一种智能调控的相变冷却器及其冷却方法与流程

本发明涉及微电子芯片散热技术领域，尤其是涉及一种智能调控的相变冷却器及其冷却方法。

背景技术：

随着微电子芯片集成度及功率密度的提升，其发热问题也越发严峻，芯片的工作温度对于其性能具有重要的影响，与此同时各种微电子芯片冷却器也应运而生。目前常见的微电子芯片冷却器有风冷式、相变冷却式等，尤其是相变冷却器，因其具有较强的冷却能力而受到了广泛的关注与使用。

芯片在实际工作时的发热往往是不均匀的，一些发热量较大的局部区域被称作为芯片的热点，热点的存在使芯片容易产生局部失效，如果处理不及时则会严重影响芯片的正常运行。目前的相变冷却器均是从考虑芯片均匀发热角度而设计的，虽然采用了高导热率的散热底板来均衡不同位置的温差，但是当芯片的散热面积较大或者发热不均匀性较强时，现有相变冷却器的散热效果欠佳。此外，目前微电子芯片相变冷却器的泵功耗也存在普遍偏高的情况。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种智能调控的相变冷却器及其冷却方法，以解决微电子芯片发热不均匀情况下的散热问题，减少相变冷却器的泵功率消耗。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种智能调控的相变冷却器，包括自上而下依次布置的储液腔室、回流腔室和冷却腔室，所述储液腔室上设置有用于流入冷却工质的总入口，所述回流腔室上设置有用于流出汽液混合工质的总出口，所述储液腔室通过多个流量可控的连通管与冷却腔室内多个冷却单元对应连接，所述多个冷却单元呈矩阵排列结构布置在冷却腔室内，所述多个冷却单元对应于微电子芯片的不同位置，所述冷却腔室与回流腔室之间设置有盖板，所述盖板上开设有用于流出汽液混合工质的多个分出口，所述盖板上还开设有与连通管连接的分入口，所述总入口与给液泵连接，所述总出口与冷凝器连接，所述冷凝器通过液池连接至给液泵。

进一步地，所述冷却腔室包括散热底板和包围在散热底板四周的冷却腔室挡板，所述散热底板被划分为多个冷却单元，所述冷却单元之间以及冷却单元与冷却腔室挡板之间形成回流通道，所述回流通道与分出口对应连通。

进一步地，所述冷却单元的表面设置有微尺度结构，所述微尺度结构包括分叉排布肋柱结构和平行微通道结构。

进一步地，所述分入口对应于冷却单元的中心位置。

进一步地，所述回流腔室包括包围在盖板四周的回流腔室挡板，所述总出口开设在回流腔室挡板的侧壁。

进一步地，所述总入口开设在储液腔室的顶部。

进一步地，所述连通管上设置有电磁阀，所述冷却单元配置有温度传感器，所述电磁阀和温度传感器均连接至散热控制系统，所述温度传感器用于采集冷却单元的温度数据，并将温度数据传输给散热控制系统，所述散热控制系统用于控制电磁阀的开度，以调节连通管内冷却工质的流量。

进一步地，所述散热控制系统包括控制芯片，所述控制芯片分别与电磁阀、给液泵以及温度传感器连接，所述控制芯片还连接有触控显示屏、存储器、压力传感器、流量计、蜂鸣器以及通信模块，所述触控显示屏用于显示相变冷却器的运行参数，以及接收用户输入的操作控制信息；

所述存储器内存储有相变冷却器在不同控制目标温度及热流密度情况下对应的基准流量；

所述压力传感器安装于总入口及总出口位置，用于采集相变冷却器的压力数据；

所述流量计安装于总入口位置，用于采集进入相变冷却器的总的冷却工质流量；

所述通信模块用于实现控制芯片与外部设备的数据信息传输；

所述控制芯片用于控制给液泵的开启与关闭、用于控制电磁阀的开度、用于输出报警控制信息给蜂鸣器。

一种应用上述相变冷却器的冷却方法，包括以下步骤：

s1、根据微电子芯片的额定功率以及微电子芯片与相变冷却器的接触面积，控制芯片计算得到热流密度；

s2、根据用户设置的目标温度以及计算得到的热流密度，控制芯片调用存储器内的数据，得到相变冷却器的初始基准流量，从而控制电磁阀的初始开度；

s3、温度传感器将采集的各冷却单元的温度数据实时传输给控制芯片，控制芯片通过将各冷却单元的温度数据与目标温度进行比较，以分别控制各电磁阀的开度，从而实现对微电子芯片不同位置温度进行差异化散热调整的目的。

进一步地，所述步骤s3中控制芯片控制各电磁阀开度的具体过程为：

控制芯片分别将各冷却单元的温度数据与目标温度进行比较，若该冷却单元的温度数据大于目标温度，且两者之间差值的绝对值大于或等于预设值，则控制芯片控制增大该冷却单元连接的连通管上电磁阀的开度；

若该冷却单元的温度数据小于目标温度，且两者之间差值的绝对值大于或等于预设值，则控制芯片控制减小该冷却单元连接的连通管上电磁阀的开度；

若该冷却单元的温度数据与目标温度之间差值的绝对值小于预设值，则控制芯片控制维持当前该冷却单元连接的连通管上电磁阀的开度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明通过在相变冷却器内设置多个对应于微电子芯片不同位置的冷却单元，并将各冷却单元通过流量可控的连通管与储液腔室连接，使得不同流量的冷却工质能够分别进入冷却单元，从而对微电子芯片不同位置进行智能差异化的散热调整，以此有效解决微电子芯片发热不均匀情况下的散热问题。

二、本发明通过在回流腔室与冷却腔室之间设置盖板，并在盖板上分别开设与各冷却单元连通的多个分入口以及与冷却腔室内回流通道连通的多个分出口，结合冷却单元的微尺度结构设计，使得冷却工质能够通过分入口充分迅速进入对应的冷却单元、并且通过汽液相变过程吸收大量的热量，冷却腔室内产生的汽液混合工质能够充分迅速从分出口流出，以此大大提高冷却效果及散热效率。

三、本发明利用散热控制系统，结合冷却单元内设置的温度传感器，能够根据各冷却单元的实际温度数据与设定的目标温度，分别对各冷却单元连接的连通管上的电磁阀开度进行智能控制，以此调节各冷却单元对应的冷却工质流量，既能够实时可靠地保证散热效果，同时能够在冷却单元实际温度数据低于目标温度的情况下，通过减小电磁阀开度、减小流入冷却工质流量，从而实现降低给液泵功率消耗的目的，进一步产生节能效果。

附图说明

图1为本发明的外形结构示意图；

图2为实施例一的相变冷却器结构分解示意图；

图3a为实施例一中单个冷却单元的结构示意图；

图3b为实施例一中冷却腔室内冷却单元的布置结构示意图；

图4a为实施例二中单个冷却单元的结构示意图；

图4b为实施例二中冷却腔室内冷却单元的布置结构示意图；

图5为实施例一中冷却工质的流动循环示意图；

图6为本发明中散热控制系统的连接结构示意图；

图7为本发明中散热控制系统的散热控制流程图；

图中标记说明：1、总入口，2、储液腔室，3、回流腔室，4、回流腔室挡板，5、连通管，6、电磁阀，7、盖板，8、分入口，9、冷却腔室挡板，10、冷却腔室，11、回流通道，12、散热底板，13、分叉排布肋柱结构，14、分出口，15、总出口，16、相变冷却器主体，17、液池，18、给液泵，19、冷凝器，20、汽泡，21、配流通道，22、平行微通道结构，23、控制芯片，24、触控显示屏，25、存储器，26、温度传感器，27、压力传感器，28、流量计，29、蜂鸣器，30、通信模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种智能调控的相变冷却器，包括外观呈长方体结构的相变冷却器主体16，其尺寸可以在遵循设计原理的情况下根据具体的冷却需求进行调整，在相变冷却器主体16的顶部和侧面分别开设总入口1和总出口15。具体的，如图2所示，实施例一中，相变冷却器从上往下依次设置有储液腔室2，回流腔室3及冷却腔室10，其中储液腔室2及回流腔室3均具有一定的厚度，以消除其对流量分配产生影响，储液腔室2通过多个流量可控的连通管5与冷却腔室10内多个冷却单元对应连接，连通管5上设置有电磁阀6，多个冷却单元呈矩阵排列结构布置在冷却腔室10内，多个冷却单元分别对应于微电子芯片的不同位置；

冷却腔室10与回流腔室3之间设置有盖板7，盖板7上开设有用于流出汽液混合工质的多个分出口14，盖板7上还开设有与连通管5连接的分入口8；

冷却腔室10包括散热底板12和包围在散热底板12四周的冷却腔室挡板9，散热底板12被划分为多个冷却单元，冷却单元之间以及冷却单元与冷却腔室挡板之间形成回流通道11，回流通道11与分出口14对应连通；

回流腔室3包括包围在盖板7四周的回流腔室挡板4，总出口15开设在回流腔室挡板4的侧壁，总入口1开设在储液腔室2的顶部。

如图3a所示，实施例一中，冷却单元具体为分叉排布肋柱结构13，冷却工质从位于冷却单元中心位置的分入口8进入后，发散流动至外围，分叉式排布的肋柱结构13可以消除流动滞止区域，保障其表面的流体均具有相对较高的流动速度，冷却工质在流经肋柱结构时会发生汽液相变而吸收大量的热量，同时汽化形成汽泡20，其流型也从单相流动转变为汽液两相流动。冷却工质从中心流向外围时的流动速度逐步降低，使外围汽泡与加热壁面之间具有较薄的液膜厚度，利于强化传热，此外，肋柱表面设置的微细沟槽结构有利于形成汽化核心，进而增大相变传热系数。

如图3b所示，实施例一中，共有9个不同的冷却单元，与之相对应的是9个分入口8，需要指出的是，相变冷却器的冷却单元个数是可以根据实际的冷却需求进行调整的，该相变冷却器共设置有12个分出口14，其中8个排布于冷却腔室10的边缘位置，4个排布于冷却腔室10的中部位置，分出口14的数量及位置也可以通过实际的冷却需求进行调整。每个冷却单元与其他冷却单元或者冷却腔室挡板9之间围成回流通道11，吸收热量后的汽液混合工质经由回流通道11流动至分出口14，回流通道11的宽度也可以根据实际的冷却需求进行调整。

如图4a所示，实施例二中，冷却单元具体为平行微通道结构22，液态冷却工质从分入口8进入到配流通道21内，其沿着配流通道21流动的同时，也逐步流入平行微通道结构22内，在微通道壁面的加热作用下，其逐步转变为汽液混合工质。如图4b所示的实施例二中，该平行微通道相变冷却器的入口及出口布局设计均与实施例一种分叉排布肋柱相变冷却器的设计相同，因此其冷却单元间的流动方式也十分接近。

以实施例一为例进行说明，冷却工质的流动循环示意如图5所示，液态的冷却工质储存在液池17中，由给液泵18送至相变冷却器内。冷却工质从总入口1进入到储液腔室2内，随后经由下方不同的连通管5从分入口8流入冷却腔室10内，冷却工质可以根据实际的冷却需求进行选取。连通管内设置有电磁阀6，可以通过电磁阀6的开度对流入冷却腔室10内的冷却工质流量进行控制，冷却腔室10上部的盖板7处设置有不同的分入口8，其分别对应冷却腔室内不同的冷却单元，以便进行分区差异化调控，冷却单元底部的散热底板12上分布有分叉排布肋柱13或平行微通道结构22，可以增大冷却工质与散热底板的接触面积，进而强化传热，冷却腔室10四周设置有冷却腔室挡板9，以确保冷却腔室的密闭性。在冷却单元内发生相变后的汽液混合工质汇聚到回流通道11内，随后经由回流通道11上部盖板7处的分出口14流入回流腔室3中，最终由设置在回流腔室挡板4的一侧的总出口15流出相变冷却器。汽液混合工质在冷凝器19中转变为液态的冷却工质，随后流入液池17中，进行下一轮的循环。在实际应用中，相变冷却器散热底板12部件采用高导热率材料制作，其余部件均采用绝热材料制作，以减少吸热后的汽液混合工质对液相冷却工质的加热，进而获得更佳的冷却效果。

为实现散热效果可控、降低给液泵功率损耗的目的，本发明采用散热控制系统对各连通管5上电磁阀6的开度进行控制，具体通过相应的智能温控算法来调整电磁阀6的开度以调整进入到不同冷却单元的冷却工质流量，该智能温控算法设定为：当冷却单元的温度测量值高于目标温度时，增大电磁阀的开度；当冷却单元的温度测量值低于目标温度值时，减小电磁阀的开度；当冷却单元的温度测量值接近目标温度值时，则不进行调整、维持当前电磁阀的开度。

如图6所示，散热控制系统包括负责数据信息处理的控制芯片23，控制芯片23分别与触控显示屏24、存储器25、温度传感器26、压力传感器27、流量计28、电磁阀6、给液泵18、蜂鸣器29及通信模块30连接。其中，触控显示屏24负责显示相变冷却器的运行参数，此外还可以进行控制信息的输入；存储器25内置有该相变冷却器在不同控制目标温度及热流密度情况下的基准流量数据，这些预置数据均通过实验获得，可以帮助相变冷却器更快地实现精准温度调控；温度传感器26负责采集实时采集温度，每个相变冷却单元下部均配置有单独的温度传感器；两个压力传感器27分别位于相变冷却器的总入口及总出口位置，负责监控系统的压力，以确保正常运行；流量计28位于总入口位置，负责获取进入相变冷却器的总液态工质流量。

控制芯片23结合设定的目标温度以及各冷却单元的实际温度数据，分别对各个电磁阀6的开度进行调整，进而控制流量，给液泵18采用定压式泵，当相变冷却器无法将芯片的温度控制在目标温度时，利用蜂鸣器29进行报警提示，通信模块30的作用是允许其他设备通过无线网络对该相变冷却器进行参数读取与控制。

将上述相变冷却器应用于实际，其具体的冷却过程包括以下步骤：

s1、根据微电子芯片的额定功率以及微电子芯片与相变冷却器的接触面积，控制芯片计算得到热流密度；

s2、根据用户设置的目标温度以及计算得到的热流密度，控制芯片调用存储器内的数据，得到相变冷却器的初始基准流量，从而控制电磁阀的初始开度；

s3、温度传感器将采集的各冷却单元的温度数据实时传输给控制芯片，控制芯片通过将各冷却单元的温度数据与目标温度进行比较，以分别控制各电磁阀的开度，从而实现对微电子芯片不同位置温度进行差异化散热调整的目的，具体的，控制芯片分别将各冷却单元的温度数据与目标温度进行比较，若该冷却单元的温度数据大于目标温度，且两者之间差值的绝对值大于或等于预设值，则控制芯片控制增大该冷却单元连接的连通管上电磁阀的开度；

若该冷却单元的温度数据小于目标温度，且两者之间差值的绝对值大于或等于预设值，则控制芯片控制减小该冷却单元连接的连通管上电磁阀的开度；

若该冷却单元的温度数据与目标温度之间差值的绝对值小于预设值，则控制芯片控制维持当前该冷却单元连接的连通管上电磁阀的开度。

如图7所示，在启动相变冷却器后，首先在触控显示屏界面中输入芯片的额定功率及芯片与散热底板之间的接触面积，相变冷却器会自动计算出散热面的热流密度，此外，还需要输入目标温度，即对相变冷却器散热底板的控制温度，芯片在该温度下即可高性能正常运行；

随后，控制芯片会根据所计算得出的热流密度及所输入的目标温度，自动调用存储器中的预置数据，给出分入口冷却工质的流量，此流量是相变冷却器进行智能温度控制时的基准流量；

最后，位于冷却腔室不同冷却单元内的温度传感器会实时读取温度测量值，由于微电子芯片的发热是不均匀分布的，因此不同冷却单元的温度测量值也是不同的，相变冷却器所使用的智能温控算法如下：当冷却单元的温度测量值高于目标温度时，冷却系统会自动增大连通管内电磁阀的开度，进而增大分入口冷却工质的流量，增强冷却效果；当冷却单元的温度测量值低于目标温度值时，冷却系统会自动减小连通管内电磁阀的开度，通过减小流量供给以降低冷却系统的泵功率消耗，在保障芯片温度正常的情况下同时起到节能的效果；当冷却单元的温度测量值接近目标温度值时，冷却系统正常运行，不对分入口冷却工质的流量进行调整。该相变冷却器通过对每一个冷却单元内的冷却工质流量进行智能控制，进而实现对芯片表面不同位置温度的差异化调整，解决芯片在不均匀发热情况下的散热问题。

综上所述，本发明基于分区差异化散热的应用，可以有效地解决微电子芯片发热不均情况下的散热问题，结合冷却单元的微尺度结构，具有非常强的冷却效果，此外还具有节能的特性，即在保障芯片冷却效果的前提下，通过智能温控主动降低泵功率消耗，本发明提出的技术方案在微电子芯片散热技术领域将具有广阔的应用前景。