，则无需作额外处理；

散热器结构体1外形平面可为矩形、方形、圆形或椭圆形或更多形状，所述散热器结构体1外表面设置有导热肋片14或内部镂空形成翅片结构13。

热扩展器引入并固定一对电极对，用于控制液态金属球2以形成不同运动形式，电极对浸没在流道中，此电极对与散热器结构体1要绝缘，且长度要小，约1mm左右，以不阻挡流道内液态金属球的运动为宜，电极对材料由金、银、钛、镍、石墨等制成，电极对数目可为1-100个，所述电极对的导线由热扩展器1壁面引出，连在电源芯片7上；

充于流道内的溶液2可以为水、NaOH溶液，NaCl盐溶液，Na₂SO₄溶液，或其他碱性溶液、盐溶液。

充于流道内的液态金属球3的液态金属为低熔点金属或其合金，如镓、镓铟合金、镓铟锡合金、甚至是水银；

设置于热扩展器表面的电源芯片7为电极41，42，提供输入电流，与电极连接，电源芯片为电极提供的电压可以是方波、正弦波，或不变电源。

所述电极对41、42由与溶液2及液态金属球不发生腐蚀作用的材料制成，电极在通电后会跟溶液也发生微弱电解，因而，电极材料最好为惰性材料，比如，所述电极41，42可为石墨、金、钛、镍或银等材料。

流道11的设置，流道可以设成正方形的，或圆形流道均可，正方形边长或者圆形直径可在1mm～1cm之间，散热器结构体1中的流道11在适当地方可缩小直径形成凸起的瓶颈结构15从而限制液态金属球3的运动。

该结构实现散热的原理是：在电极41，42上加极性变化的矩形波电压信号，信号的周期为小球来回摆动的周期，处于两瓶颈结构流道之间的液态金属球3会来回摆动，从而推动流道中的溶液，溶液将热量带到整个散热片。

实施例2：

图3是本发明的带有镂空散热翅片结构13的热扩展器外形图。

由于散热器的结构体在非流道位置中间部位是实体的，为了增大散热面积，可以将中部镂空形成散热翅片。

本实施例中，热扩展器结构体1中部镂空成翅片状，用于增强换热。其余结构与实施例1完全相同。

实施例3：

图4是本发明的成辐射状的流道结构的热扩展器横截面图。

本实例中，设有8对电极，图中列出41，42，43，44。每对电极如实例1加极性变化的矩形电波，处于8个流道中的液态金属球在电场下不断摆动，将热量从中心散至四周。吸热段应设于中心处。

其他结构与实例1相同。

实施例4：

图5是本发明中液态金属球3成环形转圈运动的热扩展器横截面图。

本实例中每个圈设有两对电极，共有四对电极：41，42,，43，44，45，46，47，48；此结构的驱动电压所加顺序需提前设好，以左边圈的液态金属球驱动为例，41跟42为一对电极，43跟44为一对电极。41为负极，42为正极，43为负极，44为正极，先在第一对电极41、42上加电压，液态金属球旋转到41、43中间后，在43、44电极上加电压，此时41、42电压为零，如此循环往复，电压周期等于小球转圈的运动，也就是说只需在两对电极上提供间断的周期性电压即可驱动液态金属小球不断转动。液态金属小球转动驱动溶液流动，将热量散到整个扩展器。

该热扩展器其他结构与实例1相同。

实施例5：

图6是本发明利用电场下液态金属球诱导出两个低压涡旋效应驱动流道中的溶液的流动；本实例中，液态金属球被流道瓶颈结构15卡住，不能来回摆动，根据研究者所在实验室研究发现，处于电场下卡住不动的液态金属球会诱导出两个涡旋，在靠近电源正极附近形成两个低压区，靠近电源负极处形成高压区，从而驱动流道内的溶液运动。本实例设了两个同样的驱动结构。

该热扩展器其他结构与实例1相同。

实施例6：

图7是本发明单侧带有导热肋片14的结构。其余结构与实施例1完全相同。

实例7：

图8是本发明两个或三个热扩展器的组合情形。

发明提供的一体化的薄片式热扩展器的优点如下：

1.本发明不同于以往的液态金属散热器，引入的基于双电层效应的电水动力学驱动机制免去了传统电磁泵中的磁体，因而体积大大减小，封装难度显著降低，也进一步降低了成本；以往虽有双流体散热器，但必须采用机械泵等大体积驱动机构才能工作，本发明成功去除了这些机构，仅依靠电极即可实现多种流体的驱动。

2.由于同时引入了双流体散热工质，因此集合了液态金属高导热性和水类介质高热容的双重优势，也降低了液态金属用量从而减少成本，而水类溶液的驱动由于液态金属双电层效应也得以迎刃而解。

3.封装的一体化结构没有外流道，无需对驱动泵进行连接、密封，这也就避免了泄漏等问题。

4.流道内的液态金属球驱动溶液运动，液态金属球的运动状态跟电极布置有关，电极可灵活布置，可以提供的驱动力幅度变化较大，因而可以适应不同状况的散热问题。

5.流道结构可以进行多种设计，热源处可以设计多个流道，从而增大散热面积，获得好的散热效果。

6.本发明可以将流道，电极，液态金属球，电源芯片集成于一体，但是，在有些情况下，也可以不要芯片，仅仅将流道，电极布置到所需散热的地方，比如手机散热完全依靠石墨导热，运用本发明将流道布置在石墨片上，将CPU所发热量扩展到整个石墨片，由完全导热变为对流散热与导热相结合，增强散热效果。

7.本发明所设计的散热器结构紧凑，可布置于狭小空间内，并可随实际需要弯曲；远端可设立散热翅片，或者将非流道处的散热器结构体镂空形成翅片，将热源处的热量有效散去。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于液态金属双电层效应驱动的双流体热扩展器，其特征在于，该热扩展器包括：

薄片式散热器结构体(1)，将吸热端、流道(11)、溶液(2)、液态金属球(3)和散热端集成为一体，其内部为流道(11)，流道表面设有绝缘层(12)，防止电源与散热器结构体及外部导通；

溶液(2)，其充于流道内；

液态金属球(3)，设于流道内；

电极对(41、42)，设置于流道内表面，用于控制流道内液态金属球(3)的运动；

电源芯片(7)，其设置于热扩展器外表面，给电极对提供输入电流。

2.根据权利要求1所述的基于液态金属双电层效应驱动的双流体热扩展器，其特征在于，所述溶液(2)为水、碱性溶液或盐溶液。

3.根据权利要求2所述的基于液态金属双电层效应驱动的双流体热扩展器，其特征在于，所述溶液(2)为水、NaOH溶液，NaCl盐溶液或Na₂SO₄溶液。

4.根据权利要求1所述的基于液态金属双电层效应驱动的双流体热扩展器，其特征在于，所述液态金属球(3)为低熔点金属或其合金。

5.根据权利要求4所述的基于液态金属双电层效应驱动的双流体热扩展器，其特征在于，所述液态金属球(3)为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金或水银。

6.根据权利要求1所述的基于液态金属双电层效应驱动的双流体热扩展器，其特征在于，所述电极对(41、42)浸没于流道内溶液(2)中，且与薄片式散热器结构体(1)绝缘，所述电极对的导线由热扩展器(1)壁面引出。

7.根据权利要求5所述的基于液态金属双电层效应驱动的双流体热扩展器，其特征在于，所述电极对(41、42)的材料为金、银、钛、镍或石墨；其为1-100对。

8.根据权利要求1所述的基于液态金属双电层效应驱动的双流体热扩展器，其特征在于，所述散热器结构体(1)的材料为铝、铜、金、银、钛、镍、不锈钢、石墨、有机玻璃、玻璃、二氧化硅、环氧树脂、塑料或聚四氟乙烯。

9.根据权利要求1所述的基于液态金属双电层效应驱动的双流体热扩展器，其特征在于，所述散热器结构体(1)的外形为矩形、方形、圆形或椭圆形。

10.根据权利要求1所述的基于液态金属双电层效应驱动的双流体热扩展器，其特征在于，所述散热器结构体(1)中心部位镂空成翅片状结构(13)或在其外表面设置有导热肋片(14)。