CN107039370A - 一种由气泡微泵驱动的微流道散热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由气泡微泵驱动的微流道散热系统，涉及芯片散热装置技术领域。它包括芯片基体，芯片基体加工有微流道循环散热管路系统；所述微流道循环散热管路系统，包括位于芯片基体上层的散热总成、均位于芯片基体内层的吸热总成和微气泡泵总成、以及将散热总成、吸热总成、微气泡泵总成三者串联构成循环的干路管。本发明利用微气泡泵作为动力，可以将液冷散热系统集成在电路板上，通过冷却液在微流道中的定向流动，实现散热功能。不占用额外的空间。利用芯片产热造成的温差作为微泵工作的能量来源，不耗费额外的能量。

Description

一种由气泡微泵驱动的微流道散热系统
技术领域
本发明涉及芯片散热装置技术领域，尤其是由气泡微泵在微流道内驱动流体进行散热的散热系统。
背景技术
目前，电子设备的小型化为芯片的散热系统带来了新的挑战：传统的风扇冷却系统由于占用空间过大，无法在手机等小型电子设备上应用。传统的水冷设备虽然冷却效果好，但是占用空间大，水泵噪声大，耗能多。手机上常用的散热铜管，也需要占据额外的空间。
芯片散热是目前电子设备面临的一项重要的调整，是提高电脑、手机登电子设备性能的一个瓶颈。微流体驱动与控制技术是微机电系统（MEMS）的关键技术之一，在各种涉及微流体输运的场合均有广泛的应用。微泵是实现微量流体的自动、精确驱动和控制功能的重要装置，直径可小至1mm以下，在温度变化或者外界能量输入时，可提供流体在微流道中流动的动力，对微流体器件的性能改进具有重要影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，是针对上述存在的技术不足，提供一种由气泡微泵驱动的微流道散热系统，利用微气泡泵作为动力，可以将液冷散热系统集成在电路板上，通过冷却液在微流道中的定向流动，实现散热功能。不占用额外的空间。利用芯片产热造成的温差作为微泵工作的能量来源，不耗费额外的能量。
本发明采用的技术方案是：提供一种由气泡微泵驱动的微流道散热系统，包括芯片基体，芯片基体加工有微流道循环散热管路系统；所述微流道循环散热管路系统，包括位于芯片基体上层的散热总成、均位于芯片基体内层的吸热总成和微气泡泵总成、以及将散热总成、吸热总成、微气泡泵总成三者串联构成循环的干路管；
所述微气泡泵总成包括相变腔、单向分流腔、位于单向分流腔上游的A缓冲腔、位于单向分流腔下游的B缓冲腔；吸热总成以及相变腔均位于芯片基体产热区域；相变腔内填充有相变液；相变腔通过驱动管路与单向分流腔的中部导通；所述驱动管路的容量大于相变液受热汽化后的体积膨胀量；所述A缓冲腔和B缓冲腔的缓冲量大于相变液受热汽化后的体积膨胀量；吸热总成、散热总成、单向分流腔内均填充有冷却液；在驱动管路内，冷却液与相变液两者不互溶或者通过与两者不互溶的隔离液泡隔离。
进一步优化本技术方案，一种由气泡微泵驱动的微流道散热系统的A缓冲腔和B缓冲腔均为密封腔体，内部均填充有不溶于冷却液的缓冲气体。
进一步优化本技术方案，一种由气泡微泵驱动的微流道散热系统的A缓冲腔和B缓冲腔均由多个毛细管流道并联或者串联组成；毛细管流道的末端与外界连通。
进一步优化本技术方案，一种由气泡微泵驱动的微流道散热系统的单向分流腔由两个方向相同的锥管在分流腔管的两端串接构成；驱动管路的末端在两个锥管之间与干路管连通。
进一步优化本技术方案，一种由气泡微泵驱动的微流道散热系统的单向分流腔由两个方向相同的单向阀在分流腔管的两端串接构成；驱动管路的末端在两个单向阀之间与干路管连通。
进一步优化本技术方案，一种由气泡微泵驱动的微流道散热系统的相变腔外部安装有周期性主动加热装置。
本发明的有益效果是：
1、本技术方案中，利用微气泡泵驱动冷却液循环，将芯片基体内的热量通过冷却液传导到外部，导热速度比直接在芯片外层表面散热效率高。而微气泡泵的动力来源于相变腔内的相变液汽化产生的体积膨胀做功，相变液的汽化能量来源于吸收芯片基体的产热，这种由需要散热的芯片来提供散热所需要的能量，能量利用率高，减少能耗。既提高散热效率，又能够减少能量消耗。
2、干路管、散热总成、吸热总成、微气泡泵总成等均结构简单，散热过程中结构稳定，除液体流动外，固体结构基本保持静止，损耗率低，通过A缓冲腔和B缓冲腔承载内部的压力波动，无需外界干预，寿命长。
3、A缓冲腔和B缓冲腔内部通过缓冲气体的可压缩性承载干路管内的压力波动，与外界保持绝对密封，干路管内外保持隔离，外界的干扰较小。A缓冲腔和B缓冲腔通过毛细管流道构成，其通过毛细管与冷却液材质之间的疏离性，产生冷却液的流动阻力，用来承载干路管内压力波动，其流动阻力稳定，不会因为缓冲量的变化而大幅变化，缓冲效果好。
4、单向分流腔采用无阀锥管结构，整体结构无活动部件，寿命长，损耗小；采用单向阀结构，其截流性能好，循环效率高。
5、主动性加热装置能够主动为相变腔加热，主动控制相变的频率和速度，虽然消耗能量，但是能够更好的控制散热效果。
附图说明
图1为实施例一的结构示意图；
图2为实施例二结构示意图。
图中，1、芯片基体；2、散热总成；3、吸热总成；4、微气泡泵总成；5、干路管；6、相变腔；7、单向分流腔；8、A缓冲腔；9、B缓冲腔；10、相变液；11、冷却液；12、隔离液泡；13、毛细管流道；14、锥管；15、单向阀；16、分流腔管；17、周期性加热装置；18、驱动管路19、缓冲气体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
如图1所示，一种由气泡微泵驱动的微流道散热系统包括芯片基体1，芯片基体1加工有微流道循环散热管路系统；所述微流道循环散热管路系统，包括位于芯片基体1上层的散热总成2、均位于芯片基体1内层的吸热总成3和微气泡泵总成4、以及将散热总成2、吸热总成3、微气泡泵总4成三者串联构成循环的干路管5；
所述微气泡泵总成4包括相变腔5、单向分流腔6、位于单向分流腔6上游的A缓冲腔7、位于单向分流腔6下游的B缓冲腔8；吸热总成3以及相变腔6均位于芯片基体1产热区域；相变腔6内填充有相变液10；相变腔6通过驱动管路18与单向分流腔7的中部导通；所述驱动管路18的容量大于相变液10受热汽化后的体积膨胀量；所述A缓冲腔8和B缓冲腔9的缓冲量大于相变液10受热汽化后的体积膨胀量；吸热总成3、散热总成2、单向分流腔7内均填充有冷却液11；在驱动管路18内，冷却液11与相变液10两者不互溶或者通过与两者不互溶的隔离液泡12隔离；A缓冲腔8和B缓冲腔9均为密封腔体，内部均填充有不溶于冷却液的缓冲气体19；单向分流腔7由两个方向相同的锥管14在分流腔管16的两端串接构成；驱动管路18的末端在两个锥管14之间与干路管5连通；相变腔6外部安装有周期性主动加热装置17。
本实施例中所用的冷却液除水以外，还可以选择乙醇、硅油等液体。相变液可以选择乙醚、氟利昂等低沸点液体。芯片基体1可以是硅基也可以是铜基；散热总成2在芯片基体1上层，用来与外界冷源热交换。吸热总成3在芯片基体1内层，用来吸收芯片基体1产热。吸热总成3和散热总成2由微流道排列并联构成；微流道尺度大约在01至1mm之间。
相变腔6位于热源附近，温度上升时，相变液10受热汽化，体积膨胀，将冷却液11泵出相变腔6，锥管14起到不完全单向阀的作用，当流体从管径较小的一端流向管径较大的一端时，其使更多的冷却液11向上方流出。由上方流出的冷却液11，一部分经过干路管5散热总成2，一部分进入A缓冲腔8.由下方流出的少部分冷却液11则会流入B缓冲腔9，冷却液11经过散热总成2降温之后，经过干路管5进入吸热总成3，强热量带走，然后流入B缓冲腔9，当相变腔6被冷却，温度下降时，内部气体体积收缩并液化，从而将冷却液11吸入相变腔6中。由于锥管14的作用，大部分的冷却液11从B缓冲腔9以及下方的驱动管路18进入相变腔6，只有少量的冷却液11从A缓冲腔8进入相变腔6。由于整个回路压力下降，A缓冲腔8中的冷去液11流出，继续在干路管5中流动。如此，无论相变腔6中的气体体积增大还是缩小，均能驱动冷却液11单向流动。
周期性主动加热装置17可以是铺设在相变腔6周围的电阻加热线圈。通过现成的信号发生器电路，利用这种电路可以发出一定频率和占空比的方波信号。可以把这种电路集成在芯片上，然后用这种方波电压信号经过功率放大电路放大，驱动电阻丝。另外，还可以用激光爆闪加热相变腔6，用信号发生器电路控制激光发生器的开关。
实施例二：
如图2，本实施例与实施例一的区别在于： A缓冲腔8和B缓冲腔9均由多个毛细管13流道并联或者串联组成；毛细管流道13的末端与外界连通；单向分流腔7由两个方向相同的单向阀15在分流腔管16的两端串接构成；驱动管路18的末端在两个单向阀15之间与干路管5连通。
A缓冲腔8和B缓冲腔9内部通过缓冲气体19的可压缩性承载干路管5内的压力波动，与外界保持绝对密封，干路管5内外保持隔离，外界的干扰较小。A缓冲腔8和B缓冲腔9通过毛细管流道13构成，其通过毛细管13与冷却液11材质之间的疏离性，产生冷却液11的流动阻力，用来承载干路管5内压力波动，其流动阻力稳定，不会因为缓冲量的变化而大幅变化，缓冲效果好；单向阀11，其截流性能好，循环效率高。

Claims (8)

1.一种由气泡微泵驱动的微流道散热系统,其特征在于：包括芯片基体（1），芯片基体（1）加工有微流道循环散热管路系统；所述微流道循环散热管路系统，包括位于芯片基体（1）上层的散热总成（2）、均位于芯片基体（1）内层的吸热总成（3）和微气泡泵总成（4）、以及将散热总成（2）、吸热总成（3）、微气泡泵总（4）成三者串联构成循环的干路管（5）；
所述微气泡泵总成（4）包括相变腔（5）、单向分流腔（6）、位于单向分流腔（6）上游的A缓冲腔（7）、位于单向分流腔（6）下游的B缓冲腔（8）；吸热总成（3）以及相变腔（6）均位于芯片基体（1）产热区域；相变腔（6）内填充有相变液（10）；相变腔（6）通过驱动管路（18）与单向分流腔（7）的中部导通；所述驱动管路（18）的容量大于相变液（10）受热汽化后的体积膨胀量；所述A缓冲腔（8）和B缓冲腔（9）的缓冲量大于相变液（10）受热汽化后的体积膨胀量；吸热总成（3）、散热总成（2）、单向分流腔（7）内均填充有冷却液（11）；在驱动管路（18）内，冷却液（11）与相变液（10）两者不互溶或者通过与两者不互溶的隔离液泡（12）隔离。
2.根据权利要求1所述的一种由气泡微泵驱动的微流道散热系统，其特征在于：所述的A缓冲腔（8）和B缓冲腔（9）均为密封腔体，内部均填充有不溶于冷却液的缓冲气体（19）。
3.根据权利要求1所述的一种由气泡微泵驱动的微流道散热系统，其特征在于：A缓冲腔（8）和B缓冲腔（9）均由多个毛细管（13）流道并联或者串联组成；毛细管流道（13）的末端与外界连通。
4.根据权利要求1至权利要求3任意一项所述的一种由气泡微泵驱动的微流道散热系统，其特征在于：所述的单向分流腔（7）由两个方向相同的锥管（14）在分流腔管（16）的两端串接构成；驱动管路（18）的末端在两个锥管（14）之间与干路管（5）连通。
5.根据权利要求1至权利要求3任意一项所述的一种由气泡微泵驱动的微流道散热系统，其特征在于：所述的单向分流腔（7）由两个方向相同的单向阀（15）在分流腔管（16）的两端串接构成；驱动管路（18）的末端在两个单向阀（15）之间与干路管（5）连通。
6.根据权利要求1至权利要求3任意一项所述的一种由气泡微泵驱动的微流道散热系统，其特征在于：所述的相变腔（6）外部安装有周期性主动加热装置（17）。
7.根据权利要求4所述的一种由气泡微泵驱动的微流道散热系统，其特征在于：所述的相变腔（6）外部安装有周期性主动加热装置（17）。
8.根据权利要求5所述的一种由气泡微泵驱动的微流道散热系统，其特征在于：所述的相变腔（6）外部安装有周期性主动加热装置（17）。
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