CN108844992B - 一种抽吸式电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抽吸式电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置及方法，包括抽吸实验沸腾池，抽吸实验沸腾池通过下方开口的隔板分为抽吸腔和排液腔，抽吸实验沸腾池的底板上安装有载物凸台，载物凸台的上部伸入至抽吸腔中，且载物凸台的上部设置测试芯片，测试芯片的两端通过导线连接至直流电源，测试芯片的正上方设置有抽吸管束，抽吸管束通过连接在抽吸实验沸腾池上的输液管道连接至冷凝器，冷凝器的出口端通过直流泵连接至回液管道，所述回液管道连接在抽吸实验沸腾池上，且回液管道与排液腔连通。本发明通过抽吸作用产生低压，加快芯片表面气泡脱离和周围冷流体快速补充，具有操作灵活，控制简单，占地面积小，芯片替换方便等优点。

Description

一种抽吸式电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置及方法

技术领域

本发明涉及电子芯片冷却强化沸腾换热技术领域，具体涉及一种抽吸式电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置及方法。

背景技术

随着微电子技术的迅猛发展，芯片上的大规模集成电路的集成度和工作频率不断提高，电子器件的特征尺寸越来越小，因此芯片的冷却问题已越来越突出。传统的风冷等冷却技术很难将大量的热量及时带走，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℃，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。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。射流冲击冷却具有较高的冲击力度，流体可以冲击换热表面，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。目前，大多数文献中，都是针对池沸腾、流动沸腾、射流冲击沸腾的实验研究，然而上述沸腾方式在带走气泡的同时都或多或少抑制了气泡的产生，因而降低了沸腾换热临界热流密度。同时对芯片表面气泡快速脱离、冷流体迅速补充和合适的表面冷却范围等强化特点不能很好地结合在一起。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抽吸式电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置及方法，以克服现有技术存在的问题，本发明通过抽吸作用在芯片加热壁面产生低压区，从而降低该区域的液体沸点，有效降低核态沸腾的起始壁面过热度。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种抽吸式电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置，包括用于容纳实验工质的抽吸实验沸腾池，所述抽吸实验沸腾池通过下方开口的隔板分为抽吸腔和排液腔，且抽吸腔和排液腔通过隔板下方的开口连通，抽吸实验沸腾池的底板上嵌入式安装有载物凸台，载物凸台的上部伸入至抽吸腔中，且载物凸台的上部设置测试芯片，测试芯片的两端通过导线连接至设置在抽吸实验沸腾池外侧的直流电源，测试芯片的正上方设置有抽吸管束，且抽吸管束的内壁采用亲气疏水表面，抽吸管束通过连接在抽吸实验沸腾池上的输液管道连接至冷凝器，冷凝器的出口端通过直流泵连接至回液管道，所述回液管道连接在抽吸实验沸腾池上，且回液管道与排液腔连通。

进一步地，测试芯片上连接有用于测试其温度的第一热电偶，抽吸实验沸腾池上连接有用于测试实验工质温度的第二热电偶。

进一步地，抽吸实验沸腾池上连接有用于控制池内温度的加热棒。

进一步地，抽吸实验沸腾池上通过通气管道连接有用于保持池内压力稳定的补压装置。

进一步地，隔板上垂直连接有用于防止回液时扰动过大的受液盘。

进一步地，载物凸台的顶部设有凹槽，测试芯片通过隔热硅胶粘贴在凹槽中。

进一步地，冷凝器的出口端与直流泵的入口端之间设置有流量计。

进一步地，抽吸实验沸腾池的下部设有放液口，且放液口与排液腔连通，放液口上连接有放液管道，放液管道上设置有放液阀门。

一种抽吸式电子芯片冷却沸腾强化换热实验方法，通过直流泵的作用，抽吸管束在抽吸腔中进行抽吸，抽走测试芯片表面产生的气泡以及周边的实验工质，经输液管道流至冷凝器，然后经过直流泵后，沿回液管道流回排液腔，形成闭合循环。

进一步地，抽吸实验沸腾池的下部设有放液口，且放液口与排液腔连通，放液口上连接有放液管道，放液管道上设置有放液阀门，当实验完成时，控制放液阀门使实验工质从放液口流出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明在使用过程中，可达到以下效果：第一：抽吸管束内壁经过疏水处理，达到亲气疏水的效果，通过抽吸作用产生低压，加快测试芯片表面气泡脱离和周围冷流体快速补充，可以有效地减小测试芯片表面沸腾时的壁面过热度，大幅提高临界热流密度，强化沸腾换热；第二：可以加速流体从周围向壁面中心流动从而增强补液能力，并且可以选择不同管径的抽吸管束及抽吸管束到换热表面的距离达到进一步强化沸腾换热的目的；第三：本发明通过抽吸作用在测试芯片加热壁面产生低压区，从而降低该区域的液体沸点，有效降低核态沸腾起始点的壁面过热度；第四：本发明利用可调节流速的直流泵进行抽吸作用，可以通过调节不同流速达到不同的换热效果；第五：本发明可以进行池沸腾和抽吸沸腾换热的对比实验，抽吸实验沸腾池体积小，操作灵活，控制方便，管路布置紧凑简洁。

进一步地，通过设置第一热电偶和第二热电偶分别监控测试芯片和实验工质的实时温度，并通过设置加热棒控制池内工质温度保持稳定。

进一步地，通过设置补压装置保持实验过程中池内压力不变。

进一步地，通过设置受液盘防止排液时混流影响。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2-1为本发明抽吸沸腾池的主视图；

图2-2为本发明抽吸沸腾池的俯视图；

图2-3为本发明抽吸沸腾池的A-A截面剖面图；

图3-1为本发明载物凸台主视图；

图3-2为本发明载物凸台俯视图；

图4为本发明芯片与抽吸管口处3D视图。

其中，1、输液管道；2、冷凝器；3、流量计；4、直流泵；5、回液管道；6、补压装置；7、加热棒；8、抽吸管束；9、测试芯片；10、隔板；11、受液盘；12、抽吸实验沸腾池；13、直流电源；14、第一热电偶；15、第二热电偶；16、放液阀门；17、抽吸腔；18、排液腔；19、载物凸台；20、上封盖；21、沸腾池基体；22、第二紧固螺栓；23、凸台安装孔；24、放液口；25、第一紧固螺栓；26、第一密封圈；27、加热棒安装孔；28、补压装置安装孔；29、抽吸管束安装孔；30、灌液口；31、排液管道安装孔；32、紧固螺钉；33、第二热电偶安装孔；34、凹槽；35、第二密封圈；36、导线穿线孔；37、第一热电偶穿线孔；38、底座；39、紧固螺钉孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参照图1和图3-1，一种抽吸式电子芯片冷却强化沸腾换热实验装置，包括直流泵4、调节直流泵转速的电位计、流量计3、冷凝器2以及抽吸实验沸腾池12；所述抽吸实验沸腾池12的底部嵌入式安装有载物凸台23，测试芯片9固定在载物凸台23上方的凹槽34处，测试芯片9通过隔热硅胶粘贴凹槽34中；抽吸实验沸腾池12分为两个腔体，两个腔体由一个底部开口10mm的隔板10隔开，一个是抽吸腔17，测试芯片9正上方设置抽吸管束8将周围气泡和工质混合物抽出，另一个是排液腔18，为防止混流影响在隔板10上设置受液盘11；工质在直流泵4的作用下，自亲疏水处理过的抽吸管束1经过输液管道1依次流经冷凝器2、流量计3、直流泵4到回液管道5排液，形成一个循环。

参照图2-1和2-3，抽吸实验沸腾池由上封盖20和沸腾池基体21组成，两者用第一紧固螺栓25和第一密封圈26进行固定和密封；沸腾池基体21的底板给嵌入式的载物凸台19预留凸台安装孔23，载物凸台19和底板用紧固螺钉32和第二密封圈35进行固定和密封；沸腾池基体21侧面设有放液口24；底板外沿通过第二紧固螺栓22固定。

本实验装置设有补压装置6保持实验过程中池内压力不变，补压装置通过进气管道与抽吸实验沸腾池12连通，所述补压装置6采用3L的橡胶气囊，设有加热棒7控制池内工质温度保持稳定。抽吸腔17内连接第二热电偶15测试池内工质实时温度。

参照图2-2，抽吸实验沸腾池12的上封盖设有抽吸管束安装孔29，加热棒安装孔27，第二热电偶安装孔33，补压装置安装孔28，用于输入实验工质的灌液口30，灌液口30上设有配套螺纹塞，排液管道安装孔31。

参照图3-1和3-2，载物凸台19包括底座38，测试芯片9两侧焊接铜导线与直流电源13相连，实验时进行加电压对测试芯片加热，测试芯片9中部连接第一热电偶14实时测量芯片温度，载物凸台19中预留有用于穿过铜导线的导线穿线孔36以及用于穿过第一热电偶导线的第一热电偶穿线孔37，载物凸台19的外沿还设有用于穿过紧固螺钉32的紧固螺钉孔39。

参照图4，为本发明测试芯片与抽吸管束的3D示意图，该图示意抽吸管束中管子数量、排列方式、管口与芯片距离，此参数均可在实验中进行调节。

下面结合实施例对本发明做详细描述：

一种抽吸式电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置，包括抽吸实验沸腾池12，冷凝器2，流量计3，直流泵4和连接管路。抽吸实验沸腾池12由两个腔体构成，一个抽吸腔17，另一个排液腔18，两个腔体由一块下方开口10mm的隔板10隔开，防止排液时扰动过大在隔板10上设置受液盘11；测试芯片9安装在嵌入式的载物凸台19上，测试芯片9两侧焊接铜导线与直流电源13相连，实验时利用直流电源13对测试芯片9加热，测试芯片9中部连接第一热电偶14实时测量芯片温度，抽吸腔17内连接第二热电偶15测试池内工质实时温度；本实验装置设有补压装置6保持实验过程中池内压力不变，加热棒7控制池内工质温度保持稳定。

本抽吸式电子芯片冷却强化沸腾换热实验装置的工作流程是：通过直流泵4的作用，抽吸管束8在抽吸腔17中进行抽吸作用，抽走测试芯片9表面产生的气泡和周边工质，经输液管道1流至冷凝器2，然后经过直流泵4后，沿回液管道5流回排液腔18，形成闭合循环，当实验完成时，控制放液阀门16使实验工质从放液口24流出。

Claims (10)

1.一种抽吸式电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置，其特征在于，包括用于容纳实验工质的抽吸实验沸腾池(12)，所述抽吸实验沸腾池(12)通过下方开口的隔板(10)分为抽吸腔(17)和排液腔(18)，且抽吸腔(17)和排液腔(18)通过隔板(10)下方的开口连通，抽吸实验沸腾池(12)的底板上嵌入式安装有载物凸台(19)，载物凸台(19)的上部伸入至抽吸腔(17)中，且载物凸台(19)的上部设置测试芯片(9)，测试芯片(9)的两端通过导线连接至设置在抽吸实验沸腾池(12)外侧的直流电源(13)，测试芯片(9)的正上方设置有抽吸管束(8)，且抽吸管束(8)的内壁采用亲气疏水表面，抽吸管束(8)通过连接在抽吸实验沸腾池(12)上的输液管道(1)连接至冷凝器(2)，冷凝器(2)的出口端通过直流泵(4)连接至回液管道(5)，所述回液管道(5)连接在抽吸实验沸腾池(12)上，且回液管道(5)与排液腔(18)连通。

2.根据权利要求1所述的一种抽吸式电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置，其特征在于，测试芯片(9)上连接有用于测试其温度的第一热电偶(14)，抽吸实验沸腾池(12)上连接有用于测试实验工质温度的第二热电偶(15)。

3.根据权利要求1所述的一种抽吸式电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置，其特征在于，抽吸实验沸腾池(12)上连接有用于控制池内温度的加热棒(7)。

4.根据权利要求1所述的一种抽吸式电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置，其特征在于，抽吸实验沸腾池(12)上通过通气管道连接有用于保持池内压力稳定的补压装置(6)。

5.根据权利要求1所述的一种抽吸式电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置，其特征在于，隔板(10)上垂直连接有用于防止回液时扰动过大的受液盘(11)。

6.根据权利要求1所述的一种抽吸式电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置，其特征在于，载物凸台(19)的顶部设有凹槽(34)，测试芯片(9)通过隔热硅胶粘贴在凹槽(34)中。

7.根据权利要求1所述的一种抽吸式电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置，其特征在于，冷凝器(2)的出口端与直流泵(4)的入口端之间设置有流量计(3)。

8.根据权利要求1所述的一种抽吸式电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置，其特征在于，抽吸实验沸腾池(12)的下部设有放液口(24)，且放液口(24)与排液腔(18)连通，放液口(24)上连接有放液管道，放液管道上设置有放液阀门(16)。

9.一种采用权利要求1所述的抽吸式电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置的实验方法，其特征在于，通过直流泵(4)的作用，抽吸管束(8)在抽吸腔(17)中进行抽吸，抽走测试芯片(9)表面产生的气泡以及周边的实验工质，经输液管道(1)流至冷凝器(2)，然后经过直流泵(4)后，沿回液管道(5)流回排液腔(18)，形成闭合循环。

10.根据权利要求9所述的实验方法，其特征在于，抽吸实验沸腾池(12)的下部设有放液口(24)，且放液口(24)与排液腔(18)连通，放液口(24)上连接有放液管道，放液管道上设置有放液阀门(16)，当实验完成时，控制放液阀门(16)使实验工质从放液口(24)流出。

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