CN106206490B - 被动式mems流致振动强化传热装置及其传热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种被动式MEMS流致振动强化传热装置及其传热方法。通过合理的结构设计，使得在热沉温度升高时，固定在热沉上的悬臂梁结构能够产生远离热沉的偏转运动，并且偏转的角度随着热沉温度的升高而升高。当悬臂梁结构的偏转角增大时，其长度方向与来流速度方向的夹角也相应增大，这使得悬臂梁振动部分的振动更加剧烈，从而对悬臂梁附近的流场产生更大的扰动，破坏了热边界层的形成，最终实现传热的强化。这种强化传热装置不需要人工控制，也不需要外界输入能量，能够自动根据热沉温度调节散热强度，这为解决现代电子器件的高热流密度问题提供了新的途径。

Description

被动式MEMS流致振动强化传热装置及其传热方法
技术领域
本发明涉及一种被动式温度控制的MEMS流致振动强化传热装置及其工作方法，可广泛应用于现代电子器件的散热领域。
背景技术
电子器件已经深入到现代生活的各个角落，在许多技术领域中都发挥着巨大的作用。随着技术的进一步发展，人们对电子器件的性能要求越来越高，总体呈现出高性能、小体积的发展趋势，这一发展趋势，使得电子器件的热设计问题越来越重要。以增大传热面积为代表的传统被动式散热技术，在现代电子器件封装尺寸小型化的约束下，已经难以再提升其散热性能，而水冷、相变等新一代被动式散热技术，其整体结构较为复杂，难以应用于微小型电子器件。至于合成射流、机械扰动等主动式强化传热技术，其结构也较为复杂，并且在散热的过程中需要消耗额外的能量。
发明内容
为了解决现代电子产品的高热流密度问题，本发明提供了一种被动式MEMS流致振动强化传热装置及其传热方法。
一种被动式MEMS流致振动强化传热装置，包括热沉基座、填充材料、梳齿状结构、振动部分；热沉基座与电子器件的发热部分通过导热管相连接，能够吸收电子器件发出的热量，使自身的温度升高；驱动部分由梳齿状结构和填充在齿间的填充材料构成；梳齿状结构连接着热沉基座；振动部分是梳齿状结构顶部薄层的延伸段，与梳齿状结构、填充材料一同构成悬臂梁结构。
所述的振动部分，它的厚度小于长度、宽度，在外界扰动下，在垂直于厚度的方向上产生振动。
所述的填充材料采用热膨胀系数大于1x10-5/K的聚合物材料。
所述的热沉基座上设有多个悬臂梁结构。
一种所述装置的工作方法，当热沉吸收电子器件发出的热量时，热沉基座和悬臂梁结构的温度同时升高，通过选取填充材料，使其热膨胀系数大于热沉基座，从而使悬臂梁结构的驱动部分产生双金属片效应，向远离热沉基座的方向偏转，并带动振动部分同时偏转；悬臂梁结构的偏转角度与热沉基座的温度呈正相关，热沉基座温度越高，悬臂梁结构的偏转角度越大；当振动部分产生偏转后，与来流流速方向的夹角相应减小，在流体流经振动部分时产生漩涡脱落，使流场对振动部分的作用力呈现周期性变化，从而导致振动部分在垂直其厚度的方向产生振动，振动的剧烈程度与偏转角度呈正相关，偏转角度越大，振动越剧烈；振动部分的振动会对悬臂梁结构附近的流场产生扰动，破坏热边界层的形成，从而实现传热强化。
本发明的有益效果在于：第一，利用电子产品自身发出的热量实现驱动，不需要额外的外部能量输入；第二，当热沉温度升高时，悬臂梁的偏转角会相应增大，形成自适应调节散热强度，不需要人为控制；第三，采用振动强化传热的方式能够有效地破坏热边界层的形成，具备较好的散热效果；第四，MEMS流致振动强化传热装置结构简单、紧凑，响应速度快，不需要铺设额外的电路，可应用于解决各种电子器件的散热问题；第五，采用梳齿状驱动结构，可以在获得较好驱动性能的同时，避免出现材料分离、开裂等问题。
附图说明
图1是被动式MEMS流致振动强化传热装置在未受热时的纵向剖面图；
图2是被动式MEMS流致振动强化传热装置在受热情况下的纵向剖面图；
图3是被动式MEMS流致振动强化传热装置悬臂梁部分的三维结构示意图；
图4是嵌有4x4个MEMS流致振动强化传热装置热沉的三维结构示意图；
附图标记说明：1.热沉基座；2.填充材料；3.梳齿状结构；4.振动部分；5.悬臂梁结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种被动式温度控制的MEMS流致振动强化传热装置，它包括热沉基座1、填充材料2、梳齿状结构3、振动部分4；热沉基座1与电子器件的发热部分通过导热管相连接，能够吸收电子器件发出的热量，使自身温度升高；驱动部分由梳齿状结构3和填充在齿间的填充材料2（通常为热膨胀系数大于1x10-5/K的聚合物材料）构成，梳齿状结构3连接着热沉基座1；振动部分4是梳齿状结构3顶部薄层的延伸段，与梳齿状结构3、填充材料2一同构成MEMS流致振动强化传热装置的悬臂梁结构5。
如图1、2所示，热沉基座1与电子器件的发热部分通过导热管相连接，能够吸收电子器件发出的热量，并传递至强化传热装置的悬臂梁结构5，使悬臂梁结构5的温度升高。另外，它还起到支撑悬臂梁结构5的作用。
如图1、2所示，所述的驱动部分是由填充材料2和梳齿状骨架3组成，两部分材料结合紧密，当两者温度同时升高时，由于填充材料2的热膨胀系数要大于梳齿状骨架3的材料，因此将产生双金属片现象，即结构整体会向顶部薄层的方向发生偏转。
如图1、2所示，所谓的振动部分4，是梳齿状骨架3顶部薄层的延伸段，它可以接收驱动部分传递过来的偏转位移信号，并作同向的偏转运动，最终导致振动部分4与来流速度方向之间的夹角增大。
如图1、2、3所示，一种被动式温度控制的MEMS流致振动强化传热方法，：热沉基座1通过导热管吸收电子器件发出的热量，并将热量传递至强化传热装置的悬臂梁结构5，使悬臂梁结构5的温度升高，通过选取适当的填充材料2，使其热膨胀系数大于热沉材料，就可使悬臂梁结构5的驱动部分产生双金属片效应，向远离热沉基座的方向偏转，并带动与之相连的振动部分4同时偏转；悬臂梁结构5的偏转角度与热沉的温度呈正相关，热沉温度越高，悬臂梁结构5的偏转角度越大；当振动部分4产生偏转后，它与来流流速方向的夹角会相应减小，根据流体力学的知识可知，在流体流经振动部分4时会产生漩涡脱落，这就使得流场对振动部分4的作用力呈现周期性变化，从而导致振动部分4在垂直其厚度的方向产生振动，振动的剧烈程度与偏转角度呈正相关，偏转角度越大，振动越剧烈；振动部分4的振动会对悬臂梁结构5附近的流场产生扰动，破坏热边界层的形成，从而实现传热强化。
如图4所示，在有限的热沉基座面积上可以加工出多个悬臂梁结构5，可大幅提升热沉的散热效果。

Claims (5)

1.一种被动式MEMS流致振动强化传热装置，其特征在于：它包括热沉基座（1）、填充材料（2）、梳齿状结构（3）、振动部分（4）；热沉基座（1）与电子器件的发热部分通过导热管相连接，能够吸收电子器件发出的热量，使自身的温度升高；驱动部分由梳齿状结构（3）和填充在齿间的填充材料（2）构成；梳齿状结构（3）连接着热沉基座（1）；振动部分（4）是梳齿状结构（3）顶部薄层的延伸段，与梳齿状结构（3）、填充材料（2）一同构成悬臂梁结构（5）；填充材料（2）的热膨胀系数大于梳齿状结构（3）的热膨胀系数，从而使驱动部分具备双金属片效应。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的振动部分（4），它的厚度小于长度、宽度，在外界扰动下，在垂直于厚度的方向上产生振动。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的填充材料（2）采用热膨胀系数大于1x10-5/K的聚合物材料。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的热沉基座（1）上设有多个悬臂梁结构（5）。
5.一种如权利要求1所述装置的传热方法，其特征在于：当热沉吸收电子器件发出的热量时，热沉基座（1）和悬臂梁结构（5）的温度同时升高，通过选取填充材料（2），使其热膨胀系数大于热沉基座，从而使悬臂梁结构（5）的驱动部分产生双金属片效应，向远离热沉基座（1）的方向偏转，并带动振动部分（4）同时偏转；悬臂梁结构（5）的偏转角度与热沉基座（1）的温度呈正相关，热沉基座（1）温度越高，悬臂梁结构（5）的偏转角度越大；当振动部分（4）产生偏转后，与来流流速方向的夹角相应减小，在流体流经振动部分（4）时产生漩涡脱落，使流场对振动部分（4）的作用力呈现周期性变化，从而导致振动部分（4）在垂直其厚度的方向产生振动，振动的剧烈程度与偏转角度呈正相关，偏转角度越大，振动越剧烈；振动部分（4）的振动会对悬臂梁结构（5）附近的流场产生扰动，破坏热边界层的形成，从而实现传热强化。
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