一種微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)及其測(cè)試方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)及其測(cè)試方法。本發(fā)明的微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)包括：微尺度液冷器、發(fā)熱器件、測(cè)溫系統(tǒng)、冷卻液循環(huán)機(jī)、計(jì)量泵和分流器。本發(fā)明一方面利用微流體分流控制技術(shù)的高可靠性、準(zhǔn)確性和高精度，通過(guò)冷卻液循環(huán)機(jī)、計(jì)量泵和分流器，一步步地精確控制冷卻液的溫度、流量和壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)低流量或極低流量冷卻液的精確控制；另一方面利用先進(jìn)的紅外熱成像技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)熱器件的表面溫度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)微尺度器件的工作溫度場(chǎng)的可視化觀測(cè)。本發(fā)明極大地提高微尺度液冷器的散熱性能測(cè)量的準(zhǔn)確性、精確性和可靠性，特別適合于航空航天、信息通信、交通醫(yī)療、自動(dòng)控制、消費(fèi)電子等微尺度液冷器的散熱性能測(cè)試。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)及其測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及散熱性能測(cè)試技術(shù)，尤其涉及一種微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)及其測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，微型化、高集成化、多功能化、大功率化逐漸成為電子產(chǎn)品的潮流與趨勢(shì)。微電子器件尺寸越來(lái)越小，從微米量級(jí)向納米量級(jí)發(fā)展，集成度以每年40%?50%的速度高速增長(zhǎng)，每個(gè)芯片上都有成百上萬(wàn)個(gè)元器件，高性能芯片和電子器件的熱流密度已經(jīng)超過(guò)lOOW/cm2，熱致失效問(wèn)題已經(jīng)逐漸成為制約微電子技術(shù)發(fā)展的瓶頸。要把微尺度器件上產(chǎn)生的高熱量帶走，對(duì)流、輻射、傳導(dǎo)等自然冷卻冷卻技術(shù)已不再適用，其散熱熱流密度不超過(guò)0.155W/cm2，金屬熱通孔的熱流密度也不超過(guò)lOW/cm2，只有液體冷卻和熱管冷卻技術(shù)可用于熱流密度大于lOOW/cm2的器件散熱，傳熱系數(shù)高，可以制造體積很小、重量很輕的產(chǎn)品，但是熱管在使用一段時(shí)間后傳熱性能會(huì)下降，還要承受熱流密度、流動(dòng)阻力、毛細(xì)壓差等工作極限的限制。
[0003]微尺度液冷器以液體冷卻技術(shù)中的微流體散熱技術(shù)(也稱(chēng)為微流道散熱技術(shù))為基礎(chǔ)，在定向硅片、封裝基板、散熱金屬板或其他高熱導(dǎo)材料上利用各向異性蝕刻、微機(jī)械加工等技術(shù)制造出微尺度流道，液體在流過(guò)微流道時(shí)通過(guò)蒸發(fā)或者直接將熱量帶走，散熱效果非常好，理論可用于熱流密度lOOOW/cm2的工作熱環(huán)境。微尺度液冷器能避免直接液體冷卻、間接液體冷卻、液體射流冷卻、噴淋冷卻、滴液冷卻等其他液體冷卻技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在的滲漏、熱滯后會(huì)引起的熱激波、熱應(yīng)力過(guò)高、芯片熱電不匹配和系統(tǒng)維護(hù)不方便等問(wèn)題，為解決微電子器件的熱致失效問(wèn)題提供了很好的解決方法。
[0004]然而微尺度散熱器內(nèi)冷卻液(微流體)流量小，流速相對(duì)較快，所需水壓隨流道形狀變化大；微電子器件尺寸小，發(fā)熱不均勻，器件上任意一點(diǎn)的最高溫度值超過(guò)工作溫度極限后，均有可能導(dǎo)致整個(gè)器件失效，傳統(tǒng)的散熱性能測(cè)試技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足微尺度液冷器散熱性能的測(cè)試需要。微尺度液冷器的散熱性能測(cè)試需要同時(shí)結(jié)合微流體分流控制技術(shù)和紅外測(cè)溫技術(shù)，一方面利用冷卻液循環(huán)機(jī)使入口水溫恒定，利用計(jì)量泵提供壓力，結(jié)合分流器精確控制冷卻液流量，并利用直流電源加載電壓控制熱流密度；另一方面，利用熱電偶、液壓表、流量計(jì)實(shí)時(shí)檢測(cè)冷卻液溫度、壓力和流量，利用紅外熱成像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)器件表面溫度場(chǎng)，測(cè)量散熱效率和傳熱系數(shù)隨熱流密度、工作時(shí)間、冷卻液流量的變化規(guī)律。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種利用微流體分流控制技術(shù)和紅外測(cè)溫技術(shù)的微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)及其測(cè)試方法，通過(guò)冷卻液溫度、壓力、流量、熱源熱流密度和溫度場(chǎng)的精確控制與檢測(cè)，計(jì)算散熱效率和傳熱系數(shù)隨熱流密度、工作時(shí)間、冷卻液流量的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)低流量或極低流量下微尺度液冷器的散熱性能測(cè)量。
[0006]本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)。[0007]本發(fā)明的微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)包括:微尺度液冷器、發(fā)熱器件、測(cè)溫系統(tǒng)、冷卻液循環(huán)機(jī)、計(jì)量泵和分流器；其中，發(fā)熱器件放置在微尺度液冷器的表面；測(cè)溫系統(tǒng)面向發(fā)熱器件；冷卻液從微尺度液冷器的出口流入冷卻液循環(huán)機(jī)，經(jīng)冷卻液循環(huán)機(jī)進(jìn)入計(jì)量泵，再進(jìn)入分流器，然后冷卻液的一部分通過(guò)分流器的第一出口進(jìn)入微尺度液冷器的入口 ；冷卻液的另一部分通過(guò)分流器的第二出口流回到冷卻液循環(huán)機(jī)中。
[0008]測(cè)溫系統(tǒng)包括紅外測(cè)溫儀和計(jì)算機(jī)，紅外測(cè)溫儀面向發(fā)熱器件，紅外測(cè)溫儀連接至計(jì)算機(jī)。利用先進(jìn)的紅外熱成像技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)器件表面溫度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)微尺度器件工作溫度場(chǎng)的可視化觀測(cè)。
[0009]冷卻液循環(huán)機(jī)、計(jì)量泵和分流器構(gòu)成壓力和流量控制系統(tǒng)；冷卻液循環(huán)機(jī)驅(qū)動(dòng)冷卻液流動(dòng)，并且控制出口的冷卻液的溫度恒定；計(jì)量泵控制冷卻液的流量并提供壓力；分流器進(jìn)一步精確控制冷卻液的流量，并且多余的冷卻液流回到冷卻液循環(huán)機(jī)中重復(fù)利用；從而實(shí)現(xiàn)控制循環(huán)流動(dòng)的微尺度液冷器中的冷卻液的壓力和流量。冷卻液循環(huán)機(jī)結(jié)合計(jì)量泵和分流器，形成微流體分流控制，能夠精確地控制冷卻液的壓力和流量，實(shí)現(xiàn)低流量、微尺度測(cè)量。在冷卻液循環(huán)機(jī)的入口設(shè)置有流量計(jì)，用來(lái)實(shí)時(shí)地測(cè)量冷卻液的流量，以精確地控制冷卻液的流量。在分流器的第一出口設(shè)置有液壓表，用來(lái)實(shí)時(shí)地測(cè)量冷卻液的壓力，以精確地控制冷卻液的壓力。并且，在微尺度液冷器的出口和入口分別設(shè)置溫度計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻液在微尺度液冷器的出口和入口的溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量。
[0010]冷卻液采用水、乙二醇、酒精和甘油中的一種或多種。溫度計(jì)包括熱電偶溫度計(jì)、酒精溫度計(jì)、水銀溫度計(jì)、氣體溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)和光測(cè)溫度計(jì)。流量計(jì)包括容積式、差壓式、浮子式、渦輪式、電磁式、渦街式和插入式。
[0011]發(fā)熱器件連接至電源，通過(guò)電源加載電壓改變熱流密度。發(fā)熱器件為電子器件或發(fā)熱電阻。
[0012]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試方法。
[0013]本發(fā)明的微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試方法，包括以下步驟:
[0014]I)利用冷卻液循環(huán)機(jī)驅(qū)動(dòng)冷卻液工作，使出口的冷卻液的溫度恒定；
[0015]2)利用計(jì)量泵控制冷卻液流量，并提供微尺度液冷器所需壓力；
[0016]3) 一部分冷卻液由分流器的第一出口流入微尺度液冷器，通過(guò)分流器進(jìn)一步精確控制冷卻液流量，多余的冷卻液由分流器的第二出口回流到冷卻液循環(huán)機(jī)中；
[0017]4)通過(guò)液壓表檢測(cè)微尺度液冷器的入口的初始的壓力；
[0018]5)通過(guò)溫度計(jì)測(cè)量微尺度液冷器的入口的冷卻液的溫度；
[0019]6)利用電源加載電壓來(lái)控制發(fā)熱器件的熱流密度；
[0020]7)利用測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄發(fā)熱器件的表面溫度場(chǎng)；
[0021]8)通過(guò)溫度計(jì)測(cè)量微尺度液冷器的出口的溫度；
[0022]9)利用流量計(jì)測(cè)量和驗(yàn)證從分流器的第一出口流出的一部分冷卻液的流量；
[0023]10)另一部分冷卻液從分流器的第二出口流回到冷卻液循環(huán)機(jī)中，不斷重復(fù)步驟I)?10)，直到冷卻液的溫度、壓力相對(duì)穩(wěn)定；
[0024]11)計(jì)算微尺度液冷器的散熱效率和傳熱系數(shù)隨熱流密度、工作時(shí)間和冷卻液的流量的變化規(guī)律。
[0025]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):[0026]本發(fā)明提供的微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)，一方面利用微流體分流控制技術(shù)的高可靠性、準(zhǔn)確性和高精度，通過(guò)冷卻液循環(huán)機(jī)、計(jì)量泵和分流器，一步步地精確控制冷卻液的溫度、流量和壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)低流量或極低流量冷卻液的精確控制，結(jié)合溫度計(jì)、液壓表和流量計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)；另一方面利用先進(jìn)的紅外熱成像技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)熱器件的表面溫度場(chǎng)，通過(guò)電源加載電壓改變熱流密度，實(shí)現(xiàn)微尺度器件的工作溫度場(chǎng)的可視化觀測(cè)。這兩種技術(shù)的結(jié)合可以極大地提高微尺度液冷器的散熱性能測(cè)量的準(zhǔn)確性、精確性和可靠性，特別適合于航空航天、信息通信、交通醫(yī)療、自動(dòng)控制、消費(fèi)電子等國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全保障領(lǐng)域中高集成度、大功率、微尺寸電子產(chǎn)品配套的微尺度液冷器的散熱性能測(cè)試。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1為本發(fā)明的微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0028]圖2為本發(fā)明的微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖，通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0030]如圖1所示，本發(fā)明的微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)包括微尺度液冷器、測(cè)溫系統(tǒng)、冷卻液循環(huán)機(jī)、計(jì)量泵和分流器。
[0031]如圖2所示，本實(shí)施例的微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)包括:微尺度液冷器1、發(fā)熱器件2、測(cè)溫系統(tǒng)31和32、冷卻液循環(huán)機(jī)4、計(jì)量泵5和分流器6 ;其中，發(fā)熱器件2放置在微尺度液冷器I的表面；測(cè)溫系統(tǒng)面向發(fā)熱器件2 ;冷卻液從微尺度液冷器I的出口流入冷卻液循環(huán)機(jī)4，經(jīng)冷卻液循環(huán)機(jī)4進(jìn)入計(jì)量泵5，再進(jìn)入分流器6，然后冷卻液的一部分通過(guò)分流器的第一出口 61進(jìn)入微尺度液冷器I的入口 ；冷卻液的另一部分通過(guò)分流器的第二出口 62重新回到冷卻液循環(huán)機(jī)4中。進(jìn)一步包括:設(shè)置在冷卻液循環(huán)機(jī)4的入口的流量計(jì)7 ;設(shè)置在分流器的第一出口 61的液壓表8 ;以及設(shè)置在微尺度液冷器I的出口和入口的溫度計(jì)9。溫度計(jì)采用熱電偶溫度計(jì)。測(cè)溫系統(tǒng)包括紅外測(cè)溫儀31和計(jì)算機(jī)32。分流器6采用帶開(kāi)關(guān)閥的三通水管接頭。發(fā)熱器件2連接至電源21。
[0032]本實(shí)施例的微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試方法，包括以下步驟:
[0033]I)利用冷卻液循環(huán)機(jī)4驅(qū)動(dòng)冷卻液流動(dòng)，工作時(shí)循環(huán)機(jī)出口的冷卻液溫度恒定為室溫(O?30°C)；
[0034]2)利用計(jì)量泵5控制冷卻液流量(O?100ml/S)，并提供微尺度液冷器所需壓力(O ?1.6MPa)；
[0035]3)使用帶開(kāi)關(guān)閥的三通水管接頭做分流器6，冷卻液通過(guò)第一出口 61流入微尺度液冷器1，通過(guò)分流器進(jìn)一步精確控制冷卻液的流量，精確度可以達(dá)到0.0Olml/s，多余的冷卻液通過(guò)第二出口 62回流至冷卻液循環(huán)機(jī)中重復(fù)利用；
[0036]4)通過(guò)液壓表8檢測(cè)微尺度液冷器I的入口的初始的壓力；
[0037]5)通過(guò)溫度計(jì)9測(cè)量微尺度液冷器I的入口的冷卻液的溫度；
[0038]6)利用電源21加載電壓控制發(fā)熱器件的熱流密度(O?1000W/cm2)；
[0039]7)利用紅外測(cè)溫儀31實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)熱器件的表面溫度場(chǎng)(O?200°C)，測(cè)量并記錄最高溫度值隨發(fā)熱器件的熱流密度、工作時(shí)間和冷卻液的流量的變化；[0040]8)利用溫度計(jì)9測(cè)量微尺度液冷器的出口的冷卻液溫度(O~100°C )；
[0041]9)利用流量計(jì)7檢測(cè)從分流器的第一出口 61流出的一部分冷卻液的流量；
[0042]10)另一部冷卻液從分流器的第二出口 62流回到冷卻液循環(huán)機(jī)4中，不斷重復(fù)步驟I)~10)，直到冷卻液的溫度、壓力相對(duì)穩(wěn)定，波動(dòng)范圍不超過(guò)±5% ；
[0043]11)計(jì)算微尺度液冷器I的散熱效率和傳熱系數(shù)隨熱流密度、工作時(shí)間和冷卻液的流量的變化規(guī)律:
[0044]a)將制冷時(shí)最高溫度的溫升值相對(duì)于無(wú)冷卻時(shí)降低的比值作為散熱性能的一個(gè)
評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn):散熱效率
【權(quán)利要求】
1.一種微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)包括:微尺度液冷器(I)、發(fā)熱器件(2)、測(cè)溫系統(tǒng)(31和32)、冷卻液循環(huán)機(jī)(4)、計(jì)量泵(5)和分流器(6);其中，所述發(fā)熱器件(2)放置在微尺度液冷器(I)的表面；所述測(cè)溫系統(tǒng)面向發(fā)熱器件(2);冷卻液從所述微尺度液冷器(I)的出口流入冷卻液循環(huán)機(jī)(4)，經(jīng)冷卻液循環(huán)機(jī)(4)進(jìn)入計(jì)量泵(5)，再進(jìn)入分流器(6)，然后冷卻液的一部分通過(guò)分流器的第一出口(61)進(jìn)入微尺度液冷器(I)的入口 ；冷卻液的另一部分通過(guò)分流器的第二出口(62)流回到冷卻液循環(huán)機(jī)(4)中。
2.如權(quán)利要求1所述的微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)溫系統(tǒng)包括紅外測(cè)溫儀(31)和計(jì)算機(jī)(32)，所述紅外測(cè)溫儀(31)面向發(fā)熱器件(2)，所述紅外測(cè)溫儀(31)連接至計(jì)算機(jī)(32)。
3.如權(quán)利要求1所述的微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，在所述冷卻液循環(huán)機(jī)(4)的入口設(shè)置有流量計(jì)(7)。
4.如權(quán)利要求1所述的微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，在所述分流器(6)的第一出口設(shè)置有液壓表(8)。
5.如權(quán)利要求1所述的微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，在所述微尺度液冷器(I)的出口和入口分別設(shè)置有溫度計(jì)(9)。
6.如權(quán)利要求1所述的微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)熱器件(2 )連接至電源(21)，通過(guò)所述電源加載電壓改變熱流密度。
7.如權(quán)利要求1所述的微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻液采用水、乙二醇、酒精和甘油中的一種或多種。`
8.如權(quán)利要求3所述的微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述流量計(jì)(7)包括容積式、差壓式、浮子式、渦輪式、電磁式、渦街式和插入式。
9.如權(quán)利要求5所述的微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度計(jì)(9)包括熱電偶溫度計(jì)、酒精溫度計(jì)、水銀溫度計(jì)、氣體溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)和光測(cè)溫度計(jì)。
10.一種微尺度液冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試方法，其特征在于，所述測(cè)試方法包括以下步驟: 1)利用冷卻液循環(huán)機(jī)驅(qū)動(dòng)冷卻液工作，使出口的冷卻液的溫度恒定； 2)利用計(jì)量泵控制冷卻液流量，并提供微尺度液冷器所需壓力； 3)—部分冷卻液由分流器的第一出口流入微尺度液冷器，通過(guò)分流器進(jìn)一步精確控制冷卻液流量，多余的冷卻液由分流器的第二出口回流到冷卻液循環(huán)機(jī)中； 4)通過(guò)液壓表檢測(cè)微尺度液冷器的入口的初始的壓力； 5)通過(guò)溫度計(jì)測(cè)量微尺度液冷器的入口的冷卻液的溫度； 6)利用電源加載電壓來(lái)控制發(fā)熱器件的熱流密度； 7)利用測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄發(fā)熱器件的表面溫度場(chǎng)； 8)通過(guò)溫度計(jì)測(cè)量微尺度液冷器的出口的溫度； 9)利用流量計(jì)測(cè)量和驗(yàn)證從分流器的第一出口流出的一部分冷卻液的流量； 10)另一部分冷卻液從分流器的第二出口流回到冷卻液循環(huán)機(jī)中，不斷重復(fù)步驟I)~10)，直到冷卻液的溫度、壓力相對(duì)穩(wěn)定； 11)計(jì)算微尺度液冷器的散熱效率和傳熱系數(shù)隨熱流密度、工作時(shí)間和冷卻液的流量的變化規(guī)律。`
【文檔編號(hào)】G01N25/20GK103487459SQ201310481442
【公開(kāi)日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月15日
【發(fā)明者】張楊飛, 張?zhí)m英 申請(qǐng)人:北京大學(xué)