[發明專利]基于形狀記憶材料的相變智能冷卻結構

有效

• 申請號: 202010570448.2
• 申請日: 2020-06-20
• 公開（公告）號: CN111725157B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: 白長青;李浩冉
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01L23/367
• 分類號: H01L23/367;H01L23/473
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

本發明公開了一種基于形狀記憶材料的相變智能冷卻結構，主要包括毛細管路、受熱面、冷凝面和冷卻介質；核心裝置是基于虹吸原理的毛細管路，由形狀記憶合金波紋毛細管、樹狀微通道結構、連接管和開口段構成；形狀記憶合金波紋毛細管具有溫控形變特性，根據溫度變化自動變形來調整毛細管路出口的高低，控制冷卻液的出流，實現了冷卻能力的智能調節；毛細管路的高度小于毛細作用提升液柱的最大高度，使得冷卻液能夠自動充滿整個毛細管路；冷卻介質使用低沸點易蒸發的介質，在受熱面蒸發，在冷凝面凝結，循環利用。本發明冷卻裝置的突出優點是智能調節冷卻能力，而且無需外加動力，冷卻液可以循環利用。

技術領域

本發明屬于相變冷卻技術領域，涉及毛細現象、形狀記憶效應等原理，具體涉及一種基于形狀記憶材料的相變智能冷卻結構。

背景技術

為了提高運行性能，電子元器件單位面積內集成的晶體管數量不斷增長，導致總的能量消耗以及因此而轉換的熱量直線上升。目前CPU芯片的發熱量已猛增到每平方厘米70W-80W，透過散熱器基板傳導的熱流密度已高達10W/m²-10^5W/m²量級，而且其體積越來越小，頻率和集成度卻大幅提高，高熱流密度的產生使電子元器件冷卻問題越來越突出。

高溫會對芯片等電子元器件的性能產生極其有害的影響，芯片溫度每升高1℃其運行可靠性降低3.8％，而芯片溫度每下降10％其壽命增加50％。研究表明電子設備失效有55％是由于過熱引起。及時有效地傳出電子設備發出的熱量，使其在規定的溫度極限內工作，這對電子設備極為重要。

目前散熱器按冷卻技術主要有3類：空氣對流換熱，液體冷卻換熱和相變循環換熱。此外，還有一些發展潛力巨大但還未大規模普及的冷卻方式，比如半導體散熱、微通道散熱等。本發明則結合了相變循環散熱和微通道散熱。

相變冷卻散熱是一種高效的散熱技術，充分利用了熱傳導和致冷介質的快速熱傳遞性質，通過介質的氣化和凝結來傳遞熱量，具有極高的導熱性、良好的等溫性等特性。

微通道散熱基于微細尺度能夠強化換熱的原理，隨著通道直徑的減小，換熱系數相應增加，同時系統的散熱面積與體積比也顯著增加。這種散熱方式具有體積小重量輕、性能穩定、可靠性高、壽命長，與電子元件集成性好，成本低等優點。

發明內容

本發明的目的在于提供一種相變智能冷卻裝置，該裝置不僅綜合了相變循環散熱和微通道散熱的體積小、散熱效率高和性能穩定等諸多優點，而且還可以無需外加動力僅靠毛細作用完成冷卻液的提升，可以智能調節冷卻能力。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于形狀記憶材料的相變智能冷卻結構，包括毛細管路，設置在毛細管路兩端的受熱面4和冷卻液儲液池3，設置在冷卻液儲液池3上方的冷凝面5；核心裝置是基于虹吸原理的毛細管路，該毛細管路由形狀記憶合金波紋毛細管1、樹狀微通道2、連接管8和開口段7構成；

所述形狀記憶合金波紋毛細管1為多個且豎直布置，由形狀記憶合金制成，低溫下形狀為波紋彎曲狀，高溫下為豎直狀；通過形狀記憶合金的溫控形變特性來自動調節冷卻液的流速，實現冷卻能力的智能調節；形狀記憶合金波紋毛細管1上下均有固定裝置9限制其水平向運動，保證其變形只引起出口端高度變化，而水平方向位置不變；形狀記憶合金波紋毛細管1兩端分別通過連接管8與樹狀微通道2和開口段7相連；開口段7下方是與受熱面4相連的微型翅片6；

所述樹狀微通道2下部通過冷卻液入口2-1與冷卻液儲液池3的液面接觸，其上部末端的微孔提供毛細力，將冷卻水驅動充滿整個形狀記憶合金波紋毛細管，同時仿生樹狀結構能夠有效地消除毛細力與冷卻劑流動阻力之間的矛盾，使流體從主干通道均勻分布到大面積區域；

所述整個毛細管路的最高點與冷卻液儲液池3中液面的高度差小于毛細作用能提升液柱的最大高度，那么在毛細作用下，冷卻液會充滿整個毛細管；