本發(fā)明涉及一種用于電子芯片散熱的毛細(xì)泵環(huán)，尤其是涉及一種用于毛細(xì)泵環(huán)的可變?nèi)莘e冷凝器。
背景技術(shù)：
隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展，處理器的主頻和集成度越來越高，單位容積上的芯片功耗急劇增加，導(dǎo)致熱流密度隨之增加。比如，一顆1w的led燈珠的熱流密度已經(jīng)達(dá)到100w/cm2；又如，計(jì)算機(jī)cpu的熱流密度普遍在60～100w/cm2，有的甚至高達(dá)200w/cm2。當(dāng)電子芯片的熱流密度超過0.08w/cm2時(shí)，自然散熱已經(jīng)無法滿足其散熱方式；當(dāng)熱流密度超過0.3w/cm2時(shí)，強(qiáng)迫對流散熱已經(jīng)達(dá)到極限。高熱流密度芯片的熱控制問題已經(jīng)成為當(dāng)前制約高集成度芯片技術(shù)發(fā)展的瓶頸，電子元器件可靠性的改善、功率容量的增加、集成度的提高以及結(jié)構(gòu)的微型化直接取決于芯片的熱控制問題的解決。
為解決高熱流密度電子芯片的散熱問題，近年來相變散熱得到了廣泛的應(yīng)用。毛細(xì)泵環(huán)是典型的相變散熱裝置，由蒸發(fā)器、冷凝器、汽液聯(lián)管以及液體工質(zhì)等組成。蒸發(fā)器與電子芯片直接接觸，內(nèi)部的液體吸收了芯片的熱量汽化成蒸汽，相變壓力迫使蒸汽沿著蒸汽聯(lián)管到達(dá)冷凝器，液化后放出熱量變成液體，經(jīng)過液體聯(lián)管回到蒸發(fā)器。由于毛細(xì)泵環(huán)采用相變傳熱機(jī)制，其散熱能力比當(dāng)前主要的散熱方式高2個(gè)數(shù)量級以上。通過吸液芯的毛細(xì)力和蒸汽相變壓力以及重力輔助運(yùn)行，無需外部能源輸入，具有節(jié)能減排的優(yōu)勢。同時(shí)，當(dāng)工作時(shí)，振動小，無噪音。將蒸汽和液體分開，吸液芯只存在于蒸發(fā)器，避免了熱管的攜帶極限，進(jìn)一步提升了毛細(xì)泵環(huán)的散熱能力。
但是目前的毛細(xì)泵環(huán)均為固定容積式，即完成設(shè)計(jì)以及加工安裝之后，其內(nèi)部容積無法調(diào)節(jié)，這就會給毛細(xì)泵環(huán)的使用范圍帶來挑戰(zhàn)。若將內(nèi)部容積設(shè)計(jì)過高，在低熱負(fù)荷時(shí)毛細(xì)泵環(huán)無法順利啟動，且靈敏度不高；若內(nèi)部容積設(shè)計(jì)過低，在高熱負(fù)荷時(shí)內(nèi)部壓力過高，液體沸點(diǎn)上升，傳熱效率受影響。比如，當(dāng)熱負(fù)荷為200w時(shí)，毛細(xì)泵環(huán)的內(nèi)部壓力已經(jīng)超過6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，不但降低傳熱效率，且增大了使用的安全隱患。因此設(shè)計(jì)一款可變?nèi)莘e的冷凝器，實(shí)現(xiàn)毛細(xì)泵環(huán)內(nèi)部容積隨熱負(fù)荷變化而變化具有重要的意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種用于毛細(xì)泵環(huán)的可變?nèi)莘e冷凝器。該冷凝器可以隨熱負(fù)荷的變化實(shí)時(shí)改變毛細(xì)泵環(huán)內(nèi)部容積，擴(kuò)大了毛細(xì)泵環(huán)的熱負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍。
本發(fā)明設(shè)有冷凝器、汽缸、儲液室、水泵、電磁閥、直線電機(jī)、壓力傳感器、單片機(jī)和若干銅管；所述汽缸與冷凝器的頂部通過銅管密封連接；所述直線電機(jī)與汽缸的活塞連接；所述水泵兩端通過銅管分別與汽缸和儲液室連接；所述電磁閥安裝在水泵的入口；所述壓力傳感器安裝在冷凝器的入口；所述單片機(jī)采集壓力傳感器的壓力信號，并且根據(jù)制定程序控制電磁閥、水泵和直線電機(jī)動作。
所述汽缸的活塞可通過運(yùn)動實(shí)現(xiàn)冷凝器容積的變化。
所述汽缸的活塞可采用ggr15高碳鉻軸承鋼通過精密研磨而成，具有良好的密封性和耐磨性。
所述汽缸的容積可采用毛細(xì)泵環(huán)基本容積的3～5倍。
所述直線電機(jī)可采用磁懸浮式電機(jī)，采用無旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，其運(yùn)動精度高。
所述水泵可采用正反轉(zhuǎn)水泵，可實(shí)現(xiàn)泵水和抽水功能。
所述電磁閥與水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)可同步開閉，保證汽缸的氣密性。
所述單片機(jī)根據(jù)熱負(fù)荷大小跟容積和壓力的關(guān)系，發(fā)出相應(yīng)的指令控制直線電機(jī)和水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。
所述儲液室可采用不銹鋼且為密封容器，在其頂部設(shè)有注入口。
所述冷凝器可采用風(fēng)冷散熱，內(nèi)部設(shè)有陣列微柱結(jié)構(gòu)，外部設(shè)有翅片。
所述蒸發(fā)器內(nèi)的吸液芯可采用多孔金屬纖維燒結(jié)吸液芯。
所述直線電機(jī)可用恒定壓力氣壓缸代替。
所述汽缸可用氣囊代替。
本發(fā)明的工作原理為：當(dāng)熱負(fù)荷上升時(shí)，由于大量的液體被蒸發(fā)，導(dǎo)致毛細(xì)泵環(huán)內(nèi)部的壓力急劇上升。此時(shí)，壓力傳感器檢測到壓力的變化，并把相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了熱負(fù)荷與壓力的變化關(guān)系，并且編成相關(guān)代碼輸入到單片機(jī)。單片機(jī)接收到來自壓力傳感器的數(shù)據(jù)之后進(jìn)行分析比較，并且發(fā)出指令，控制直線電機(jī)帶動活塞往上運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)毛細(xì)泵環(huán)內(nèi)部容積的增加。當(dāng)容積增加時(shí)，毛細(xì)泵環(huán)內(nèi)部壓力降低，單片機(jī)控制直線電機(jī)停止運(yùn)動，從而保證內(nèi)部壓力穩(wěn)定在某一個(gè)小范圍內(nèi)。由于毛細(xì)泵環(huán)容積的變化，會導(dǎo)致充液率的改變，因此，需要往毛細(xì)泵環(huán)內(nèi)部充液體。單片機(jī)在發(fā)送指令給直線電機(jī)的同時(shí)，也發(fā)送指令給水泵，將儲液室里面的液體注入毛細(xì)泵環(huán)。水泵的轉(zhuǎn)速和注水量可通過單片機(jī)根據(jù)熱負(fù)荷的變化定量控制。為了保證汽缸和毛細(xì)泵環(huán)的氣密性，電磁閥只有在水泵運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候才打開，并且實(shí)現(xiàn)和水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)的同步開閉。當(dāng)熱負(fù)荷降低時(shí)，毛細(xì)泵環(huán)內(nèi)部的壓力降低，單片機(jī)根據(jù)壓力的變化反方向控制直線電機(jī)和水泵的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)容積的減小和充液率的穩(wěn)定。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)：通過汽缸內(nèi)活塞的上下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)毛細(xì)泵環(huán)內(nèi)部容積的實(shí)時(shí)變化。由于容積可變，毛細(xì)泵環(huán)的基本容積可以設(shè)計(jì)成比較小，提高毛細(xì)泵環(huán)低熱負(fù)荷的運(yùn)行特性，毛細(xì)泵環(huán)能夠在較小的熱負(fù)荷下成功啟動，且對熱負(fù)荷變化靈敏度較高；可降低毛細(xì)泵環(huán)內(nèi)部壓力，提高傳熱效率；增加冷凝面積，強(qiáng)化冷凝效果；維持毛細(xì)泵環(huán)壓力穩(wěn)定，提高運(yùn)行安全性和使用壽命。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
圖2為具有可變體積冷凝器的毛細(xì)泵環(huán)工作示意圖。
圖3為恒定壓力式可變?nèi)莘e冷凝器示意圖。
圖4為氣囊式可變?nèi)莘e冷凝器示意圖。
具體實(shí)施方式
以下通過具體實(shí)施方式結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明和描述，但本發(fā)明不僅限于本實(shí)施例。
實(shí)施例1
如圖1～4所示的一種應(yīng)用于毛細(xì)泵環(huán)的可變?nèi)莘e冷凝器，包括毛細(xì)泵環(huán)系統(tǒng)1、水泵2、電磁閥3、儲液室4、汽缸6、直線電機(jī)7、電纜8、壓力傳感器9、單片機(jī)10等部件。所述毛細(xì)泵環(huán)系統(tǒng)1包括冷凝器1-1、蒸發(fā)器1-2、蒸汽管1-3、液體管1-4。所述汽缸6包括汽缸壁6-1和活塞6-2。汽缸6的底部和冷凝器1-1的頂部各有一個(gè)開口并通過第2銅管5-2進(jìn)行密封連接。所述電磁閥3安裝在水泵2的入口，通過水泵2的水流控制電磁閥3的開閉，實(shí)現(xiàn)水泵2和電磁閥3的同步運(yùn)行，保證毛細(xì)泵環(huán)系統(tǒng)1內(nèi)部的氣密性。所述水泵2的出入口通過第1銅管5-1連接儲液室4和汽缸6。所述壓力傳感器9安裝在冷凝器1-1的入口，采集的壓力數(shù)據(jù)通過電纜8與單片機(jī)10進(jìn)行通訊，并通過電纜8發(fā)出指令控制直線電機(jī)7和水泵2運(yùn)轉(zhuǎn)。
所述冷凝器1-1采用風(fēng)冷翅片式散熱方式，在其內(nèi)部設(shè)有陣列微柱，強(qiáng)化擾流，外部設(shè)有翅片，增加散熱面積。所述蒸發(fā)器1-2的吸液芯采用銅纖維燒結(jié)吸液芯，具有較大的毛細(xì)抽吸力和較低的流動阻力。所述蒸汽管1-3為直徑8mm的紫銅管、液體管1-4為直徑6mm的紫銅管。所述儲液室4采用304不銹鋼密封容器，并在頂部設(shè)有液體灌注口。所述第1銅管5-1為6mm直徑的紫銅管。所述第2銅管5-2為8mm直徑的紫銅管。所述汽缸壁6-1和活塞6-2為一套精密偶件，采用ggr15高碳鉻軸承鋼通過精密研磨而成，具有良好的氣密性和耐磨性，較小的摩擦阻力。
圖2為具有可變?nèi)莘e冷凝器的毛細(xì)泵環(huán)工作示意圖。工作時(shí)，電子芯片的熱量傳遞到蒸發(fā)器1-2，內(nèi)部的液體吸收汽化潛熱變成蒸汽，沿著蒸汽管1-3達(dá)到冷凝器1-1，在陣列微柱及翅片的作用下迅速液化放出熱量，液體通過液體管1-4回到蒸發(fā)器1-2。當(dāng)電子芯片的熱負(fù)荷增加時(shí)，由于大量液體蒸發(fā)，毛細(xì)泵環(huán)系統(tǒng)1內(nèi)部壓力急劇上升，壓力傳感器9檢測到壓力變化，并通過電纜8將壓力信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)10。單片機(jī)10接收信號后進(jìn)行對比分析，然后通過電纜8發(fā)出相應(yīng)指令，一方面，控制直線電機(jī)7帶動活塞6-2往上運(yùn)行一定距離，實(shí)現(xiàn)冷凝器容積的擴(kuò)大。當(dāng)容積變大之后，有一部分蒸汽沿著第2銅管5-2到達(dá)汽缸6，毛細(xì)泵環(huán)系統(tǒng)1內(nèi)部壓力下降，壓力傳感器9檢測到壓力變化后反饋到單片機(jī)10，然后控制直線電機(jī)7停止運(yùn)動，保證壓力維持在某一范圍內(nèi)。另一方面，控制水泵2正轉(zhuǎn)，當(dāng)水流通過電磁閥3時(shí)，閥門打開，液體從儲液室4被注入到汽缸6，從而保證毛細(xì)泵環(huán)系統(tǒng)1的充液率不變。當(dāng)電子芯片的熱負(fù)荷下降時(shí)，毛細(xì)泵環(huán)系統(tǒng)1內(nèi)部壓力降低，壓力傳感器9檢測到信號后傳輸給單片機(jī)10，單片機(jī)10發(fā)送指令給直線電機(jī)7和水泵2往反方向運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)冷凝器容積的縮減，并且維持充液率不變。
實(shí)施例2
本實(shí)施例采用恒定壓力氣壓缸11代替直線電機(jī)7。所述恒定壓力氣壓缸包括恒壓缸11-1和恒壓管11-2。恒壓管11-2外接恒壓源，設(shè)定恒定壓力為p0。恒壓缸11-1與活塞6-2固定連接。當(dāng)電子芯片的熱負(fù)荷上升時(shí)，毛細(xì)泵環(huán)系統(tǒng)1內(nèi)部壓力上升，超過設(shè)定恒壓p0，6-2活塞推動恒壓缸11-1往上移動，毛細(xì)泵環(huán)系統(tǒng)1內(nèi)部容積擴(kuò)大；當(dāng)電子芯片的熱負(fù)荷下降時(shí)，毛細(xì)泵環(huán)系統(tǒng)1內(nèi)部壓力下降且低于設(shè)定恒壓p0，恒壓缸11-1推動活塞6-2往下移動，毛細(xì)泵環(huán)系統(tǒng)1內(nèi)部容積縮小。通過恒定壓力氣壓缸11，保證毛細(xì)泵環(huán)系統(tǒng)1內(nèi)部壓力始終維持在p0。其他動作與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例3
本實(shí)施例采用氣囊12代替汽缸6。所述氣囊12底部通過第2銅管5-2與冷凝器1-1密封連接，氣囊12左邊通過第1銅管5-1與水泵2密封連接，氣囊12頂部通過挺柱12-1與直線電機(jī)7剛性連接。當(dāng)毛細(xì)泵環(huán)系統(tǒng)1壓力變化時(shí)，單片機(jī)10發(fā)出指令控制直線電機(jī)7帶動挺柱12-1上下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)氣囊的壓縮或者擴(kuò)張，從而改變毛細(xì)泵環(huán)系統(tǒng)1的內(nèi)部容積。其他動作與實(shí)施例1相同。
本發(fā)明能夠調(diào)節(jié)毛細(xì)泵環(huán)內(nèi)部的容積，以適應(yīng)不同熱負(fù)荷工作條件，保證內(nèi)部壓力和充液率不變，提高了毛細(xì)泵環(huán)的傳熱效率和使用可靠性，在高熱流密度電子芯片及航空航天飛行器的熱控制等領(lǐng)域，具有較大的應(yīng)用前景。