CN107731766A - 一种用于芯片级***散热的自循环流体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于流体机械领域，具体涉及一种用于芯片级***散热的自循环流体装置，包括微流道散热器，冷却装置，液体导管和微泵。本发明首先采用2个微泵利用其扩散/收缩管结构，产生的净流量差这一特性，使液体朝一个方向流动；将微泵a、微泵b通过液体导管和微流道散热器1、微流道散热器2相连接，最终使液体形成单向循环流动。通过微泵作为输送动力，从热源芯片端流过的液体温度升高，而流经冷却装置的使液体温度降低，并使高温液体和常温液体进行分离，达到更好的散热效果；其次通过两个微泵的主腔体共用一片振膜，更简单高效的驱动液体流动。本发明散热效率更好，可集成度高。

Description

一种用于芯片级***散热的自循环流体装置
技术领域
本发明属于流体机械领域，具体涉及一种用于芯片级***散热的自循环流体装置。
背景技术
随着电子技术的发展，使得电子器件的应用逐渐趋于高级化和微型化。尤其是硅集成电路的出现，使得电路的集成度急剧升高对于这些集成度较高的芯片来说，其产生的热量急剧增加，导致热流密度的升高，进而导致电子设备温度升高，从而使电子设备失效。据统计，在造成电子设备失效及寿命降低的众多因素中，温度过高占有很大比例；进而因为过热而造成的电子设备失效，会使设备性能下降，造成不可预期的后果。实验与研究表明：单个半导体元件的温度每升高10℃，***可靠性将降低50％，超过55％的电子设备的失效是由于温度过高引起。以集成电路芯片为例，工作温度在90℃时的失效率是工作温度在40℃时的75倍。由此可见，集成电子器件的散热问题已经成为电子设备正常运行的关键。
对电子设备合理的热设计是避免电子器件因过热而引起故障的有效手段。电子设备的热设计包括对电子设备中的发热元器件以及整个***所采用的结构设计和冷却技术，以保证它们的正常工作温度，从而保证电子设备乃至整个***的正常工作和运行。
目前已广泛应用且较常规的电子设备冷却技术主要包括自然风冷、强制风冷、浸没冷却、强制液冷，除此之外，辐射冷却、相变冷却、热电制冷等技术也在电子设备的冷却中占有重要地位。在现有的电子器件冷却方式中，传统的自然冷却及强迫风冷已不能满足大功率元器件的热控要求，而强迫液冷散热能力相比强迫风冷更高。强迫液冷散热有很多方式，但根据目前综合研究来看，微流道散热是比较好的一种液冷方式，但微流道的流体如果通过外接液体回路供液的话，必然会增加成本，也难以形成散热***的独立模块化，所以，需要要加给出微流道的液体驱动源。
微型微泵作为微流动***的重要执行部件，承担着试剂的传递、脉动流的传导、压差的产生、冷却流体的移动、悬浮粒子或细胞的传输等任务。其性能直接影响着整个微流量***的工作特性。在越来越多的高精尖科技领域，微型微泵也得到了研究人员的广泛关注。
目前存在的一些驱动源包括：静电驱动，热气驱动微泵，电磁驱动微泵，形状记忆合金微泵，电致动聚合物驱动微泵，电液动力微泵，电渗驱动微泵，磁流体动力微泵，电浸润式微泵。
发明内容
针对现有技术的不足，为了更好的提高热源芯片的散热效率，并减小散热***的体积，增加集成度，获得更好的散热效果，本发明提供了一种用于芯片级***散热的自循环流体装置。
该用于芯片级***散热的自循环流体装置，包括微流道散热器，冷却装置，液体导管和微泵。
微流道散热器有两个，微流道散热器1的出入口通过两根液体导管引出，分别与微泵a的出口和微泵b的入口相连接；微流道散热器2的出入口通过两根液体导管引出，分别与微泵b的出口和微泵a的入口相连接；微流道散热器1的表面与目标散热芯片相连接，微流道散热器2的表面与冷却装置相连接。
冷却装置为风冷装置、浸没冷却、辐射冷却或热电制冷。
微泵有两个，其结构相同，由微泵体，主腔体，入口扩散/收缩管，出口扩散/收缩管，入口侧腔体，出口侧腔体，振膜组成。微泵a的出口和微泵b的入口分别通过液体导管与微流道散热器1的出入口相连，微泵a的入口和微泵b的出口分别通过液体导管与微流道散热器2的出入口相连。
微泵a，微泵b，微流道散热器1，微流道散热器2，4根液体导管，构成一个单向循环***。微泵a微泵出的液体流经热源芯片端的微流道散热器1时，带走热源芯片产生的热量，同时液体温度升高，此时微泵b继续提供动力将从微流道散热器1流出的高温液体运送到微流道散热器2，液体经过冷却装置的冷却之后，温度降低，再经微泵a将其运送到微流道散热器1，再次对热源芯片进行散热，如此循环往复，形成一个自循环的芯片散热***。
进一步的，所述两个微泵的主腔体共用一个振膜，当振膜在外力驱动下产生形变时使两个腔体体积同时产生变化，由于微泵的特殊收缩/扩散管结构,可更高效的驱动液体进行循环流动。
进一步的，所述微流道散热器的材料为玻璃或硅。
进一步的，所述微泵微泵体材料为金属或玻璃。
进一步的，所述振膜的驱动方式为压电、气动，静电或电磁。
本发明首先采用2个微泵利用其扩散/收缩管结构，产生的净流量差这一特性，使液体朝一个方向流动；将微泵a、微泵b通过液体导管和微流道散热器1、微流道散热器2相连接，最终使液体形成单向循环流动。通过微泵作为输送动力，从热源芯片端流过的液体温度升高，而流经冷却装置的使液体温度降低，从而使高温液体和常温液体进行分离，提高液体循环效率，达到更好的散热效果。
通过微泵作为液体驱动源，可以形成独立模块，仅需外部供电而无需外接其他模块；可集成度高。
其次通过两个微泵的主腔体共用一片振膜，当振膜开始振动时，振膜振动一次就使两个微泵的主腔体均产生变化，更简单的驱动液体流动，并且产生的推动力对于整个循环***是完全同步的，液体循环效果比两个采用单独振膜的微泵实现同步推动力的效果更好。
综上所述，与传统的散热方式相比，本发明散热效率更好，同时可集成度高。
附图说明
图1为实施例的三维视图；
图2为实施例的三维透视图；
图3为实施例的剖面图；
图4为实施例的剖面原理图1；
图5为实施例的剖面原理图2；
附图标记：
微泵a主腔体-1a，微泵a入口侧腔体-2a，微泵a出口侧腔体-3a，微泵a扩散管-4a，微泵a收缩管-5a，微泵b主腔体-1b，微泵b入口侧腔体-2b，微泵b出口侧腔体-3b，微泵b扩散管-4b，微泵b收缩管-5b；
模拟热源芯片-1c，微流道散热器1-2c，冷却装置-3c，微流道散热器2-4c，振膜-5c；
液体导管第1段-1d，液体导管第2段-2d，液体导管第3段-3d，液体导管第4段-4d。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
如图1和图2所示，一种用于芯片级***散热的自循环流体装置，包括模拟热源芯片-1c，流道散热器1-2c，冷却装置-1c，微流道散热器2-4c，微泵a；微泵b；微泵a和微泵b共用的振膜-5c；第一段液体导管-1d，第二段液体导管-2d，第三段液体导管-3d，第四段液体导管-4d。
如图3所示，微泵a由微泵a主腔体-1a，微泵a入口侧腔-2a，微泵a出口侧腔体-3a，微泵a入口侧扩散/收缩管-4a，微泵a出口侧扩散/收缩管-5a组成。微泵b由微泵b主腔体-1b，微泵b入口侧腔-2b，微泵a出口侧腔体-3b，微泵b入口侧扩散/收缩管-4b，微泵b出口侧扩散/收缩管-5b组成。其工作原理如图4和图5所示，当振膜-5c受外力驱动开始变形时，微泵a和微泵b主腔体体积均会产生变化。
如图4所示，当微泵a主腔体-1a体积增大时，液体由微泵a主腔体-1a经两个扩散/收缩向两侧腔体流动，此时微泵a入口收缩/扩散-4a管起的是扩散管作用，液体可以很容易通过其流入微泵a主腔体-1a，而此时微泵a出口收缩/扩散管-5a起的是收缩管的作用，液体在通过其流入主腔体-1a时，会在微泵a出口收缩/扩散管-5a与主腔体-1a衔接处形成漩涡和湍流，从而减缓液体的流动，因此从微泵a入口收缩/扩散管-4a流入微泵a主腔体-1a的液体体积大于从微泵a出口收缩/扩散管-5a流入微泵a主腔体-1a的液体体积。与此同时，微泵b的主腔体-1b体积则减小，微泵b主腔体-1b内的液体被压缩通过两个收缩/扩散管-4b、5b和两个侧腔体-2b、3b流入两侧液体导管-3d和-4d中，由于收缩/扩散管的特殊角度结构，此时微泵b的出口收缩/扩散管-5b起的是扩散管作用，液体可以很容易通过其流入微泵b出口侧腔体-3b，微泵b入口侧收缩/扩散管-4b起的是收缩管的作用，液体在通过其流入微泵b入口侧腔体-6b时，会在微泵b出口收缩/扩散管-4b与微泵b出口侧腔体-2b衔接处形成漩涡和湍流，从而减缓液体的流动，因此从微泵b主腔体-1b流经微泵b出口收缩/扩散管-5b的液体体积大于流经微泵b入口收缩/扩散管-4b的液体体积。所以液体的流动方向会如图4中箭头方向所示。
而如图5所示，当微泵a主腔体-1a体积减小时，微泵b主腔体-1b体积增大，与上述相同原理即可推出，液体流向会如图5中箭头方向所示。
由此可知，当液体从微泵a中流出时，液体流经热源芯片端微流道-2c时，即可带走热源芯片-1c产生的热量，同时液体温度升高，此时微泵b继续产生动力将从微流道散热器2-2c流出的高温液体微泵入微流道散热器2-4c，液体在此经过冷却装置-3c的冷却之后，温度降低，此时微泵a将已降温的液体泵入微流道散热器1-2c，继续带走热源芯片-1c产生的热量，如此循环往复，便形成了自循环的散热***。
综上所示，可见本发明可以实现对热源芯片的充分散热，并且该***可作为一个独立模块，也利于集成。可以更好的提高散热效率。

Claims (6)

1.一种用于芯片级***散热的自循环流体装置，包括微流道散热器，冷却装置，液体导管和微泵，其特征在于：
所述微流道散热器有两个，微流道散热器1的出入口通过两根液体导管引出，分别与微泵a的出口和微泵b的入口相连接；微流道散热器2的出入口通过两根液体导管引出，分别与微泵b的出口和微泵a的入口相连接；微流道散热器1的表面与目标散热芯片相连接，微流道散热器2的表面与冷却装置相连接；
所述微泵有两个，其结构相同，由微泵体，主腔体，入口扩散/收缩管，出口扩散/收缩管，入口侧腔体，出口侧腔体，振膜组成；微泵a的出口和微泵b的入口分别通过液体导管与微流道散热器1的出入口相连，微泵a的入口和微泵b的出口分别通过液体导管与微流道散热器2的出入口相连；
微泵a，微泵b，微流道散热器1，微流道散热器2，4根液体导管，构成一个单向循环***。
2.如权利要求1所述用于芯片级***散热的自循环流体装置，其特征在于：所述两个微泵的主腔体共用一个振膜。
3.如权利要求1所述用于芯片级***散热的自循环流体装置，其特征在于：所述冷却装置为风冷装置、浸没冷却、辐射冷却或热电制冷。
4.如权利要求1所述用于芯片级***散热的自循环流体装置，其特征在于：所述微流道散热器的材料为玻璃或硅。
5.如权利要求1所述用于芯片级***散热的自循环流体装置，其特征在于：所述振膜的驱动方式为压电、气动，静电或电磁。
6.如权利要求1所述用于芯片级***散热的自循环流体装置的工作流程，具体如下：
微泵a微泵出的液体流经热源芯片端的微流道散热器1时，带走热源芯片产生的热量，同时液体温度升高，此时微泵b继续提供动力将从微流道散热器1流出的高温液体运送到微流道散热器2，液体经过冷却装置的冷却之后，温度降低，再经微泵a将其运送到微流道散热器1，再次对热源芯片进行散热，如此循环往复，形成一个自循环的芯片散热***。
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