專利名稱：微型熱聲制冷模塊裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微型熱聲制冷模塊裝置，具體地說，是涉及一種利用熱聲效應(yīng)對(duì)電子光電子器件和芯片進(jìn)行散熱或制冷的微型熱聲制冷模塊裝置。
背景技術(shù)：
隨著“高溫”超導(dǎo)材料和高集成電路信息技術(shù)研究的深入，電子及光電子芯片如何均勻散熱并消除熱點(diǎn)，成了電子技術(shù)新產(chǎn)品研究的重點(diǎn)方向之一。也對(duì)制冷技術(shù)的微型化提出了迫切的需求，為微型制冷技術(shù)的發(fā)展提供了很好的機(jī)遇。
微型熱聲制冷技術(shù)正是應(yīng)以上要求發(fā)展起來的一種完全新型的制冷技術(shù)。微型熱聲制冷就是利用熱聲效應(yīng)的制冷技術(shù)。熱聲效應(yīng)就是熱和聲之間相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。從聲學(xué)角度看，它是由處于聲場(chǎng)中的固體介質(zhì)和振蕩流體之間相互作用，使得距固體邊界一定范圍內(nèi)沿著(或逆著)聲傳播方向產(chǎn)生的熱流，并在這個(gè)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生或吸收聲功的現(xiàn)象。按能量轉(zhuǎn)換的方向不同，熱聲效應(yīng)可以分為兩類一類是由熱產(chǎn)生聲，即熱驅(qū)動(dòng)的聲振蕩，另外一類是由聲產(chǎn)生熱，即聲驅(qū)動(dòng)的熱傳遞。只要具備一定的條件，熱聲效應(yīng)可以在駐波聲場(chǎng)、行波聲場(chǎng)或兩者混合的聲場(chǎng)中產(chǎn)生和發(fā)生作用。熱驅(qū)動(dòng)的聲制冷就是利用熱來產(chǎn)生聲，再利用聲來傳遞熱的制冷現(xiàn)象；而聲驅(qū)動(dòng)的熱聲制冷機(jī)即是直接利用聲源產(chǎn)生的聲場(chǎng)在熱交換器及其回?zé)崞鳌⒅C振管等的優(yōu)化配置下來制冷的現(xiàn)象。微型熱聲制冷的聲波由壓力振蕩、溫度振蕩和位移振蕩產(chǎn)生，盡管振蕩很小，但在二十多年的研究中已顯示出，可以利用該“熱聲”效應(yīng)來產(chǎn)生有效的、實(shí)用的、效率合理的熱機(jī)，包括熱泵和制冷機(jī)。
而傳統(tǒng)的熱聲熱機(jī)在進(jìn)行大規(guī)模工程應(yīng)用的過程中的主要技術(shù)障礙是(一)功率體積比太低，使其尺寸太大；(二)熱聲轉(zhuǎn)換效率較低，使裝置的相對(duì)效率(即COP/COPCarnot)僅5％。
解決以上瓶頸問題的關(guān)鍵措施是提高聲場(chǎng)頻率(幾百至幾千赫茲)。因?yàn)閷?duì)于現(xiàn)有的熱聲系統(tǒng)來說，一般采用半波長(zhǎng)或者四分之一波長(zhǎng)的系統(tǒng)，對(duì)于半波長(zhǎng)的熱聲系統(tǒng)，其系統(tǒng)固有工作諧振頻率為f=12c0L]]>而對(duì)于四分之一波長(zhǎng)的聲學(xué)系統(tǒng)，其系統(tǒng)固有工作諧振頻率為f=14c0L]]>
對(duì)于以上兩種情況的熱聲聲學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)度L均與系統(tǒng)工作的介質(zhì)聲速c0和工作諧振頻率f相關(guān)，當(dāng)聲學(xué)工作介質(zhì)一定時(shí)，其介質(zhì)聲速就不變，因此系統(tǒng)的工作尺寸就主要與系統(tǒng)工作頻率相關(guān)，當(dāng)工作頻率越高時(shí)，其相應(yīng)的尺寸就越小，那么其對(duì)應(yīng)的體積比功率就會(huì)越大。這一點(diǎn)可以從以下的描述中進(jìn)行解釋說明在熱聲熱機(jī)和制冷機(jī)中，根據(jù)聲學(xué)的基本知識(shí)，表示能量最常用的量——聲強(qiáng)的表達(dá)式為1I=ω2π∫02πRe[p1(x)eiωt]Re[u1(x)eiωt]dt=12Re[p1u~1]---(1)]]>該式中有關(guān)符號(hào)的物理意義可以參考文獻(xiàn)[P.M(美).莫爾斯，理論聲學(xué)(上，下冊(cè))，科學(xué)出版社，1986]。
上式(1)表示聲波在單位面積上的時(shí)間平均聲強(qiáng)。對(duì)其作截面積分得聲功流W2(x)=12Re[p1U~1]=12Re[p~1U1]=12|p1||U1|cosφ---(2)]]>其中，表示p1和U1之間的相位差，～表示該復(fù)數(shù)向量的共軛復(fù)數(shù)，U1表示聲波的體積流速，對(duì)于截面均勻的平面聲波，U1等于流速u1與截面積A的乘積。
從式(1)中可以看出，聲強(qiáng)的大小主要處決于角頻率項(xiàng)ω，聲功率的大小直接取決于角頻率項(xiàng)ω和壓力和流速之間的相角，當(dāng)它們之間的相角一定的時(shí)候，那么熱聲系統(tǒng)的聲功率還是直接處決于角頻率ω，也即是直接處決于系統(tǒng)的固有工作頻率f，因此當(dāng)系統(tǒng)工作頻率f越大時(shí)，其對(duì)應(yīng)的聲功率也就越大。所以說提高系統(tǒng)的固有工作頻率是降低系統(tǒng)工作尺寸和提高體積比功率的有效手段。
另外一方面，從附圖1和有關(guān)的熱力學(xué)系統(tǒng)效率的理論，我們知道，對(duì)于熱聲熱機(jī)和熱聲制冷機(jī)來說，假設(shè)熱端和冷端溫度分別保持在恒定值T1和T2，由熱力學(xué)第一定律，其理想效率稱為卡諾效率η=1-T2T1---(3)]]>它規(guī)定了實(shí)際熱機(jī)所能達(dá)到的最高效率，從上式可以看出，T1越高，其效率越低，在實(shí)際的熱聲熱機(jī)和熱聲制冷機(jī)的設(shè)計(jì)中，有時(shí)為了減小系統(tǒng)的體積，采取提高溫差的手段來提高輸出功率，從能量利用的角度來說，這樣必然導(dǎo)致效率的降低。在對(duì)體積要求不是很高的情況下，應(yīng)盡量能過增大橫截面的面積來提高聲功。對(duì)于實(shí)際的熱聲熱機(jī)和熱聲制冷機(jī)來說，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理想效率，目前效率最高的熱機(jī)是Swift制造的行波熱機(jī)[參見文獻(xiàn)S.Backhaus &G.W.Swift，A thermoacoustic stirling heat engine，Nature，Vol.399，1999，p335-338]，其最高效率為卡諾效率的42％，已經(jīng)達(dá)到普通內(nèi)燃機(jī)的水平。假設(shè)回?zé)崞鞯穆暪Ξa(chǎn)率為W0，則回?zé)崞鞯膶?shí)際熱聲轉(zhuǎn)化的效率為W0/Q1，考慮回?zé)崞鞑豢赡娴暮纳p失，則回?zé)崞鞯穆暟l(fā)射效率為(W0-Wf1)/Q1。如果以熱聲系統(tǒng)為對(duì)象，換熱器和連接管等熱聲部件仍然要消耗部分聲功，系統(tǒng)總的輸出功率為W/Q1，其中W為W0-Wf1-Wf2。對(duì)于熱聲制冷機(jī)來說，其制冷效率稱為性能系數(shù)，表示為
COP=QcW≤TcT0-Tc---(4)]]>式(4)中后面部分表示同溫下的卡諾循環(huán)性能系數(shù)COPc。它規(guī)定了聲制冷的性能系數(shù)所能達(dá)到的最大值。
上面的論述說明了實(shí)際熱聲熱機(jī)已經(jīng)達(dá)到的最高效率和可能達(dá)到的最高效率，同時(shí)也說明了依靠提高溫差來提高系統(tǒng)工作效率的方法是不可行的，因此這也說明了采用提高系統(tǒng)工作頻率的方法來提高微型熱聲制冷機(jī)體積比功率的方法是實(shí)際可行的。
進(jìn)一步來說，電子技術(shù)的發(fā)展使電路及其芯片散熱問題顯得格外突出，這個(gè)問題包括兩個(gè)方面其一是電子器件和芯片的散熱(高于環(huán)境溫度)，因?yàn)殡S著電子器件和芯片性能的提高，其本身消耗的功率也必然要增加，同時(shí)產(chǎn)生的廢熱也就大量增加，這就需要良好的散熱，才能保證其正常的工作；另外一方面，大量的電子及光電子器件等都需要工作在較低的(低于環(huán)境溫度)且穩(wěn)定的溫度環(huán)境才能發(fā)揮其正常的功能，這樣的器件就需要微型制冷設(shè)備才能保證其正常工作。通常意義上的散熱和制冷設(shè)備雖然有各自的使用范圍，但也有其共同的一方面，即都需要散熱器及其輔助器件，且因其使用范圍不同都需要把散熱或制冷(熱移)元件微型化并與芯片結(jié)合為一體，才能保證芯片的散熱或維持遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度的使用溫度環(huán)境，以保證芯片特殊功能(如超導(dǎo)、紅外)。芯片與熱沉片集成化(比如單點(diǎn)冷卻’spot cooler’的出現(xiàn))將使芯片工作性能進(jìn)一步提高，這是集成電路元件進(jìn)一步發(fā)展的方向之一。
另外散熱設(shè)計(jì)的好壞，直接影響電氣產(chǎn)品的可靠性、壽命等，而且因熱能產(chǎn)生的熱應(yīng)力、物理性質(zhì)的改變、半導(dǎo)體特性的破壞，在日益注重可靠性的現(xiàn)代來說，無疑是一大致命傷。因此，如何在一開始設(shè)計(jì)時(shí)，便根據(jù)對(duì)散熱方法的了解，考慮產(chǎn)品的散熱問題，并作適當(dāng)?shù)陌才牛詈笤俅钆淅碚摰姆治黾皩?shí)驗(yàn)的結(jié)果，驗(yàn)證并求得一最佳設(shè)計(jì)，是未來電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的必經(jīng)之路。
而微冷卻器可實(shí)際應(yīng)用在有重量限制與小體積里有極高熱通量的領(lǐng)域上，如航天工業(yè)、光電零件冷卻、化工流程傳熱等。目前其主要目的是為了要降低電子設(shè)備因過熱而發(fā)生故障損毀的幾率，并同時(shí)提高電子設(shè)備的性能及可靠性。一般最常見到的冷卻器不外乎是散熱片與風(fēng)扇的組合，但隨著工業(yè)技術(shù)不斷地進(jìn)步，各種電子產(chǎn)品無不朝著體積小、重量輕、耗電低的方向發(fā)展?，F(xiàn)有以強(qiáng)制空氣冷卻為主的微處理器散熱技術(shù)最多約只能處理60％微處理器所產(chǎn)生的廢熱，故該散熱技術(shù)已達(dá)瓶頸，需依賴新一代體小質(zhì)輕且效率極高的電子冷卻技術(shù)來解決。因此，對(duì)新一代的電子設(shè)備而言，傳統(tǒng)的冷卻器的設(shè)計(jì)極限與制作技術(shù)已無法滿足實(shí)際地要求，于是在這種需求下便孕育出利用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)來開發(fā)微冷卻器的構(gòu)想。
由于最近在電子、機(jī)械與其它相關(guān)工業(yè)所發(fā)展出來的微細(xì)精密制造技術(shù)，使得我們可以制造出微米，甚至次微米的零件和結(jié)構(gòu)。微細(xì)精密制造方法，使機(jī)械加工范圍縮到微觀的微米大小，利用光蝕刻微影(Photo-lithography)、X光深刻模造(LIGA)、微放電加工、鉆石刀加工和離子束加工(Focused Ion Beam)等方法，可以制造出任憑人類想象的微型結(jié)構(gòu)，如微型傳感器、微型馬達(dá)、微型冷卻器、微型機(jī)械人等，而應(yīng)用于汽車工業(yè)、航天工業(yè)、民族工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)與國(guó)防工業(yè)等。據(jù)估計(jì)與此微細(xì)精密制造有關(guān)工業(yè)的產(chǎn)值，將來可媲美現(xiàn)今的半導(dǎo)體工業(yè)。
由于實(shí)際的電子芯片、器件的外形一般微扁的或方形的，故我們的發(fā)明就采用扁平結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)的膜片也相應(yīng)的就是扁平結(jié)構(gòu)的膜片，而可供選擇的膜片主要有壓電膜、電動(dòng)膜、靜電膜、電容片等幾種形式，但采用壓電膜驅(qū)動(dòng)時(shí)，在圓膜結(jié)構(gòu)前提下的振動(dòng)位移很小，如果采用扁平結(jié)構(gòu)，那么其振動(dòng)位移就更小，故本發(fā)明就不考慮采用壓電膜。文獻(xiàn)[OrestG.Symk0，Ehab Abdel-Rahman，DeJuan Zhang，etc，HIGH FREQUENCY THERMOACOUSTICREFRIGERATOR，U.S.Patent No.6,574,968，Jun.10，2003]明確指出，單元永磁膜片加電動(dòng)膜的方案較好，因?yàn)椴捎秒妱?dòng)膜可以消除了壓電膜固有的一些缺陷，比如振蕩位移偏小，壓電膜本身的馳豫現(xiàn)象等，同時(shí)電動(dòng)膜容易實(shí)現(xiàn)陣列布置，可以根據(jù)實(shí)際需要布置相應(yīng)的陣列數(shù)目。因此我們的發(fā)明就采用電動(dòng)膜，也既是微型平面線圈加永磁微型薄膜驅(qū)動(dòng)的扁平電動(dòng)膜。
基于以上的認(rèn)識(shí)，電子芯片熱沉片的發(fā)展就得到了世界范圍內(nèi)的廣大科研人員的廣泛重視，已經(jīng)有多種多樣的熱沉技術(shù)得到了發(fā)展。所以各種情況均表明了我們的發(fā)明——微型模塊化的膜驅(qū)動(dòng)的熱聲制冷器件已經(jīng)實(shí)際可行了。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需解決的技術(shù)問題是針對(duì)實(shí)際的電子芯片、光電子芯片的多樣性以及對(duì)冷卻目的、溫度要求的多樣性，只有采用模塊化的制冷器件才可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)芯片制冷模塊的獨(dú)立控制，也就是開發(fā)模塊化的制冷器件才能滿足實(shí)際需求，另外也是為了克服現(xiàn)有熱聲熱機(jī)微型化過程中的技術(shù)困難和提高熱聲熱機(jī)體積比功率和系統(tǒng)工作效率的需要。
本發(fā)明的目的主要在于以下三個(gè)方面第一針對(duì)實(shí)際的電子芯片、光電子芯片的多樣性以及對(duì)冷卻目的、溫度要求的多樣性，采用模塊化的制冷器件就可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)芯片制冷模塊的獨(dú)立控制，開發(fā)模塊化的制冷器件才能滿足實(shí)際需求；第二個(gè)目的在于，采用模塊化的技術(shù)方案后，設(shè)計(jì)的模塊就只能是毫米級(jí)的尺寸，對(duì)于毫米級(jí)模塊的基本制作工藝就會(huì)采用半導(dǎo)體加工工藝來完成，這樣的過渡工藝是對(duì)毫米模塊級(jí)的制冷器件進(jìn)一步過渡到芯片(微米模塊)級(jí)的工藝考驗(yàn)，由于其加工材料很多都是采用單晶硅，單晶硅的工藝就與芯片的加工工藝相似，便于與芯片集成，就不會(huì)存在與芯片集成過程中對(duì)芯片的二次損壞，從而大大地提高了整個(gè)系統(tǒng)的良品率以及極大地降低了系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。第三是毫米級(jí)熱聲制冷模塊可以發(fā)展成為制冷換能器的標(biāo)準(zhǔn)模塊，用這種技術(shù)使微制冷機(jī)的研究和民用制冷市場(chǎng)結(jié)合起來走上產(chǎn)品更新研究的良性循環(huán)道路。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案本微型熱聲制冷模塊利用微型平面膜片振動(dòng)產(chǎn)生所需要的聲波，再利用熱聲制冷技術(shù)來優(yōu)化配置微型熱聲制冷模塊諧振腔中的熱端換熱器(對(duì)于芯片冷卻來說，就是環(huán)境換熱器)、回?zé)崞?、冷端換熱器(該冷端換熱器直接提供芯片冷卻所需要的冷量和接合面)，在封閉的諧振腔充有熱聲工質(zhì)，熱聲工質(zhì)一般為一個(gè)大氣壓的惰性氣體，比如說氦氣、氮?dú)獾?。微型熱聲制冷模塊的冷端換熱器的擴(kuò)展面直接與被冷卻芯片接合，接合的方式有半導(dǎo)體工藝接合、硅膠加固定夾子直接接合，就像計(jì)算機(jī)CPU芯片冷卻用換熱器的接合方式類似，模塊采用非圓形結(jié)構(gòu)，一般采用方形或長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)。同時(shí)要求嚴(yán)格控制熱聲模塊各部分的尺寸。
微型熱聲制冷模塊化方案的基本模塊尺寸為4mm×8mm×16mm，其主要技術(shù)特征是(1)變截面扁平諧振管(2)軸向電動(dòng)彈性膜壓縮(3)分布型彈性膜驅(qū)動(dòng)線圈，可調(diào)節(jié)彈性膜位移相角(4)回?zé)崞鞑捎媒z束填料(5)整機(jī)長(zhǎng)度取決于回?zé)崞魈盍咸卣黝l率所述微型熱聲模塊裝置由擴(kuò)展的熱端換熱、回?zé)崞?、擴(kuò)展的冷端換熱器、諧振腔已及永磁膜和平面線圈振動(dòng)膜片相接而成，其中的永磁膜和平面線圈振動(dòng)膜也可以有相對(duì)的兩片平面線圈膜直接組成，這些零部件共同封閉在一個(gè)諧振腔中，諧振腔中充有一定壓力的氣體工質(zhì)，這種氣體工質(zhì)一般為惰性氣體，比如氦氣、氮?dú)獾?，充氣壓力一般?個(gè)大氣壓。
所屬諧振腔要求有一定的長(zhǎng)度，所屬的換熱器有一定的高度，所屬的振動(dòng)膜片有一定的尺寸，膜片與膜片之間有一定的距離，這樣的距離與膜片的振動(dòng)幅值有關(guān)，同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需要配置單個(gè)微型熱聲制冷模塊的尺寸和制冷量。
所屬的回?zé)崞鞑捎秒S機(jī)纖維材料，比如玻璃纖維或棉纖維來制作回?zé)崞鳠崧暞B。玻璃纖維或棉纖維被壓緊成要求的厚度尺寸(比如5mm)，壓緊后的纖維就能夠和兩端的換熱器緊密接觸。這種玻璃纖維的密度為0.022g/cm3(棉纖維的密度大約為0.08g/cm3)，每根纖維的熱傳導(dǎo)系數(shù)約為0.04W/m℃，平均纖維直徑為5～10um，平均纖維間距為100um，這樣纖維就提供了一個(gè)巨大的工質(zhì)與纖維互相熱傳遞的表面積，可以更好地加速工質(zhì)與纖維之間的熱傳遞過程，因此是十分有效的。例如，在直徑為3cm的堆疊中的棉纖維的數(shù)量大約為4×106，這樣的熱聲疊的典型周長(zhǎng)為126m，有效的泵熱橫截面積為7.5×10-3m2，暴露在聲場(chǎng)中的整個(gè)有效堆疊面積大約為7.5×103cm2，熱馳豫深度與纖維間距滿足約為兩倍的關(guān)系，如果頻率更高，則纖維的壓緊程度可以進(jìn)一步提高，這樣均可以滿足高頻熱聲的需要，所以對(duì)于高頻微型熱聲制冷模塊來說，采用纖維材料是可行的。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明充分利用了熱聲熱機(jī)技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，基本無運(yùn)動(dòng)部件，可以達(dá)到較高的制冷效率等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)芯片冷卻的目的，達(dá)到消除芯片熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)芯片可靠工作等多種目的，主要有以下三個(gè)方面的有益效果一是實(shí)現(xiàn)模塊化的芯片冷卻技術(shù)；二是良好的制冷模塊與芯片接合技術(shù)可以大大降低芯片冷卻的成本；三是為進(jìn)一步的標(biāo)準(zhǔn)熱聲換熱器模塊做好技術(shù)和工藝上的準(zhǔn)備，因此本發(fā)明具有非常好的效果。本發(fā)明的實(shí)施，可以大大推動(dòng)芯片冷卻技術(shù)的發(fā)展，提高各種電子、光電子芯片的性能和應(yīng)用范圍，并且本發(fā)明構(gòu)造簡(jiǎn)單，加工、安裝均很方便。


圖1是為熱聲熱機(jī)原理示意圖；圖2是本發(fā)明微型熱聲制冷模塊結(jié)構(gòu)方案一示意圖；圖3是本發(fā)明微型熱聲制冷模塊結(jié)構(gòu)方案二示意圖；
圖4是本發(fā)明微型熱聲制冷模塊振動(dòng)膜片方案一示意圖；圖5是本發(fā)明微型熱聲制冷模塊振動(dòng)膜片方案二示意圖；圖6是本發(fā)明與芯片接合示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
參見圖1，熱聲熱機(jī)原理示意圖，圖1中1表示為熱端換熱器和高溫端的熱流，圖1中2表示為冷端換熱器和低溫端的冷量流，圖1中的3表示為熱聲熱機(jī)換能器的輸出接口。圖1表達(dá)了熱聲熱機(jī)的基本工作原理圖，這不是本發(fā)明的重點(diǎn)，在此就不做進(jìn)一步論述。
具體實(shí)施例1參見圖2，本發(fā)明的微型熱聲制冷模塊結(jié)構(gòu)方案一示意圖，本制冷模塊為微型線圈陣列膜驅(qū)動(dòng)的聲制冷模塊方案。本發(fā)明的外形尺寸為尺寸為4.8×8×16mm，總厚度方向?yàn)?.8mm，模塊的有效厚度為4mm。由前端驅(qū)動(dòng)膜線圈1，前端永磁膜2，熱端換熱器3，熱端換熱器擴(kuò)展面4，冷端換熱器5，回?zé)崞?，骨架7，冷端換熱器擴(kuò)展面8，后端膜線圈9，后端永磁膜10，熱端換熱器11，絕熱膜12等零部件以及相適應(yīng)的諧振腔等組成。
圖2中布置了兩組回?zé)崞?、相應(yīng)的冷端換熱器5和熱端換熱器3，線圈1和永磁膜2之間有兩層絕緣層12和一層骨架7組成，線圈1和永磁膜2外面也分別有相應(yīng)的絕緣層12。平面膜的布置方向與換熱器的擴(kuò)展面方向垂直。圖2中的縱向截面尺寸為8mm，回?zé)崞?組件的寬度約為8mm，冷端換熱器擴(kuò)展面8直接與芯片集成在一起，熱端換熱器擴(kuò)展面4可以同熱端熱沉片集成或直接置于外界環(huán)境中，膜片的振動(dòng)位移方向與聲傳播方向相同。
本發(fā)明的微型熱聲制冷模塊的整體外形尺寸為4.8×8×16mm，采用氦氣作為工質(zhì)，當(dāng)工作壓力為1kgf/cm2，工作頻率為5300Hz，填充的回?zé)崞鞑牧蠟槎嗫捉橘|(zhì)材料，比如不銹鋼絲束，玻璃纖維等，骨架采用單晶硅平面膜制作，相應(yīng)的冷熱端換熱器也采用單晶硅材料制作而成。初步的理論預(yù)測(cè)表明，單個(gè)制冷模塊的制冷量大于200mW，制冷溫差為30℃，可以滿足芯片冷卻的需要。
具體實(shí)施例2參見圖3，本發(fā)明的另外一種平面膜布置所組成的微型熱聲制冷模塊結(jié)構(gòu)方案二。本發(fā)明的制冷模塊的外形尺寸為尺寸為4.8×8×16mm，總厚度方向?yàn)?.8mm，模塊的有效厚度為4mm。包括前端驅(qū)動(dòng)膜組件1，后端膜(平面線圈)3，冷端永磁材料膜4，骨架5，冷端換熱器6，回?zé)崞?，熱端換熱器擴(kuò)展面8，熱端換熱器9，冷端換熱器擴(kuò)展面10等零部件組成，當(dāng)然也有輔助絕熱膜等附件。圖3中的2表示為波形線，也即是當(dāng)熱聲制冷模塊工作時(shí)的聲波波形線。
本發(fā)明的微型熱聲制冷模塊的整體外形尺寸和實(shí)施實(shí)例1一致，即為4.8×8×16mm，采用氦氣作為工質(zhì)，當(dāng)工作壓力為1kgf/cm2，工作頻率為5300Hz，填充的回?zé)崞鞑牧蠟槎嗫捉橘|(zhì)材料，比如不銹鋼絲束，玻璃纖維等，骨架采用單晶硅平面膜制作，相應(yīng)的冷熱端換熱器也采用單晶硅材料制作而成。初步的理論預(yù)測(cè)表明，單個(gè)制冷模塊的制冷量大于200mW，制冷溫差為30℃，可以滿足芯片冷卻的需要。
參見圖2和圖3，圖2是端部壓縮，圖3是頂部壓縮，還可以有第三種結(jié)構(gòu)布置方案，即側(cè)壁壓縮。三者對(duì)比，應(yīng)是圖3布置方案較好，因?yàn)閳D3所示膜的振動(dòng)結(jié)構(gòu)方案在同一壓縮功率下位移最大。對(duì)于圖3的頂部壓縮來說，由于計(jì)算的邊界條件的不同，既是可以以單個(gè)線圈的直徑為單膜振動(dòng)的有效直徑，同時(shí)又可以以整個(gè)線圈的邊界條件為單個(gè)線圈計(jì)算的邊界條件，這樣的布置方式，其振動(dòng)本征頻率是不一樣的，也既是系統(tǒng)的工作頻率的范圍可以位于這兩個(gè)本征頻率之間時(shí)，系統(tǒng)的有效輻射聲功均可以具有較高的效率，同時(shí)圖3的實(shí)施方案2的中的四到八組驅(qū)動(dòng)線圈中，頂側(cè)二線圈處于同一相位(或可相差一定相角)，而底側(cè)兩線圈大體上反相，就可以根據(jù)熱聲聲場(chǎng)調(diào)節(jié)理論來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的聲場(chǎng)中的行波分量，更好地組織諧振腔中的聲場(chǎng)。對(duì)于以上兩種實(shí)施方案，在原理上是相通的，只是膜的制備由鋼絲骨架過渡到金屬膜，分組驅(qū)動(dòng)和扁管側(cè)向壓縮的原則不變。
參見圖4，圖4為本發(fā)明的微型熱聲制冷模塊的驅(qū)動(dòng)線圈布置方案，其中共布置了四組線圈，線圈的組數(shù)需根據(jù)實(shí)際所需的驅(qū)動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)聲功的大小來確定，同樣，線圈的線徑、線間距和鍍層厚度都需要根據(jù)實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力大小、線圈自身所允許的散熱量等來確定。
參見圖5，圖5為本發(fā)明的微型熱聲制冷模塊驅(qū)動(dòng)平面線圈的另外一種排線方式，在4mm×8mm的面積上面布置了兩組線圈，線圈組數(shù)的多少和布置方式都要根據(jù)實(shí)際驅(qū)動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)相位的需要來布置，圖中線寬為50um，線間距也為50um。這種布置方式在工藝上要比圖4所示布置方式要復(fù)雜一些。
以上驅(qū)動(dòng)線圈的線圈基材均為銅箔，也即是把銅箔通過電鍍或其他相似的工藝，然后再采取適當(dāng)?shù)墓に囘M(jìn)行加工處理。
在此需要說明的是，沿波傳播的方向，在與其垂直的橫向上，在各組驅(qū)動(dòng)線圈之間，沿膜的邊緣有采用蝕刻技術(shù)處理的凹凸相間的波紋，這樣的處理，可以使得膜的壓力與位移特性更加趨于線性化，減小其非線性效應(yīng)的影響，這樣的技術(shù)處理在高靈敏度的傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。另外，膜的質(zhì)量、彈性以及膜的前后腔中的等效氣體彈簧剛度必須仔細(xì)地選擇，以使其工作于系統(tǒng)的諧振頻率模式，提高其工作效率。
參見圖6，圖6為本發(fā)明與芯片接合的示意圖。由被冷卻芯片1、電子系統(tǒng)總線2、芯片基板即冷端底板3、微型熱聲制冷模塊4(本發(fā)明的微型熱聲制冷模塊)、中間支撐板5、室溫端底板即熱端換熱器擴(kuò)展板6和驅(qū)動(dòng)膜片7等組成。
同時(shí)本發(fā)明還可以根據(jù)被冷卻芯片的熱點(diǎn)分布情況來采取合適的布置方式。
本發(fā)明的微型熱聲制冷模塊的設(shè)計(jì)參數(shù)為本發(fā)明的應(yīng)用示意圖參見圖4，系統(tǒng)圖參見圖2和圖3，設(shè)計(jì)參數(shù)為
室溫端膜片振幅0.02mm 低溫端膜片振幅0.015mm回?zé)崞鏖L(zhǎng)度5mm填料充填率0.75回?zé)崞髦睆?mm工作頻率1000Hz仿真計(jì)算結(jié)果平均充氣壓力Pm＝0.3Mpa時(shí)理論制冷量Q＝0.1425W平均充氣壓力Pm＝1.0Mpa時(shí)理論制冷量Q＝0.475W當(dāng)回?zé)崞魈畛渎蕿?.65，Pm＝1.0Mpa時(shí)，理論制冷量Q＝0.480W當(dāng)回?zé)崞魈畛渎蕿?.80，Pm＝1.0Mpa時(shí)，理論制冷量Q＝0.471W根據(jù)以上的仿真計(jì)算結(jié)果，對(duì)于需要冷卻或散熱的電子或光電子芯片而言，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、接合方便等實(shí)際的效果。特別是，隨著熱聲系統(tǒng)的諧振頻率提高，則模塊的尺寸會(huì)更小，也即是具有更加廣泛的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種微型熱聲制冷模塊裝置，它可以直接與被冷卻或散熱的電子和光電子芯片接合在一起，包括前端驅(qū)動(dòng)膜組件，后端膜(平面線圈)，冷端永磁材料膜，骨架，冷端換熱器，回?zé)崞?，熱端換熱器擴(kuò)展面，熱端換熱器，冷端換熱器擴(kuò)展面等零部件組成，當(dāng)然也有輔助絕熱膜等附件，這些零部件均被封閉在由骨架構(gòu)成的諧振腔中，其特征在于它由膜組件驅(qū)動(dòng)，在諧振腔中產(chǎn)生所需要的聲波，然后再根據(jù)熱聲制冷的原理，在其中的回?zé)崞鹘M件兩端產(chǎn)生所需要的溫差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電子器件、電子芯片、光電子器件及其芯片的冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型熱聲制冷模塊裝置，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)膜可以是壓電膜、電磁膜、平面線圈膜，當(dāng)采用電磁膜和平面線圈膜時(shí)，振動(dòng)膜均為成對(duì)出現(xiàn)，由驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生所需要的振幅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型熱聲制冷模塊裝置，其特征在于所述的微型熱聲制冷模塊的整體尺寸為厘米級(jí)，也即是模塊的外形尺寸小于10cm，大于1mm；其系統(tǒng)工作頻率位于1000Hz～10000Hz之間，采用的工作介質(zhì)為惰性氣體；系統(tǒng)工作壓力為1kgf/cm2～10kgf/cm2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型熱聲制冷模塊裝置，其特征在于所述的回?zé)崞鳛槎嗫捉橘|(zhì)材料組成，比如不銹鋼絲束，玻璃纖維和棉纖維等隨機(jī)纖維材料來制作回?zé)崞鳠崧暞B；所述的骨架采用與芯片接合一致的材料制作而成，一般采用單晶硅平面膜折疊制作而成；所述的冷熱端換熱器也采用與芯片接合一致的材料制作而成，一般也為單晶硅材料制作而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型熱聲制冷模塊裝置，其特征在于所述的驅(qū)動(dòng)線圈的線寬為為10um～9000um，線間距也為10um～5000um。
6.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的微型熱聲制冷模塊的驅(qū)動(dòng)線圈，其特征在于驅(qū)動(dòng)線圈中可以布置多組線圈，線圈的組數(shù)需根據(jù)實(shí)際所需的驅(qū)動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)聲功的大小來確定，同樣，線圈的線徑、線間距和鍍層厚度都需要根據(jù)實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力大小、線圈自身所允許的散熱量等來確定。一般來說，線圈的銅泊就直接電鍍?cè)诠羌苌厦妫俨捎孟鄳?yīng)的制作工藝加工出所需要的線圈。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、權(quán)利要求2和權(quán)利要求6所述的微型熱聲制冷模塊的驅(qū)動(dòng)線圈，其特征在于在諧振腔中沿波傳播的方向，在與驅(qū)動(dòng)線圈垂直的橫向上，在各組驅(qū)動(dòng)線圈之間，沿膜的邊緣有采用蝕刻技術(shù)處理的凹凸相間的波紋。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型熱聲制冷模塊裝置，其特征在于模塊的基本形狀為扁形或方形結(jié)構(gòu)；其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)膜也為扁形或方形結(jié)構(gòu)，所屬的熱聲組件均被封閉在骨架所制作而成的諧振腔中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用熱聲效應(yīng)對(duì)電子光電子器件和芯片進(jìn)行散熱或制冷的微型熱聲制冷模塊裝置。本發(fā)明的典型模塊包括前端驅(qū)動(dòng)膜線圈1，前端永磁膜2，熱端換熱器3，熱端換熱器擴(kuò)展面4，冷端換熱器5，回?zé)崞?，骨架(諧振腔)7，冷端換熱器擴(kuò)展面8，后端膜線圈9，后端永磁膜10，熱端換熱器11，絕熱膜12等零部件組成。本發(fā)明的單個(gè)模塊的制冷量大于200mW，制冷溫差為30℃。本發(fā)明充分利用了熱聲熱機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，基本無運(yùn)動(dòng)部件，可以達(dá)到較高的制冷效率等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)芯片冷卻，達(dá)到消除芯片熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)芯片可靠工作等多種目的。本發(fā)明的實(shí)施，可以大大推動(dòng)芯片冷卻技術(shù)的發(fā)展，提高各種電子、光電子器件和芯片的性能和應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)F25B9/14GK1829430SQ20061003123
公開日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2006年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月16日
發(fā)明者劉益才, 郭方中 申請(qǐng)人:中南大學(xué)