一种微通道流体散热装置及散热控制系统

1.本发明涉及一种散热装置，具体为一种微通道流体散热装置及散热控制系统，属于电子器件技术领域。


背景技术：

2.随着电子技术的飞速发展，微型化、高集成的大功率电子器件应用越来越广泛。单个芯片上集成了大量的晶体管，芯片单位面积上集成器件数量的大幅增多将导致热流密度极大提高，尤其是局部热点的热流密度甚至可高达500—1000w/cm2，且有日益升高的趋势。
3.与此同时，由于芯片尺寸的缩小已经接近极限，芯片多层的叠加、装置整体小型化会使得三维集成电路的热量更加不易散出，使得芯片的发热问题更为严重，芯片过高的热流密度将导致器件温度超过其正常工作温度范围，从而加速电极劣化，降低其使用寿命，严重时甚至无法正常工作。相关研究指出，电子芯片的温度在70-80℃水平上每增加1℃，其可靠性将下降5％，超过55％的电子器件失效问题均与热管理相关。因此，电子器件的散热技术成为限制其进一步快速发展的重要因素。
4.在大部分对电子器件进行散热装置和方法，往往局限在是恒定流量的液体冷却工质，稳态流的液体冷却工质虽然也能起到散热降温的效果，但是其传热效果依然欠佳，对于一些高算力高发热的芯片和电子器件，其依旧不能满足良好的使用，保持运行的良好工况。


技术实现要素：

5.本发明通过以下技术方案予以实现：一种微通道流体散热装置及散热控制系统，包括带微通道的散热装置和电子器件，所述带微通道的散热装置与电子器件之间进行热传导，所述带微通道的散热装置一端连通有进液管，所述进液管上安装有流量计，所述流量计靠近带微通道的散热装置的入口处，所述流量计一端连通有过滤器，所述过滤器一端连通有阀门，所述阀门一端连通有脉动泵，所述带微通道的散热装置另一端连通有换热器，所述换热器的一端连通脉动泵用于液体回流；
6.所述的装置适用于如下的散热控制系统；
7.所述散热控制系统包括处理器、控制模组、存储单元、读取单元、无线传输模块、云端存储服务器、联网读取模块、数据对比、数据修正；
8.所述流量计用于测量带微通道的散热装置的脉动流流量，所述脉动流流量的无量纲化验证方法包括：利用正弦形式脉动流无量纲化计算公式：
[0009][0010]
其中：a是振幅，t是脉动流的周期，脉动频率是脉动流周期的倒数；
[0011]
q是瞬时流量，q
ave
是脉动泵的平均流量；
[0012]
当t/t＝0时，q/q
ave
＝1，即q＝q
ave
；
[0013]
当t＝t/4时，q＝q
ave
(1+a)，即q＝q
ave
(1+a)，流量达到最大值；
[0014]
当t＝t/2时，q＝q
ave
，即q＝q
ave
；
[0015]
当t＝3t/4时，q＝q
ave
(1-a)，即q＝q
ave
(1-a)，流量达到最小值。
[0016]
优选地，所述处理器用于控制控制模组并接受控制模组的数据反馈，所述控制模组用于控制阀门和脉动泵，所述流量计用于监测阀门和脉动泵流体路径上的流量，所述流量计获得的流量数据可传输至存储单元存储或实时的传输至处理器进行数据处理，所述阀门、脉动泵和流量计的数据存储至存储单元，所述读取单元用于读取存储单元的储存数据，读取单元读取的数据可以直接传输给处理器或使用无线传输模块上传至云端存储服务器。
[0017]
优选地，所述液体包括去离子水、含硅冷却液和含氟冷却液。
[0018]
优选地，所述过滤器用于过滤液体中的杂质。
[0019]
优选地，所述带微通道的散热装置由高导热率的金属制成。
[0020]
优选地，所述联网读取模块用于读取云端存储服务器存储的阀门的开合数据，脉动泵的运行数据和流量计的流量数据并经过数据对比和数据修正后传输至处理器，所述数据对比用于多次对比阀门的开合数据，脉动泵的运行数据和流量计的流量数据，选择较为准确的中位数据，即此相近似的数多次出现，此数据更具代表性，所述数据修正用于对偏差较大的数据进行报错并传输给处理器用于记录。
[0021]
本发明提供了一种微通道流体散热装置及散热控制系统，其具备的有益效果如下：
[0022]
1、该微通道流体散热装置及散热控制系统使用正弦形式的脉动流经过带微通道的散热装置和电子器件所形成的回流涡2减小，并且存在回流涡1消失的情况，正弦形式脉动流情况下的回流涡受到脉动流的影响，体积有明显减小，这样使得为通道上方的温度较低的液体与回流涡附近温度较高的工质发生混合，提高微通道的对流传热，使得电子器件得到更好的散热。
[0023]
2、该微通道流体散热装置及散热控制系统将带微通道的散热装置的冷却工质由流量恒定的稳态流转变为流量周期变化的脉动流，引发微通道内形成新的涡旋，从而破坏热边界层和回流涡结构，进一步增强冷热流体的混合，从而提高对流传热系数，最终更进一步降低电子器件的温度。
[0024]
3、该微通道流体散热装置及散热控制系统通过流量计不断的将测得的通路中的流量数据传输给处理器，处理器对数据处理，做出微调和监管，同时的，这些数据均会被存储单元存储，然后经读取单元读取后传输给处理器，这样的话存储单元可以将历史的数据作为处理器处理数据的对比数据，提高控制的精准度。
[0025]
4、该微通道流体散热装置及散热控制系统避免硬件存储时数据的丢失，提高了数据的安全性，可以有利于更好的控制通路的波形脉动流，使验证的结果更加的准确。
附图说明
[0026]
图1为本发明的整体结构示意图；
[0027]
图2为方波形式脉动流的示意图；
[0028]
图3为三角波形式脉动流的示意图；
[0029]
图4为本发明正弦形式脉动流的示意图；
[0030]
图5为本发明稳态流情况下的流线分布示意图；
[0031]
图6为本发明正弦形式脉动流情况下的流线分布示意图；
[0032]
图7为本发明散热控制系统的原理示意图。
[0033]
【主要组件符号说明】
[0034]
111、阀门；3、过滤器；4、流量计；5、带微通道的散热装置；6、电子器件；7、换热器；11、脉动泵。
具体实施方式
[0035]
本发明实施例提供一种微通道流体散热装置及散热控制系统。
[0036]
请参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6，包括带微通道的散热装置5和电子器件6，所述带微通道的散热装置5与电子器件6之间进行热传导，所述带微通道的散热装置5一端连通有进液管，所述进液管上安装有流量计4，所述流量计4靠近带微通道的散热装置5的入口处，所述流量计4一端连通有过滤器3，所述过滤器3一端连通有阀门111，所述阀门111一端连通有脉动泵11，所述带微通道的散热装置5另一端连通有换热器7，所述换热器7的一端连通脉动泵11用于液体回流，所述液体包括去离子水、含硅冷却液和含氟冷却液，所述过滤器3用于过滤液体中的杂质。
[0037]
所述带微通道的散热装置5由高导热率的金属制成；
[0038]
所述流量计4用于测量带微通道的散热装置5的脉动流流量，所述脉动流流量的无量纲化验证方法包括：利用正弦形式脉动流无量纲化计算公式：
[0039][0040]
其中：a是振幅，t是脉动流的周期，脉动频率是脉动流周期的倒数；
[0041]
q是瞬时流量，q
ave
是脉动泵的平均流量；
[0042]
当t/t＝0时，q/q
ave
＝1，即q＝q
ave
；
[0043]
当t＝t/4时，q＝q
ave
(1+a)，即q＝q
ave
(1+a)，流量达到最大值；
[0044]
当t＝t/2时，q＝q
ave
，即q＝q
ave
；
[0045]
当t＝3t/4时，q＝q
ave
(1-a)，即q＝q
ave
(1-a)，流量达到最小值。
[0046]
为了进一步说明公式的含义，将上述的无量纲化表述转变为有量纲表述就是：
[0047][0048]
即瞬时流量是周期性变化的、正弦形式的脉动流；
[0049]
当t＝0时，q＝q
ave
；
[0050]
当t＝t/4时，q＝q
ave
(1+a)；
[0051]
当t＝t/2时，q＝q
ave
；
[0052]
当t＝3t/4时，q＝q
ave
(1-a)。
[0053]
具体的，本发明中，液体经过脉动泵11泵出，阀门111对液体的释放起到控制开合的作用，开启则为循环通路，闭合则停止循环，阀门111的开合大小配合脉动泵11的功率可以控制液体的通量，液体经过过滤器3时被过滤，避免液体含有杂质，影响热传导的效果，起到净化液体的作用，液体可以为去离子水纯水、含硅冷却液、含氟冷却液等常用电子器件冷
却液体，区别于气体，但液体选取不被过多局限，流量计用来检测从阀门111和脉动泵11进入到通路中的液体流量，流量计4安装在带微通道的散热装置5的入口和出口均可，此安装位置不影响装置的使用和检测的准确或者说影响可以忽略不计，液体经过带微通道的散热装置5可以带走带微通道的散热装置5内部的大量热量，利用热传导的方式同时降低电子器件6的热量，当液体经过带微通道的散热装置5内部的微通道的时候，会在带微通道的散热装置5与电子器件6之间形成回流涡，请参照附图5，使用稳态流液体经过带微通道的散热装置5和电子器件6，并对照附图6，使用正弦形式的脉动流流过带微通道的散热装置5和电子器件6，其回流涡形式不一样，从附图来看，使用正弦形式的脉动流经过带微通道的散热装置5和电子器件6所形成的回流涡2减小，并且存在回流涡1消失的情况，正弦形式脉动流情况下的回流涡受到脉动流的影响，体积有明显减小，这样使得为通道上方的温度较低的液体与回流涡附近温度较高的工质发生混合，提高微通道的对流传热，使得电子器件6得到更好的散热，需要在此说明的是，正弦形式脉动流由阀门111、脉动泵11和下面才会提到的控制模组进行控制形成脉动流，其流量是正弦形式周期性变化的，进入带微通道的散热装置5的脉动流引发新的涡旋，从而破坏热边界层和回流涡结构，进一步增强冷热流体的混合，最终提高带微通道的散热装置5的散热性能，冷却工质液体温度提高，带微通道的散热装置5温度大幅降低。冷却工质离开带微通道的散热装置5后进入换热器7被冷却，换热器7与外部空气或其他介质进行接触进行散热，随后再一次进行下一个循环，本发明将带微通道的散热装置5的冷却工质由流量恒定的稳态流转变为流量周期变化的脉动流，引发微通道内形成新的涡旋，从而破坏热边界层和回流涡结构，进一步增强冷热流体的混合，从而提高对流传热系数，最终更进一步降低电子器件6的温度。
[0054]
上述装置的原理由下方表格1和表格2进行论述：
[0055]
表格1、平均流量0.0105kg/s情况芯片不同位置的平均温度
[0056][0057][0058]
表格2、不同流量对应芯片的平均温度
[0059][0060]
结合上述表格，以正弦形式脉动流为例：
[0061]
表格1给出的稳态流和正弦形式脉动流情况下芯片不同位置的平均温度，施加的是正弦形式的脉动流，脉动频率23hz，振幅a＝0.2，平均流量qave＝0.0105kg/s。脉动泵11产生的瞬时流量满足：
[0062][0063]
可以看出，相比于稳态流，正弦形式脉动流使得芯片不同位置的温度都有所降低。
[0064]
表格2给出不同流量时，稳态流和脉动流情况下芯片整体的平均温度，施加的是正弦形式的脉动流，脉动频率23hz，振幅a＝0.2。可以看出，相比稳态流，采用正弦形式脉动流时芯片整体温度都有所降低。
[0065]
另外的，通过控制模组、脉动泵11和阀门111的控制，还可产生三角波形式脉动流，方波形式脉动流。
[0066]
请参阅图1和图7，所述的装置适用于如下的散热控制系统；
[0067]
所述散热控制系统包括处理器、控制模组、存储单元、读取单元、无线传输模块、云端存储服务器、联网读取模块、数据对比、数据修正；
[0068]
所述处理器用于控制控制模组并接受控制模组的数据反馈，所述控制模组用于控制阀门111和脉动泵11，所述流量计4用于监测阀门111和脉动泵11流体路径上的流量，所述流量计获得的流量数据可传输至存储单元存储或实时的传输至处理器进行数据处理，所述阀门111、脉动泵11和流量计4的数据存储至存储单元，所述读取单元用于读取存储单元的储存数据，读取单元读取的数据可以直接传输给处理器或使用无线传输模块上传至云端存储服务器，所述联网读取模块用于读取云端存储服务器存储的阀门111的开合数据，脉动泵11的运行数据和流量计4的流量数据并经过数据对比和数据修正后传输至处理器，所述数据对比用于多次对比阀门111的开合数据，脉动泵11的运行数据和流量计4的流量数据，选择较为准确的中位数据，即此相近似的数多次出现，此数据更具代表性，所述数据修正用于对偏差较大的数据进行报错并传输给处理器用于记录。
[0069]
具体的，通过控制模组实现对于阀门111和脉动泵11的控制，以使装置的通路中形成不同的波形的脉动流，并且，处理器可以做出相应的指令以传输给控制模组，从而发送指令给阀门111和脉动泵11进行执行，在此过程中，流量计4不断的将测得的通路中的流量数据传输给处理器，处理器对数据处理，做出微调和监管，同时的，这些数据均会被存储单元存储，然后经读取单元读取后传输给处理器，这样的话存储单元可以将历史的数据作为处理器处理数据的对比数据，提高控制的精准度。
[0070]
另外的，读取单元的数据还可以经过无线传输模块上传至云端存储服务器，以避免硬件存储时数据的丢失，提高了数据的安全性，通过联网读取模块，将云端存储服务器的
数据读取后进行数据对比和数据修正后，处理器接收这些数据，可以实现大量的数据对比和数据修正，从而更加精准的实现对于阀门111和脉动泵11的控制，可以有利于更好的控制通路的波形脉动流，使验证的结果更加的准确。
[0071]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种微通道流体散热装置及散热控制系统，包括带微通道的散热装置(5)和电子器件(6)，所述带微通道的散热装置(5)与电子器件(6)之间进行热传导，其特征在于：所述带微通道的散热装置(5)一端连通有进液管，所述进液管上安装有流量计(4)，所述流量计(4)靠近带微通道的散热装置(5)的入口处，所述流量计(4)一端连通有过滤器(3)，所述过滤器(3)一端连通有阀门(111)，所述阀门(111)一端连通有脉动泵(11)，所述带微通道的散热装置(5)另一端连通有换热器(7)，所述换热器(7)的一端连通脉动泵(11)用于液体回流；所述的装置适用于如下的散热控制系统；所述散热控制系统包括处理器、控制模组、存储单元、读取单元、无线传输模块、云端存储服务器、联网读取模块、数据对比、数据修正；所述流量计(4)用于测量带微通道的散热装置(5)的脉动流流量，所述脉动流流量的无量纲化验证方法包括：利用正弦形式脉动流无量纲化计算公式：其中：a是振幅，t是脉动流的周期，脉动频率是脉动流周期的倒数；q是瞬时流量，q
ave
是脉动泵的平均流量；当t/t＝0时，q/q
ave
＝1，即q＝q
ave
；当t＝t/4时，q＝q
ave
(1+a)，即q＝q
ave
(1+a)，流量达到最大值；当t＝t/2时，q＝q
ave
，即q＝q
ave
；当t＝3t/4时，q＝q
ave
(1-a)，即q＝q
ave
(1-a)，流量达到最小值。2.根据权利要求1所述的一种微通道流体散热装置及散热控制系统，其特征在于：所述处理器用于控制控制模组并接受控制模组的数据反馈，所述控制模组用于控制阀门(111)和脉动泵(11)，所述流量计(4)用于监测阀门(111)和脉动泵(11)流体路径上的流量，所述流量计获得的流量数据可传输至存储单元存储或实时的传输至处理器进行数据处理，所述阀门(111)、脉动泵(11)和流量计(4)的数据存储至存储单元，所述读取单元用于读取存储单元的储存数据，读取单元读取的数据可以直接传输给处理器或使用无线传输模块上传至云端存储服务器。3.根据权利要求1所述的一种微通道流体散热装置及散热控制系统，其特征在于：所述液体包括去离子水、含硅冷却液和含氟冷却液。4.根据权利要求1所述的一种微通道流体散热装置及散热控制系统，其特征在于：所述过滤器(3)用于过滤液体中的杂质。5.根据权利要求1所述的一种微通道流体散热装置及散热控制系统，其特征在于：所述带微通道的散热装置(5)由高导热率的金属制成。6.根据权利要求2所述的一种微通道流体散热装置及散热控制系统，其特征在于：所述联网读取模块用于读取云端存储服务器存储的阀门(111)的开合数据，脉动泵(11)的运行数据和流量计(4)的流量数据并经过数据对比和数据修正后传输至处理器，所述数据对比用于多次对比阀门(111)的开合数据，脉动泵(11)的运行数据和流量计(4)的流量数据，选择较为准确的中位数据，即此相近似的数多次出现，此数据更具代表性，所述数据修正用于对偏差较大的数据进行报错并传输给处理器用于记录。

技术总结
本发明提供一种微通道流体散热装置及散热控制系统，涉及电子器件领域。该微通道流体散热装置及散热控制系统包括带微通道的散热装置和电子器件，所述带微通道的散热装置与电子器件之间进行热传导，所述带微通道的散热装置一端连通有进液管，所述进液管上安装有流量计，所述流量计靠近带微通道的散热装置的入口处，所述流量计一端连通有过滤器，所述过滤器一端连通有阀门，所述阀门一端连通有脉动泵。该微通道流体散热装置及散热控制系统正弦形式脉动流情况下的回流涡受到脉动流的影响，体积有明显减小，这样使得为通道上方的温度较低的液体与回流涡附近温度较高的工质发生混合，提高微通道的对流传热，使得电子器件得到更好的散热。的散热。的散热。


技术研发人员：高铁瑜 周亮 王喜华 宋本帅 王佳典
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/7/7