CN117174676B - Tec热能驱动的引射器无泵循环芯片散热装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热装置及方法，涉及芯片散热技术领域。TEC冷端连接冷凝器和歧管微通道；歧管微通道将液态散热工质转变为两相态并输送至气液分离器和二级引射器中；气液分离器将气态散热工质输送至TEC热端，将液态散热工质输送至二级引射器；TEC热端将气态散热工质加热为过热蒸汽并输送至二级引射器中；二级引射器利用过热蒸汽引射第一进口进来的液态散热工质，混合后形成第一两相态工质，并利用第一两相态工质引射第二进口进来的第二两相态工质，将两个两相态工质进行混合并扩压。本发明采用二级引射器装置作为动力驱动装置，经过两次引射达到升压作用，使工质顺利流通，保障了散热循环的有效性。

Description

TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热装置及方法

技术领域

本发明属于芯片散热领域，尤其涉及TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

现阶段，电子芯片的发展趋势呈现为综合性能越来越高，但整体尺寸越来越小。电子芯片工作过程中热流密度大幅提升，而芯片温度的控制至关重要，对于稳定持续工作的电子芯片，最高温度不能超过85℃，温度过高会导致芯片损坏。传统风冷散热已不能满足要求，因此逐渐衍生出微通道液体冷却、热电制冷、热管散热等散热方式。

在公布号为CN 112201635 A的中国发明专利中，公开了一种协同驱动的高热流密度芯片相变散热装置，包括蒸发器、中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置、冷凝器、储液器和微泵；其中，蒸发器出口与中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置相连，中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置与冷凝器相连，冷凝器与储液器相连，储液器经过微泵与蒸发器入口相连。

发明人发现，上述技术方案中除了两相流喷射升压装置之外，仍然设置了微泵，利用微泵和中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置的协同作用，提高极限热流密度和传输距离。利用中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置，使过冷液引射蒸发器蒸汽，从而降低蒸发器底板温度，同时在出口处形成高压液体，驱动液体回流，降低泵功。

然而发明人发现，上述结构设置了多个连接回路，而两相流喷射升压装置设置在其中一个回路上，如果直接将该装置中的微泵结构去除，在蒸发器内蒸汽量不足、散热需求不高的情况下，将不能保证工质循环的效果。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热装置及方法，仅仅采用二级引射器装置作为动力驱动装置就能保证多种散热需求下的工质循环效果，利用TEC热端的热量将气态工质加热为过热蒸汽，经过两次引射达到升压作用，使工质顺利流通、促进循环，保障了散热循环的有效性，无需微泵结构或泵结构。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

本发明第一方面提供了TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热装置。

TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热装置，包括TEC、歧管微通道、气液分离器和二级引射器，其中：

所述歧管微通道内流通有经液态散热工质吸热后转变而成的两相态散热工质，且所述歧管微通道分别连接气液分离器和二级引射器的第二进口；

所述气液分离器的气体出口连接TEC热端，TEC热端连接二级引射器的一级喷嘴，以将气体出口输送来的气态散热工质通过TEC热端加热为过热蒸汽，并输送至一级喷嘴中；所述气液分离器的液体出口连接二级引射器的第一进口；

所述二级引射器利用一级喷嘴进来的过热蒸汽引射第一进口进来的液态散热工质，混合后形成第一两相态工质，并利用第一两相态工质引射第二进口进来的从歧管微通道输送来的第二两相态工质，将第一两相态工质和第二两相态工质进行混合并扩压，并将扩压后的两相态工质经冷凝为液态后，输送至歧管微通道中。

可选的，所述二级引射器包括一级喷嘴、第一进口、一级接受室、二级喷嘴、第二进口、二级接受室、混合室和扩压室，所述第一接受室的进口与第一喷嘴、第一进口相连通，所述第一接受室的出口与二级喷嘴相连通，所述二级接受室的进口分别与二级喷嘴、第二进口相连通，所述二级接受室的出口与混合室的进口相连通，所述混合室的出口与扩压室的进口相连通，所述扩压室的出口与冷凝器相连通。

可选的，所述一级喷嘴中的过热蒸汽作为一次流体进入一级接受室，使一级接受室形成低压区，引射第一进口进来的作为二次流体的液态散热工质，过热蒸汽和液态散热工质在第一接受室内混合，形成第一两相态工质。

可选的，所述二级喷嘴用于将第一两相态工质作为一次流体送入二级接受室，使二级接受室形成低压区，引射第二进口进来的作为二次流体的从歧管微通道输送来的第二两相态工质，第一两相态工质和第二两相态工质在第二接受室内混合。

可选的，所述混合室用于对第二接收室内混合后的第一两相态工质和第二两相态工质充分混合，形成最终混合后的两相态工质；所述扩压室用于对混合室内最终混合后的两相态工质进行扩压，形成混合流。

可选的，所述歧管微通道与待散热芯片顶部相连接。

可选的，还包括冷凝器，所述冷凝器分别连接二级引射器的扩压室出口和TEC冷端，所述TEC冷端连接歧管微通道。

可选的，所述TEC冷端和TEC热端的管道为蛇形排列。

可选的，所述歧管微通道为Z型歧管微通道。

本发明第二方面提供了TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热方法。

TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热方法，包括以下步骤：

TEC冷端将冷凝器输送来的液态散热工质进行深冷并输送至歧管微通道中；

歧管微通道为芯片散热，将液态散热工质转变为两相态并分别输送至气液分离器和二级引射器的第二进口中；

气液分离器将两相态的散热工质分离，将气态散热工质输送至TEC热端，将液态散热工质输送至二级引射器的第一进口；

TEC热端将气态散热工质加热为过热蒸汽并输送至二级引射器的一级喷嘴中；

二级引射器利用过热蒸汽引射第一进口进来的液态散热工质，混合后形成第一两相态工质，并利用第一两相态工质引射第二进口进来的从歧管微通道输送的第二两相态工质，将两个两相态工质进行混合并扩压；

冷凝器将二级引射器输送的扩压后的两相态工质冷凝为液态，将液态散热工质输送至TEC冷端。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、本发明提供了TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热装置及方法，仅仅采用了二级引射器作为动力驱动装置就能够保证多种散热需求下的工质循环效果，设计巧妙；考虑到泵装置需使用电气结构来输入能量使泵装置工作，初投资增加，而二级引射器装置无需能量输入便可达到增压效果，实现散热循环；其次是在芯片散热场景中，泵装置使用了电气结构，使整体结构复杂，占用空间较大，安全性能低，且不便维护，而二级引射器装置结构简单，占用空间小，使用安全，易于维护。

2、本发明利用TEC热端的热量为气态散热工质加热，使其转变为过热蒸汽作为二级引射器的一次流体，实现节能效果。

3、本发明歧管微通道出口处的两相态工质分为两路，其中一路进入二级引射器第二进口作为二次流体被引射，一方面防止了歧管微通道内气泡聚集、两相态工质倒流导致散热失效，另一方面歧管微通道出口处两相态工质被引射，增加了引射过程，使得压力升高，工质顺利流通，促进循环，保障了散热循环的有效性。

4、本发明采用二级引射器作为散热循环的动力驱动装置，提升了芯片散热装置整体的经济性、可使用性、节能性和有效性。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为第一个实施例整体结构示意图。

图2为第一个实施例二级引射器的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-冷凝器、2-TEC冷端、3-TEC热端、4-歧管微通道、5-气液分离器、6-二级引射器、61-一级喷嘴、62-一级接受室、63-二级喷嘴、64-二级接受室、65-混合室、66-扩压室、67-第一进口、68-第二进口、7-芯片、8-TEC。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提出的总体思路：

在众多散热方式中，泵结构作为一种广泛应用的装置，常常使用其来为工质增压、推动流动，然而泵结构需使用电气设备为泵结构输入能量，不便维护、消耗大量能量，且泵结构噪声大、安全性能低。

半导体制冷器(TEC)是指利用半导体的热-电效应制取冷量的器件，又称热电制冷器。用导体连接两块不同的金属,接通直流电,则一个接点处温度降低，另一个接点处温度升高。

引射器作为一种增压装置，不需要能量输入就可为工质增压、推动流动，达到无泵结构便可使循环流通的效果；TEC作为一种高效散热装置，输入电能，可在冷端吸收热量，在热端散出热量。基于上述内容，本发明提出一种TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热装置及方法。

实施例一

本实施例公开了TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热装置。

如图1、图2所示，TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热装置，包括通过管道相连接的冷凝器1、TEC8、歧管微通道4、气液分离器5和二级引射器6，管道内流通有散热介质，其中：

TEC冷端2连接冷凝器1和歧管微通道4，以将冷凝器1输送来的液态散热工质进行深冷并输送至歧管微通道4中；

歧管微通道4连接芯片7，为芯片7散热，以将液态散热工质转变为两相态；同时连接气液分离器5和二级引射器6的第二进口68，以将两相态散热工质分别输送至气液分离器5和二级引射器6的第二进口68中；

气液分离器5的气体出口和液体出口分别连接TEC热端3和二级引射器6的第一进口67，以将分离后的气态散热工质输送至TEC热端3，将分离后的液态散热工质输送至二级引射器6的第一进口67；

TEC热端3连接二级引射器6的一级喷嘴61，以将气态散热工质加热为过热蒸汽并输送至二级引射器6的一级喷嘴61中；

二级引射器6利用一级喷嘴61中的过热蒸汽引射第一进口67进来的液态散热工质，混合后形成第一两相态工质，并利用第一两相态工质引射第二进口68进来的从歧管微通道4输送的第二两相态工质，将两个两相态工质进行混合并扩压；

冷凝器1分别连接二级引射器6出口和TEC冷端2，以将二级引射器6输送的扩压后的两相态工质冷凝为液态，并输送至TEC冷端2。

如图1所示，冷凝器1的出口与TEC冷端2的进口相连接，TEC冷端2的出口与歧管微通道4的进口相连接，歧管微通道4与芯片7相连接，在歧管微通道4内利用液态散热工质为芯片7散热，将部分液态工质转变为气态工质，液态散热工质整体转变为两相态；歧管微通道4设置有第一出口和第二出口，第一出口连接气液分离器5，第二出口连接二级引射器6的第二进口68；气液分离器5的气体出口连接TEC热端3的进口；TEC热端3的出口连接二级引射器6的一级喷嘴61，气液分离器5的液体出口连接二级引射器6的第一进口67；冷凝器1的进口与二级引射器6的扩压室出口相连接。

如图2所示，所述二级引射器6包括一级喷嘴61、第一进口67、一级接受室62、二级喷嘴63、第二进口68、二级接受室64、混合室65和扩压室，所述第一接受室的进口与第一喷嘴、第一进口67相连通，所述第一接受室的出口与二级喷嘴63相连通，所述二级接受室64的进口分别与二级喷嘴63、第二进口68相连通，所述二级接受室64的出口与混合室65的进口相连通，所述混合室65的出口与扩压室66的进口相连通，所述扩压室的出口与冷凝器1相连通。

在二级引射器6中，所述一级喷嘴61中的过热蒸汽作为一次流体进入一级接受室62，使一级接受室62形成低压区，引射第一进口67进来的作为二次流体的液态散热工质，在第一接受室内混合，形成混合后的两相态工质；所述二级喷嘴63用于将混合后的两相态工质作为一次流体送入二级接受室64，使二级接受室64形成低压区，引射第二进口68进来的作为二次流体的从歧管微通道4输送来的两相态工质，并在第二接受室内混合；所述混合室65用于对第二接收室内的混合后的两相态工质和从歧管微通道4输送来的两相态工质进行充分混合，形成最终混合后的两相态工质；所述扩压室用于对混合室65内最终混合后的两相态工质进行扩压，形成混合流。

更为具体的：

在冷凝器1内，两相态工质通过冷凝器1与外界进行热交换，冷凝器1为两相态工质降温，两相态工质放出热量，温度降低，压力降低，并且转变为液态工质，在此阶段，可根据芯片7散热需求选择不同种类的冷凝器1以及调整两相态工质散热量；

液态工质经管道流向TEC冷端2，基于珀尔帖效应，为TEC通入直流电后，TEC冷端2吸收热量，为液态工质进行深冷，液态工质再次降温，放出热量，压力降低，工质仍为液态工质，在此阶段，管道可为蛇形排列方式或根据芯片7散热要求推算TEC冷端2吸收液态工质热量进而调整管道排列方式以及选择不同种类的TEC装置；

液态工质经管道流向歧管微通道装置，其中歧管微通道装置与芯片7相连接，吸收芯片7热量，为芯片7散热，液态工质在推动力的作用下在歧管微通道内流动，并在流动过程中携带走芯片7所产生的热量，实现冷却效果，同时工质吸收热量，提高温度，其中一部分液态工质转变为气态工质，整体液态工质转变为两相态工质，为防止在高密度热流的情况下，两相态工质在歧管微通道发生气泡聚集，导致两相态工质无法从出口排出、散热失效，因此在歧管微通道出口将两相态工质分为两路，在此阶段，歧管微通道可为Z型歧管微通道或根据芯片7散热要求选择不同歧管微通道类型；

两相态工质分为两路，其中一路经管道流向气液分离器5，两相态工质在气液分离器5内流动时，由于液态工质与气态工质密度不同，液态工质受到的离心力大于气体，液态工质有离心分离的倾向，液相向管壁方向移动，在入口压力作用下，液相在气液分离器5底部做旋转运动至底流腔内缓冲后向上运移，经过液相底流管后汇集由液相出口排出，气相沿气液分离器5轴心转移到气相溢流管上的进气孔，经储气腔缓冲后由气体出口排出，在此阶段，气液分离器5可根据实际情况选定不同的分离效率进而选择不同类型的气液分离器5；

气态工质和液态工质分为两路，气态工质一路经管道流向TEC热端3，基于珀尔帖效应，为TEC通入直流电后，TEC热端3放出热量，气态工质吸收TEC热端3放出的热量，温度升高，压力升高，成为过热蒸汽，管道排列方式可为蛇形排列或根据芯片7散热要求调整为其他排列方式；

过热蒸汽一路经管道进入二级引射器6一级喷嘴61作为一次流体，过热蒸汽在两段式喷嘴中绝热膨胀加速，其动能增加，并且压力降至液态工质压力以下，过热蒸汽从一级喷嘴61喷出进入一级接受室62，在射流的紊动扩散作用下,卷吸周围压力较低的流体，使得一级接受室62形成低压区，在压力差的作用下，液态工质通过第一进口67作为二次流体被引射，液态工质与过热蒸汽在第一接受室内混合成为两相态工质,进行能量和动量交换,在流动过程中速度场分布渐渐均匀，随后该两相态工质进入二级喷嘴63，速度升高，压力降低；

从歧管微通道流出的另一路两相态工质进入二级引射器6的第二进口68，二级喷嘴63流出的两相态工质进入二级接受室64，在射流的紊动扩散作用下,卷吸周围压力较低的流体，使得二级接受室64形成低压区，在压力差的作用下，第二进口68处两相态工质作为二次流体被引射，两处两相态工质在第二接受室内混合,进行能量和动量交换,在流动过程中速度场分布渐渐均匀,随后两处两相态工质进入混合室65充分混合，

并将动能重新转化为压力能，随后两相态工质进入扩压室66扩压，在二级引射器6扩压室66出口处,混合流的压力高于进入接受室的两处二次流体的压力，在不直接消耗机械能的条件下实现了增压作用，达到无泵装置就可为工质增压的效果，在此阶段，可根据芯片7散热需求选定扩压程度进而选择不同形式引射器；混合后的两相态工质通过管道回到冷凝器1，放出热量，温度降低，其中的气态工质转变为液态工质，整体两相态工质转变为液态工质，完成循环。

在芯片7温度高的时候，通过上述过程，液态工质在歧管微通道结构处吸收热量多，进而在二级引射器6装置处过热蒸汽首先引射液态工质混合成为两相态工质，随后该两相态工质引射歧管微通道出口处两相态工质，二者混合后压力升高程度大，促进推动工质流动，满足芯片7散热要求。

在芯片7温度低的时候，通过上述过程，气态工质仍可在TEC热端3处吸收热量转变为过热蒸汽，随后进入二级引射器6先引射液态工质成为两相态工质，该两相态工质再引射歧管微通道出口处两相态工质，二者混合达到升压作用。同时，由于芯片7温度低，无需过多散热，此时工质流动情况仍可为芯片7进行足够的散热，满足芯片7散热要求。

实施例二

本实施例公开了TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热方法。

TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热方法，包括以下步骤：

TEC冷端将冷凝器输送来的液态散热工质进行深冷并输送至歧管微通道中；

歧管微通道为芯片散热，将液态散热工质转变为两相态并分别输送至气液分离器和二级引射器的第二进口中；

气液分离器将两相态的散热工质分离，将气态散热工质输送至TEC热端，将液态散热工质输送至二级引射器的第一进口；

TEC热端将气态散热工质加热为过热蒸汽并输送至二级引射器的一级喷嘴中；

二级引射器利用过热蒸汽引射第一进口进来的液态散热工质，混合后形成第一两相态工质，并利用第一两相态工质引射第二进口进来的从歧管微通道输送的第二两相态工质，将两个两相态工质进行混合并扩压；

冷凝器将二级引射器输送的扩压后的两相态工质冷凝为液态，将液态散热工质输送至TEC冷端。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热装置，其特征在于，包括TEC、歧管微通道、气液分离器和二级引射器，其中：

所述歧管微通道内流通有经液态散热工质吸热后转变而成的两相态散热工质，且所述歧管微通道分别连接气液分离器和二级引射器的第二进口；

所述气液分离器的气体出口连接TEC热端，TEC热端连接二级引射器的一级喷嘴，以将气体出口输送来的气态散热工质通过TEC热端加热为过热蒸汽，并输送至一级喷嘴中；所述气液分离器的液体出口连接二级引射器的第一进口；

所述二级引射器利用一级喷嘴进来的过热蒸汽引射第一进口进来的液态散热工质，混合后形成第一两相态工质，并利用第一两相态工质引射第二进口进来的从歧管微通道输送来的第二两相态工质，将第一两相态工质和第二两相态工质进行混合并扩压，并将扩压后的两相态工质经冷凝为液态后，输送至歧管微通道中。

2.如权利要求1所述的TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热装置，其特征在于，所述二级引射器包括一级喷嘴、第一进口、一级接受室、二级喷嘴、第二进口、二级接受室、混合室和括压室，所述一级接受室的进口与一级喷嘴、第一进口相连通，所述一级接受室的出口与二级喷嘴相连通，所述二级接受室的进口分别与二级喷嘴、第二进口相连通，所述二级接受室的出口与混合室的进口相连通，所述混合室的出口与扩压室的进口相连通，所述括压室的出口与冷凝器相连通。

3.如权利要求2所述的TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热装置，其特征在于，所述一级喷嘴中的过热蒸汽作为一次流体进入一级接受室，使一级接受室形成低压区，引射第一进口进来的作为二次流体的液态散热工质，过热蒸汽和液态散热工质在一级接受室内混合，形成第一两相态工质。

4.如权利要求3所述的TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热装置，其特征在于，所述二级喷嘴用于将第一两相态工质作为一次流体送入二级接受室，使二级接受室形成低压区，引射第二进口进来的作为二次流体的从歧管微通道输送来的第二两相态工质，第一两相态工质和第二两相态工质在二级接受室内混合。

5.如权利要求4所述的TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热装置，其特征在于，所述混合室用于对二级接受室内混合后的第一两相态工质和第二两相态工质充分混合，形成最终混合后的两相态工质；所述扩压室用于对混合室内最终混合后的两相态工质进行扩压，形成混合流。

6.如权利要求1所述的TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热装置，其特征在于，所述歧管微通道与待散热芯片顶部相连接。

7.如权利要求1所述的TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热装置，其特征在于，还包括冷凝器，所述冷凝器分别连接二级引射器的扩压室出口和TEC冷端，所述TEC冷端连接歧管微通道。

8.如权利要求7所述的TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热装置，其特征在于，所述TEC冷端和TEC热端的管道为蛇形排列。

9.如权利要求1所述的TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热装置，其特征在于，所述歧管微通道为Z型歧管微通道。

10.TEC热能驱动的引射器无泵循环芯片散热方法，其特征在于：包括以下步骤：

TEC冷端将冷凝器输送来的液态散热工质进行深冷并输送至歧管微通道中；

歧管微通道为芯片散热，将液态散热工质转变为两相态并分别输送至气液分离器和二级引射器的第二进口中；

气液分离器将两相态的散热工质分离，将气态散热工质输送至TEC热端，将液态散热工质输送至二级引射器的第一进口；

TEC热端将气态散热工质加热为过热蒸汽并输送至二级引射器的一级喷嘴中；

二级引射器利用过热蒸汽引射第一进口进来的液态散热工质，混合后形成第一两相态工质，并利用第一两相态工质引射第二进口进来的从歧管微通道输送的第二两相态工质，将两个两相态工质进行混合并扩压；

冷凝器将二级引射器输送的扩压后的两相态工质冷凝为液态，将液态散热工质输送至TEC冷端。