CN112366192A - 一种基于电场调控固液相变的电子元件散热装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于电场调控固液相变的电子元件散热装置，属于主动控制电子元件散热技术领域。本发明解决了现有的电子元件的散热方式存在的散热效率低、散热速率不可控以及长期能耗的问题。风扇与电极板之间以及热沉与电子元件之间分别布置有散热介质，热沉、电极板及包装基座共同形成空腔结构，且空腔结构内填充相变材料，热沉连接至可调直流电源的阳极，所述电极板连接至可调直流电源的阴极，通过可调直流电源调控空腔结构内的电场强度。相变材料在电场的作用下实现主动调控相变强度，从而实现主动控制固液相变速率，进一步达到主动控制电子元件散热速率的目的。通过调节可调电源有效解决高热流密度电子元件的散热问题，并且最大程度的减少能耗。

Description

一种基于电场调控固液相变的电子元件散热装置
技术领域
本发明涉及一种基于电场调控固液相变的电子元件散热装置，属于主动控制电子元件散热技术领域。
背景技术
近年来，随着数字社会的高速发展，各类电子设备在人类的生产生活中扮演着重要的角色。为实现信息的高速传递，电子设备的集成电路持续向高集成化、微型化发展，以求单位面积的芯片可以封装更多的电路，从而增加单位面积的信息容量，在增加电子设备功能的同时降低成本，但随之带来加工精度高、运行热流密度高等问题。因此，发展高效可靠的电子元件散热技术以实现主动热控，这对保证其安全工作至关重要。
针对电子元件的散热问题，目前的优化方法主要集中在：优化散热结构(增添翅片、热沉等结构)、增加循环冷却系统(液冷、风冷系统)等。但这些方法存在散热效率低、散热速率不可控、长期能耗等缺点。
发明内容
本发明是为了解决现有的电子元件的散热方式存在的散热效率低、散热速率不可控以及长期能耗的问题，进而提供了一种基于电场调控固液相变的电子元件散热装置。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种基于电场调控固液相变的电子元件散热装置，它包括可调直流电源、包装基座及由上到下依次安装在包装基座内的风扇、电极板、热沉、电子元件，所述风扇与所述电极板之间以及所述热沉与所述电子元件之间分别布置有散热介质，热沉、电极板及包装基座共同形成空腔结构，且所述空腔结构内填充相变材料，所述热沉连接至可调直流电源的阳极，所述电极板连接至可调直流电源的阴极，通过可调直流电源调控空腔结构内的电场强度。
进一步地，所述热沉及所述电极板的表面均涂有强化电荷注入的涂层。
进一步地，当电极板与热沉之间的间距不超过15mm时，所施加电压的最大值不超过30kv。
进一步地，所述热沉包括底座及固设在底座上表面的若干翅片，且每相临两个翅片之间均存在间隙。
进一步地，热沉及电极板的材质均为铜。
进一步地，所述相变材料为正十八烷烃或石蜡。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
本申请中的相变材料在电场的作用下实现主动调控相变强度，从而实现主动控制固液相变速率，进一步达到主动控制电子元件散热速率的目的。在电子元件不同的工作环境温度下，通过调节可调电源有效解决高热流密度电子元件的散热问题，并且最大程度的减少能耗。
附图说明
图1为本申请的主视示意图；
图2为本申请的侧视示意图(风扇未示出)。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～2说明本实施方式，一种基于电场调控固液相变的电子元件散热装置，它包括可调直流电源6、包装基座1及由上到下依次安装在包装基座1内的风扇9、电极板8、热沉4、电子元件2，所述风扇9与所述电极板8之间以及所述热沉4与所述电子元件2之间分别布置有散热介质3，热沉4、电极板8及包装基座1共同形成空腔结构，且所述空腔结构内填充相变材料7，所述热沉4连接至可调直流电源6的阳极，所述电极板8连接至可调直流电源6的阴极，通过可调直流电源6调控空腔结构内的电场强度。
所述电子元件2即为需要被冷却的高温电子元件。其热量通过所述散热介质3传递到所述热沉4，经热沉4传递到相变材料7，相变材料7吸收热量后发生相变，实现电子元件2与相变材料7的热量交换。当相变进行到一定时刻，电场对于液相区流动的影响效果更加显著，通过控制施加电场强度的大小，进一步实现电子元件2散热速率的主动控制。
所述相变材料的相变温度介于常规电子元件工作环境温度范围之内。
所述热沉4即散热片。
所述热沉4与所述电子元件2均与散热片直接接触。
热沉4及电极板8均选用导热性及导电性良好的金属，优选为铜。铜具有优异的导电性、导热性、塑形性以及优良的焊接性和耐腐蚀性。
所述包装基座1是整个系统的支承结构，用来固定热沉4、电极板8及风扇9等，以实现电子封装。实现固定的方式可以根据具体情况确定，如：可以是卡槽结构(即安装基座1上开设卡槽，各结构通过卡槽固定安装在安装基座1内)、螺栓螺钉连接、焊接或者粘连等连接方式。
电子元件2与散热介质3之间以及电极板8与散热介质3之间的连接方式可以选用共晶体粘贴法、焊接粘贴法、导电胶粘贴法以及玻璃胶粘贴法等。
优选连接方式为：风扇9通过螺钉及螺纹孔的连接方式固定在包装基座1上部，快速排走整个系统的热量；电子元件2与散热介质3之间以及电极板8与散热介质3之间均采用共晶体焊接法，此方法形成的连接结构机械强度高、热阻小、稳定性好、高温性能好且不脆化；安装基座1上开设有上下布置的两个卡槽，电极板8及热沉4分别通过两个卡槽安装在包装基座1上。
空腔结构内完全填充相变材料7。所述相变材料7根据电子元件2的发热功率、工作温度、工作周期、温控器温控要求、储热容量要求等选取；由于施加电场会引发相变液体产生对流现象，所以要求相变材料7是很好的绝缘体或者弱电解质。如所述相变材料7可以是直链烷烃、石蜡等。
所述电极板8接低电势，所述热沉4接高电势，在填充有相变材料7的所述空腔结构之间形成电场。直流电源可以灵活按需要输入电压，最大程度实现主动控制。
包装基底的横截面形状可以为圆形、矩形或其它形状。优选矩形结构，以降低加工难度。
可调直流电源6即大功率可调式直流稳压电源。
本申请中的相变材料7在电场的作用下实现主动调控相变强度，从而实现主动控制固液相变速率，进一步达到主动控制电子元件2散热速率的目的。在电子元件2不同的工作环境温度下，通过调节可调电源有效解决高热流密度电子元件2的散热问题，并且最大程度的减少能耗。
通过本申请的散热装置，一方面，基于相变储能原理，相变材料7在相变的过程中快速带走电子元件2产生的热量，并且使得电子元件2的工作温度维持在相变材料7的相变温度附近，最大程度避免电子元件2在运行中产生过高的热流密度，初步解决高热流密度电子元件2散热速率慢的问题。另一方面，基于电流体动力学(EHD)，对整个相场施加电场形成EHD流动，通过EHD调节液相的对流，实现主动控制相变速率，从而进一步主动控制电子元件2的散热速率；在电子元件2低工作强度时，可选择减小或者关闭电源，以最大程度的降低系统能耗。另外，现有的基于电场强化蒸发冷凝的散热技术，存在气液相变体积变化大，过程不稳定以及装置密封性要求高的问题，本申请与现有技术中的基于电场强化蒸发冷凝的散热技术相比较，结构更简单，且相变过程中相变材料7体积变化较小，过程更加稳定。
工作原理：
当电子元件2开始工作后，产生的热量通过热传导的方式先传递到散热介质3及热沉4，再传递到相变材料7。当电子元件2工作环境温度较高(大程度高于相变材料7的相变温度时，即：环境温度与相变材料7的相变温度差值较大，如高于5℃时。)，相变过程迅速进行，在热沉4附近的固相首先吸收热量发生相变，固体的相变材料7逐渐融化成液相。随着时间的进行，更多的固相逐渐融化成液相。随着融化的进行，基于电流体动力学原理，通过可调直流电源6增大施加在相场中的电场强度，激励电荷产生，在直流电场和高温热源的双耦合作用下，液相在电场库仑力和温度场浮升力的共同驱动下，形成宏观的对流形态，从而起到强化电子元件2散热的效果；
反之，当电子元件2工作环境温度较低(工作温度略高于相变材料7的相变温度时)，只利用相变材料7的固液相变过程就可满足电子元件2的散热要求，可以减小或者关闭可调直流电源6。
所述热沉4及所述电极板8的表面均涂有强化电荷注入的涂层。如此设计，提高了电极的抗腐蚀性，延长了电极使用寿命，增大了电流密度，强化电荷注入且对相变材料7不产生污染。
当电极板8与热沉4之间的间距不超过15mm时，所施加电压的最大值不超过30kv。防止出现“击穿”现象。
所述热沉4包括底座及固设在底座上表面的若干翅片，且每相临两个翅片之间均存在间隙。若干翅片可以是均匀或非均匀的布置在底座的上表面；每个翅片可以是规则形状也可以是不规则形状。翅片用于强化散热，起到增大换热面积，降低对流换热的热阻的作用。区别于传统的水、空气等介质，相变材料7有温度恒定、储能密度高、散热温度范围大、易控制的优势，将固体相变材料7填充在热沉4的翅片结构中，在固体材料的相变过程中施加电场形成EHD流动，从而达到提高散热速率的目的，并实现电子元件2散热的主动调控。
热沉4及电极板8的材质均为铜。如此设计，主要利用纯铜的优异的导电性、导热性及耐蚀性。
所述相变材料7为正十八烷烃或石蜡。

Claims (6)

1.一种基于电场调控固液相变的电子元件散热装置，其特征在于：它包括可调直流电源(6)、包装基座(1)及由上到下依次安装在包装基座(1)内的风扇(9)、电极板(8)、热沉(4)、电子元件(2)，所述风扇(9)与所述电极板(8)之间以及所述热沉(4)与所述电子元件(2)之间分别布置有散热介质(3)，热沉(4)、电极板(8)及包装基座(1)共同形成空腔结构，且所述空腔结构内填充相变材料(7)，所述热沉(4)连接至可调直流电源(6)的阳极，所述电极板(8)连接至可调直流电源(6)的阴极，通过可调直流电源(6)调控空腔结构内的电场强度。
2.根据权利要求1所述的一种基于电场调控固液相变的电子元件散热装置，其特征在于：所述热沉(4)及所述电极板(8)的表面均涂有强化电荷注入的涂层。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于电场调控固液相变的电子元件散热装置，其特征在于：当电极板(8)与热沉(4)之间的间距不超过15mm时，所施加电压的最大值不超过30kv。
4.根据权利要求3所述的一种基于电场调控固液相变的电子元件散热装置，其特征在于：所述热沉(4)包括底座及固设在底座上表面的若干翅片，且每相临两个翅片之间均存在间隙。
5.根据权利要求1、2或4所述的一种基于电场调控固液相变的电子元件散热装置，其特征在于：热沉(4)及电极板(8)的材质均为铜。
6.根据权利要求1所述的一种基于电场调控固液相变的电子元件散热装置，其特征在于：所述相变材料(7)为正十八烷烃或石蜡。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114302514A (zh) * 2021-12-27 2022-04-08 哈尔滨工业大学 集成交叉式双针板热沉的电热耦合温控装置及其控温方法
CN114322624A (zh) * 2021-12-27 2022-04-12 哈尔滨工业大学 一种分段式电驱动流耦合电加热的储-释能装置
CN114334858A (zh) * 2021-12-27 2022-04-12 哈尔滨工业大学 集成微肋通道的电驱自循环柔性散热装置及其制造方法

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5315154A (en) * 1993-05-14 1994-05-24 Hughes Aircraft Company Electronic assembly including heat absorbing material for limiting temperature through isothermal solid-solid phase transition
WO2001031082A1 (en) * 1999-10-28 2001-05-03 P1 Diamond, Inc. Improved diamond thermal management components
US20050007740A1 (en) * 2001-11-24 2005-01-13 Mark Neuschuetz Optimised application of pcms in chillers
CN103476224A (zh) * 2012-06-08 2013-12-25 富瑞精密组件（昆山）有限公司 相变化散热装置
CN105351899A (zh) * 2015-09-23 2016-02-24 华南理工大学 一种采用半导体制冷片及相变材料的led散热装置
JP2016162912A (ja) * 2015-03-03 2016-09-05 アルプス電気株式会社 温度調節装置
CN207284027U (zh) * 2017-09-29 2018-04-27 成都腾诺科技有限公司 一种射频功率放大器
CN108133918A (zh) * 2018-02-11 2018-06-08 中国科学院工程热物理研究所 微槽群散热器
CN109631651A (zh) * 2018-12-06 2019-04-16 华北电力大学 一种局部自适应可控浸润性耦合微结构强化沸腾换热方法
CN110058663A (zh) * 2018-01-18 2019-07-26 阮琳 一种散热装置及具有该散热装置的电子设备
US20200135614A1 (en) * 2018-10-25 2020-04-30 United Arab Emirates University Heat sinks with vibration enhanced heat transfer for non-liquid heat sources

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5315154A (en) * 1993-05-14 1994-05-24 Hughes Aircraft Company Electronic assembly including heat absorbing material for limiting temperature through isothermal solid-solid phase transition
WO2001031082A1 (en) * 1999-10-28 2001-05-03 P1 Diamond, Inc. Improved diamond thermal management components
US20050007740A1 (en) * 2001-11-24 2005-01-13 Mark Neuschuetz Optimised application of pcms in chillers
CN103476224A (zh) * 2012-06-08 2013-12-25 富瑞精密组件（昆山）有限公司 相变化散热装置
JP2016162912A (ja) * 2015-03-03 2016-09-05 アルプス電気株式会社 温度調節装置
CN105351899A (zh) * 2015-09-23 2016-02-24 华南理工大学 一种采用半导体制冷片及相变材料的led散热装置
CN207284027U (zh) * 2017-09-29 2018-04-27 成都腾诺科技有限公司 一种射频功率放大器
CN110058663A (zh) * 2018-01-18 2019-07-26 阮琳 一种散热装置及具有该散热装置的电子设备
CN108133918A (zh) * 2018-02-11 2018-06-08 中国科学院工程热物理研究所 微槽群散热器
US20200135614A1 (en) * 2018-10-25 2020-04-30 United Arab Emirates University Heat sinks with vibration enhanced heat transfer for non-liquid heat sources
CN109631651A (zh) * 2018-12-06 2019-04-16 华北电力大学 一种局部自适应可控浸润性耦合微结构强化沸腾换热方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
于樱迎: ""电场作用下微槽群热沉内液体润湿特性研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *
罗小平等: "EHD强化微细槽道相变传热及混沌特性", 《沈阳工业大学学报》 *
辛菲等: "主动式电流体微槽平板热管的理论分析", 《工程热物理学报》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114302514A (zh) * 2021-12-27 2022-04-08 哈尔滨工业大学 集成交叉式双针板热沉的电热耦合温控装置及其控温方法
CN114322624A (zh) * 2021-12-27 2022-04-12 哈尔滨工业大学 一种分段式电驱动流耦合电加热的储-释能装置
CN114334858A (zh) * 2021-12-27 2022-04-12 哈尔滨工业大学 集成微肋通道的电驱自循环柔性散热装置及其制造方法
CN114302514B (zh) * 2021-12-27 2022-09-27 哈尔滨工业大学 集成交叉式双针板热沉的电热耦合温控装置及其控温方法
CN114322624B (zh) * 2021-12-27 2022-09-27 哈尔滨工业大学 一种分段式电驱动流耦合电加热的储-释能装置
CN114334858B (zh) * 2021-12-27 2022-11-01 哈尔滨工业大学 集成微肋通道的电驱自循环柔性散热装置及其制造方法

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