热驱动的mems被动式振动强化传热装置及传热方法
【专利摘要】本发明公开了一种热驱动的MEMS被动式振动强化传热装置及传热方法。传热装置包括锚点、梳齿状骨架、功能材料夹层、位移放大结构、位移转换结构、扰流器；锚点固定在热源面上；驱动部分包括梳齿状骨架和填充在各个梳齿之间的功能材料夹层，其前端连接着锚点；位移放大结构的前端连着驱动结构的底部；V型的位移转换结构两侧连接着左右两个对称设置的位移放大结构的末端；位移转换结构的底部连接着扰流器。本发明不需要人为地开关控制，也不需要额外的能量输入，仅利用热源中的废热实现驱动，实现自适应散热，并且结构工艺性好，响应速度快，可以为解决高热流密度器件的散热问题提供一条新的路径。
【专利说明】
热驱动的MEMS被动式振动强化传热装置及传热方法
技术领域
[0001 ]本发明的目的是提供一种热驱动的MEMS被动式振动强化传热装置及传热方法，可广泛应用于高热流密度的散热领域。
【背景技术】
[0002]电子产品硬件技术的快速发展给人类的日常生活和科研工作都带来了极大的便利，但随着硬件性能的迅速提高，对产品散热性能的要求也相应提高，传统的被动式强化散热手段已经难以应付高热流密度的散热，而新一代的主动式强化散热技术，尽管能够具备较好的散热效果，但其结构一般比较复杂并且需要消耗额外的能量。以国防科技大学研制的“天河二号”计算机为例，作为当今世界运算速度最快的超级计算机，其整机功率约为17.8兆瓦，而维持超级计算机正常功率所需要的散热系统的功率高达6.2兆瓦，占总能耗的25%。
【发明内容】
[0003]为了在满足高性能电子产品的高散热性能要求的同时，降低散热系统的功耗，本发明提供了一种热驱动的MEMS被动式振动强化传热装置及传热方法。
[0004]一种热驱动的MEMS被动式振动强化传热装置，包括锚点、梳齿状骨架、功能材料夹层、位移放大结构、位移转换结构、扰流器;锚点固定在热源面上;驱动部分包括梳齿状骨架和填充在各个梳齿之间的功能材料夹层，其前端连接着锚点；位移放大结构的前端连着驱动结构的底部;V型的位移转换结构两侧连接着左右两个对称设置的位移放大结构的末端；位移转换结构的底部连接着扰流器。
[0005]所述的功能材料夹层的热膨胀系数大于5x10—5/K。
[0006]—种根据所述的热驱动的MEMS被动式振动强化传热装置的传热方法，利用热源中的热量对装置整体进行加热，梳齿状骨架的热膨胀系数小于功能材料夹层，驱动结构会发生双金属片效应，使得结构末端向位移放大结构一侧运动，输出偏转位移;驱动结构与位移放大结构构成一个杠杆，从而放大驱动结构输出的偏转位移，两侧位移放大结构的夹挤作用使得V型的位移转换结构产生变形，从而将两侧输入的偏转位移转化为底部输出的直线位移，并驱动扰流器产生振动，最终改变热源附近的流场特性，破坏热边界层，增大表面温度梯度，实现传热强化。
[0007]本发明的有益效果在于；第一，利用热源中的废热实现驱动，不需要外部能源输入;第二，随着热源温度的变化，执行器的运动规律会相应地变化，形成完全的自适应散热，不需要人为的开关控制;第三，采用振动强化传热方式，散热效果优异;第四，MEMS振动强化传热装置结构小巧、紧凑，质量轻，温度响应速度快，可应用于各种小体积、大功率的散热环境;第五，利用双金属片效应实现热驱动，可输出较大的位移和力，具备优秀的扰流性能。
【附图说明】
[0008]图1是MEMS被动式振动强化传热装置整体结构平行于热源面放置时的俯视图；
图2是MEMS被动式振动强化传热装置整体结构的三维结构示意图；
附图标记说明:1.锚点;2.梳齿状骨架;3.功能材料夹层;4.位移放大结构;5.位移转换结构;6.扰流器。
【具体实施方式】
[0009]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0010]如图1、2所示，一种热驱动的MEMS被动式振动强化传热装置，它包括锚点1、梳齿状骨架2、功能材料夹层3、位移放大结构4、位移转换结构5、扰流器6;锚点I固定在热源面上；驱动部分包括梳齿状骨架2和填充在各个梳齿之间的功能材料夹层3，其前端连接着锚点I;位移放大结构4的前端连着驱动结构的底部;V型的位移转换结构5两侧连接着左右两个对称设置的位移放大结构4的末端;位移转换结构5的底部连接着扰流器6。
[0011]如图1所示，所谓的锚点I，它固定在热源面上，起到固定与支撑的作用，使得MEMS振动强华传热装置能够平行于热源面悬空放置。
[0012]所述的强化传热装置驱动结构，是由低热膨胀系数的梳齿状骨架2与填充在骨架各个梳齿之间的功能材料夹层3(通常热膨胀系数大于5x10—5/K)共同组成，两部分之间结合紧密，当驱动部分受热温度升高后，由于骨架材料与功能材料的热膨胀系数相差较大，因此会发生双金属片效应，即填充有功能材料的一侧会向骨架基板一侧发生偏转，从而输出偏转位移。
[0013]如图1所示，所述的位移放大结构4，是将梳齿状骨架2的基板延长，与MEMS振动强化传热装置的驱动部分构成杠杆，利用杠杆原理实现对偏转位移的放大。
[0014]如图1所示，所述的位移转换结构5，是利用V型梁在受两侧夹挤力作用下发生的结构变形，将左右两个偏转位移信号转化为V型梁底部的直线运动位移。
[0015]如图1所示，所述的扰流器6，它可以接受V型梁传递过来的直线运动位移信号，作相应的直线运动。随着热源温度的变化，扰流器的运动位移会发生相应的变化，从而产生振动，实现对周围流场的扰动。
[0016]如图1、2所示，一种热致振动强化传热方法:利用热源中的热量对装置整体进行加热，由于梳齿状骨架2的热膨胀系数远小于功能材料夹层3，因此驱动结构会发生双金属片效应，使得结构末端向位移放大结构4 一侧运动，输出偏转位移。驱动结构与位移放大结构4构成一个杠杆，从而可以放大驱动结构输出的偏转位移。两侧结构的夹挤作用使得位移转换结构5的V型梁产生变形，从而将两侧输入的偏转位移转化为其底部输出的直线位移，并驱动扰流器6产生振动，最终改变热源附近的流场特性，破坏热边界层，增大表面温度梯度，实现传热强化。
[0017]综上所述，本发明不需要人为地开关控制，也不需要额外的能量输入，仅利用热源中的废热实现驱动，实现自适应散热，并且结构工艺性好，响应速度快，可以为解决高热流密度器件的散热问题提供一条新的路径。
【主权项】
1.一种热驱动的MEMS被动式振动强化传热装置，其特征在于:它包括锚点(I)、梳齿状骨架(2)、功能材料夹层(3)、位移放大结构(4)、位移转换结构(5)、扰流器(6);锚点(I)固定在热源面上;驱动部分包括梳齿状骨架(2)和填充在各个梳齿之间的功能材料夹层(3)，其前端连接着锚点(I);位移放大结构(4)的前端连着驱动结构的底部;V型的位移转换结构(5)两侧连接着左右两个对称设置的位移放大结构(4)的末端;位移转换结构(5)的底部连接着扰流器(6)。2.根据权利要求1所述的传热装置，其特征在于:所述的功能材料夹层(3)的热膨胀系数大于5x10—5/K。3.—种根据权利要求1所述的热驱动的MEMS振动强化传热装置的传热方法，其特征在于:利用热源中的热量对装置整体进行加热，梳齿状骨架(2)的热膨胀系数小于功能材料夹层(3)，驱动结构会发生双金属片效应，使得结构末端向位移放大结构(4)一侧运动，输出偏转位移;驱动结构与位移放大结构(4)构成一个杠杆，从而放大驱动结构输出的偏转位移，两侧位移放大结构的夹挤作用使得V型的位移转换结构(5)产生变形，从而将两侧输入的偏转位移转化为底部输出的直线位移，并驱动扰流器(6)产生振动，最终改变热源附近的流场特性，破坏热边界层，增大表面温度梯度，实现传热强化。
【文档编号】F28F13/02GK105823370SQ201610199362
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年4月2日
【发明人】吴昌聚, 邱云龙, 陈伟芳
【申请人】浙江大学