一种基于电流体动力学驱动相变材料的瞬态热缓冲装置

本发明涉及一种驱动相变材料的瞬态热缓冲装置，具体涉及一种基于电流体动力学驱动相变材料的瞬态热缓冲装置，本发明属于电子器件热管理及冷却。

背景技术：

1、现有技术中随着功率电子器件、激光器、芯片封装模块、航空航天电子设备以及高集成度电源模块的发展，器件在启动、脉冲工作、负载突变、峰值功率输出或局部热点形成过程中，容易在短时间内产生较大的瞬态热流输入，导致热量在局部区域快速堆积，引起器件温度急剧上升。若该类瞬态热冲击不能被及时缓冲或转移，可能造成芯片结温超限、封装热应力增大、器件性能波动甚至可靠性下降。

2、传统风冷、水冷或热管散热方式虽然能够在一定工况下实现热量转移，但其对突发热流和短时高热负荷的响应能力仍受到流体惯性、传热路径、系统体积以及换热结构布置方式的限制。尤其在空间受限、低噪声、密封封装或不便采用机械泵的应用场景中，传统循环冷却系统往往存在体积较大、结构复杂、响应速度有限、噪声振动和维护成本较高等问题。

3、相变材料（phase change material，pcm）由于在相变过程中能够吸收或释放大量潜热，已被广泛用于电子器件热缓冲和瞬态热管理。相较于单纯依赖显热的材料，pcm 可在较小温度波动范围内吸收大量热量，从而有效抑制热源峰值温升。然而，现有pcm散热结构多采用固定填充、封装贴附或被动熔融方式布置于热源附近。当靠近热源换热面的pcm熔化后，液态pcm容易在热端形成滞留熔融层，该熔融层通常热导率较低、流动性有限，并会阻碍未熔pcm与热源换热面继续接触，导致相变界面推进缓慢、液态层热阻逐渐增大、潜热利用率下降。

4、为改善上述问题，现有技术中常采用金属泡沫、石墨片、微槽、翅片或热管等被动强化方式提高pcm内部导热能力。但这类方案主要通过增强固体导热路径或增大换热面积来降低传热阻力，难以从根本上解决热源表面液态pcm熔融层滞留和相变界面不能主动更新的问题。传统机械泵驱动方式通常需要叶轮、活塞、膜片等运动部件及相应的密封连接结构，难以在小型化、薄型化和高集成度封装中实现稳定可靠的流体循环；同时，其还存在噪声振动、机械磨损、密封失效风险和结构复杂等问题，不利于用于瞬态热缓冲场景下的紧凑型相变材料散热装置。

5、电流体动力学（electrohydrodynamics，ehd）泵送技术能够在介电液体或弱导电液体中通过电场作用产生定向流动，其基本原理是电极附近的电荷注入、传导或极化作用使液体受到电场力，从而带动液体宏观流动。ehd泵送系统通常无需叶轮、活塞或膜片等机械运动部件，具有结构紧凑、噪声低、可集成化、可通过电压调节输出流动强度等特点，适合用于微小尺度流体输运和热管理。

6、现有 ehd 泵送技术多集中于介电液体的单相输运、液滴操控、微流控驱动或常规换热强化，尚未针对相变材料在热端形成熔融滞留层后如何进行连续剥离、补给和冷端再生提出完整的闭式循环界面更新方案。

7、因此，本发明提出一种能够利用 ehd 泵送效果主动更新热源换热面处相变界面的闭式循环散热系统，使熔融pcm能够及时离开热端区域，并使低温、未熔或半固态pcm持续补充至热端换热面，从而降低液态相变层热阻、提高潜热利用率，并实现无机械运动部件的小型化主动散热。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有电子器件散热采用相变材料的热缓冲方式降温，相变材料熔化后在热端形成滞留熔融层，阻碍未熔相变材料与热源换热面继续接触，潜热利用率下降的问题，进而提供一种基于电流体动力学驱动相变材料的瞬态热缓冲装置。

2、本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：

3、一种基于电流体动力学驱动相变材料的瞬态热缓冲装置，它包括带有微泵道的ehd泵送模块、电极组件、相变材料模块组件和带有密封层的盖体；

4、电极组件安装在带有微泵道的ehd泵送模块上，相变材料模块组件设置在带有微泵道的ehd泵送模块上，带有密封层的盖体密封盖装在相变材料模块组件和带有微泵道的ehd泵送模块上，相变材料模块组件内设有相变材料，带有密封层的盖体和带有微泵道的ehd泵送模块腔内设有介质材料，电极组件驱动介质材料在带有密封层的盖体和带有微泵道的ehd泵送模块腔内循环流动。

5、进一步地，带有微泵道的ehd泵送模块靠近外部热源设置，带有密封层的盖体靠近冷源设置。

6、进一步地，带有微泵道的ehd泵送模块包括模块基底和介电液体，模块基底上并排加工有多个槽道，每个槽道的两端分别加工有流道入口和流道出口，每个槽道的两侧分别加工有电极嵌装槽。

7、进一步地，电极组件包括多个第一极性电极和多个第二极性电极；

8、每个槽道一侧的电极嵌装槽内设有第一极性电极，每个槽道另一侧的电极嵌装槽内设有第二极性电极，通过第一极性电极和第二极性电极驱动介电液体在槽道内定向流动。

9、进一步地，相变材料模块组件包括相变材料容纳模块和相变材料；

10、相变材料容纳模块上加工有相变材料容纳槽，相变材料容纳槽槽底上加工有多个流通孔，相变材料容纳模块的两端分别加工有流通孔道，相变材料设置在相变材料容纳槽内。

11、进一步地，带有密封层的盖体包括密封层和盖体；

12、盖体上加工有凹槽，凹槽的两端分别加工有流动槽，盖体通过密封层与带有微泵道的ehd泵送模块和相变材料模块组件密封设置，形成密闭空间。

13、进一步地，它还包括筛网，

14、筛网设置在相变材料模块组件上，用于限制固态相变材料进入带有微泵道的ehd泵送模块，筛网允许熔融后的液态相变材料经筛网和流通孔进入带有微泵道的ehd泵送模块。

15、进一步地，模块基底上流道入口和流道出口分别与上方相变材料模块组件两端的流通孔道对应设置，相变材料模块组件的流通孔道与盖体上的流动槽对应设置，通过流道入口、槽道、流道出口、流通孔道、流动槽和凹槽形成循环流道。

16、进一步地，第一极性电极为正电极，第二极性电极为负电极，

17、正电极和负电极接电后驱动介电液体在流道入口、槽道、流道出口、流通孔道、流动槽和凹槽形成循环流道内定向流动，并通过介电液体带动和液态相变材料向凹槽流动。

18、进一步地，带有微泵道的ehd泵送模块、相变材料模块组件和带有密封层的盖体通过螺栓固定连接，并形成密封结构。

19、本发明与现有技术相比具有以下技术效果：

20、1、本发明采用一体式层叠结构，将底部带有微泵道的ehd泵送模块1、中部相变材料模块组件3以及顶部带有密封层的盖体5集成于同一装置内，结构紧凑，整体厚度可控制在毫米级，适用于芯片、功率器件、激光器件及高热流密度电子设备等空间受限场景下的热管理。

21、2、本发明在相变材料模块组件3与带有微泵道的ehd泵送模块1之间设置狭缝局部连通结构，使靠近热源一侧熔化形成的液态相变材料能够进入下方槽道12，而固态相变材料主体仍被限制在相变材料容纳层内，从而降低固态相变材料直接进入微泵道并造成堵塞的风险。

22、3、本发明利用ehd泵作用驱动介电液体在底部槽道12内定向流动，使通过筛网4进入槽道12内的液态相变材料随介电液体被夹带、拖曳并输运离开热端区域，从而减少液态相变材料在热源附近长期滞留，降低热端液态相变材料层所带来的附加热阻，提高相变材料的潜热利用效率。

23、4、本发明在装置内部预留一体式循环回路，使被介电液体带离热端区域的液态相变材料能够经侧向或端部回流通道重新返回中部相变材料模块组件3。该结构避免了外置长管路和独立冷端再生装置的复杂连接，有利于提高装置集成度和运行可靠性。

24、5、由于本发明装置整体为毫米级一体式层叠结构，槽道12、流道入口14和流道出口15与相变材料容纳模块31之间的距离较短，液态相变材料在回流通道中的停留时间较短，不会在回流通道中提前凝固，从而降低回流堵塞风险。

25、6、本发明在相变材料容纳层上方设置顶部冷源或冷却盖板，使回流至相变材料容纳模块31内的液态相变材料能够在顶部冷源作用下降温并重新凝固，从而补充相变材料容纳层中的固态相变材料，实现“热端熔融—微泵道抽排—短程回流—顶部再凝固—相变材料补给”的循环过程。

26、7、本发明使相变材料不再仅作为固定填充的被动储热介质，而是在装置内部实现熔化、抽排、回流和再凝固补给，提高了相变材料的重复利用率和热缓冲能力。

27、8、本发明采用ehd驱动作为介电液体循环动力，无需机械泵、叶轮、活塞或膜片等运动部件，可降低噪声、振动、机械磨损和密封失效风险，适合小型化、薄型化和封闭式电子散热装置。

28、9、本发明通过将ehd微泵道、电极组件、相变材料容纳层、回流通道和顶部冷源集成于一体，减少了外部管路、独立冷端模块和外置循环部件的使用，有利于降低系统复杂度，提高封装可靠性，并增强其在电子器件散热领域中的应用可行性。

29、10、本发明装置使熔融pcm能够及时离开热端区域，并使低温、未熔或半固态pcm持续补充至热端换热面，从而降低液态相变层热阻、提高潜热利用率，并实现无机械运动部件的小型化主动散热。

30、11、将具有介电特性的相变材料与 ehd 泵送介电液体的结构相结合，在瞬态高热负荷工况下，利用相变材料的潜热吸收能力对突发热量进行缓冲，并利用ehd泵送作用促进熔融相变材料在装置内部的输运、回流和再凝固补给。

31、12、本发明使相变材料在热源上方局部熔化并进入微槽，再利用ehd驱动的介电液体沿槽道方向主动带走熔融相变材料；熔融相变材料在冷端再生模块中冷却凝固并与介电液体分离，介电液体闭式循环返回热端，从而实现热端熔融层持续更新，降低热源表面液态相变层热阻，提高相变材料潜热利用率，并实现无机械运动部件的小型化散热。