CN103487459A - 一种微尺度液冷器散热性能测试***及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微尺度液冷器散热性能测试***及其测试方法。本发明的微尺度液冷器散热性能测试***包括：微尺度液冷器、发热器件、测温***、冷却液循环机、计量泵和分流器。本发明一方面利用微流体分流控制技术的高可靠性、准确性和高精度，通过冷却液循环机、计量泵和分流器，一步步地精确控制冷却液的温度、流量和压力，实现对低流量或极低流量冷却液的精确控制；另一方面利用先进的红外热成像技术实时监测发热器件的表面温度场，实现微尺度器件的工作温度场的可视化观测。本发明极大地提高微尺度液冷器的散热性能测量的准确性、精确性和可靠性，特别适合于航空航天、信息通信、交通医疗、自动控制、消费电子等微尺度液冷器的散热性能测试。

Description

一种微尺度液冷器散热性能测试***及其测试方法

技术领域

本发明涉及散热性能测试技术，尤其涉及一种微尺度液冷器散热性能测试***及其测试方法。

背景技术

随着微电子技术的飞速发展，微型化、高集成化、多功能化、大功率化逐渐成为电子产品的潮流与趋势。微电子器件尺寸越来越小，从微米量级向纳米量级发展，集成度以每年40％～50％的速度高速增长，每个芯片上都有成百上万个元器件，高性能芯片和电子器件的热流密度已经超过100W/cm²，热致失效问题已经逐渐成为制约微电子技术发展的瓶颈。要把微尺度器件上产生的高热量带走，对流、辐射、传导等自然冷却冷却技术已不再适用，其散热热流密度不超过0.155W/cm²，金属热通孔的热流密度也不超过10W/cm²，只有液体冷却和热管冷却技术可用于热流密度大于100W/cm²的器件散热，传热系数高，可以制造体积很小、重量很轻的产品，但是热管在使用一段时间后传热性能会下降，还要承受热流密度、流动阻力、毛细压差等工作极限的限制。

微尺度液冷器以液体冷却技术中的微流体散热技术（也称为微流道散热技术）为基础，在定向硅片、封装基板、散热金属板或其他高热导材料上利用各向异性蚀刻、微机械加工等技术制造出微尺度流道，液体在流过微流道时通过蒸发或者直接将热量带走，散热效果非常好，理论可用于热流密度1000W/cm²的工作热环境。微尺度液冷器能避免直接液体冷却、间接液体冷却、液体射流冷却、喷淋冷却、滴液冷却等其他液体冷却技术在实际应用中存在的渗漏、热滞后会引起的热激波、热应力过高、芯片热电不匹配和***维护不方便等问题，为解决微电子器件的热致失效问题提供了很好的解决方法。

然而微尺度散热器内冷却液（微流体）流量小，流速相对较快，所需水压随流道形状变化大；微电子器件尺寸小，发热不均匀，器件上任意一点的最高温度值超过工作温度极限后，均有可能导致整个器件失效，传统的散热性能测试技术已经无法满足微尺度液冷器散热性能的测试需要。微尺度液冷器的散热性能测试需要同时结合微流体分流控制技术和红外测温技术，一方面利用冷却液循环机使入口水温恒定，利用计量泵提供压力，结合分流器精确控制冷却液流量，并利用直流电源加载电压控制热流密度；另一方面，利用热电偶、液压表、流量计实时检测冷却液温度、压力和流量，利用红外热成像仪实时监测器件表面温度场，测量散热效率和传热系数随热流密度、工作时间、冷却液流量的变化规律。

发明内容

针对以上现有技术存在的问题，本发明提供一种利用微流体分流控制技术和红外测温技术的微尺度液冷器散热性能测试***及其测试方法，通过冷却液温度、压力、流量、热源热流密度和温度场的精确控制与检测，计算散热效率和传热系数随热流密度、工作时间、冷却液流量的变化规律，实现低流量或极低流量下微尺度液冷器的散热性能测量。

本发明的一个目的在于提供一种微尺度液冷器散热性能测试***。

本发明的微尺度液冷器散热性能测试***包括：微尺度液冷器、发热器件、测温***、冷却液循环机、计量泵和分流器；其中，发热器件放置在微尺度液冷器的表面；测温***面向发热器件；冷却液从微尺度液冷器的出口流入冷却液循环机，经冷却液循环机进入计量泵，再进入分流器，然后冷却液的一部分通过分流器的第一出口进入微尺度液冷器的入口；冷却液的另一部分通过分流器的第二出口流回到冷却液循环机中。

测温***包括红外测温仪和计算机，红外测温仪面向发热器件，红外测温仪连接至计算机。利用先进的红外热成像技术实时监测器件表面温度场，实现微尺度器件工作温度场的可视化观测。

冷却液循环机、计量泵和分流器构成压力和流量控制***；冷却液循环机驱动冷却液流动，并且控制出口的冷却液的温度恒定；计量泵控制冷却液的流量并提供压力；分流器进一步精确控制冷却液的流量，并且多余的冷却液流回到冷却液循环机中重复利用；从而实现控制循环流动的微尺度液冷器中的冷却液的压力和流量。冷却液循环机结合计量泵和分流器，形成微流体分流控制，能够精确地控制冷却液的压力和流量，实现低流量、微尺度测量。在冷却液循环机的入口设置有流量计，用来实时地测量冷却液的流量，以精确地控制冷却液的流量。在分流器的第一出口设置有液压表，用来实时地测量冷却液的压力，以精确地控制冷却液的压力。并且，在微尺度液冷器的出口和入口分别设置温度计，以实现对冷却液在微尺度液冷器的出口和入口的温度的实时测量。

冷却液采用水、乙二醇、酒精和甘油中的一种或多种。温度计包括热电偶温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计和光测温度计。流量计包括容积式、差压式、浮子式、涡轮式、电磁式、涡街式和***式。

发热器件连接至电源，通过电源加载电压改变热流密度。发热器件为电子器件或发热电阻。

本发明的另一个目的在于提供一种微尺度液冷器散热性能测试***的测试方法。

本发明的微尺度液冷器散热性能测试***的测试方法，包括以下步骤：

1）利用冷却液循环机驱动冷却液工作，使出口的冷却液的温度恒定；

2）利用计量泵控制冷却液流量，并提供微尺度液冷器所需压力；

3）一部分冷却液由分流器的第一出口流入微尺度液冷器，通过分流器进一步精确控制冷却液流量，多余的冷却液由分流器的第二出口回流到冷却液循环机中；

4）通过液压表检测微尺度液冷器的入口的初始的压力；

5）通过温度计测量微尺度液冷器的入口的冷却液的温度；

6）利用电源加载电压来控制发热器件的热流密度；

7）利用测温***实时监测并记录发热器件的表面温度场；

8）通过温度计测量微尺度液冷器的出口的温度；

9）利用流量计测量和验证从分流器的第一出口流出的一部分冷却液的流量；

10）另一部分冷却液从分流器的第二出口流回到冷却液循环机中，不断重复步骤1）～10），直到冷却液的温度、压力相对稳定；

11）计算微尺度液冷器的散热效率和传热系数随热流密度、工作时间和冷却液的流量的变化规律。

本发明的优点：

本发明提供的微尺度液冷器散热性能测试***，一方面利用微流体分流控制技术的高可靠性、准确性和高精度，通过冷却液循环机、计量泵和分流器，一步步地精确控制冷却液的温度、流量和压力，实现对低流量或极低流量冷却液的精确控制，结合温度计、液压表和流量计进行实时检测；另一方面利用先进的红外热成像技术实时监测发热器件的表面温度场，通过电源加载电压改变热流密度，实现微尺度器件的工作温度场的可视化观测。这两种技术的结合可以极大地提高微尺度液冷器的散热性能测量的准确性、精确性和可靠性，特别适合于航空航天、信息通信、交通医疗、自动控制、消费电子等国家经济发展和国家安全保障领域中高集成度、大功率、微尺寸电子产品配套的微尺度液冷器的散热性能测试。

附图说明

图1为本发明的微尺度液冷器散热性能测试***的结构框图；

图2为本发明的微尺度液冷器散热性能测试***的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的微尺度液冷器散热性能测试***包括微尺度液冷器、测温***、冷却液循环机、计量泵和分流器。

如图2所示，本实施例的微尺度液冷器散热性能测试***包括：微尺度液冷器1、发热器件2、测温***31和32、冷却液循环机4、计量泵5和分流器6；其中，发热器件2放置在微尺度液冷器1的表面；测温***面向发热器件2；冷却液从微尺度液冷器1的出口流入冷却液循环机4，经冷却液循环机4进入计量泵5，再进入分流器6，然后冷却液的一部分通过分流器的第一出口61进入微尺度液冷器1的入口；冷却液的另一部分通过分流器的第二出口62重新回到冷却液循环机4中。进一步包括：设置在冷却液循环机4的入口的流量计7；设置在分流器的第一出口61的液压表8；以及设置在微尺度液冷器1的出口和入口的温度计9。温度计采用热电偶温度计。测温***包括红外测温仪31和计算机32。分流器6采用带开关阀的三通水管接头。发热器件2连接至电源21。

本实施例的微尺度液冷器散热性能测试***的测试方法，包括以下步骤：

1）利用冷却液循环机4驱动冷却液流动，工作时循环机出口的冷却液温度恒定为室温（0～30℃）；

2）利用计量泵5控制冷却液流量（0～100ml/s），并提供微尺度液冷器所需压力（0～1.6MPa）；

3）使用带开关阀的三通水管接头做分流器6，冷却液通过第一出口61流入微尺度液冷器1，通过分流器进一步精确控制冷却液的流量，精确度可以达到0.001ml/s，多余的冷却液通过第二出口62回流至冷却液循环机中重复利用；

4）通过液压表8检测微尺度液冷器1的入口的初始的压力；

5）通过温度计9测量微尺度液冷器1的入口的冷却液的温度；

6）利用电源21加载电压控制发热器件的热流密度（0～1000W/cm2）；

7）利用红外测温仪31实时监测发热器件的表面温度场（0～200℃），测量并记录最高温度值随发热器件的热流密度、工作时间和冷却液的流量的变化；

8）利用温度计9测量微尺度液冷器的出口的冷却液温度（0～100℃）；

9）利用流量计7检测从分流器的第一出口61流出的一部分冷却液的流量；

10）另一部冷却液从分流器的第二出口62流回到冷却液循环机4中，不断重复步骤1）～10），直到冷却液的温度、压力相对稳定，波动范围不超过±5%；

11）计算微尺度液冷器1的散热效率和传热系数随热流密度、工作时间和冷却液的流量的变化规律：

a）将制冷时最高温度的温升值相对于无冷却时降低的比值作为散热性能的一个评价标准：

单位为%，散热效率数值越高，代表此种微尺度液冷器的散热性能越好，其中，T_ch为制冷时发热器件的最高温度，T_h为无冷却时发热器件的最高温度，T₀为室温；

b）微尺度液冷器工作中，发热器件的最高的工作温度达到极限值时，通过水温的变化推算出微尺度液冷器的传热系数，单位为W/m²·k，冷却液流量最大时对应的传热系数代表此种液冷器的散热极限，其中T_out为冷却液在微尺度液冷器的出口的温度，T_in为冷却液在微尺度液冷器的入口的温度；C为冷却液的比热容，Q为冷却液的流量，ρ为冷却液的密度，A为发热器件的面积；

c）改变热流密度、工作时间和冷却液的流量，计算散热效率随热流密度、工作时间和冷却液的流量的变化规律，计算传热系数随冷却液的流量的变化规律。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种微尺度液冷器散热性能测试***，其特征在于，所述微尺度液冷器散热性能测试***包括：微尺度液冷器（1）、发热器件（2）、测温***（31和32）、冷却液循环机（4）、计量泵（5）和分流器（6）；其中，所述发热器件（2）放置在微尺度液冷器（1）的表面；所述测温***面向发热器件（2）；冷却液从所述微尺度液冷器（1）的出口流入冷却液循环机（4），经冷却液循环机（4）进入计量泵（5），再进入分流器（6），然后冷却液的一部分通过分流器的第一出口（61）进入微尺度液冷器（1）的入口；冷却液的另一部分通过分流器的第二出口（62）流回到冷却液循环机（4）中。

2.如权利要求1所述的微尺度液冷器散热性能测试***，其特征在于，所述测温***包括红外测温仪（31）和计算机（32），所述红外测温仪（31）面向发热器件（2），所述红外测温仪（31）连接至计算机（32）。

3.如权利要求1所述的微尺度液冷器散热性能测试***，其特征在于，在所述冷却液循环机（4）的入口设置有流量计（7）。

4.如权利要求1所述的微尺度液冷器散热性能测试***，其特征在于，在所述分流器（6）的第一出口设置有液压表（8）。

5.如权利要求1所述的微尺度液冷器散热性能测试***，其特征在于，在所述微尺度液冷器（1）的出口和入口分别设置有温度计（9）。

6.如权利要求1所述的微尺度液冷器散热性能测试***，其特征在于，所述发热器件（2）连接至电源（21），通过所述电源加载电压改变热流密度。

7.如权利要求1所述的微尺度液冷器散热性能测试***，其特征在于，所述冷却液采用水、乙二醇、酒精和甘油中的一种或多种。

8.如权利要求3所述的微尺度液冷器散热性能测试***，其特征在于，所述流量计（7）包括容积式、差压式、浮子式、涡轮式、电磁式、涡街式和***式。

9.如权利要求5所述的微尺度液冷器散热性能测试***，其特征在于，所述温度计（9）包括热电偶温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计和光测温度计。

10.一种微尺度液冷器散热性能测试***的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：

1）利用冷却液循环机驱动冷却液工作，使出口的冷却液的温度恒定；

2）利用计量泵控制冷却液流量，并提供微尺度液冷器所需压力；

3）一部分冷却液由分流器的第一出口流入微尺度液冷器，通过分流器进一步精确控制冷却液流量，多余的冷却液由分流器的第二出口回流到冷却液循环机中；

4）通过液压表检测微尺度液冷器的入口的初始的压力；

5）通过温度计测量微尺度液冷器的入口的冷却液的温度；

6）利用电源加载电压来控制发热器件的热流密度；

7）利用测温***实时监测并记录发热器件的表面温度场；

8）通过温度计测量微尺度液冷器的出口的温度；

9）利用流量计测量和验证从分流器的第一出口流出的一部分冷却液的流量；

10）另一部分冷却液从分流器的第二出口流回到冷却液循环机中，不断重复步骤1）～10），直到冷却液的温度、压力相对稳定；

11）计算微尺度液冷器的散热效率和传热系数随热流密度、工作时间和冷却液的流量的变化规律。

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