TWI506238B - 微型液體冷卻裝置 - Google Patents

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Description

微型液體冷卻裝置
本發明涉及一種冷卻裝置，尤係關於一種用於冷卻電子元件的微型液體冷卻裝置。
目前，對發熱電子元件進行冷卻的液體冷卻裝置一般包括一吸熱體、一散熱體、一泵及複數傳輸管。由該吸熱體、散熱體、泵及傳輸管構成一迴路，該迴路中填充有冷卻液體，冷卻液體在該吸熱體處吸收電子元件所產生的熱量，經傳輸管傳至散熱體後放出熱量。在該泵的驅動作用下，該冷卻液體在迴路中不斷循環，從而源源不斷地帶走該電子元件所產生的熱量。
然而，習知液體冷卻裝置中泵所佔用的空間較大，很難符合電子裝置朝向輕薄化方向發展的要求。另外，泵在運行時還會產生較大的噪音，影響使用者的聽覺感受。
介質材料上的電潤濕效應(Electrowetting On Dielectric，EWOD)係一種藉由施加電勢來改變液體表面張力的可逆現象。圖1A與圖1B為介質上的電潤濕效應的原理圖。如圖1A所示，下極板10包括一基底11，基底11上設有下電極層12，該下電極層12被一層絕緣層13覆蓋，液滴14位於絕緣層13的表面，上電極15插入液滴14的內部。該上電極15與下電極層12之間藉由電源線連接有一開關16及一可調電源17，該開關16用於控制電路的斷開與閉合， 該可調電源17用來給下極板10與上電極15之間提供施加電壓。當上電極15與下極板10之間不加電壓，即開關16處於斷開狀態時，該下極板10的絕緣層13的表面為疏水的，此時液滴14的靜態接觸角為θ(0)>90°。如圖1B所示，當開關16閉合時，可調電源17提供一電壓V，在液滴14與下極板10之間產生電勢作用，此時，液滴14的靜態接觸角由原來的θ(0)變化為θ(V)，θ(V)<θ(0)。當V的大小達到一定值時，θ(V)<90°，此時絕緣層13的表面變成親水的。當開關16重新斷開時，即液滴14與下極板10之間沒有電勢作用時，液滴14的靜態接觸角重新回復到θ(0)。上述的這種現象稱為介質材料上的電潤濕效應。
利用這種介質材料上的電潤濕效應原理，美國杜克大學(Duck University)的Pollack M G等人首先基於介質材料上的電潤濕效應並採用微機械製作的微電極陣列進行了微液滴的運動控制，並提出了“數位微流體(Digital Microfluidics)”的概念。美國洛杉磯加州大學(UCLA)的Cho S K等人成功地利用EWOD效應對直徑為70μm的微液滴進行了微液滴的產生、傳輸、混合和分裂四個基本操作，並在25V的交流電壓下得到了250mm/s的微液滴移動速度(Cho S K,Moon H,Kim C J.Creating,Transporting,Cutting,and Merging Liquid Droplets by Electrowetting-Based Actuation for Distal Microfluidic Circuits[J].Journal of Microelectromechanical Systems,2003,12(1)：70-80.)。可見，基於介質材料上的電潤濕效應係一種十分有效的微流體控制技術。
有鑒於此，有必要提供一種佔用體積小且具有較好的靜音效果的微型液體冷卻裝置。
一種微型液體冷卻裝置，包括一基板、一環管及複數電極組，該環管設於該基板上，環管的首尾相連並於環管內形成一封閉的迴路，該迴路中填充有工作液體，該複數電極組設於基板上並沿環管的延伸方向呈間隔設置，每一電極組包括一第一電極與一第二電極，該第一電極與第二電極呈相對設置並將環管的管體夾設於該第一電極與第二電極之間，環管的內壁設有一疏水層，第一電極與環管的外壁之間及第二電極與環管的外壁之間分別設有一介電層。
與習知技術相比，該微型液體冷卻裝置製程簡單，適合進行微型化設計，可用於內部空間較小的電子裝置內對電子元件進行散熱。該微型液體冷卻裝置，無需設置泵這類機械傳動件，因此具有良好的靜音效果。
<本發明>
200‧‧‧微型液體冷卻裝置
201‧‧‧環槽
20‧‧‧基板
21‧‧‧環管
211‧‧‧吸熱段
212‧‧‧放熱段
213‧‧‧儲液部
214‧‧‧注液孔
215‧‧‧塞子
216‧‧‧疏水層
22‧‧‧電極組
221‧‧‧第一電極
222‧‧‧第二電極
23‧‧‧介電層
24‧‧‧介電層
300‧‧‧電子元件
30‧‧‧工作液體
40‧‧‧控制電路
41‧‧‧導線
<習知>
10‧‧‧下極板
11‧‧‧基底
12‧‧‧下電極層
13‧‧‧絕緣層
14‧‧‧液滴
15‧‧‧上電極
16‧‧‧開關
17‧‧‧可調電源
θ(0)、θ(V)‧‧‧靜態接觸角
圖1A與圖1B為介質材料上的電潤濕效應原理的示意圖，其中：圖1A為不加電壓時，液滴的靜態接觸角為θ(0)>90°的情況；圖1B為施加一定電壓作用下，液滴的靜態接觸角為θ(V)<90°的情況。
圖2為本發明微型液體冷卻裝置的立體組裝示意圖。
圖3為圖2所示微型液體冷卻裝置沿III-III線的剖視圖，圖中一併示出對該微型液體冷卻裝置的電極組提供電壓的控制電路。
圖4為圖3中IV處的放大圖。
本發明旨在將基於介質材料上的電潤濕效應這一微流體控制技術應用於微型液體冷卻裝置中。
如圖2與圖3所示為本發明微型液體冷卻裝置200的一較佳實施例。該微型液體冷卻裝置200用於冷卻一發熱電子元件300，所述微型液體冷卻裝置200包括一基板20、一環管21及複數電極組22。
該基板20呈矩形，可為一玻璃板或一矽板。該基板20上設有一環槽201，該環管21水平放置於該基板20上並收容於該環槽201內。該環管21的首尾相連並於環管21內形成一封閉的迴路，該迴路中填充有工作液體30。所述工作液體30為能夠藉由電濕潤效應驅動的任何液體。本實施例中，環管21大致呈矩形，具有一吸熱段211及與該吸熱段211相對的一放熱段212，該環管21於一相對的兩角處分別設有一球狀的儲液部213，以用來儲存工作液體30。該兩儲液部213的其中之一上開設有一注液孔214，以供將工作液體30注入至環管21內，該注液孔214由一塞子215封閉。本實施例中，該環管21係採用濕蝕刻(wet etching)的方法自基板20生長形成。如圖4所示，環管21的內壁覆蓋有一層很薄的疏水材料以形成一疏水層216。
請一併參閱圖4，該複數電極組22設於基板20上並沿環管21的延伸方向呈間隔設置。每一電極組22包括一第一電極221與一第二電極222，該第一電極221與第二電極222分別位於環管21的管體的內外兩側且呈相對設置，以將環管21的管體夾設於該第一電極221與第二電極222之間。該第一電極221與第二電極222均連接至環管21的外壁上，且在第一電極221靠近環管21的一端與環管21 的外壁之間形成有一介電層23。同樣地，在第二電極222靠近環管21的一端與環管21的外壁之間亦形成一介電層24。本實施例中，電極組22的第一電極221與第二電極222係採用蝕刻的方法自基板20上生長形成。在先製作電極組22的情況下，該介電層23、24可以藉由分別在電極組22的第一電極221與第二電極222的表面沉積一層氮化矽(Si3N4)來形成，然而再在基板20上製作環管21。在先製作環管21的情況下，該介電層23、24可以藉由在環管21的外壁的相對兩側分別沉積一層氮化矽(Si3N4)來形成，然後再在基板20上製作電極組22。
如圖3所示，每一電極組22的第一電極221與第二電極222藉由複數導線41與外部的一控制電路40進行電連接，該控制電路40包括一電源及一控制晶片，該控制晶片採用電腦程式來控制施加於各電極組22上的電壓的施加時間及施加順序，所施加的電壓的大小由電源控制。該控制電路40對施加電壓的控制方法採用常規的控制方法。
使用該微型液體冷卻裝置200對電子元件300進行散熱時，該微型液體冷卻裝置200的基板20貼設於電子元件300上，並使環管21的吸熱段211位於發熱電子元件300的正上方(如圖2所示)，發熱電子元件300所產生的熱量被基板20吸收，並由基板20將熱量傳給環管21的吸熱段211中工作液體30。工作時，藉由控制電路40規律性地對該複數電極組22施加電壓，在電濕潤效應的作用下，環管21的吸熱段211內已加熱的工作液體30被驅動至環管21的放熱段212。工作液體30在環管21的放熱段212與基板20進行熱交換，被冷卻後的工作液體30在電濕潤效應的驅動下再次回到環管21 的吸熱段211以進入下一次循環，從而源源不斷地帶走該電子元件300所產生的熱量。
該微型液體冷卻裝置200可採用微機電系統(MEMS)技術進行製作，適合進行微型化設計，可用於內部空間較小的筆記型電腦等電子裝置內對電子元件300進行散熱。該微型液體冷卻裝置200中，採用電濕潤效應來對工作液體30進行主動傳輸，不僅可以準確地控制工作液體30的傳輸量，而且沒有像泵這類機械傳動件，使得該微型液體冷卻裝置200具有良好的靜音效果。
綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，舉凡熟悉本案技藝之人士，在爰依本發明精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下之申請專利範圍內。
200‧‧‧微型液體冷卻裝置
201‧‧‧環槽
20‧‧‧基板
21‧‧‧環管
211‧‧‧吸熱段
212‧‧‧放熱段
213‧‧‧儲液部
214‧‧‧注液孔
215‧‧‧塞子
22‧‧‧電極組
221‧‧‧第一電極
222‧‧‧第二電極
300‧‧‧電子元件

Claims (9)

  1. 一種微型液體冷卻裝置，包括一基板、一環管及複數電極組，該環管設於該基板上，環管的首尾相連並於環管內形成一封閉的迴路，該迴路中填充有工作液體，該複數電極組設於基板上並沿環管的延伸方向呈間隔設置，每一電極組包括一第一電極與一第二電極，該第一電極與第二電極呈相對設置並將環管的管體夾設於該第一電極與第二電極之間，環管的內壁設有一疏水層，第一電極與環管的外壁之間及第二電極與環管的外壁之間分別設有一介電層，該工作流體在該環管內循環流動。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之微型液體冷卻裝置，其中還包括一控制電路，每一電極組的第一電極及第二電極與該控制電路電連接，藉由控制電路規律性地對該複數電極組施加電壓，驅動該工作流體在該環管內循環流動。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之微型液體冷卻裝置，其中該環管上設有至少一儲液部。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之微型液體冷卻裝置，其中該儲液部呈球形。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之微型液體冷卻裝置，其中該基板上設有一環槽，該環管收容於該環槽內。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之微型液體冷卻裝置，其中該環管為採用濕蝕刻的方法自基板生長形成。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之微型液體冷卻裝置，其中該環管圍成一矩形。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之微型液體冷卻裝置，其中該環管具有一吸熱段及與該吸熱段相對的一放熱段。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之微型液體冷卻裝置，其中該複數電極組採用蝕刻的方法自基板生長形成。
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