CN113597826A - 电子部件利用电流体动力学流动单元的冷却 - Google Patents

Abstract

披露了一种用于热管理的装置(100)，其中，发热部件(110)布置在由外壳壁(121)限定的外壳(120)内并且与热管理流体(130)处于热接触。该装置包括电流体动力学流动单元(140)，该电流体动力学流动单元包括第一和第二电极(140a，140b)，用于控制流体在外壳内的流动(F)。

Description

电子部件利用电流体动力学流动单元的冷却

技术领域

本文披露的发明涉及热管理的领域，更具体地涉及小型发热部件的热管理。

背景技术

电子系统的性能经常受到可用的热管理技术的限制。功率损耗较高的较小部件意味着在较小区域中产生较多的热。因此，需要更有效的热管理以将部件保持在适当的温度范围内。换句话说，在体积需求和能量这两方面，对提高效率的需求不断增长。

解决这些问题的一种尝试是使用浸没冷却，其中与要冷却的电子设备处于直接接触的介电流体使用泵单元来循环。泵单元可以被设置成主动地将介电流体泵送到电子设备上。然而，这确实需要喷嘴以将流动朝向电子设备引导-众所周知，这种技术既昂贵又笨重。因此，需要更小和更高效的与发热部件相关的热管理技术。

发明内容

本发明的实施例中的至少一些实施例的目的是克服或至少减轻上述缺点。特别地，目的是提供一种允许改善热管理流体的流动效率的装置。特别的目的是提高电流体动力学EHD系统中循环的介电流体的效率。

为了更好地解决这些问题中的一个或多个，提供了一种具有独立权利要求中限定的特征的装置。在从属权利要求中限定了优选实施例。

根据第一方面，提供了一种用于热管理的装置，其中发热部件布置在外壳内并且与热管理流体(比如介电液体)处于热接触。

该装置包括布置在外壳内的第一电流体动力学EHD流动单元。第一EHD流动单元包括第一电极和偏离第一电极布置的第二电极。第一流动单元可以被配置为控制第一电极与第二电极之间的热管理流体的流动，从而影响流体在外壳内的流动。流动单元可以例如被布置成将流体朝向发热部件和/或远离该部件引导。发热部件可以例如包括处理器、电子电路、或芯片，例如呈倒装芯片设备、带式贴合设备、引线贴合设备、或其他方式贴合设备、印刷电路板或安装在这种板上的设备的形式。在一个示例中，发热部件可以是电池或电容器。

一些实施例可以包括位于同一外壳内的多个发热部件，使得多个部件可以在同一装置内被同时冷却。

可以通过在流动单元的第一电极与第二电极之间施加电压差来激活第一流动单元。电极产生的电场可以使流体流动。通过停用或关断流动单元，流动单元可以进一步被置于操作模式，其中可以减少或消除通过流动单元的流动。这种效果可以用于进一步增加对流体的控制，并且因此增加冷却效果。流动单元可以例如通过减小或消除电极之间的电压差，或者施加抵消通过流动单元的流动的电压差来停用。

第一电极也可以被称为“发射极”或“发射电极”，而第二电极可以被称为“集电极”或“集电电极”。在使用期间，发射极可以适于在发射极附近将电子发射到流体中和/或使物质(比如流体的粒子或杂质)带负电。

当与介电液体结合使用时，本发明的构思是特别有利的，介电液体是可以与发热部件直接接触的热管理流体的示例。EHD流动单元的使用允许液体的流动在特定的方向上被引导，而不使用例如歧管和喷嘴。

根据一些实施例，该装置可以包括可以以与上述第一EHD流动单元类似的方式进行配置的多个EHD流动单元。因此，根据实施例，该装置可以包括布置在外壳内的第一和第二电流体动力学EHD流动单元，其中第一流动单元可以被配置为将流动朝向发热部件引导，并且第二流动单元可以被配置为将流动远离所述部件引导。

本方面的优点在于，通过将EHD流动单元布置在外壳内，使得它们朝向部件引导、以及远离部件引导，可以实现更精确的流动控制，并且因此实现更高效的冷却。

外壳内的流动单元的数量和配置可以由要实现的期望流动来确定。例如，流动单元可以被定位在网格结构中、或在共用平面中、或在不同的层中。这样允许对外壳中流体流动的改善的控制，并且可以使得可以瞄准发热部件的某些区域，例如其侧面、部件下面或通常的热点。这也意味着，如果需要的话，某些区域可能会暴露在较少的流动中。

这种特定的瞄准通过形成流动单元的电极的相对取向而成为可能。此外，发射电极和集电电极的相对取向可以影响流动朝向部件的角度，或者在一些示例中，影响流动在部件上的入射角。流动的方向可以例如垂直于部件的表面、平行于部件的表面、或者与部件的表面之间成特定的角度。流动单元的取向和配置可以针对特定的应用而定制，并且该装置因此可以适应许多不同的部件和热管理需求。

如已经提到的，热管理装置可以被配置为与能够通过EHD效应加速的热管理流体一起操作。可以通过本发明的实施例泵送的这种流体(即液体和气体)的示例包括例如电介质，比如丙酮、酒精、氦气、氮气、以及碳氟化合物基流体(比如Fluorinert^TM或Novec^TM)。更具体地，热管理流体可以是适用于浸没冷却技术的介电流体。

在一些实施例中，至少一个流动单元的第一电极和第二电极中的至少一个可以布置在发热部件上。这将意味着利用发热部件的表面作为流动单元的一部分，作为第一电极或第二电极，从而允许发热部件的至少一部分作为集电电极或发射电极。这样可以提供冷却效果的增加，因为布置在部件上的电极可以使流动被吸引到或直接冲击到发热部件上。

在进一步的实施例中，可以通过在发热部件的表面上提供导电层来形成电极。该导电层可以有利地包括具有相对良好的发射/接收电子能力的材料。替代性地或附加地，导电层可以被配置为改善到部件或来自部件的热传递。进一步，该层的材料相对于泵送的流体可以是化学稳定的或惰性的。用于改善电子发射/吸收、和/或热传递的层的示例包括2D膜和3D膜，例如包括石墨或石墨烯。石墨烯可以例如设置在一层或数层(比如2D层)中，或设置在泡沫中。应当理解，除了上述电极之外，该装置进一步可以包括层或涂层，提供该层或涂层以便改善到/来自热管理流体的热传递。在一些示例中，这种层或涂层可以包括石墨或石墨烯，并且可以布置在发热部件的表面上、或限定外壳的表面上。

根据本发明的一个实施例，外壳的壁段可以起电极的作用。这具有的优点是，封闭结构的较大部分可以起集电极或发射极的作用，并且因此提高流动的效率。与具有独立流动单元(即，流动单元布置在外壳内，而不形成外壳壁和/或部件的一部分)的实施例相比，这也可以起节省空间的解决方案的作用。进一步的实施例可以利用发热部件和壁段作为电极。

根据一个实施例，多个流动单元可以共享一个或多个电极。例如，一个电极可以起用作发射极单元的多个电极的集电极单元的作用。利用一个发射电极和多个较小的集电电极的相反构型也是可能的。

根据本发明的另一实施例，多个流动单元可以被定位成以便包括布置在发热部件和外壳壁的内侧两者上的集电电极。发射电极于是可以放置在集电极之间，与集电电极的距离不同。发射电极与集电电极之间的距离可以决定流动将进行的方向。因此，靠近壁布置的发射电极可以引起朝向所述壁的流动，并且因此形成流动单元，该流动单元的集电电极被定位在所述壁上。更靠近发热部件的发射电极可以形成流动单元，该流动单元指向所述发热部件，该流动单元的集电电极被定位在所述部件上。换句话说，发射电极与集电电极之间的距离可以限定流动单元的取向。

根据一些实施例，电极可以包括各种表面结构。表面可以例如被成形为峰或具有高表面粗糙度，以便增加表面积。电极与经过的流体之间相对大的接触表面可以促进电极与流体之间的相互作用。例如，这可以促进热传递以及离子或电子的注入或吸收。

根据一些实施例，外壳可以被定义为由封闭屏障(比如外壳壁)包围的体积。外壳壁可以附接到基底、或附接到发热部件上，因此这样可以形成限定封闭体积的屏障的一部分。根据一些实施例，外壳壁可以被配置为附接到插入件(interposer)，该插入件也可以被称为扇出型基底或混合基底/载体，这样可以固持要冷却的部件。内插件可以起适配器的作用，以固持设备的小间距触点并且提供到较大间距触点的连接。

根据一些实施例，封闭体积可以形成闭合系统，其中流体可以循环以将热量从部件传递到外壳壁。根据其他实施例，外壳壁可以设置有入口和出口，用于热管理流体到外部件(比如泵和热交换器)的循环。

根据一些实施例，外壳可以布置成与热交换器(例如，用于从外壳传递热量的碳纤维结构或流体管)处于热接触。热交换器可以例如附接在外壳的顶部上，用于消散从部件传递走的热量。在一些实施例中，热界面材料(比如石墨烯)可以布置在外壳壁与热交换器之间，以便改善热传递。

当研究以下详细披露内容、附图和所附权利要求时，本发明的进一步目的、特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员认识到，即使在不同的权利要求中被引用，本发明的不同特征也可以组合到除了下面描述的实施例之外的实施例中。

附图说明

本发明的上述以及附加目的、特征、和优点将通过以下对本发明的实施例进行的说明性且非限制性的详细说明而更好地得到理解。将参照附图，在附图中：

图1是根据本发明的一些实施例的热管理系统的示意性截面图，该热管理系统包括外壳、布置在外壳内的发热部件和多个流动单元；

图2a、图2b和图2c是流动单元中不同电极配置的示意性截面图；

图3a和图3b显示了与发热部件相关的流动单元的示例性配置；

图4是根据一个实施例的具有增加的电极表面的热管理系统的示意图；

图5是设置有电极的发热部件的实施例的俯视图。

所有的附图都是示意性的，通常不按比例并且总体上只示出了必要的零件以便阐明本发明，然而可以省略或仅仅暗示其他零件。

具体实施方式

图1示出了热管理系统100，该热管理系统包括附接到插入件150的发热部件110和限定外壳120的外壳壁。发热部件110可以包括例如本图中所示的倒装芯片、引线贴合部件、或例如是处理器的带式自动贴合设备。在一些示例中，发热部件可以是电容器或电池。在外壳120内，可以提供热管理流体。热管理流体可以是冷却物质，例如包括介电气体、沸腾液体或介电液体130。在热管理流体被用作沸腾液体的情况下，外壳壁可以具有形成多孔或毛细结构以用于允许气体逸出外壳的部分(比如天花板ceiling)。

所显示的实施例提出了一种封闭系统，其中介电流体130在外壳120内循环，而其他实施例可以包括允许流体循环进出外壳130的入口和出口。

在外壳130内，可以使用流动单元140、141、142、143使流体流动。流动单元140可以包括第一电极和第二电极，并且可以通过在电极上施加电压来产生流动F。降低或终止电极之间的电场可以引起流动F降低或停止，并且冷却效果可以通过这种方式降低，以实现发热部件110的最佳温度。在此实施例中，流动单元140-143位于发热部件110与外壳壁121之间。然而，应当理解，其他实施例可以包括位于发热部件110周围和/或下方的流动单元。在一些示例中，一个或数个流动单元110可以布置在发热部件110的焊料凸块之间，以便进一步改善部件110下方的流体流动。

在本实施例中，流动单元被定位成使得每隔一个的流动单元140、142产生朝向发热单元110的流动F1，而剩余的流动单元141、143产生在远离部件110的方向F2上的流体流动。进一步，热交换器160可以布置成与外壳壁121处于热接触。热交换器160可以形成热管、散热器或类似结构，以用于将热能从流体中转移出去。其他实施例可以在壁的内侧上设置热交换器160，并且该热交换器连接到外部泵装置。

图2a、图2b和图2c示出了热管理系统100的实施例，其可以类似于结合图1讨论的装置进行配置。在这些示例中，流动单元140包括第一电极140a和第二电极140b，该第一电极可以被称为发射电极，该第二电极可以被称为集电电极。在所示的装置中，全部的流动单元可以被浸没在介电液体130中。如图所示，外壳120可以由外壳壁121和发热部件110限定，外壳壁121可以密封地附接到该发热部件上。

图2a示出了第一流动单元140，该第一流动单元包括一起放置在一个单元中的第一电极140a和第二电极140b。施加到电极140a和140b的电压可以导致介电流体在F方向上、朝向发热部件110流动。

图2b显示了两个流动单元140、141(由虚线指示)，其中相应的流动单元140、141的第一电极140a、141a与第二电极140/141b分离，并且所得的流动F朝向部件被引导。在此实施例中，第一发射电极布置在部件110与外壳壁121之间，而第二集电电极140/141b位于发热部件110的表面上。在施加电压的情况下，第一电极140a、141a可以产生朝向发热部件110的介电流体流动F。此外，在图2b中，流动单元140和141被示出为具有一个共享的第二电极140/141b，这意味着第二电极140/141b可以起多个第一电极140a、141a的集电极的作用。

在图2c中，第二电极140b、141b设置在该图的顶部和底部上，即设置在外壳壁121的内侧或天花板上、以及发热部件110的顶表面上。第一电极140a、141a可以位于外壳壁121的天花板与部件110的顶表面之间。流动单元140向下、即朝向部件110引导流动F1，而141向上、朝向外壳的天花板引导流动F2。

由于至少两种不同的、独立的机制，可以实现流动F1、F2的不同方向。第一机制是电子发射结构，这些电子发射结构由第一电极140a图示，该第一电极被示出为具有促进电子发射的表面结构。在此实施例中，这些表面结构被描绘为指向向下方向并且确定电极140a的发射方向的尖端或针。

第二机制是电极之间的相对距离。第一电极141a具有由到第二电极140b、141b的距离确定的流动方向。第一电极140a、141a与第二电极140b、141b之间的最短距离限定流动F的方向。在图2c中，电极141a被定位成离布置在外壳天花板上的集电电极141b比离布置在部件上的集电电极140b更近，并且因此形成远离部件引导流动的流动单元141。

图3a和图3b示出了热管理系统100的实施例，该热管理系统可以类似于前面附图所示的实施例进行配置。在本示例中，流动单元的布置代表了用于将热管理流体130的流动F朝向和远离发热部件110引导的不同替代方案。

图3a示出了其中电极140a-142b附接在外壳壁121的内表面上和发热部件110上的实施例。在此实施例中，壁段121和部件110这两者都设置有第一电极140a-142a、以及第二电极140b-142b。发热部件110上的电极可以包括位于中间的第二电极141b和位于第一电极141b侧面的两个第一电极140a、142a。在外壳壁121上使用相反的配置，其中第二电极140b、142b布置在两侧上，而第一电极141a布置在中间。结果，形成了三个独立的流动单元。这样可以产生朝向发热部件的流动F2、以及远离该发热部件的流动F1。

图3b示出了其中流动F平行于发热部件110被引导的实施例。如果部件110的上游侧比下游侧更需要冷却，则该实施例显示可能适合的变化。该图描绘了电极140a、140b，这些电极位于部件的侧面上并且可以附接到外壳的内壁。第一电极140a可以朝向部件110引导流体，而第二电极140b可以远离该部件引导流体。类似地，平行流动方向F也可以利用放置在发热部件上的电极来获得。

图4是热管理系统100的示意性表示，该热管理系统可以以与前述实施例中的任一实施例相似的方式进行配置。在图4中，外壳壁121可以被配置为提高流动单元的效率。这样可以例如通过提供包括第一电极140a的外壳壁121的一部分的粗糙形状来实现，以便增加所述电极140a的表面积。这种增加可以促进流动F1。此外，特定的形状(比如峰)可以进一步促进流动。在该特定的实施例中，发热部件110包括外壳的整个壁段，并且此发热设备110可以既起第一电极141a的作用又起第二电极140b的作用。进一步，热交换器160可以布置成与外壳壁121处于热接触。热交换器160例如可以是热管或散热器，以用于从外壳消散热能，并且因此间接从发热设备消散热能。在此实施例中，在外壳壁121与热交换器160之间可以布置热界面材料170，例如石墨烯，以用于增加热传递。

图5示出了要冷却的发热部件110的俯视图。本部件110可以形成与先前附图中所示实施例类似的实施例的一部分。在这种情况下，部件110可以用作多个流动单元的一部分。在该部件上图示了第一电极141a-144a、以及第二电极140b的示例性布局。在此实施例中，第二集电电极140b放置在部件的中间，而发射的第一电极141a-144a沿部件的侧面放置。这样可以例如有益于冷却发热部件的中心区域，并且可以产生热管理流体的管状流动。

Claims (15)

1.一种用于发热部件的热管理的装置，其中，该发热部件布置在外壳内并且与介电液体处于热接触，该装置包括布置在该外壳内的第一电流体动力学EHD流动单元，其中，该第一EHD流动单元包括第一电极和偏离该第一电极布置的第二电极，并且其中，该第一EHD流动单元被配置为用于控制该介电液体在该第一电极与该第二电极之间的流动。

2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括布置在该外壳内的第二EHD流动单元，该第二EHD流动单元包括第一电极和偏离该第一电极布置的第二电极，其中：

该第一流动单元被配置为将该流动朝向该发热部件引导；并且

该第二流动单元被配置为将该流动远离该发热部件引导。

3.根据任一前述权利要求所述的装置，进一步包括外壳壁，该外壳壁被配置为至少部分地限定该外壳。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，该外壳壁被配置为附接到内插件，从而限定该外壳。

5.根据权利要求3所述的装置，其中，该外壳壁被配置为附接到该发热部件，从而限定该外壳。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，该第一电极和该第二电极中的至少一个布置在该发热部件上。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，该第一电极和该第二电极中的所述至少一个由设置在该发热部件的表面上的导电层形成。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其中，该第一电极和该第二电极中的所述至少一个由设置在该发热部件上的石墨烯层形成。

9.根据权利要求4至6中任一项所述的装置，其中，该第一电极和该第二电极中的至少一个布置在该外壳壁的内侧上。

10.根据权利要求2所述的装置，进一步包括外壳壁，该外壳壁被配置为至少部分地限定该外壳，其中：

该第二电极被配置为作为集电电极操作，并且被布置在该发热部件和该外壳壁的内侧两者上；

该第一流动单元的第一电极形成发射电极，该发射电极被布置成离布置在该发热部件上的集电电极比离布置在该外壳壁的内侧上的集电电极更近；并且

该第一流动单元的第一电极形成发射极，该发射电极被布置成离布置在该外壳壁的内侧上的集电电极比离布置在该发热部件上的集电电极更近。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，进一步包括：与该外壳壁处于热接触的热交换器。

12.根据权利要求11所述的装置，进一步包括布置在该热交换器与该外壳壁的外侧之间的热界面材料TIM。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，该TIM包括石墨烯。

14.一种设备，包括：

根据权利要求1至2中任一项所述的用于热管理的装置；

承载该发热部件的内插件；以及附接到该内插件以限定该外壳的外壳壁。

15.根据权利要求14所述的设备，包括布置在该外壳内的多个发热部件。

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