CN114577044A - 具有电流体动力学作用的微平板热管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有电流体动力学作用的微平板热管，主要解决现有传统被动式微型热管在高热流密度下存在蒸汽流动杂乱且分布不均、最大传热量受毛细吸力限制的问题。其包括上壳体(1)、蒸汽腔(2)、下壳体(3)及微槽道吸液芯(4)，该微槽道吸液芯由沿轴向尺寸呈梯度分布的多个凸台构成，以提供热管内液体回流的毛细力；这些凸台包括沿轴向交替排布的多个立体正电极(5)和多个立体负电极(6)；该正、负电极与上壳体内表面平面电极(7)的共同作用下产生电流体驱动力，辅助热管内液体回流，并加快气液相变过程。本发明加快了热管内工质的循环，增强了热管的传热传质能力，有利于实现微热管的主动热管理，可用于电子器件的高效散热。

Description

具有电流体动力学作用的微平板热管

技术领域

本发明属于散热技术领域，特别涉及一种微平板热管，可用于电子器件的冷却。

背景技术

近年来，为满足计算机、通讯领域军用及民用市场的需求，电子器件向着高效化、紧凑化、微型化的方向迅速发展。然而，随着功率密度的持续增大，电子器件由于过热而产生的故障率明显增加。据统计，军用电子器件由于温度过高而导致的故障率高达20％以上。

微型平板热管作为一种气液相变装置，灵活轻便、结构紧凑，可与电子器件紧密接触，具有传热速率高、响应速度快、均温性能好的优点，深受处理器、电脑芯片等电子产品散热青睐。然而，传统的微型热管均采用被动冷却方式，在高热流密度下蒸汽流动杂乱、分布不均，毛细极限限制了其最大传热量，致使热管在较高的热流密度下蒸干乃至损坏，严重阻碍了微型平板热管散热能力的进一步提升。

采用主动强化散热技术可获得更好的传热效果，其中电流体动力学强化方式是一种非常有效的有源强化传热技术，利用电场力来控制流体的流动传热，具有结构简单、非机械驱动、噪声小、能耗低、控制灵敏等特点，非常适用于微机械技术中。近年来，学者们针对电流体动力学强化散热结构的设计与优化开展了研究。

公开号为CN103864000B专利申请提出了一种电流体驱动微型泵。该微型泵主要由上盖板、下壳体、入液短管、出液短管、基板、三棱柱电极和条形缝隙电极构成。其利用依次交错排列的三棱柱电极和条形缝隙电极之间产生的电流体作用力，驱动流道内工质流动换热，来强化电子器件的散热。该装置由于仅使用三棱柱电极和条形缝隙电极之间产生的电流体作用力驱动微通道内液体流动，传热效率较低，不利于电子器件快速高效散热。

公开号为CN103839905B专利申请提出了一种具有电流体动力微泵的硅基微通道换热器及其制造方法。该硅基微通道换热器主要由顶板、硅基板、发射极沟槽和集电极沟槽构成。其通过在硅基板上刻蚀出微槽道，并在顶板上加工出发射极沟槽和集电极沟槽来驱动换热器内工质流动，有利于控制流量、减小能耗，促进硅基微通道换热器换热。该装置由于需要与外界管道设备相连，致使整个系统紧凑度有限，不利于电子器件散热微型化的发展。

发明内容：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种具有电流体动力学作用的微平板热管，以减弱传统微热管对毛细吸力的需求，强化液体工质回流，提高热管的传热传质能力，实现微平板热管的主动热管理，保障小空间高热流密度下电子器件的快速高效冷却。

为达到上述目的，本发明具有电流体动力学作用的微平板热管，包括上壳体、蒸汽腔、下壳体及微槽道吸液芯，蒸汽腔和微槽道吸液芯位于上壳体与下壳体组成的封闭腔体中，且微槽道吸液芯位于封闭腔体内部的最下方，蒸汽腔位于微槽道吸液芯的上表面，其特征在于：

所述上壳体，其内表面布置有平面电极；

所述微槽道吸液芯，其由沿轴向尺寸呈梯度分布的多个凸台构成，以提供封闭腔体内液体回流的毛细力；

所述多个凸台，包括多个立体正电极和多个立体负电极，这些立体正电极和立体负电极沿轴向交替排布，并与平面电极之间产生电流体驱动力，以辅助封闭腔体内液体回流。

作为优选，所述多个凸台横向间的距离沿轴向呈从小到大梯度分布。

作为优选，所述每个立体正电极和每个立体负电极均采用长方体、正方体、梯形柱、圆柱和多边形柱这些几何体结构中的任意一种。

作为优选，每两个沿轴向交替排列的立体正电极和立体负电极构成一个电极对，相邻两个电极对之间的距离设置为电极对内正负电极间距离的2倍以上，以避免相邻两个电极对之间产生电流体作用的互相干扰。

作为优选，每个电极对中立体正电极和立体负电极之间的距离为10-1000微米。

作为优选，所有立体正电极和立体负电极的下方均布置有电极布线层，以分别实现所有立体正电极之间和所有立体负电极之间的连通。

作为优选，所述平面电极设为负电极，其与多个立体正、负电极之间形成电流体驱动力，以加快封闭腔体内液体回流，并促进这些立体正、负电极之间产生的气泡排到蒸汽腔内。

作为优选，所述封闭腔体内的工质为电导率低于10^-8西门子每米的介电流体。

作为优选，所述表面平面电极、多个立体正电极和多个立体负电极，均采用电导率高于10⁷西门子每米的良好的导体。

本发明相对于现有技术，具有如下优点：

1)本发明的微槽道吸液芯由于采用由沿轴向尺寸呈梯度分布的多个凸台构成，因而有利于提高微平板热管的毛细吸力，促进微平板热管内液态工质的回流。

2)构成本发明微槽道吸液芯的凸台由于采用交替布置的立体正电极和立体负电极，可以产生电流体驱动力以辅助液体工质回流，有利于减弱传统微平板热管对毛细吸力的需求，强化微平板热管内传热传质过程，以实现微平板热管的主动热管理。

3)本发明由于在微平板热管上壳体内表面布置有平面电极，其可在与微槽道吸液芯内立体正、负电极的相互作用下，加强电流体作用力对气液界面的作用，促进气体进入蒸汽腔，进一步提高微平板热管的传热传质能力，可保障小空间高热流密度下电子器件的快速高效冷却。

附图说明

图1为本发明的整体结构图；

图2为本发明中微槽道吸液芯内的电极分布示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例做进一步的详细说明。

参照图1，本实例具有电流体动力学作用的微平板热管结构，由蒸发段、绝热段及冷凝段组成，其包括上壳体1、蒸汽腔2、下壳体3及微槽道吸液芯4，蒸汽腔2和微槽道吸液芯4位于上壳体1与下壳体3组成的封闭腔体中，且微槽道吸液芯4位于封闭腔体内部的最下方，蒸汽腔2位于微槽道吸液芯4的上表面，上壳体1内表面布置有平面电极7，该平面电极7为负电极；在本实例中上壳体1和下壳体3的材料为单晶硅，但不限于此材料，将上壳体1和下壳体3的单晶硅材料进行高温氧化以形成绝缘层，可避免上壳体1和下壳体3的外表面漏电。

所述微槽道吸液芯4包括多个凸台，这些凸台的尺寸及其横向间的距离沿轴向呈从小到大梯度分布，使得凸台之间形成的孔隙半径沿轴向从蒸发段到冷凝段呈从小到大梯度分布，以适应吸液芯内不同位置对毛细吸力的需求，增强吸液芯的毛细吸力，促进液态工质回流，提高热管的换热性能。每个凸台采用立体正电极5或立体负电极6，其形状为长方体或正方体或梯形柱或圆柱或多边形柱的几何体，本实例采用但不限于正方体结构，且立体正电极5和立体负电极6的数量相等。这些立体正电极5和立体负电极6沿轴向交替排布；每两个沿轴向交替排列的立体正电极5和立体负电极6构成一个电极对，相邻两个电极对之间的距离设置为电极对内正负电极之间距离的2倍以上，在本实例中相邻两个电极对之间的距离取为但不限于电极对内正负电极之间距离的2倍，以避免相邻两个电极对之间产生电流体作用的互相干扰；每个电极对中立体正电极5与立体负电极6之间的距离S为50-1000微米。封闭腔体内的工质为电导率低于10^-8西门子每米的介电流体；上壳体1内表面平面电极7与微槽道吸液芯4内立体正电极5、立体负电极6均采用电导率高于10⁷西门子每米的良好的导体。在立体正电极5、立体负电极6和表面平面电极7的共同作用下，封闭腔体内产生电流体驱动力，可促进气液相变和液体回流过程，减弱微平板热管对毛细吸力的依赖，进一步强化微平板热管的换热性能。

本实例中设但不限于距离S＝100微米、工质为正己烷、立体正电极5、立体负电极6和表面平面电极7均采用铜材料。

参照图2，所有立体正电极5和立体负电极6的下方均布置有电极布线层8，其为导电性能良好的导体，在实例中取为但不限于铜材料；电极布线层8分别将所有立体正电极5和所有立体负电极6连通，以提供立体正电极5和立体负电极6所需的正电压和负电压，通过改变输入电压值，来实现电流体对微平板热管的强化传热作用及主动热管理。

本实例的微平板热管工作原理为：当微平板热管的蒸发段受到外部热载荷时，蒸发段处的液体在微槽道吸液芯内蒸发和沸腾并流向蒸汽腔内，致使蒸发腔内蒸汽压力增大，蒸汽在蒸汽腔内从蒸发段流入冷凝段，并在微槽道吸液芯内冷凝为液体，释放能量；接着，冷凝后的液体在微槽道吸液芯内毛细力的作用下从冷凝段流回蒸发段，以实现工质在热管内的循环、热量从高温向低温的传递；同时，微槽道吸液芯内立体正、负电极同上壳体内表面平面电极之间会产生电流体驱动力，其可加快蒸发段处液体从微槽道吸液芯到蒸发腔的蒸发和沸腾、冷凝段处蒸汽从蒸发腔到微槽道吸液芯的冷凝以及液体在微槽道吸液芯内从冷凝段向蒸发段的回流，促进微平板热管内传热传质过程，提高微平板热管的换热性能。本实例采用梯度微槽道吸液芯，可充分提高吸液芯的毛细吸力，有利于增强吸液芯内工质的流动换热性能；将电流体动力学主动强化方式应用于微平板热管，可减弱微平板热管对毛细吸力的需求，强化微平板热管的传热传质过程，促进微平板热管从被动换热向主动热管理转变，为微型热管的研究开辟一个新方向，以保障小空间高热流密度下电子器件的高效快速冷却。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有电流体动力学作用的微平板热管，包括上壳体(1)、蒸汽腔(2)、下壳体(3)及微槽道吸液芯(4)，蒸汽腔(2)和微槽道吸液芯(4)位于上壳体(1)与下壳体(3)组成的封闭腔体中，且微槽道吸液芯(4)位于封闭腔体内部的最下方，蒸汽腔(2)位于微槽道吸液芯(4)的上表面，其特征在于：

所述上壳体(1)，其内表面布置有平面电极(7)；

所述微槽道吸液芯(4)，其由沿轴向尺寸呈梯度分布的多个凸台构成，以提供封闭腔体内液体回流的毛细力；

所述多个凸台，包括多个立体正电极(5)和多个立体负电极(6)，这些立体正电极(5)和立体负电极(6)沿轴向交替排布，并与平面电极(7)之间产生电流体驱动力，以辅助封闭腔体内液体回流。

2.根据权利要求1所述的微平板热管，其特征在于：所述多个凸台横向间的距离沿轴向呈从小到大梯度分布。

3.根据权利要求1所述的微平板热管，其特征在于：所述每个立体正电极(5)和每个立体负电极(6)均采用长方体、正方体、梯形柱、圆柱和多边形柱这些几何体结构中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的微平板热管，其特征在于：每两个沿轴向交替排列的立体正电极(5)和立体负电极(6)构成一个电极对，相邻两个电极对之间的距离设置为电极对内正负电极间距离的2倍以上，以避免相邻两个电极对之间产生电流体作用的互相干扰。

5.根据权利要求4所述的微平板热管，其特征在于：每个电极对中立体正电极(5)和立体负电极(6)之间的距离为10-1000微米。

6.根据权利要求1所述的微平板热管，其特征在于：所有立体正电极(5)和立体负电极(6)的下方均布置有电极布线层(8)，以分别实现所有立体正电极(5)之间和所有立体负电极(6)之间的连通。

7.根据权利要求1所述的微平板热管，其特征在于：所述平面电极(7)设为负电极，其与多个立体正、负电极(5，6)之间形成电流体驱动力，以加快封闭腔体内液体回流，并促进这些立体正、负电极之间产生的气泡排到蒸汽腔(2)内。

8.根据权利要求1所述的微平板热管，其特征在于：所述封闭腔体内的工质为电导率低于10^-8西门子每米的介电流体。

9.根据权利要求1所述的微平板热管，其特征在于：所述表面平面电极(7)、多个立体正电极(5)和多个立体负电极(6)，均采用电导率高于10⁷西门子每米的良好的导体。

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