专利名称：一种多功能电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子芯片冷却沸腾强化换热技术领域，特别涉及一种多功能电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置。
背景技术：
随着电子元器件的高度集成化和高频化，传统的风冷等冷却技术已不能满足芯片高散热率的要求，利用沸腾相变换热对芯片进行直接液体冷却是一种有效的冷却方式， 通常的做法是将芯片直接浸在不导电液体中进行沸腾换热，但存在沸腾起始温度偏高等问题，不利于电子器件的启动，因此需要采用强化措施来有效的降低沸腾起始壁面过热度，提高临界热流密度，保证芯片在高热流密度下的临界壁面温度低于85°C，保障电子设备安全可靠运行。对于池沸腾换热而言，芯片浸没在静止的工质中进行换热，临界热流密度值偏低， 增大过冷度可以提高临界热流密度，然而这意味着需要提供较大的过冷度，制冷单元成本增加。而除了过冷度之外，工质流速对换热也有积极的影响。将芯片置于流动通道中，依靠流体对芯片表面的冲刷作用可以实现强化换热的目的，但需要提供额外的动力系统和控制系统，另外，通过高速摄像拍摄的照片发现，临界状态时，流体沿流动方向上对汽膜的破坏作用小，芯片表面被一层汽膜所覆盖，阻碍了冷流体的补充，而射流冲击冷却具有较高的冲击力度，期望可以冲击换热表面，击碎或破坏汽膜，将换热表面的热量迅速带走，从而保证冷流体的补充，维持芯片在高热流密度下的正常换热，进一步提高临界热流密度值，但射流冲击冷却范围小，更适用于局部冷却，而且目前还不能实现对单个芯片进行冷却。大多数文献中，都是针对池沸腾、流动沸腾、射流冲击沸腾中的一种进行实验研究，实验系统体积大， 部分供电和控制操作设备和操作过程重复，实验周期长，使得其强化换热优势受到限制。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多功能电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置，综合了三种换热方式的特点，具有操作灵活，控制简单，占地面积小的优点。为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为一种多功能电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置，包括旋涡泵1，旋涡泵1的出口与加热器2入口相连，加热器2出口与总流量计3入口相连，总流量计3出口分成两路，一路经横流支路后进入纯流动段7，另一路经喷射支路后进入纯流动段7，纯流动段出口 14与池沸腾段入口 37相连，池沸腾段出口 38分成两路，一路与第五控制阀21连接，另一路与冷凝器22入口相连，冷凝器22出口与旋涡泵1入口相连，完成一个循环。横流支路包括第一控制阀4和支路流量计5，总流量计3出口一路经第一控制阀4 与支路流量计5入口相连，支路流量计5出口与纯流动段7第一进口 6连通。喷射支路包括第二控制阀9和喷射段10，总流量计3出口另一路经第二控制阀9与喷射段10入口相连，喷射段10出口与纯流动段7第二入口 11相连，喷射段10分为导流管30、稳流室31和喷嘴32三部分，稳流室31为圆柱形内腔，顶部与导流管30连通，侧面与喷嘴32连通，喷嘴32与纯流动段7第二入口 11连通，喷嘴方向与导流管方向垂直，喷射方向与换热面垂直。纯流动段7包括基体23、底座25和密封板M三部分，基体23的侧面设有第一入口 6、第二入口 11和纯流动段出口 14，基体23的顶部设有拍摄孔四，第一芯片观固定在玻璃板沈上，玻璃板沈镶嵌在纯流动段7内，底座25和基体23之间通过0型密封圈27密封，基体23顶部由密封板M密封，三者构成矩形密封通道。池沸腾段18包括容器39、盖板33和密封垫34三部分，容器39的侧面设有容器入口 37，和容器入口 37相对的侧面设有容器出口 38，容器39的侧面还设有橡胶袋17，容器 39的底面设有凸台36，第二芯片35固定于凸台36上，容器39和盖板33之间通过密封垫 34连接形成密封容器，盖板33上开有引出孔40。所述的容器入口 37和容器出口 38均采用开孔结构，容器出口 38高度比容器入口 37高度低，且容器入口 37和容器出口 38横截面积小于容器39横截面积。本发明具有以下优点1、本发明综合了池沸腾，纯流动沸腾和射流冲击沸腾换热的优势，去掉部分重复设备和操作过程，操作灵活，控制简单，布置紧凑，占地面积小。2、本发明中流动段和喷射段的加入，使得流体不断的对换热面进行冲刷，及时带走热量，保证冷流体的供应，降低了池沸腾段因增加过冷度而带来的制冷单元成本的增加， 具有一定的经济效益。3、和池沸腾换热相比，本发明中通过提高流速，可以有效的减小芯片表面沸腾时的壁面过热度，提高临界热流密度，强化换热。4、和池沸腾，纯流动沸腾相比，本发明中喷射的加入，可以破坏高热流密度时覆盖在换热面上的汽膜，保证换热面与冷流体的接触，延缓临界状态，维持芯片在高热流密度下的换热，进一步提高临界热流密度，强化换热。5、本发明中，以微小速度的流体流动来替代池沸腾中通过制冷单元来带走热量的功能，容器入口和出口均采取开孔措施，采用较大的容器出入口管径截面积与容器流动截面积比值，通过调节入口和出口处的阀门，使得池沸腾容器中流体流速尽量的小，以满足池沸腾换热的条件。
图1为本发明的结构示意图。图2为本发明喷射段的结构示意图。图3-1为本发明纯流动段的主视剖面图。图3-2为本发明纯流动段的俯视剖面图。图4-1为本发明池沸腾段的主视剖面图。图4-2为本发明池沸腾段的左视剖面图。图5为本发明池沸腾段的入口和出口结构示意图。具体实施方法
下面结合附图对本发明作进一步的描述。参照图1、图4-1和图4-2，一种多功能电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置，包括旋涡泵1，旋涡泵1的出口与加热器2入口相连，加热器2出口与总流量计3入口相连，总流量计3出口分成两路，一路经横流支路后进入纯流动段7，另一路经喷射支路后进入纯流动段7，纯流动段出口 14经第三控制阀15与池沸腾段入口 37相连，池沸腾段出口 38经第四控制阀20后分为两路，一路与第五控制阀21连接，起到排放工质作用，另一路与冷凝器22 入口相连，冷凝器22出口与旋涡泵1入口相连，完成一个循环，在纯流动段7的第一进口 6 和纯流动段出口 14间串有差压传感器12和第一压力传感器13，测量纯流动段7的出口压力和压力差；参照图1，横流支路包括第一控制阀4和支路流量计5，总流量计3出口一路经第一控制阀4与支路流量计5入口相连，支路流量计5出口与纯流动段7第一进口 6连通；参照图1，喷射支路包括第二控制阀9和喷射段10，总流量计3出口另一路经第二控制阀9与喷射段10入口相连，喷射段10出口与纯流动段7第二入口 11相连，参照图2， 喷射段10分为导流管30、稳流室31和喷嘴32三部分，稳流室31为圆柱形内腔，顶部与导流管30连通，侧面与喷嘴32连通，喷嘴32与纯流动段7第二入口 11连通，喷嘴方向与导流管方向垂直，喷射方向与换热面垂直；通过导流管30将工质导入至稳流室31，待液体充满稳流室后通过稳流室上部的喷嘴32喷出，稳流室一方面可以储存液体，另一方面使得液体在进入喷嘴之前稳定和分布均勻，喷嘴32出口前的充分发展以确保流体在进入喷出之前已充分发展。参照图3-1和图3-2，纯流动段7包括基体23、底座25和密封板M三部分，基体 23的侧面设有第一入口 6、第二入口 11和纯流动段出口 14，基体23的顶部设有拍摄孔四， 通过拍摄孔可实现芯片表面换热的可视化，第一芯片观固定在玻璃板沈上，玻璃板沈镶嵌在纯流动段7内，底座25和基体23之间通过0型密封圈27密封，基体23顶部由密封板 M密封，三者构成矩形密封通道；通道尺寸依据系统流量而定，第一芯片观固定在的玻璃板26上，方便有机玻璃板的安装和拆卸，在芯片正上方开有拍摄孔四，并用密封板M粘结密封上表面，形成密封的矩形通道，这种设计将拍摄位置从通道侧面改成通道顶部，可以有效的避免了密封圈和紧固螺栓以及喷嘴对拍摄的阻挡影响，从而达到理想的拍摄效果。参照图4-1和图4-2，池沸腾段18包括容器39、盖板33和密封垫34三部分，容器 39的侧面设有容器入口 37，和容器入口 37相对的侧面设有容器出口 38，容器39的侧面还设有橡胶袋17，容器39的底面设有凸台36，第二芯片35固定于凸台36上，容器39和盖板 33之间通过密封垫34连接形成密封容器，容积大小根据系统在最大流速工况下能稳定运作时的流量确定，盖板33上开有引出孔40，池沸腾段18具有储存液体和稳压的作用，通过橡胶袋17和调节第三控制阀15和第四控制阀20可以把池沸腾段18和纯流动段7的工作压力维持在Iatm左右，并通过第二压力传感器16进行压力的测量和显示。参照图5，所述的容器入口 37和容器出口 38均采用开孔结构，开孔率为30% 40%，入口 37采用突扩结构，出口 38采用突缩结构，容器出口 38高度比容器入口 37高度低，且容器入口 37和容器出口 38横截面积小于容器39横截面积。流体流经池沸腾容器和出入口管道的横截面积比值大于50，并且保证出口管路中心线低于入口管路中心线(1 3) D的距离，这样做的目的，一是可以让流体在容器内的流速降低至接近池沸腾工况，二是开孔结构减小了流体进入容器和离开容器时对池内流体状态尤其是芯片附近流体的扰动作用，同时吸热后的流体可以较快的被带离容器，确保池沸腾内的过冷度要求。第一芯片28和第一电源8连接，第二芯片35与第二电源19连接。本发明的工作原理为系统中总流量的控制是通过调节旋涡泵1的转速从而实现不同的流量，由总流量计3测量和显示，横流支路流量由支路流量计5测量和显示，喷射支路的流量由系统总流量减去横流支路流量可得到，系统中工质温度的控制是通过加热器2和冷凝器22共同作用实现的，采用套管换热器，水在外管内流动，工质在内管内流动。系统中压力的控制是通过池沸腾段18、第三控制阀15、第四控制阀20和橡胶袋17实现的，压力的测量是通过第一压力传感器13，第二压力传感器16和差压传感器12实现的，第一差压传感器12和压力传感器 13串联后并联到纯流动段7来测量纯流动段的出口压力和压力差。实验时，首先将装有测试芯片的玻璃板分别固定于纯流动段7和池沸腾段18，确保各部件的连接性后，全开回路阀门，向池沸腾容器中注入适量的工质，确保容器内充满工质。上述准备工作完毕后，打开电源，逐渐增大泵的转速，检查整个系统以确保系统的密封性后，调整泵转速，使得系统总流量达到实验所需流量值，然后调节池沸腾容器前后的控制阀15、20和橡胶袋17，使得池沸腾段18内工质维持几乎静止状态，同时使得纯流动段7和池沸腾段18操作压力维持在Iatm左右，然后通过加热器2和冷凝器22共同作用把工质调节到所需温度，最后再次微调控制阀，使得系统达到所需流量、压力和温度工况。等到系统稳定运行时，分别开启第一电源8和第二电源19，从小到大逐渐增加输出电流值，当系统总流量和横流支路流量不发生变化，信号采集显示芯片表面温度和制冷剂温度变化范围较小时，便认为达到稳定的实验工况，然后记录相应的输出电流，电压，流体和芯片表面的瞬时温度并保存。改变输出电流值，反复进行上述操作。电流值每增加一次，所测芯片温度逐渐增加直至稳定，在较高的热流密度值时，通过肉眼可以观测到芯片表面会产生大量的汽泡， 此时应减小输出电流值的增幅。如果当所测温度与前所测温度相比，温差大于20°C时，或者恒流源输出功率突然降低，便认为芯片到达临界状态，此时立即切断电源，最后一次所记录保存的数据可认为是临界状态数据。为了尽量消除芯片表面初始条件对换热的影响，前面一次实验结束后，将变频器频率调为零，关掉恒温制冷机，全开系统各个阀门，等系统各个参数稳定后，尤其是芯片表面温度与制冷剂温度相当时，再进行下一工况的实验，以减小前一个实验对后一个实验的影响，减小误差，建议两次相邻实验间隔至少半个小时。最终实验结束后，等到工质温度恢复到室温时，打开第五控制阀21将工质回收并保存。
权利要求
1.一种多功能电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置，包括旋涡泵(1)，旋涡泵(1)的出口与加热器⑵入口相连，加热器⑵出口与总流量计⑶入口相连，其特征在于总流量计(3)出口分成两路，一路经横流支路后进入纯流动段(7)，另一路经喷射支路后进入纯流动段(7)，纯流动段出口(14)与池沸腾段入口(37)相连，池沸腾段出口(38)分成两路，一路与第五控制阀连接，另一路与冷凝器0 入口相连，冷凝器0 出口与旋涡泵(1) 入口相连，完成一个循环。
2.根据权利要求1所述的一种多功能电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置，其特征在于所述的横流支路包括第一控制阀(4)和支路流量计(5)，总流量计(3)出口一路经第一控制阀(4)与支路流量计( 入口相连，支路流量计( 出口与纯流动段(7)第一进口(6) 连通。
3.根据权利要求1所述的一种多功能电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置，其特征在于所述的喷射支路包括第二控制阀(9)和喷射段(10)，总流量计(3)出口另一路经第二控制阀(9)与喷射段(10)入口相连，喷射段(10)出口与纯流动段(7)第二入口(11)相连，喷射段(10)分为导流管(30)、稳流室(31)和喷嘴(3 三部分，稳流室(31)为圆柱形内腔，顶部与导流管(30)连通，侧面与喷嘴(32)连通，喷嘴(32)与纯流动段(7)第二入口 (11)连通，喷嘴方向与导流管方向垂直，喷射方向与换热面垂直。
4.根据权利要求1所述的一种多功能电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置，其特征在于所述的纯流动段⑵包括基体(23)、底座05)和密封板04)三部分，基体03)的侧面设有第一入口(6)、第二入口(11)和纯流动段出口(14)，基体的顶部设有拍摄孔 ( )，第一芯片08)固定在玻璃板06)上，玻璃板06)镶嵌在纯流动段(7)内，底座05) 和基体之间通过0型密封圈、2Τ)密封，基体顶部由密封板04)密封，三者构成矩形密封通道。
5.根据权利要求1所述的一种多功能电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置，其特征在于所述的池沸腾段(18)包括容器(39)、盖板(3 和密封垫(34)三部分，容器(39)的侧面设有容器入口(37)，和容器入口(37)相对的侧面设有容器出口(38)，容器(39)的侧面还设有橡胶袋(17)，容器(39)的底面设有凸台(36)，第二芯片(35)固定于凸台(36)上， 容器(39)和盖板(3 之间通过密封垫(34)连接形成密封容器，盖板(3 上开有引出孔 00)。
6.根据权利要求1所述的一种多功能电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置，其特征在于所述的容器入口(37)和容器出口(38)均采用开孔结构，容器出口(38)高度比容器入口(37)高度低，且容器入口(37)和容器出口(38)横截面积小于容器(39)横截面积。
全文摘要
一种多功能电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置，包括旋涡泵，旋涡泵的出口与加热器入口相连，加热器出口与总流量计入口相连，总流量计出口分成两路，一路经横流支路后进入纯流动段，另一路经喷射支路后进入纯流动段，纯流动段出口与池沸腾段入口相连，池沸腾段出口分成两路，一路与第五控制阀连接，另一路与冷凝器入口相连，冷凝器出口与旋涡泵入口相连，完成一个循环，综合了池沸腾、纯流动沸腾和射流冲击沸腾换热的优势，去掉部分重复设备和操作过程，具有操作灵活，控制简单，占地面积小的优点。
文档编号G01R31/30GK102279205SQ201110182539
公开日2011年12月14日 申请日期2011年6月30日 优先权日2011年6月30日
发明者张永海, 郭栋, 魏进家 申请人:西安交通大学