微型热声制冷模块装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种利用热声效应对电子光电子器件和芯片进行散热或制冷的微型热声制冷模块装置。本发明专利技术的典型模块包括前端驱动膜线圈１，前端永磁膜２，热端换热器３，热端换热器扩展面４，冷端换热器５，回热器６，骨架（谐振腔）７，冷端换热器扩展面８，后端膜线圈９，后端永磁膜１０，热端换热器１１，绝热膜１２等零部件组成。本发明专利技术的单个模块的制冷量大于２００ｍＷ，制冷温差为３０℃。本发明专利技术充分利用了热声热机结构简单，基本无运动部件，可以达到较高的制冷效率等优势，实现芯片冷却，达到消除芯片热点，实现芯片可靠工作等多种目的。本发明专利技术的实施，可以大大推动芯片冷却技术的发展，提高各种电子、光电子器件和芯片的性能和应用范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微型热声制冷模块装置，具体地说，是涉及一种利用热声效应对电子光电子器件和芯片进行散热或制冷的微型热声制冷模块装置。
技术介绍
随着“高温”超导材料和高集成电路信息技术研究的深入，电子及光电子芯片如何均匀散热并消除热点，成了电子技术新产品研究的重点方向之一。也对制冷技术的微型化提出了迫切的需求，为微型制冷技术的发展提供了很好的机遇。微型热声制冷技术正是应以上要求发展起来的一种完全新型的制冷技术。微型热声制冷就是利用热声效应的制冷技术。热声效应就是热和声之间相互转化的现象。从声学角度看，它是由处于声场中的固体介质和振荡流体之间相互作用，使得距固体边界一定范围内沿着(或逆着)声传播方向产生的热流，并在这个区域内产生或吸收声功的现象。按能量转换的方向不同，热声效应可以分为两类一类是由热产生声，即热驱动的声振荡，另外一类是由声产生热，即声驱动的热传递。只要具备一定的条件，热声效应可以在驻波声场、行波声场或两者混合的声场中产生和发生作用。热驱动的声制冷就是利用热来产生声，再利用声来传递热的制冷现象；而声驱动的热声制冷机即是直接利用声源产生的声场在热交换器及其回热器、谐振管等的优化配置下来制冷的现象。微型热声制冷的声波由压力振荡、温度振荡和位移振荡产生，尽管振荡很小，但在二十多年的研究中已显示出，可以利用该“热声”效应来产生有效的、实用的、效率合理的热机，包括热泵和制冷机。而传统的热声热机在进行大规模工程应用的过程中的主要技术障碍是(一)功率体积比太低，使其尺寸太大；(二)热声转换效率较低，使装置的相对效率(即COP/COPCarnot)仅5％。解决以上瓶颈问题的关键措施是提高声场频率(几百至几千赫兹)。因为对于现有的热声系统来说，一般采用半波长或者四分之一波长的系统，对于半波长的热声系统，其系统固有工作谐振频率为f=12c0L]]>而对于四分之一波长的声学系统，其系统固有工作谐振频率为f=14c0L]]> 对于以上两种情况的热声声学系统的长度L均与系统工作的介质声速c0和工作谐振频率f相关，当声学工作介质一定时，其介质声速就不变，因此系统的工作尺寸就主要与系统工作频率相关，当工作频率越高时，其相应的尺寸就越小，那么其对应的体积比功率就会越大。这一点可以从以下的描述中进行解释说明在热声热机和制冷机中，根据声学的基本知识，表示能量最常用的量——声强的表达式为1I=ω2π∫02πReRedt=12Re---(1)]]>该式中有关符号的物理意义可以参考文献。上式(1)表示声波在单位面积上的时间平均声强。对其作截面积分得声功流W2(x)=12Re=12Re=12|p1||U1|cosφ---(2)]]>其中，表示p1和U1之间的相位差，～表示该复数向量的共轭复数，U1表示声波的体积流速，对于截面均匀的平面声波，U1等于流速u1与截面积A的乘积。从式(1)中可以看出，声强的大小主要处决于角频率项ω，声功率的大小直接取决于角频率项ω和压力和流速之间的相角，当它们之间的相角一定的时候，那么热声系统的声功率还是直接处决于角频率ω，也即是直接处决于系统的固有工作频率f，因此当系统工作频率f越大时，其对应的声功率也就越大。所以说提高系统的固有工作频率是降低系统工作尺寸和提高体积比功率的有效手段。另外一方面，从附图1和有关的热力学系统效率的理论，我们知道，对于热声热机和热声制冷机来说，假设热端和冷端温度分别保持在恒定值T1和T2，由热力学第一定律，其理想效率称为卡诺效率η=1-T2T1---(3)]]>它规定了实际热机所能达到的最高效率，从上式可以看出，T1越高，其效率越低，在实际的热声热机和热声制冷机的设计中，有时为了减小系统的体积，采取提高温差的手段来提高输出功率，从能量利用的角度来说，这样必然导致效率的降低。在对体积要求不是很高的情况下，应尽量能过增大横截面的面积来提高声功。对于实际的热声热机和热声制冷机来说，其效率远远小于理想效率，目前效率最高的热机是Swift制造的行波热机，其最高效率为卡诺效率的42％，已经达到普通内燃机的水平。假设回热器的声功产率为W0，则回热器的实际热声转化的效率为W0/Q1，考虑回热器不可逆的耗散损失，则回热器的声发射效率为(W0-Wf1)/Q1。如果以热声系统为对象，换热器和连接管等热声部件仍然要消耗部分声功，系统总的输出功率为W/Q1，其中W为W0-Wf1-Wf2。对于热声制冷机来说，其制冷效率称为性能系数，表示为 COP=QcW≤TcT0-Tc---(4)]]>式(4)中后面部分表示同温下的卡诺循环性能系数COPc。它规定了声制冷的性能系数所能达到的最大值。上面的论述说明了实际热声热机已经达到的最高效率和可能达到的最高效率，同时也说明了依靠提高温差来提高系统工作效率的方法是不可行的，因此这也说明了采用提高系统工作频率的方法来提高微型热声制冷机体积比功率的方法是实际可行的。进一步来说，电子技术的发展使电路及其芯片散热问题显得格外突出，这个问题包括两个方面其一是电子器件和芯片的散热(高于环境温度)，因为随着电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，同时产生的废热也就大量增加，这就需要良好的散热，才能保证其正常的工作；另外一方面，大量的电子及光电子器件等都需要工作在较低的(低于环境温度)且稳定的温度环境才能发挥其正常的功能，这样的器件就需要微型制冷设备才能保证其正常工作。通常意义上的散热和制冷设备虽然有各自的使用范围，但也有其共同的一方面，即都需要散热器及其辅助器件，且因其使用范围不同都需要把散热或制冷(热移)元件微型化并与芯片结合为一体，才能保证芯片的散热或维持远低于环境温度的使用温度环境，以保证芯片特殊功能(如超导、红外)。芯片与热沉片集成化(比如单点冷却’spot cooler’的出现)将使芯片工作性能进一步提高，这是集成电路元件进一步发展的方向之一。另外散热设计的好坏，直接影响电气产品的可靠性、寿命等，而且因热能产生的热应力、物理性质的改变、半导体特性的破坏，在日益注重可靠性的现代来说，无疑是一大致命伤。因此，如何在一开始设计时，便根据对散热方法的了解，考虑产品的散热问题，并作适当的安排，最后再搭配理论的分析及实验的结果，验证并求得一最佳设计，是未来电子产品设计的必经之路。而微冷却器可实际应用在有重量限制与小体积里有极高热通量的领域上，如航天工业、光电零件冷却、化工流程传热等。目前其主要目的是为了要降低电子设备因过热而发生故障损毁的几率，并同时提高电子设备的性能及可靠性。一般最常见到的冷却器不外乎是散热片与风扇的组合，但随着工业技术不断地进步，各种电子产品无不朝着体积小、重量轻、耗电低的方向发展。现有以强制空气冷却为主的微处理器散热技术最多约只能处理60％微处理器所产生的废热，故该散热技术已达瓶颈，需依赖新一代体小质轻且效率极高的电子冷却技术来解决。因此，对新一代的电子设备而言，传统的冷却器的设计极限与制作技术已无法满足实际地要求，于是在这种需求下便孕育出利用微机电系统技术来开发微冷却器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微型热声制冷模块装置，它可以直接与被冷却或散热的电子和光电子芯片接合在一起，包括：前端驱动膜组件，后端膜（平面线圈），冷端永磁材料膜，骨架，冷端换热器，回热器，热端换热器扩展面，热端换热器，冷端换热器扩展面等零部件组成，当然也有辅助绝热膜等附件，这些零部件均被封闭在由骨架构成的谐振腔中，其特征在于：它由膜组件驱动，在谐振腔中产生所需要的声波，然后再根据热声制冷的原理，在其中的回热器组件两端产生所需要的温差，从而实现对电子器件、电子芯片、光电子器件及其芯片的冷却。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘益才，郭方中，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]