仿心脏结构的仿生动力驱动型散热器

摘要

一种仿心脏结构的仿生动力驱动型散热器，包括工作时与发热面相连的方形空心主腔体，其内横向安装一由驱动电机驱动并可沿腔体内壁上下滑动的活塞；活塞上对称地设有偶数个小孔；小孔内壁上安装方向朝上且向外倾斜的上单向瓣膜；分别焊接于空心主腔体左、右侧壁上的由空心弯管围成的半圆型左空心腔体和半圆型右空心腔体；左和右空心腔体的空心弯管内腔分别与空心主腔体的内腔相连通；其内装有流动工质；安装在左、右空心腔体与空心主腔体内腔连通的下连通口处方向朝下且向内侧倾斜的第一和第二下单向瓣膜；该散热器体积较小，符合现代电子设备日渐紧凑的趋势；结构简单，流动阻力小，节约驱动电机电能；另外工质流动速度可以非常快，散热效率高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿生动力驱动型散热器，特别涉及一种模仿心脏结构的驱动全身血液流动以实现热量对流传输的仿心脏结构的仿生动力驱动型散热器。

背景技术

近年来，计算机、微电子、光电芯片等一直是朝着提高集成度、减小尺寸及增加时钟频率的趋势发展，“热障”问题因此日显严峻。按照著名的“摩尔定律”推算：计算机芯片上的晶体管每18个月翻一番，那么到2010年，芯片上晶体管的数量将突破10亿，此时，芯片耗能和散热问题也凸现出来。由此带来的过高温度将降低芯片的工作稳定性，增加出错率，同时模块内部与其外部环境间所形成的热应力会直接影响到芯片的电性能、工作频率、机械强度及可靠性。事实上，不仅对于计算机芯片，对于大量功率电子设备、光电器件以及近年来发展迅速的微/纳电子机械系统等，都存在着类似的广泛而迫切的散热冷却需要，有的情况下甚至要求更高。以上态势表明，目前对高性能散热技术的需求已提到了前所未有的层面，相关研究是多个学科领域共同的前沿和关注的重大课题。

计算机芯片技术发展对高性能散热方法的迫切要求与实际应用的广阔空间，使得对超高热流密度光电子芯片、微系统的散热技术研究成为国际上异常重要而活跃的研究领域。目前市面上出售的芯片散热器主要有空气散热器、液体散热器、热管散热器、制冷剂冷却器、半导体冷却器。前三种是利用各种导热介质将热量从热端传导到冷端来降低芯片的温度，后两种则是依靠主动产生的冷量达到降低芯片温度的目的。空气散热器由于空气的传热系数较低，虽然结合使用了诸多高热导率材料如铝、铜甚至银等并使用了各种增强传热的方式如肋片、风扇等，但目前这类散热器的传热系数已基本趋于其物理极限，进一步提升性能需要付出的代价比较大。且随着风扇速度的提高，产生的噪声也不断增大，面对日渐增大的芯片发热密度，此类方法已不能很好适应。不过，由于其价格较为低廉，因此在实际应用中还是一种比较普遍的散热方式。热管散热器的传热系数很高，但制作工艺、封装条件要求较高，随着技术的进步，价格开始逐步下降，但仍然徘徊在大量应用的门槛之外，而且当芯片发热密度过高时，会导致热管内部液体全部蒸发干，从而工质难以完成正常的循环输运，会引起烧毁现象发生。制冷剂冷却器和半导体冷却器由于具备主动制冷的方式，使得它们在高发热功率的芯片冷却上的应用具有先天的优势，但是制作工艺复杂，成本相对高昂，在市面上较少见到。

相较之下，液冷散热器是兼顾传热效率和生产成本的较好结合。液体的热导率特别是对流传热速率以及比热容为空气所无法企及，且流体工质可以利用一些价格比较低廉的液体，如水、酒精等，制造工艺也没有热管散热器、制冷剂冷却器和半导体冷却器要求高。可以预见，在今后较长的一段时期内，液冷散热器可能会成为市场的主流。液冷散热器主要由吸热模块、散热模块、流体泵、流体工质等组成，其基本工作原理是：外部的热负荷加于吸热模块，工质温度上升，随后在泵的驱动下被传输到散热模块，热量从工质中散发到空气中。这样，工质在热管中不断循环流动，将热量持续地输运出去。

然而，目前市面上出售的液冷系统大都是流体驱动泵与冷却模块分离的，这样增加了散热系统的体积，增大了流动的阻力和功耗，并且安装过程比较复杂。正因如此，长期以来，围绕液体冷却中的驱动泵开展研究，如何提高驱动效率一直是工程师们的重大努力方向。从仿生学的角度看，心脏作为人体血液唯一的驱动力来源，其小巧的体积却能够提供足以克服人体内复杂血管网络流动阻力的持续动力，给流体驱动泵的设计提供了新的思路。正是基于这一考虑，本发明提供一种新的液冷散热器方案，可以实现形式更加多样化的散热器。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种仿生动力驱动型散热器，特别是提供及一种模仿心脏结构驱动全身血液流动以实现热量对流传输的仿心脏结构的仿生动力驱动型散热器，可作为高功率密度器件中的理想散热装置。

本发明技术方案如下：

本发明提供的仿心脏结构的仿生动力驱动型散热器，包括：

一方形空心主腔体1，方形空心主腔体1内横向安装一由驱动电机5驱动并可沿腔体内壁上下滑动的活塞4；所述活塞4上对称地设有偶数个小孔7；每个小孔7的内壁上均安装有方向朝上且向外侧倾斜的上单向瓣膜6；

分别焊接于所述方形空心主腔体1左、右侧壁上的由空心弯管围成的半圆型左空心腔体2和半圆型右空心腔体22；所述半圆型左空心腔体2和半圆型右空心腔体22的空心弯管内腔分别与所述方形空心主腔体1的内腔相连通；

装于所述方形空心主腔体1、半圆型左空心腔体2和半圆型右空心腔体22相连通的腔体内的流动工质9；

安装在所述半圆型左空心腔体2的弯管管腔与所述方形空心主腔体1的内腔连通的下连通口处的一方向朝下且向内侧倾斜的第一下单向瓣膜88；

安装于所述半圆型右空心腔体22的弯管管腔与所述方形空心主腔体1的内腔连通的下连通口处的一方向朝下且向内侧倾斜的第二下单向瓣膜8。

本发明提供的仿心脏结构的仿生动力驱动型散热器，还可包括安装于所述方形空心主腔体1、半圆型左空心腔体2和/或半圆型右空心腔体22外表面上的散热肋片3。所述散热肋片3为2到1000枚。

所述方形空心主腔体1、半圆型左空心腔体2和半圆型右空心腔体22均为铝、铜或硅材质的空心腔体。

所述的驱动电机外壳和活塞的材质均为塑料或橡胶材质。

所述的上单向瓣膜6、第一下单向瓣膜88和第二下单向瓣膜8均为塑料、橡胶材质的单向瓣膜；或者均为外表面上包裹有塑料或橡胶的铜或铝材质的单向瓣膜。

所述小孔为矩形孔、圆形孔或三角形孔，其数量为2、4、6或8。

所述上单向瓣膜6、第一下单向瓣膜88和第二下单向瓣膜8的截面为矩形、圆形或三角形。

所述半圆型左空心腔体2和半圆型右空心腔体22的弯管管腔的横截面形状为矩形、三角形或圆形。

所述流动工质9为纯水、酒精、氨、水银或金属镓。

本发明的仿心脏结构的仿生动力驱动型散热器，其流动工质的流通通道孔道易于通过现有加工技术制做。每一器件既可单独组成一个散热器，也可堆叠和焊接在一起形成平行的顺流或逆流换热器。

本发明装置的运行过程如下：当驱动电机5带动活塞4向下运动时，压缩下面的流动工质9，下单向瓣膜8和88关闭，上单行瓣膜6打开，流动工质9从活塞4下面被挤压到活塞4上面；当驱动电机5带动活塞4向上运动时，压缩上面的流动工质9，上单向瓣膜6关闭，下单向瓣膜8和88打开，流动工质9从活塞4上面被挤压流经半圆型左空心腔体2和半圆型右空心腔体22的弯管管腔到活塞4下面；如此，完成一个流动循环。流动工质9在散热器的底部吸收热量，温度升高，称为吸热端；流动工质9在散热器的顶部和其流通通道中会释放热量，温度降低，成为放热段，中肋片3起到强化换热的作用。这样，完成整个散热过程。

以上结构及流动工质9的充填采用常规的换热器加工方式即可完成。

本发明的仿心脏结构的仿生动力驱动型散热器，其优点如下：本发明的关键之处在于引入了心脏单向泵送驱动血液在血管网络中流动，从而实现热量从热端到冷端的传输的仿生动力驱动型散热装置概念，在技术内涵上大大丰富了传统的流动设计，是传统散热器技术的一个拓展；而且体积较小，结构简单，流动阻力小，可节约驱动电机的电能，符合现代电子设备日渐紧凑的趋势；流动速度可以非常快，能够很快地将热量从热端传送到冷端，传热能力比传统液冷散热器更高。正是由于这些综合因素，使得本发明相比于以往的液冷散热器，更能适应今后大功率器件的需要。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图；

附图2为图1的A-A剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明专利：

附图1为仿生动力驱动型散热器的外观结构示意图，也是本发明的一个实施例；附图2为仿生动力驱动型散热器的A-A纵截面示意图。由图可知，本发明的仿心脏结构功能的仿生动力驱动型散热器，包括：工作时与发热面相连的方形空心主腔体1，方形空心主腔体1内横向安装一由驱动电机5驱动并可沿腔体内壁上下滑动的活塞4；所述活塞4上对称地设有偶数个小孔7；每个小孔7的内壁上均安装有方向朝上且向外侧倾斜的上单向瓣膜6；

分别焊接于所述方形空心主腔体1左、右侧壁上的由空心弯管围成的半圆型左空心腔体2和半圆型右空心腔体22；所述半圆型左空心腔体2和半圆型右空心腔体22的空心弯管内腔分别与所述方形空心主腔体1的内腔相连通；

装于所述方形空心主腔体1、半圆型左空心腔体2和半圆型右空心腔体22相连通的腔体内的流动工质9；

安装在所述半圆型左空心腔体2的弯管管腔与所述方形空心主腔体1的内腔连通的下连通口处的一方向朝下且向内侧倾斜的第一下单向瓣膜88；

安装于所述半圆型右空心腔体22的弯管管腔与所述方形空心主腔体1的内

腔连通的下连通口处的一方向朝下且向内侧倾斜的第二下单向瓣膜8。

方形空心主腔体1与发热元件的发热端连接，可采用金属如铝、铜或半导体材料如硅等制成，整套机构可为带肋片的平板型，长宽高尺寸可在3cm×3cm×3cm到50cm×50cm×10cm之间，也可为更多形状；方形空心主腔体1内设的活塞4可采用金属如铝、铜等或者弹性材料如塑料等制成，其尺寸可在2.5cm×2.5cm×0.25cm到49cm×49cm×0.5cm之间，活塞4上连接有驱动电机5，类似于心肌的收缩扩张功能；活塞4上开有小孔7(个数未2、4、6或8个)，小孔7的截面面积为1cm²到400cm²之间；小孔7上设有上单向瓣膜6，上单向瓣膜6可采用弹性如塑料、橡胶等或者在金属材料如铜、铝上包裹软性材料如橡胶制成，其截面面积尺寸可在为1cm²到400cm²之间，类似于心脏内的瓣膜；

所述半圆型左空心腔体2和半圆型右空心腔体22的空心弯管内腔分别与所述方形空心主腔体1的内腔相连通，由此构成循环通路，所述半圆型左空心腔体2和半圆型右空心腔体22的高度在0.25cm到1cm之间。本发明的散热器的外表面上设置有散热肋片3，用于强化传热；散热肋片3的数目可在2到1000之间；单枚散热肋片3的长宽高尺寸可在10nm×10nm×10nm到50cm×50cm×1cm之间，其形状可多样化。

本发明提供的散热器内的流动工质9的封装是这样进行的，将各结构组合后，仅留一开口，作为封装口，将流动工质9沿此封装口注入到整个装置中，最后再予以封装，即形成本发明的仿生动力驱动型散热器，这一过程是常规技术，易于实现。使用本散热器时，将其底面贴附于发热器件表面，即可实现高效的散热作用。根据需要，整个散热器的结构及尺寸可加以调整，散热器各部件所有材料均可采用金属如铝、铜或半导体材料如硅等制成，活塞可采用金属材料或者弹性材料如塑料等制成，单向瓣膜可采用弹性如塑料、橡胶等或者在金属材料如铜、铝上包裹软性材料如橡胶制成。流动工质9也可采用多种液体，如水、酒精、氨、R-134a，甚至是液态金属如水银等。本发明提供的散热器也可通过加工技术直接制做在待散热器件的表面上。

附图1所示反映的仅是本发明提供的一种仿生动力驱动型散热器形式，实际上，本发明装置的结构并不限于此。比如，方形空心主腔体1四周壁上均可开设管道口，用于连接更多的传输管道，而且，方形空心主腔体1形状并非单一的矩形，可根据应用场合设置更多灵活的管路方案；方形空心主腔体1内的活塞4上的小孔7和上单向瓣膜和下单向瓣膜的形状和布置也不限于此。

本发明提供的散热器在结构布置上与传统液冷散热器有显著区别。所有的部件都整合在腔体内部和表面，结构非常紧凑，没有复杂冗长的管道网络，大大减少了工质流动中的阻力，节约了驱动电机的电能，同时又能提供足够的动力。

本发明具有很多优点，首先，体积较小，符合现代电子设备日渐紧凑的趋势；其次，管道结构简单，流动阻力小，节约了驱动电机的电能；其三，流动速度可以非常快，能够很快地将热量从热端传送到冷端，传热能力比传统液冷散热器更高。正是由于这些综合因素，使得本发明相比于以往的液冷散热器，更能适应今后大功率器件的需要。

本发明散热器可方便地用于将器件产生的热量从其表面导走。以实施例1为例，使用本发明专利的方式如下：将本平板式散热器紧贴于器件表面，二者之间的接触面采用高导热率油脂以增加传热效果；并且可根据待散热表面面积大小，选择不同大小的散热器即可。于是，器件内产生的热量即可由工质传输到周围的管道壁上，直至释放到外环境中，从而维护器件的正常工作。