CN113410194B - 一种基于复合相变材料的m型微通道换热器、检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于复合相变材料的M型微通道换热器、检测装置及检测方法，在M型微通道换热器的上基板内层填充复合相变材料，下基板表面设置多个相互垂直的流道，并连通冷却单元内的L型通道，形成交错式的多入口多出口的冷却液流道，使得内部冷却液能够多次改变流动方向并且覆盖整个M型微通道换热器的表面，通过相互垂直的流道和冷却单元中L型通道的相互配合，降低压降和流体速度，达到温度的均匀分配，为电子器件提供可靠的温度环境；同时，复合相变材料能够提高导热率。一种基于复合相变材料的M型微通道换热器的检测装置及检测方法，能够针对性的模仿M型微通道换热器的工作环境，以及检测温度变化值。

Description

一种基于复合相变材料的M型微通道换热器、检测装置及检测 方法

技术领域

本发明属于微通道强化散热技术领域，具体涉及一种基于复合相变材料的M型微通道换热器、检测装置及检测方法。

背景技术

随着微系统和超大规模集成电路等技术的迅速发展，电子封装模块的体积越来越小，而功率和集成度却大幅度提高，高热流密度的产生成为了一种不可抗拒的趋势。

如果不能及时消除如此高的热流密度，封装模块的芯片温度超过所允许的最高结温，极容易导致器件性能的恶化以及电路故障，同时，随着基片温度的升高最终将可能导致器件失效。因此，在小型化的电子封装模块中，热管理在保证设备的性能和可靠性方面起着至关重要的作用。

电子封装模块的温度均匀性是保证其高效工作的关键，也是强化散热技术的关键。目前，传统的散热方式已经不能满足高负荷封装模块的散热要求。为此，需要一些新型的散热结构或冷却介质来解决高热流密度的电子封装模块中的散热问题。

发明内容

针对现有技术中存在现有的散热方式已经不能满足高负荷封装模块的散热要求的问题，本发明提供一种基于复合相变材料的M型微通道换热器、检测装置及检测方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于复合相变材料的M型微通道换热器，包括贴合设置的上基板和下基板；

所述上基板内部设置有复合相变材料；

所述下基板设置有中间竖直流道和中间横向流道，其相互垂直设置并交汇于下基板的中心点，并将下基板表面分割为四个冷却单元；下基板两侧设置有侧边竖直流道，两端分别与下基板的边部连通；

所述冷却单元设置有多个依次间隔排列的L型通道，L型通道包括相互垂直设置的冷却单元横向流道和冷却单元竖直流道，冷却单元横向流道一端垂直连通中间竖直流道，另一端连通冷却单元竖直流道一端；冷却单元竖直流道的另一端垂直导通下基板边部，形成多个边部进水口和出水口；

沿中间竖直流道对称设置的两个L型通道形成一组M型通道。

进一步，所述M型通道的高度为下基板厚度的/。

进一步，所述上基板和下基板的边部固定设置有U型槽；所述U型槽的两侧设有卡槽，卡槽内侧设有凹槽并与上基板和下基板的两端卡合固定。.根据权利要求所述的一种基于复合相变材料的M型微通道换热器，其特征在于，所述U型槽底部设置有相互平行的螺纹通孔，并与进水口和出水口一一对应密封设置。

进一步，所述下基板边部的进水口和出水口依次间隔设置。

进一步，所述侧边竖直流道和中间竖直流道的两端均为进水口。

进一步，所述上基板和下基板均采用高导热系数的金属材料制成。

一种基于复合相变材料的M型微通道换热器的检测装置，包括高低温循环水浴槽、分流器、热源、温度测试仪和汇流器；

所述高低温循环水浴槽循环液体出口设置有第一止流阀，并连接分流器，分流器接入如权利要求所述任意一种基于复合相变材料的M型微通道换热器边部的所有进水口，汇流器一端接出M型微通道换热器边部的所有出水口，另一端依次连接第二止流阀和高低温循环水浴槽的循环液体入口；

所述分流器和汇流器的端口连接压力表的输入端；所述温度测试仪的输入端分别连接M型微通道换热器的进水口、出水口和热源。

一种基于复合相变材料的M型微通道换热器的检测方法，包括以下步骤，

高低温循环水浴槽中的冷却液经分流器流入M型微通道换热器的侧边竖直流道、中间竖直流道和L型通道对应的进水口；

侧边竖直流道两端冷却液合流至中间横向流道，中间横向流道内部冷却液流动至中间竖直流道后分流入L型通道对应的出水口后流出；

L型通道对应的进水口中的冷却液汇入中间竖直流道后分流入相邻L型通道对应的进水口后流出；

冷却液温度升高，经汇流器汇流入高低温循环水浴槽进行冷却；

热源对M型微通道换热器均匀加热，压力表和温度测试仪的数值稳定，读取各个压力值和温度值，结合热源的热流密度和温度差值，根据能量守恒定律，计算得出单位时间内M型微通道的吸收的热量和复合相变材料吸收的热量值。

进一步，根据压力表测得的压力值，得到M型微通道的流动阻力参数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种基于复合相变材料的M型微通道换热器，在上基板内层填充复合相变材料，下基板表面设置多个相互垂直的流道，并连通冷却单元内的L型通道，形成交错式的多入口多出口的冷却液流道，使得内部冷却液能够多次改变流动方向并且覆盖整个M型微通道换热器的表面，通过相互垂直的流道和冷却单元中L型通道的相互配合，降低压降和流体速度，达到温度的均匀分配，可以提高换热器的换热性能以及均温性能，可满足高负荷电子芯片的散热要求，为电子器件提供可靠的温度环境；同时，M型微通道换热器的上基板内层填充复合相变材料，将复合相变材料掺杂到相变材料中，形成复合相变材料，从而提高了导热率。复合相变材料在温度达到其熔点时，会从固态熔化为液态，此时会吸收大量的热，降低电子封装模块的温度。本发明实现了对功率变化的电子封装模块的温度控制，并有效降低了液冷微通道换热器的外接泵功率，减少了换热过程中的能量损耗，结构简单、操作方便、成本低，并大大提高了工作效率。

进一步，上基板和下基板通过U型槽固定连接，结合M型通道的吸热能力和复合相变材料的吸热能力，使得本发明M型微通道换热器吸热冷却能力更强。

进一步，上基板的外层材料和下基板均采用高导热系数的金属材料，提高吸热能力，进而进行冷却降温。

本发明一种基于复合相变材料的M型微通道换热器的检测装置，在M型微通道换热器底部的进水口和出水口分别连接高低温循环水浴槽两端，可实现冷却液的冷却循环过程，设置热源模拟电子封装模块的温度，设置温度测试仪对M型微通道换热器的进水口和出水口以及热源的温度进行检测，本装置成本低，并且能够针对性的模仿M型微通道换热器的工作环境，以及检测温度变化值。

本发明一种基于复合相变材料的M型微通道换热器的检测方法，通过高低温循环水浴槽中的冷却液注入M型微通道换热器内部的流道，冷却液

冷却液通过汇流器流入高低温循环水浴槽，实现冷却液的循环，节约冷却成本，读取温度测试仪的温度值，根据能量守恒定律，即可得出单位时间内M型微通道的吸收的热量和复合相变材料吸收的热量值，本方法操作方便、成本低，并大大提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明具体实施例中一种基于复合相变材料的M型微通道换热器与U型槽卡合的结构示意图；

图2为本发明具体实施一种基于复合相变材料的M型微通道换热器剖视图；

图3为本发明具体实施例中下基板内部微通道的结构示意图；

图4为本发明具体实施例中U型槽结构示意图；

图5为本发明具体实施例中一种基于复合相变材料的M型微通道换热器的检测装置示意图；

图6为本发明具体实施例中分流器结构示意图；

图7为本发明具体实施例中汇流器结构示意图。

图中：上基板1，复合相变材料2，U型槽3，侧边竖直流道4，下基板5，M型通道6，中间竖直流道8，，中间横向流道11，螺纹通孔12，卡槽13，高低温循环水浴槽14，第一止流阀15，压力表16，分流器17，热源18，温度测试仪19，汇流器21，第二止流阀22，直流电源23，第一进水口24，第一出水口25，第二进水口26，第二出水口27。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

需要说明的是，本说明书所附图中示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明公开了一种基于复合相变材料的M型微通道换热器，如图1～2所示，包括上基板1、复合相变材料2和下基板5；上基板1内部设置有复合相变材料2，将复合相变材料掺杂到石墨中，形成复合相变材料2，从而提高了导热率，具体的，复合相变材料2在温度达到其熔点时，会从固态熔化为液态，此时会吸收大量的热，达到降低电子封装模块温度的作用；优选的，上基板1的外部材料和下基板5均采用高导热系数的金属材料，便于热量的转换，进而提高热转换效率。

下基板5设置有中间竖直流道8和中间横向流道11，其相互垂直设置交汇于下基板5的中心点，并将下基板5表面分割为四个冷却单元；同时，下基板5两侧设置有侧边竖直流道4，具体的，本发明提供的一种优选实施例为，M型通道6的高度为下基板厚度的1/2，下基板5表面未设置导流通道的区域形成导流冷却液的作用，用于改变和限制冷却液的流动方向。

冷却单元设置有多个依次间隔排列的L型通道，如图3所示，L型通道包括相互垂直设置的冷却单元横向流道和冷却单元竖直流道，冷却单元横向流道一端连通中间竖直流道8，另一端连通冷却单元竖直流道一端，冷却单元竖直流道的另一端垂直导通下基板5边部，形成多个进水口和出水口，便于冷却液的进出，进行换热。具体的，L型通道的冷却单元横向流道和中间竖直流道8的导通处能够使得冷却液在交叉处形成扰流，增强了M型微通道换热器20换热器的换热能力。

所述冷却单元沿中间竖直流道8和横向流道11对称设置，横向流道11两侧则形成由多个L型通道组成的多个M型通道6，具体的，相互对称设置的L型通道与中间竖直流道8共同组成一个M型通道6。

本发明的一种优选实施例，M型通道6两侧均为凸起的导流台，用于改变冷却液流向，使得冷却液尽可能的进行换热，进而提高冷却效率。

本发明的另一种优选实施例，如图4所示，上基板1和下基板5的边部分别固定卡合设置有两个U型槽3；具体的，U型槽3的两侧设有卡槽13，卡槽13内侧设有的凹槽用以与上基板1和下基板5的两端卡合固定；U型槽3底部设置有相互平行的螺纹通孔12，并与进水口和出水口一一对应密封链接，形成可以接入和接出冷却液管道口。

本发明的另一种优选实施例，其中，下基板5表面设置有六条M型微通道，靠近基板边缘的M型通道结构尺寸最大，之后依次减小，中间部分的M型通道结构尺寸最小，具体的，M型通道高度为下基板5厚度的1/2。所述每条M型通道由两个对称设置的L型通道和中间竖直流道8组成，六条M型通道通过中间竖直流道8连通。

本发明的另一种优选实施例，其中，下基板5两侧的侧边竖直流道4与中间横向流道11共同组成一组H型流道，其用于接入冷却液，并且将冷却液分流入对应设置冷却液出口的L型通道内；具体的，侧边竖直流道4和中间竖直流道8的两端在下基板5边部为进水口，用于接入冷却液，并分流人冷却单元中。

一种基于复合相变材料的M型微通道换热器的检测装置，如图5所示，包括高低温循环水浴槽14和测试区，其中测试区为一种基于复合相变材料的M型微通道换热器20，高低温循环水浴槽14的循环液体出口通过进出水管道，优选的，进出水管道可采用软管道，与M型微通道换热器20边部的进水口相连，M型微通道换热器20底部的出水口又通过软管道连接回高低温循环水浴槽14的循环液体入口。

本发明提供的另一种优选实施例，如图5所示，测试区两侧设置有温度测试仪19、第一止流阀15、压力表16、电加热装置、分流器17和汇流器21、第二止流阀22，其中所述高低温循环水浴槽14循环液体出口设置有第一止流阀15，并连接分流器17，分流器17通过输水管道分别连接M型微通道换热器20边部的所有进水口，汇流器21通过出水管道分别连接M型微通道换热器20边部的所有出水口，并依次连接第二止流阀22和高低温循环水浴槽14的循环液体入口；其中，压力表16可采用数显压力表。

具体的，高低温循环水浴槽14能够对冷却液进行快速加热或冷却，保证冷却液的温度为所需值，并且提供冷却液流动所需动能，冷却液的流出与流入均在高低温循环水浴槽14中，整体形成一个循环系统，对冷却液进行多次循环利用。

具体的，电加热装置包括直流电源23和热源18，其中热源18连接直流电源23，其中，热源18设置于M型微通道换热器20一侧的下基板5的端面，温度测试仪19分别连接M型微通道换热器20的进水口和出水口以及热源18，压力表16分别连接分流器17的的两端。

具体的，如图6～7所示，分流器17一端为第一进水口24，另一端为多个第二进水口26组成，且第二进水口26的数量与M型微通道换热器20的进水口数量保持一致；汇流器21一端第一出水口25，另一端为多个第二出水口27，且第二出水口27的数量与M型微通道换热器20的出水口数量保持一致，形成多个单独的软管道连接口，保证M型微通道换热器20的进水口和出水口有相同压力和流量的冷却液。

优选的，热源18由多个薄膜电阻组成，其中热源18除了与M型微通道换热器20接触的面外，其余各面上均裹有绝缘材料，防止与冷却液的直接接触。

本发明的另一种优选实施例，M型微通道换热器20底部两侧分别间隔连接有输水管道和出水管道，交错式的多入水口和多出水口微通道保证在相邻两竖直流道之间，液体从一个竖直流道流入，通过横向流道再从另一个竖直流道流出，这种流动方式保证了换热器的温度均匀性。

一种基于复合相变材料的M型微通道换热器的检测方法，包括以下步骤，高低温循环水浴槽14中的冷却液在水浴槽的驱动下流经第一止流阀15流入分流器17，后经分流器17的多个第二进水口26连接的出水管道流入M型微通道6内部吸热，温度升高，通过多个第二出水口27进入汇流器21汇流并经第二止流阀22进入高低温循环水浴槽14循环冷却，确保其温度降低至冷却温度，以备二次循环使用。

具体的，低温循环水浴槽14中的冷却液经分流器17流入M型微通道换热器20的侧边竖直流道4和进水口对应的L型通道；侧边竖直流道4两端冷却液合流至中间横向流道11，中间横向流道11内部冷却液流动至中间竖直流道8后分流入L型通道对应的出水口后流出；L型通道对应的进水口中的冷却液汇入中间竖直流道8后分流入相邻的L型通道对应的出水口后流出；更进一步的，即冷却单元靠近侧边竖直流道4的多个L型通道依次的冷却单元竖直流道依次对应为出水口和进水口重复设置，直至中间竖直流道8，中间竖直流道8的两端为进水口。

本发明提供的另一种优选实施例为，热源18对M型微通道换热器20均匀加热，具体的，M型微通道换热器20底部加载有热源18，给换热器20提供所需的热流密度，热源18由多个薄膜电阻组成，热量通过导热硅胶传到微通道的受热面，热流密度一方面可以由薄膜电阻的个数控制，一方面也可以通过调节电流来控制，为了减少热量散失，热源18除了和换热器20接触的面，其余五个面上裹上一层绝缘材料。

复合相变材料2在温度达到其熔点时，会从固态熔化为液态，此时会吸收大量的热，降低电子封装模块的温度，可以有效保证实现了对功率变化的电子封装模块的温度控制，并有效降低了液冷微通道换热器的水浴槽14中泵的功率，减少了换热过程中的能量损耗。

待压力表16和温度测试仪19的数值稳定，读取各个温度值和压力值，具体的，温度测试仪19采用温度采集器和热电偶，测量M型微通道换热器20的进水口和出水口的冷却液温度、M型微通道换热器20加热面的中心处温度和两侧边缘温度，这五个温度均采用热电偶测试，所有的热电偶连接到温度采集器上，在温度测试仪19上可以显示各点的温度值。

结合热源18的热流密度和温度差值，根据能量守恒定律，计算得出单位时间内M型微通道的吸收的热量和复合相变材料2吸收的热量值。

进一步，当液体进入M型通道后，压力表16测得的压力值，可以计算出M型微通道换热器20的流动阻力参数。

上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种基于复合相变材料的M型微通道换热器，其特征在于，包括贴合设置的上基板(1)和下基板(5)；

所述上基板(1)内部设置有复合相变材料(2)；

所述下基板(5)设置有中间竖直流道(8)和中间横向流道(11)，其相互垂直设置并交汇于下基板(5)的中心点，并将下基板(5)表面分割为四个冷却单元；下基板(5)两侧设置有侧边竖直流道(4)，两端分别与下基板(5)的边部连通；

所述冷却单元设置有多个依次间隔排列的L型通道，L型通道包括相互垂直设置的冷却单元横向流道和冷却单元竖直流道，冷却单元横向流道一端垂直连通中间竖直流道(8)，另一端连通冷却单元竖直流道一端；冷却单元竖直流道的另一端垂直导通下基板(5)边部，形成多个边部进水口和出水口；

沿中间竖直流道(8)对称设置的两个L型通道形成一组M型通道(6)。

2.根据权利要求1所述的一种基于复合相变材料的M型微通道换热器，其特征在于，所述M型通道(6)的高度为下基板(5)厚度的1/2。

3.根据权利要求1所述的一种基于复合相变材料的M型微通道换热器，其特征在于，所述上基板(1)和下基板(5)的边部固定设置有U型槽(3)；所述U型槽(3)的两侧设有卡槽(13)，卡槽(13)内侧设有凹槽并与上基板(1)和下基板(5)的两端卡合固定。

4.根据权利要求3所述的一种基于复合相变材料的M型微通道换热器，其特征在于，所述U型槽(3)底部设置有相互平行的螺纹通孔(12)，并与进水口和出水口一一对应密封设置。

5.根据权利要求1所述的一种基于复合相变材料的M型微通道换热器，其特征在于，所述下基板(5)边部的进水口和出水口依次间隔设置。

6.根据权利要求1或5所述的一种基于复合相变材料的M型微通道换热器，其特征在于，所述侧边竖直流道(4)和中间竖直流道(8)的两端均为进水口。

7.根据权利要求1所述的一种基于复合相变材料的M型微通道换热器，其特征在于，所述上基板(1)和下基板(5)均采用高导热系数的金属材料制成。

8.一种基于复合相变材料的M型微通道换热器的检测装置，其特征在于，包括高低温循环水浴槽(14)、分流器(17)、热源(18)、温度测试仪(19)和汇流器(21)；

所述高低温循环水浴槽(14)循环液体出口设置有第一止流阀(15)，并连接分流器(17)，分流器(17)接入如权利要求1-7所述任意一种基于复合相变材料的M型微通道换热器(20)边部的所有进水口，汇流器(21)一端接出M型微通道换热器(20)边部的所有出水口，另一端依次连接第二止流阀(22)和高低温循环水浴槽(14)的循环液体入口；

所述分流器(17)和汇流器(21)的端口连接压力表(16)的输入端；所述温度测试仪(19)的输入端分别连接M型微通道换热器(20)的进水口、出水口和热源(18)。

9.一种基于复合相变材料的M型微通道换热器的检测方法，其特征在于，基于权利要求8所述一种基于复合相变材料的M型微通道换热器的检测装置，包括以下步骤，

高低温循环水浴槽(14)中的冷却液经分流器(17)流入M型微通道换热器(20)的侧边竖直流道(4)、中间竖直流道(8)和L型通道对应的进水口；

侧边竖直流道(4)两端冷却液合流至中间横向流道(11)，中间横向流道(11)内部冷却液流动至中间竖直流道(8)后分流入L型通道对应的出水口后流出；

L型通道对应的进水口中的冷却液汇入中间竖直流道(8)后分流入相邻L型通道对应的进水口后流出；

冷却液温度升高，经汇流器(21)汇流入高低温循环水浴槽(14)进行冷却；

热源(18)对M型微通道换热器(20)均匀加热，压力表(16)和温度测试仪(19)的数值稳定，读取各个压力值和温度值，结合热源(18)的热流密度和温度差值，根据能量守恒定律，计算得出单位时间内M型微通道的吸收的热量和复合相变材料吸收的热量值。

10.根据权利要求9所述一种基于复合相变材料的M型微通道换热器的检测方法，其特征在于，根据压力表(16)测得的压力值，得到M型微通道的流动阻力参数。

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