CN110650614B - 一种基于薄膜蒸发的电子芯片散热实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于薄膜蒸发的电子芯片散热实验装置，冷却工质储存在储液罐中，通过压电微泵进入薄膜蒸发发生器的液体入口，经过液体供应通道到达薄膜蒸发芯片处。薄膜蒸发芯片处多余的冷却工质经过薄膜蒸发发生器的液体排出通道到达液体出口，离开薄膜蒸发发生器，最终通过管道到达储液罐。薄膜蒸发芯片处由于薄膜蒸发直接产生的气体经过气体出口到达温控装置的换热器中，被冷凝到液态，最后到达储液罐。薄膜蒸发发生器中多余的液体工质和产生的气体工质最终都以液体状态回到了储液罐中，完成一个循环。本发明具有占地面积小、低功耗、散热能力大的优点，可满足热流密度超过1kW/cm²的散热需求。

Description

一种基于薄膜蒸发的电子芯片散热实验装置

技术领域

本发明涉及电子芯片冷却强化换热技术领域，特别涉及一种基于薄膜蒸发的电子芯片散热实验装置。

背景技术

随着世界工业发展的高速增长，对功率密度更大的高效换热装置的需求不断增加。同时，电子产品的体积越来越小，给散热带来了巨大的挑战。利用相变过程中存在大量潜热的沸腾换热是一种解决高热流下电子器件散热的方式，但是沸腾换热很难避免气液两相的相互限制，无法实现气体脱离通道和液体供应通道的分离，因而也就难以进一步实现超高热流密度的散热。而另外一种利用相变机理的散热方式——薄膜蒸发能够使得气体脱离通道和液体供应通道的分离，利用液体直接蒸发到气体的原理，大大提高换热效率，实现电子器件的高效换热。

薄膜蒸发，其能加速蒸发的原理是在减压条件下，液体形成薄膜而具有极大的汽化表面积，热量传播快而均匀，液体直接蒸发为气体，能较好地防止液体过热现象。薄膜蒸发能够在换热表面形成一层薄液膜，不同于池沸腾中的液池，薄膜蒸发的液体薄膜是非常薄，并且随着热流的增加而自发变薄的，导致热阻降低，另外，薄膜蒸发能够将气体脱离通道和液体供应通道分离，减小气液两相之间的阻力，加速液体的蒸发，带走更多的热量。对于薄膜蒸发而言，随着蒸发的进行，热流密度的提高，所需的液体流量也会发生变化，通过控制液体的流量来满足薄膜蒸发所需的液体蒸发量也是十分关键的。

发明内容

针对现有沸腾换热实验技术存在的不足和缺陷，本发明提供一种基于薄膜蒸发的电子芯片散热实验装置。本发明利用薄膜蒸发的原理，通过将气体脱离通道和液体供应通道绝对分离，减小气液两相之间的阻力，加速液体的蒸发，随着薄膜蒸发的进行及时改变液体的供应量来满足液体蒸发量，进而大大提高电子器件的换热性能，可满足热流密度超过1kW/cm²的散热需求。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于薄膜蒸发的电子芯片散热实验装置，包括用于存储冷却工质的储液罐，储液罐的出口端通过压电微泵连接至薄膜蒸发发生器，薄膜蒸发发生器的气体出口连接至温控装置，薄膜蒸发发生器的液体出口及温控装置的冷凝出口均连接至储液罐，储液罐上还连接有使其内部形成负压的旋片真空泵，且储液罐上设置有冷却工质入口和冷却工质出口。

进一步地，储液罐的出口端与压电微泵之间设置有第一阀门，压电微泵与薄膜蒸发发生器之间设置有第二阀门，薄膜蒸发发生器的汽化出口与温控装置之间连接有第三阀门，薄膜蒸发发生器的液体出口与储液罐之间连接有第四阀门，温控装置的冷凝出口与储液罐之间连接有第六阀门，储液罐的冷却工质入口上连接有第七阀门，储液罐的冷却工质出口上连接有第八阀门，储液罐与旋片真空泵之间连接于第九阀门。

进一步地，温控装置包括换热器，薄膜蒸发发生器的汽化出口连接至换热器管程入口，换热器壳程出口通过第五阀门连接至恒温制冷机，恒温制冷机的出口连接至换热器壳程入口，换热器管程出口连接至储液罐。

进一步地，储液罐上连接有用于测量真空度的高精度真空表。

进一步地，所述薄膜蒸发器包括盖板以及设置在盖板下侧的底板，所述盖板包括上盖板和下盖板，下盖板的下表面设置有用于安装薄膜蒸发芯片的方形阶梯孔，薄膜蒸发芯片的底面连接有若干铜探针，铜探针的下端紧密配合在底板上对应的开孔中，且铜探针的下端连接至直流电源。

进一步地，所述盖板和底板通过螺栓、金属垫圈以及螺母连接在一起。

进一步地，上盖板上设置有与压电微泵出口端连接的液体进口，上盖板上还设置有供汽化工质排出的气体出口，液体出口设置在下盖板的下侧，上盖板与下盖板之间设置有与液体进口连通的液体供应通道及与液体出口连通的液体排出通道。

进一步地，底板上还连接有用于测量铜探针温度的热电偶，热电偶连接在数据采集系统上。

进一步地，底板上设置有用于安装铜探针的第一安装孔,、用于安装热电偶的第二安装孔。

进一步地，下盖板和底板之间设置有用于密封的橡胶垫圈，底板上设置有用于安装橡胶垫圈的环形凹槽。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1、本发明利用薄膜蒸发的原理，通过设置气体出口和液体供应通道，将气液两相分离，减小气液两相之间的阻力，加速液体的蒸发，带走更多的热量，从而大大提高换热效率，能够达到实现超高热流密度下的强化换热，能够满足具备超高临界热流密度芯片的散热需求。

2、本发明采用压电微泵驱动整个系统的冷却工质，它的结构简单、体积小、重量轻、耗能低、无噪声等特点保证了整个实验系统小型化、低功耗。

3、与池沸腾相比，本发明利用薄膜蒸发的液体直接蒸发为气体的原理，避免了池沸腾中气泡脱离直径和脱离频率的影响，实现了气液两相的绝对分离，规避了换热面上气泡合并产生的气膜，能够延缓临界状态从而强化换热。与流动沸腾和射流冲击沸腾相比，本发明不需要提供具有较高速度的流体来击碎换热面上的气膜，能够保证整个实验系统的低功耗。

4、本发明中的各个部件之间使用阀门进行连接，每个阀门都能够确保对应管道的连通或者切断，保证整个实验系统的安全可靠。本发明中的温控装置能够带走系统内部产生的多余热量，保证整个系统内部的温度稳定。本发明中的高精度真空表能够准确获得实验系统内的真空度，保证了实验系统能够在特定真空度下进行薄膜蒸发实验。

5、本发明中的薄膜蒸发发生器通过设置多个结构，能够减小气液两相之间的阻力，保证液体充分蒸发，提高换热性能。薄膜蒸发发生器由盖板和底板两部分构成，盖板上设置的多个结构能够保证液体维持薄膜蒸发，底板上设置的多个结构能够保证直流电源的供电和温度的准确测量。本发明通过设置多个螺纹紧固件，能够保证底板和盖板紧密连接在一起，使得整个薄膜蒸发发生器稳定运行。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2-1是本发明薄膜蒸发发生器的三维图；

图2-2是本发明薄膜蒸发发生器的俯视图；

图2-3是本发明薄膜蒸发发生器的A-A面视图；

图2-4是本发明薄膜蒸发发生器的B-B面视图；

图3-1是本发明薄膜蒸发发生器在分解状态下的三维图；

图3-2是本发明薄膜蒸发发生器在分解状态的主视图；

图4-1是本发明盖板的三维图；

图4-2是本发明盖板的俯视图；

图4-3是本发明盖板的C-C面视图；

图4-4是本发明盖板的D-D面视图；

图5-1是本发明底板的三维图；

图5-2是本发明底板的俯视图；

其中，1、储液罐；2、压电微泵；3、薄膜蒸发发生器；4、温控装置；5、换热器；6、恒温制冷机；7、直流电源；8、旋片式真空泵；9、高精度真空表；10、第一阀门；11、第二阀门；12、第三阀门；13、第四阀门；14、第五阀门；15、第六阀门；16、第七阀门；17、第八阀门；18、第九阀门；19、盖板；20、底板；21、螺栓；22、金属垫圈；23、上盖板；24、下盖板；25、薄膜蒸发芯片；26、铜探针；27、橡胶垫圈；28、螺母；29、液体进口；30、液体供应通道；31、气体出口；32、液体排出通道；33、液体出口；34、方形阶梯孔；35、第一安装孔；36、第二安装孔；37、环形凹槽。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细描述：

一种基于薄膜蒸发电子芯片冷却散热装置，包括薄膜蒸发发生器3、储液罐1、压电微泵2、温控装置4以及连接各个部件的管道、阀门。

进一步地，薄膜蒸发发生器3包括底板20、盖板19，盖板19中设置有液体供应通道30，以及多余液体冷却工质离开薄膜发生器的液体排出通道32，盖板19上设置有气体冷却工质离开薄膜发生器的气体出口31、液体冷却工质进入薄膜发生器的液体进口29、盖板下设置有多余液体冷却工质离开薄膜发生器的液体出口33。盖板19上的气体出口31和换热器5的管程入口处相连，液体进口29与压电微泵2出口处相连，液体出口33与储液罐1相连，薄膜蒸发发生器3中多余的液体冷却工质由液体出口33进入储液罐1。盖板下表面中心位置设置有薄膜蒸发芯片25的芯片安装孔，芯片安装孔为方形阶梯孔34。薄膜蒸发芯片25被固定在方形阶梯孔中。薄膜蒸发发生器3的底板20和盖板19通过螺栓21、金属垫片22和螺母28连接在一起。

储液罐1用于储存冷却工质。储液罐1上设置有用于添加冷却工质的入口和用于排出冷却工质的出口。同时，储液罐1连接换热器5管程出口处，储存经过换热器被冷凝的冷却工质。同时，储液罐1连接薄膜蒸发发生器3的液体出口，储存薄膜蒸发发生器3中因多余而排出的冷却工质。储液罐1连接压电微泵2的入口，为整个系统提供循环所需的冷却工质。

压电微泵2连接在储液罐1和薄膜蒸发发生器3之间，冷却工质在压电微泵2的驱动下，实现在系统内部的循环。通过压电微泵2对于冷却工质流量的调节，满足薄膜蒸发所需的蒸发量。

温控装置4包括换热器5、恒温制冷机6、以及多个控制阀。所述换热器5的管程入口处连接薄膜蒸发发生器3的气体出口，管程出口处连接储液罐1的入口；换热器5的壳程入口处和出口处连接在恒温制冷机6两端。换热器5管程入口的高温冷却工质气体经过冷凝将热量传递到换热器5壳程的水中，流出换热器5管程的是被冷凝降温的冷却工质。换热器5壳程中的水接受管程中传递的热量后，流经恒温制冷机6，将热量带出整个系统。

本发明所述的基于薄膜蒸发电子芯片冷却沸腾强化换热实验装置，包括薄膜蒸发发生器3、储液罐1、压电微泵2、温控装置4、旋片式真空泵8以及连接各个部件的管道。实验所需的负压环境由旋片式真空泵8提供。冷却工质储存在储液罐1中，通过压电微泵2进入薄膜蒸发发生器3的液体入口29，经过薄膜蒸发发生器3中的液体供应通道30到达薄膜蒸发芯片25处直接汽化发生薄膜蒸发。薄膜蒸发芯片25处多余的冷却工质经过薄膜蒸发发生器3的液体排出通道32到达液体出口33，离开薄膜蒸发发生器3，最终通过管道到达储液罐1。薄膜蒸发芯片25处由于薄膜蒸发直接产生的气体通过薄膜蒸发发生器3中的气体出口31到达温控装置4的换热器5中。这些气体通过冷凝将自身热量传递给换热器壳程中的水，水将热量通过恒温制冷机6带出整个系统，冷凝产生的液态实验工质最终到达储液罐1。薄膜蒸发发生器3中因多余而排出的冷却工质和换热器中冷凝而来的冷却工质都储存到了储液罐1中，与原来储存在储液罐1中的冷却工质混合后，经过压电微泵2的驱动又能够实现如前所述的循环。通过设置液体供应通道30、液体排出通道32、气体出口31，能够将气液两相分离，通过控制压电微泵2的流量，能够及时提高薄膜蒸发所需的蒸发量，实现超过1kW/cm²热流密度的散热需求。

下面结合附图对本发明实施例做详细描述：

参见图1，一种基于薄膜蒸发的电子芯片散热实验装置，包括薄膜蒸发发生器3、储液罐1、压电微泵2、温控装置3以及连接各个部件的管道、阀门。

冷却工质储存在储液罐1中，经过第一阀门10，通过压电微泵2经由第二阀门11进入薄膜蒸发发生器3。在薄膜蒸发发生器3中，汽化的冷却工质经由第三阀门12进入温控装置4，多余的液体冷却工质经由第四阀门13进入储液罐1。汽化的冷却工质经由第三阀门12进入温控装置4中，具体来讲，冷却工质到达温控装置4的换热器5中。这些气体通过冷凝将自身热量传递给换热器5壳程中的水，水经由第五阀门14到达恒温制冷机6，将热量通过恒温制冷机6带出整个系统，通过温控装置4冷凝而产生的液体实验工质经由第六阀门15最终到达储液罐1。薄膜蒸发发生器3中因多余而排出的冷却工质和换热器5中冷凝而来的冷却工质都储存到了储液罐1中，与原来储存在储液罐1中的冷却工质混合后，经过压电微泵2的驱动又能够实现如前所述的循环。冷却工质经由第七阀门16向储液罐1中补充，经由第八阀门17排出储液罐1。整个实验系统内部处在负压环境之下，负压由旋片真空泵8产生，整个实验系统内多余的气体经由第九阀门18，通过旋片真空泵8抽出，实验系统内的真空度由高精度真空表9测量。

参见图2-1，图2-2，图2-3，图2-4，本发明所述的薄膜蒸发器3由盖板19和底板20两大部分组成。

参见图3-1，图3-2，盖板19由上盖板23和下盖板24两个部分组成，薄膜蒸发芯片25被固定在下盖板24下表面设置的方形阶梯孔内。用于导电的四个铜探针26紧密配合在底板20上对应的开孔中，橡胶垫圈27也安装在底板20上表面对应的环形凹槽内。综上，盖板19和底板20由螺栓21、金属垫圈22和螺母28连接在一起，共同组成薄膜蒸发发生器3。

参见图4-1，图4-2，图4-3，图4-4，薄膜蒸发器3的盖板19由上盖板23和下盖板24组成。在盖板19中设置有多个用于实现薄膜蒸发的结构，包括液体冷却工质进入薄膜发生器的液体进口29、液体供应通道30、气体冷却工质离开薄膜发生器的气体出口31、多余液体冷却工质离开薄膜发生器的液体排出通道32、液体出口33以及用来放置薄膜蒸发芯片的方形阶梯孔34。

冷却工质通过压电微泵2，经由第二阀门11进入薄膜蒸发发生器3的液体进口29，然后通过液体供应通道30，到达薄膜蒸发芯片25的上表面处发生薄膜蒸发。薄膜蒸发芯片25处会产生两条支路，一条用于排出蒸发产生的气体冷却工质，另一条用于排出多余的液体冷却工质。在薄膜蒸发芯片25处蒸发产生的气体冷却工质经过气体出口31，经由第三阀门12，到达温控装置4。在薄膜蒸发芯片25处多余的液体冷却工质经过液体排出通道33、液体出口33，经由第四阀门13，到达储液罐1。其中薄膜蒸发芯片25安装在下盖板24下表面处设置的方形阶梯孔34中。

参见图5-1，图5-2，底板20上设置有安装铜探针26的第一安装孔35、放置热电偶的第二安装孔36以及安装橡胶垫圈27的环形凹槽37。底板20中安装加热用的铜探针26，铜探针26的上端接触薄膜蒸发芯片25，下端连接直流电源7。

本发明的工作原理为：

系统中冷却工质的循环通过压电微泵3驱动，冷却工质的流量由压电微泵控制和显示。系统中的温度控制是通过温控装置4来控制的。薄膜蒸发所需的负压环境由旋片真空泵8提供，真空度由高精度真空表9测量。薄膜蒸发芯片25由直流电源7通过铜探针26进行加热，它的温度由连接在数据采集系统上的热电偶进行实时采集。系统的负压环境由旋片式真空泵8提供。

实验开始之前，将薄膜蒸发芯片25固定在下盖板24下表面的方形阶梯孔34中，并使用绝热胶进行密封，确保各个部件紧密连接。保证整个系统具有较好的气密性之后，打开第七阀门16，关闭其他所有阀门，向储液罐1中加入适量的冷却介质，然后关闭第七阀门16。随后，打开除第七阀门16、第八阀门17以外的所有其他阀门，打开旋片式真空泵8、高精度真空表9，随时观察高精度真空表9的示数，到达指定真空度之后，立即关闭第九阀门18，保证整个实验系统内维持在一个相对稳定的负压环境之下，然后关闭旋片真空泵8。紧接着，打开温控装置4，控制整个实验系统内部的温度，同时打开压电微泵2，驱动整个实验系统内冷却工质的循环。

上述准备工作完毕之后，打开直流电源7，从小到大逐渐增加输出电压值，数据采集系统显示芯片表面温度和冷却工质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。改变输出电压值，反复进行上述操作。电压值每增加一次，所测芯片温度逐渐增加直至稳定，在较高的热流密度值时，薄膜蒸发芯片25的表面的液膜厚度会减小，直至形成干点，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℃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。为了尽量消除薄膜蒸发芯片25的表面初始条件对换热的影响，前面一次实验结束后，应该等到系统各个参数稳定之后，尤其是芯片表面温度与冷却工质温度相当时，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。

待到所有工况下的实验结束后，保持温控装置4处于运行状态，对实验系统内的冷却工质进行冷却，直到冷却工质温度恢复到室温之后方可关闭温控装置4。然后缓慢打开第七阀门16，使得整个实验系统内部的压强逐渐恢复到常压条件下。之后，将整个实验系统静置一段时间，使得实验系统内部的冷却工质都回流到储液罐1中。最后，打开第八阀门17将冷却工质回收并保存，关闭实验系统内所有阀门，打扫、整理整个试验台。

Claims (7)

1.一种基于薄膜蒸发的电子芯片散热实验装置，其特征在于，包括用于存储冷却工质的储液罐(1)，储液罐(1)的出口端通过压电微泵(2)连接至薄膜蒸发发生器(3)，薄膜蒸发发生器(3)的气体出口(31)连接至温控装置(4)，薄膜蒸发发生器(3)的液体出口(33)及温控装置(4)的冷凝出口均连接至储液罐(1)，储液罐(1)上还连接有使其内部形成负压的旋片真空泵(8)，且储液罐(1)上设置有冷却工质入口和冷却工质出口；

所述薄膜蒸发发生器(3)包括盖板(19)以及设置在盖板(19)下侧的底板(20)，所述盖板(19)包括上盖板(23)和下盖板(24)，下盖板(24)的下表面设置有用于安装薄膜蒸发芯片(25)的方形阶梯孔(34)，薄膜蒸发芯片(25)的底面连接有若干铜探针(26)，铜探针(26)的下端紧密配合在底板(20)上对应的开孔中，且铜探针(26)的下端连接至直流电源(7)；上盖板(23)上设置有与压电微泵(2)出口端连接的液体进口(29)，上盖板(23)上还设置有供汽化工质排出的气体出口(31)，液体出口(33)设置在下盖板(24)的下侧，上盖板(23)与下盖板(24)之间设置有与液体进口(29)连通的液体供应通道(30)及与液体出口(33)连通的液体排出通道(32)，底板(20)上还连接有用于测量铜探针(26)温度的热电偶，热电偶连接在数据采集系统上。

2.根据权利要求1所述的一种基于薄膜蒸发的电子芯片散热实验装置，其特征在于，储液罐(1)的出口端与压电微泵(2)之间设置有第一阀门(10)，压电微泵(2)与薄膜蒸发发生器(3)之间设置有第二阀门(11)，薄膜蒸发发生器(3)的气体 出口与温控装置(4)之间连接有第三阀门(12)，薄膜蒸发发生器(3)的液体出口与储液罐(1)之间连接有第四阀门(13)，温控装置(4)的冷凝出口与储液罐(1)之间连接有第六阀门(15)，储液罐(1)的冷却工质入口上连接有第七阀门(16)，储液罐(1)的冷却工质出口上连接有第八阀门(17)，储液罐(1)与旋片真空泵(8)之间连接于第九阀门(18)。

3.根据权利要求1所述的一种基于薄膜蒸发的电子芯片散热实验装置，其特征在于，温控装置(4)包括换热器(5)，薄膜蒸发发生器(3)的气体 出口连接至换热器(5)管程入口，换热器(5)壳程出口通过第五阀门(14)连接至恒温制冷机(6)，恒温制冷机(6)的出口连接至换热器(5)壳程入口，换热器(5)管程出口连接至储液罐(1)。

4.根据权利要求1所述的一种基于薄膜蒸发的电子芯片散热实验装置，其特征在于，储液罐(1)上连接有用于测量真空度的高精度真空表(9)。

5.根据权利要求1所述的一种基于薄膜蒸发的电子芯片散热实验装置，其特征在于，所述盖板(19)和底板(20)通过螺栓(21)、金属垫圈(22)以及螺母(28)连接在一起。

6.根据权利要求1所述的一种基于薄膜蒸发的电子芯片散热实验装置，其特征在于，底板(20)上设置有用于安装铜探针(26)的第一安装孔(35)、用于安装热电偶的第二安装孔(36)。

7.根据权利要求1所述的一种基于薄膜蒸发的电子芯片散热实验装置，其特征在于，下盖板(24)和底板(20)之间设置有用于密封的橡胶垫圈(27)，底板(20)上设置有用于安装橡胶垫圈(27)的环形凹槽(37)。

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