CN208606627U - 一种基于液滴弹跳的蒸发相变散热器 - Google Patents
一种基于液滴弹跳的蒸发相变散热器 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于液滴弹跳的蒸发相变散热器，包括热端及冷端。热端包括热端圆柱层及第一底板，冷端包括冷端圆柱层及第二底板。第二底板上表面分布介质液体，第一底板位于第二底板正上方，第一底板及第二底板分别接电源正极及负极，形成高压电场，第二底板上表面液滴表面电荷累积，产生静电力，静电力大于液滴自身重力加上液滴与第二底板接触粘附力之和时，液滴从第二底板上表面跳跃至第一底板下表面，吸附在第一底板下表面，吸收热量蒸发。温度降低后冷凝，液化成液滴，落在第二底板上表面。通过液滴跳跃‑蒸发‑凝结的循环，吸收热量，将热量传递至冷端并释放至外界，降低设备温度。本实用新型结构简单，使用方便安全，散热效果好，具有市场应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及电子器件冷却领域，尤其涉及一种基于液滴弹跳的蒸发相变散热器。
背景技术
随着电子器件体积的缩小和性能的提高，电子器件的发热问题逐渐成为研究的焦点。大多数电子器件的待机发热量低而运行时发热量大，瞬间温升快。其急速增长的热量会直接导致电子设备整体温度的升高并产生相应的热应力，从而影响其运行性能和使用寿命。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导致。
散热问题已成为电子器件向小型化发展的瓶颈。
目前电子器件冷却最常用的方法是空气冷却技术和液体冷却技术。空气冷却技术是目前应用最广泛的电子冷却技术，其中包括自然对流空气冷却技术和强制对流空气冷却技术。空气冷却的冷却能力大约为602W/m2·K，仅适用于对于散热能力要求不高的场合，对于高热流的电子器件和芯片已远远无法满足其散热需求。液体冷却通过液体的对流换热带走电子元件产生的热量，与空气冷却相比具有不少突出优势。由于液体具有较高的比热容，故液体冷却方式能够提供约为103-104W/m2·K的散热能力。与空气冷却相比，液体冷却技术噪声小，温度平稳，但制造成本高，结构较为复杂，难以安装、布线、拆卸和清洁。
近年来，一些新的散热方式逐渐涌现，如热管冷却、射流冷却、半导体冷却、纳米冷却等，这些新型散热器在效率上有所提高，但依然伴随着结构复杂、成本高等问题，一般仅用于特定场合，尚未广泛应用。
实用新型内容
本实用新型目的在于解决上述技术问题，从而提供一种基于液滴弹跳的蒸发相变散热器，弥补现有风冷散热器与水冷散热器在应用中的不足。
本实用新型通过以下技术方案实现：
一种基于液滴弹跳的蒸发相变散热器，包括热端及冷端。
热端包括热端圆柱层1及第一底板13；所述冷端包括冷端圆柱层2及第二底板23；
第一底板13位于第二底板23上方；第一底板13一端与热端圆柱层外壁12固定连接，另一端与第一侧面14顶部固定连接，第一侧面14与第一底板13垂直，第一侧面14底部与第二底板23固定连接；第二底板23一端与冷端圆柱层内壁21固定连接，另一端与第二侧面24底部固定连接，第二侧面24与第二底板23垂直，第二侧面24顶部与第一底板13固定连接；
第一底板13、第一侧面14、第二底板23及第二侧面24所围成区域形成第一密封腔室；第一密封腔室内填充介质液体；第一底板13及第二底板23分别接电源正极及负极。
进一步地，热端圆柱层1为环形，位于散热器中心；冷端圆柱层2为环形，位于散热器外侧；冷端圆柱层外壁22设置散热片3，散热片3为T型。
进一步地，第一底板13下表面为超亲水涂层，第二底板23上表面为超疏水涂层。
进一步地，第一侧面14内壁及第二侧面24内壁均设置凹槽，凹槽均与第一底板13垂直，凹槽内均安装毛细管6，毛细管6两端开口，两端分别与第一底板13下表面及第二底板23上表面平齐。
进一步地，第二底板23两端设置凹槽。
进一步地，热端圆柱层1顶部及底部分别安装第一端盖4及第二端盖5，第一端盖4及第二端盖5均为环形，第一端盖4、热端圆柱层1、冷端圆柱层2及第二端盖5所围成区域形成第二密封腔室。
进一步地，热端圆柱层1、冷端圆柱层2、散热片3、第一底板13及第二底板23均为金属导热材料；第一侧面14、第二侧面24、毛细管6、第一端盖4及第二端盖5均为绝缘耐高温材料。
进一步地，所述介质液体为去离子水。
进一步地，所述热端圆柱层外壁12与多个第一底板13固定连接，多个第一底板13相互平行；冷端圆柱层内壁21与多个第二底板23固定连接，多个第二底板23相互平行；第一底板13分别位于第二底板23上方；第一底板13端部分别与第一侧面14顶部固定连接，第一侧面14分别与第一底板13垂直，第一侧面14底部分别与第二底板23固定连接；第二底板23端部分别与第二侧面24底部固定连接，第二侧面24分别与第二底板23垂直，第二侧面24顶部分别与第一底板13固定连接；第一底板13上表面与第二底板23下表面之间分别通过绝缘耐高温材料隔绝。
进一步地，热端圆柱层1接电源正极，冷端圆柱层2接电源负极。
与现有技术相比，本实用新型主要有益效果如下：(1)利用液体蒸发凝结相变实现散热，热响应速度快、散热效率高、体积小、等温性良好；(2)液滴在高压电场作用下发生弹跳，通过液滴弹跳-蒸发-凝结循环，将热柱的热量转移至散热片，将热量释放至外界环境中；(3)能够根据实际应用需求，通过调节电压大小来控制液滴弹跳的频率，实时改变散热器的散热效果；(4)散热器内能够设置多个第一密封腔室，多个第一密封腔室之间纵向叠加，加大空间利用率，提高散热能力，以满足不同的散热需求；(5)结构简单，使用方便安全，散热效果较好，散热能力可调节，具有市场应用前景。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图
图2为本实用新型整体示意图
图3为本实用新型毛细管示意图
图中：
1-热端圆柱层；11-热端圆柱层内壁；12-热端圆柱层外壁；13-第一底板；14-第一侧面；2-冷端圆柱层；21-冷端圆柱层内壁；22-冷端圆柱层外壁；23-第二底板；24-第二侧面；3-散热片；4-第一端盖；5-第二端盖；6-毛细管。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本实用新型做进一步详细说明。
一种基于液滴弹跳的蒸发相变散热器，包括热端及冷端。
如图1，所述热端包括热端圆柱层1及第一底板13；所述冷端包括冷端圆柱层2及第二底板23；
第一底板13位于第二底板23上方；第一底板13一端与热端圆柱层外壁12固定连接，另一端与第一侧面14顶部固定连接，第一侧面14与第一底板13垂直，第一侧面14底部与第二底板23固定连接；第二底板23一端与冷端圆柱层内壁21固定连接，另一端与第二侧面24底部固定连接，第二侧面24与第二底板23垂直，第二侧面24顶部与第一底板13固定连接；
第一底板13、第一侧面14、第二底板23及第二侧面24所围成区域形成第一密封腔室；第一密封腔室内填充介质液体；第一底板13及第二底板23分别接电源正极及负极。
具体地，第一底板13及第二底板23之间形成高压电场。
优选地，第一底板13与热端圆柱层外壁12一体成型，第二底板23一端与冷端圆柱层内壁21一体成型。
进一步地，热端圆柱层1为环形，位于散热器中心；冷端圆柱层2为环形，位于散热器外侧；冷端圆柱层外壁22设置散热片3，散热片3为T型。
优选地，散热片3与冷端圆柱层外壁22一体成型。
具体地，T型散热片与空气接触面积大，能够加快散热，提高散热效率。
进一步地，第一底板13下表面为超亲水涂层，第二底板23上表面为超疏水涂层。
进一步地，如图3，第一侧面14内壁及第二侧面24内壁均设置凹槽，凹槽均与第一底板13垂直，凹槽内均安装毛细管6，毛细管6两端开口，两端分别与第一底板13下表面及第二底板23上表面平齐。
具体地，第一密封腔室内介质液体在毛细管6内侧，由于内聚力与附着力的差异，克服地心引力而上升。介质液体在毛细管6能够内自动上升。
进一步地，第二底板23两端设置凹槽。
具体地，当散热器受到外界干扰发生倾斜时，第一密封腔体内的介质液体从第二底板23上表面流入至第二底板23两端的凹槽内，凹槽内介质液体沿着毛细管6内壁自动上升。
进一步地，如图2，热端圆柱层1顶部及底部分别安装第一端盖4及第二端盖5，第一端盖4及第二端盖5均为环形，第一端盖4、热端圆柱层1、冷端圆柱层2及第二端盖5所围成区域形成第二密封腔室。
进一步地，热端圆柱层1、冷端圆柱层2、散热片3、第一底板13及第二底板23均为金属导热材料，提高热传导效率，加快散热；金属导热材料优选为铜、铝或铝合金；第一侧面14、第二侧面24、毛细管6、第一端盖4及第二端盖5均为绝缘耐高温材料，能够防止漏电，提高安全性能。
优选地，绝缘耐高温材料的耐温范围为300℃以上。
进一步地，所述介质液体为去离子水。
进一步地，所述热端圆柱层外壁12与多个第一底板13固定连接，多个第一底板13相互平行；冷端圆柱层内壁21与多个第二底板23固定连接，多个第二底板23相互平行；第一底板13分别位于第二底板23上方；第一底板13端部分别与第一侧面14顶部固定连接，第一侧面14分别与第一底板13垂直，第一侧面14底部分别与第二底板23固定连接；第二底板23端部分别与第二侧面24底部固定连接，第二侧面24分别与第二底板23垂直，第二侧面24顶部分别与第一底板13固定连接；第一底板13上表面与第二底板23下表面之间分别通过绝缘耐高温材料隔绝。具体地，此结构能够加大散热器空间利用率，提高散热能力，满足不同的散热需求。
优选地，绝缘耐高温材料的耐温范围为300℃以上。
进一步地，热端圆柱层1接电源正极，冷端圆柱层2接电源负极。
具体地，第一底板13一端与热端圆柱层外壁12固定连接，另一端与第一侧面14顶部固定连接，第一侧面14为绝缘耐高温材料；第二底板23一端与冷端圆柱层内壁21固定连接，另一端与第二侧面24底部固定连接，第二侧面24为绝缘耐高温材料；热端圆柱层1及冷端圆柱层2分别接电源正极及负极；因此，第一底板13分别与电源正极导通，第二底板23分别与电源负极导通，第一底板13与第二底板23之间分别形成高压电场。
优选地，第一底板13与第二底板23之间的电压为3KV，电场强度为5x105V/m。
优选地，散热器内部大气压强为0.3atm。
优选地，第一底板13与第二底板23之间的距离为4mm。
本实用新型工作原理如下：
第一底板13接电源正极，第二底板23接电源负极，第一底板13与第二底板23之间形成高压电场。第一底板13、第二底板23、第一侧面14及第二侧面24所围成区域形成第一密封腔室，第一密封腔室内填充介质液体，介质液体分布于第二底板23上表面，介质液体通过第一侧面14内壁及第二侧面24内壁分布的毛细管6自动上升至第一底板13下表面。由于第一底板13一端与热端圆柱层外壁12固定连接，介质液体在第一底板13下表面吸热蒸发，温度降低后冷凝，液化成液滴，落在第二底板23上表面。
第一底板13及第二底板23之间的高压电场使第二底板23上表面液滴的表面电荷累积，同时累积的电荷在第二底板23与液滴的接触面上所形成的电耦层上产生静电力。当静电力大于液滴自身重力加上液滴在第二底板23接触面的粘附力之和时，液滴发生跳跃，液滴从第二底板23上表面跳跃至第一底板13下表面，这种现象叫做液滴弹跳。
第二底板23上表面为超疏水涂层，超疏水涂层表面具有粗糙的微纳结构，这种微纳结构能够减少固体与液体的接触面积，使超疏水涂层表面与液滴的接触面积较小，从而减小接触面对液滴的粘附力，使液滴更容易发生跳跃。此外，超疏水涂层表面的特殊结构，使蒸汽在其表面凝结后形成稳定的珠状液滴，有利于发生液滴弹跳。
第一底板13下表面为超亲水涂层，液滴从第二底板23上表面跳跃至第一底板13下表面后，能够较好地吸附在第一底板13下表面，吸收第一底板13的热量并蒸发。温度降低后冷凝，液化成液滴，落在第二底板23上表面。当作用于液滴的静电力大于液滴自身重力加上液滴在第二底板23接触面的粘附力之和时，液滴再次发生跳跃，从第二底板23上表面跳跃至第一底板13下表面，实现液滴跳跃-蒸发-凝结的循环，不断吸收发热设备的热量，将吸收的热量传递至冷端圆柱层外壁22的散热片3，通过散热片3将热量释放至外界环境，使发热设备温度降低。
通过理论计算及实验验证，得到液滴弹跳散热的效率是空气强制对流换热效率的18.8倍。若增大电源正极与负极之间的电压或者增加第一底板与第二底板的数量，液滴弹跳速率加快，散热能力变大，散热效率将提高。
以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡是依据本实用新型的技术实质所做的任何修改和等同变化，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于液滴弹跳的蒸发相变散热器，包括热端及冷端，其特征在于：所述热端包括热端圆柱层(1)及第一底板(13)；所述冷端包括冷端圆柱层(2)及第二底板(23)；
第一底板(13)位于第二底板(23)上方；第一底板(13)一端与热端圆柱层外壁(12)固定连接，另一端与第一侧面(14)顶部固定连接，第一侧面(14)与第一底板(13)垂直，第一侧面(14)底部与第二底板(23)固定连接；第二底板(23)一端与冷端圆柱层内壁(21)固定连接，另一端与第二侧面(24)底部固定连接，第二侧面(24)与第二底板(23)垂直，第二侧面(24)顶部与第一底板(13)固定连接；
第一底板(13)、第一侧面(14)、第二底板(23)及第二侧面(24)所围成区域形成第一密封腔室；第一密封腔室内填充介质液体；第一底板(13)及第二底板(23)分别接电源正极及负极。
2.根据权利要求1所述一种基于液滴弹跳的蒸发相变散热器，其特征在于：所述热端圆柱层(1)为环形，位于散热器中心；冷端圆柱层(2)为环形，位于散热器外侧；冷端圆柱层外壁(22)设置散热片(3)，散热片(3)为T型。
3.根据权利要求1所述一种基于液滴弹跳的蒸发相变散热器，其特征在于：所述第一底板(13)下表面为超亲水涂层，第二底板(23)上表面为超疏水涂层。
4.根据权利要求1所述一种基于液滴弹跳的蒸发相变散热器，其特征在于：所述第一侧面(14)内壁及第二侧面(24)内壁均设置凹槽，凹槽均与第一底板(13)垂直，凹槽内均安装毛细管(6)，毛细管(6)两端开口，两端分别与第一底板(13)下表面及第二底板(23)上表面平齐；毛细管(6)为绝缘耐高温材料。
5.根据权利要求4所述一种基于液滴弹跳的蒸发相变散热器，其特征在于：所述第二底板(23)两端设置凹槽。
6.根据权利要求2所述一种基于液滴弹跳的蒸发相变散热器，其特征在于：所述热端圆柱层(1)顶部及底部分别安装第一端盖(4)及第二端盖(5)，第一端盖(4)及第二端盖(5)均为环形，第一端盖(4)、热端圆柱层(1)、冷端圆柱层(2)及第二端盖(5)所围成区域形成第二密封腔室。
7.根据权利要求6所述一种基于液滴弹跳的蒸发相变散热器，其特征在于：所述热端圆柱层(1)、冷端圆柱层(2)、散热片(3)、第一底板(13)及第二底板(23)均为金属导热材料；第一侧面(14)、第二侧面(24)、第一端盖(4)及第二端盖(5)均为绝缘耐高温材料。
8.根据权利要求4所述一种基于液滴弹跳的蒸发相变散热器，其特征在于：所述介质液体为去离子水。
9.根据权利要求1所述一种基于液滴弹跳的蒸发相变散热器，其特征在于：所述热端圆柱层外壁(12)与多个第一底板(13)固定连接，多个第一底板(13)相互平行；冷端圆柱层内壁(21)与多个第二底板(23)固定连接，多个第二底板(23)相互平行；第一底板(13)分别位于第二底板(23)上方；第一底板(13)端部分别与第一侧面(14)顶部固定连接，第一侧面(14)分别与第一底板(13)垂直，第一侧面(14)底部分别与第二底板(23)固定连接；第二底板(23)端部分别与第二侧面(24)底部固定连接，第二侧面(24)分别与第二底板(23)垂直，第二侧面(24)顶部分别与第一底板(13)固定连接；第一底板(13)上表面与第二底板(23)下表面之间分别通过绝缘耐高温材料隔绝。
10.根据权利要求9所述一种基于液滴弹跳的蒸发相变散热器，其特征在于：所述热端圆柱层(1)接电源正极，冷端圆柱层(2)接电源负极。
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|---|---|---|---|---|
| CN110455107A (zh) * | 2019-08-22 | 2019-11-15 | 上海理工大学 | 一种热管以及热管散热装置 |
| CN110513664A (zh) * | 2019-08-20 | 2019-11-29 | 嘉善恒杰热管科技有限公司 | 一种组装式大功率led灯具散热器 |
| CN118049875A (zh) * | 2024-04-16 | 2024-05-17 | 四川力泓电子科技有限公司 | 环板式热管、散热机构以及散热*** |
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| CN110455107B (zh) * | 2019-08-22 | 2020-09-01 | 上海理工大学 | 一种热管以及热管散热装置 |
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