本发明专利技术公开了属于高性能芯片散热技术领域的一种基于主动气泡调控射流冷却装置及换热强化方法。其冷却装置包括下层射流热沉板和上层盖板；上层盖板设置射流孔和冷却工质出口；盖板内侧环绕射流孔周围布置由针尖电阻阵列和薄膜导线组成的主动气泡阵列电路。针尖电阻阵列在时序脉冲电压的激励下产生主动汽泡，主动气泡受脉冲电压的控制，按相位次序交替膨胀与收缩产生高频脉冲压力效应，使射流水柱绕射流孔循环摆动，一方面扩大射流冲击区域强化主流对流换热效果，另一方面对冷却工质热边界层产生压缩效应及对流扰动，减小近壁区传热热阻强化近壁区域传热。本发明专利技术提出的基于主动气泡调控射流冷却装置及方法在高性能芯片散热领域具有广阔的应用前景。领域具有广阔的应用前景。领域具有广阔的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
一种基于主动气泡调控射流冷却装置及换热强化方法
[0001]本专利技术属于高性能芯片散热
，特别涉及一种基于主动气泡调控射流冷却装置及换热强化方法。
技术介绍
[0002]近年来随着微电子行业的飞速发展，以高性能芯片为代表的集成电路工艺已日益接近摩尔定律所预言的技术极限，芯片上日渐增多的集成晶体管数量意味着其工作过程中释放的热量将越来越大，良好的散热系统可以使芯片在相对较低的理想温度下工作并发挥最佳的性能，因此发展高功率半导体芯片的冷却技术正逐渐成为芯片性能发展的主要议题之一。
[0003]针对高功率半导体芯片的散热问题，能够实现小型化与具有较高集成度的微射流冲击冷却，凭借其良好的冷却效果在半导体芯片散热领域具有广阔的应用前景。传统的微射流冷却器，仅能在围绕射流驻点周围的射流冲击区域能够获得极大的对流换热系数，而在远离驻点的壁面射流区域，随着冲击水柱波及范围及流动能力的衰减，对流换热系数也随着流体近壁区热边界层的增厚而逐步减弱，造成芯片整体换热不均匀，远离射流冲击区的局部位置仍有较高的热负荷，无法发挥射流冷却的高对流换热系数优势。现有的技术大多通过改良装置结构被动改善微射流冷却装置的上述缺陷，但对于高性能芯片，其发热情况复杂，被动结构无法满足应对具有高热流密度及复杂发热状况的高性能芯片散热需求。综上所述，目前对于进一步强化射流冷却装置换热问题仍有很大的进步空间，因此解决射流冷却装置高效流动换热问题成为制约其发展的关键问题。针对此问题本专利技术提供一种基于主动气泡调控射流冷却装置及方法以强化高性能芯片散热能力。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的是提供一种基于主动气泡调控射流冷却装置及换热强化方法。所述主动气泡调控射流冷却装置自下而上依次包括下层射流热沉板1和上层盖板2。下层射流热沉板1设置射流槽道；上层盖板2设置射流孔21和冷却工质出口22；其特征在于，下层射流热沉板1的射流槽道完全覆盖高性能芯片的发热区域；在上层盖板2面向下层射流热沉板1侧环绕射流孔21布置主动气泡阵列电路23。主动气泡阵列电路23由针尖电阻阵列231和薄膜导线电路232构成；主动气泡阵列电路23与通过薄膜导线电路232与外部时序脉冲电源连接；所述射流槽道的深度小于采用的冷却工质的毛细长度；上层盖板2的尺寸大于下层射流热沉板1，其在长度和宽度方向均为下层射流热沉板1的1.2—1.5倍；
[0005]所述冷却工质在射流槽道内射流冲击冷却换热。
[0006]所述针尖电阻阵列231由通过薄膜导线电路232连接的独立针尖电阻与外部时序脉冲电源构成的电回路组成，其中，电回路由外部时序脉冲电源提供的脉冲电压独立控制；在外部时序脉冲电源提供的脉冲电压激励针尖电阻产生GW/mm2的热流密度，控制主动汽泡的产生、生长与收缩；时序脉冲电源提供的脉冲电压脉冲频率大于100Hz，脉冲电压的最大
值采用5V～50V。
[0007]所述针尖电阻的形状采用圆形或矩形；针尖电阻阵列231由N个独立针尖电阻环绕射流孔21布置构成，独立针尖电阻间的相位差为2π/N；薄膜导线电路232的宽度大于100μm，针尖电阻阵列231与射流孔21边缘的距离小于选用冷却工质的毛细长度；独立针尖电阻面积为0.002mm2～0.004mm2，
[0008]所述主动气泡电路阵列23分别与下层热沉板1、上层盖板2和选用冷却工质之间电绝缘。
[0009]一种基于主动气泡调控射流冷却装置的换热强化方法，其特征在于，冷却工质在微泵的驱动下经中心射流孔21进入冷却器的射流热沉板1射流槽道进行直接冲击冷却；环形布置于射流孔21周围的针尖电阻阵列231，在外部时序脉冲电源的电压激励下瞬间生成频率和相位可控的主动汽泡，其快速膨胀的相界面对垂直射入的冷却工质产生挤压效应，使冷却工质的射流方向朝主动气泡的反向相位偏移，射流冲击驻点位置随之改变；由脉冲电压频率主动控制使其按相位次序高频交替生长主动汽泡，使射流冷却工质围绕射流孔21中心线发生高频循环摆动，将射流冲击区域向外延伸强化射流冷却效果，使射流热沉板1均匀换热。高频交替生长的主动汽泡导致的脉冲压力扰动产生强烈的脉冲微对流效应，进一步强化射流槽道内冷却工质的对流换热效应；高频交替产生的主动气泡对其下方的冷却工质热边界层产生压缩效应及对流扰动，减小近壁区传热热阻强化近壁区域传热；通过主动控制时序脉冲电压的频率和幅值，实现主动控制射流冲击的循环摆动频率和范围，可以根据半导体芯片的工作状态主动调控冷却装置的射流冷却效果。
[0010]本专利技术的有益效果是本专利技术提出的强化的冷却装置及强化换热方法对高性能电子元器件冷却具有良好的综合换热性能，具体体现在以下三个方面。
[0011](1).通过外部时序脉冲电压主动控制高频交替生长的主动气泡，凭借主动气泡迅速膨胀的相界面导致的挤压效应，使射流方向发生同频循环摆动，从而扩展了射流冲击区域范围，有效地强化了射流冲击冷却的效果，改善高性能芯片的整体热负荷分布不均的状况。
[0012](2).高频产生的主动气泡在射流微通道内较大的相界面膨胀率，能够使流体热边界层被持续压缩，降低近壁区冷却工质温度梯度从而强化对流换热效果。
[0013](3).主动气泡的生成周期、频率和大小均能够通过控制外部时序脉冲电压的频率、幅值和波形进行控制，通过指定高效的脉冲策略能够实现对芯片进行智能化、集成化以及低功耗主动散热调控。
附图说明
[0014]图1为主动气泡调控射流冷却装置整体结构示意图。
[0015]图2为图1的剖视图。
[0016]图3为局部剖开示意图。
[0017]图4为主动气泡电路阵列示意图，其中，a)强化冷却射流槽道布置示意图；b)A部放大示意图。
[0018]图5为主动气泡调控射流冷却装置的强化冷却原理示意图。
[0019]图中：1、射流热沉板；2、盖板；21、射流孔；22、出口；23、主动气泡电路阵列；231、针
尖电阻阵列；232、薄膜导线电路。
具体实施方式
[0020]本专利技术提出一种基于主动气泡调控射流冷却装置及换热强化方法，下面结合说明书附图和实施例对本专利技术作进一步详细说明。
[0021]图1和图2分别所示为射流冷却装置整体结构示意图和剖视图，冷却装置自下而上依次包括下层射流热沉板1和上层盖板2。
[0022]图3所示为冷却装置局部剖开示意图，下层射流热沉板1设置射流槽道，冷却工质在射流槽道内射流冲击冷却换热。上层盖板2设置射流孔21和冷却工质出口22。在上层盖板2面向下层射流热沉板1侧环绕射流孔21布置主动气泡阵列电路23。主动气泡阵列电路23由针尖电阻阵列231和薄膜导线电路232构成。主动气泡阵列电路23与通过薄膜导线电路232与外部时序脉冲电源连接。
[0023]图4所示为主动气泡电路阵列示意图，如图4中a所示针尖电阻阵列231由通过薄膜导线电路232连接的独立针尖电阻与外部时序脉冲电源构成的电回路组成，其中，电回路由外部时序脉冲电源提供的脉冲电压独立控制；本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于主动气泡调控射流冷却装置，冷却装置自下而上依次包括下层射流热沉板(1)和上层盖板(2)；上层盖板(2)设置射流孔(21)和冷却工质出口(22)；其特征在于，下层射流热沉板(1)内的冷却工质换热区域完全覆盖芯片的发热区域；在上层盖板(2)面向下层射流热沉板(1)侧环绕射流孔(21)布置主动气泡阵列电路(23)；主动气泡阵列电路(23)由针尖电阻阵列(231)和薄膜导线电路(232)构成；主动气泡阵列电路(23)通过薄膜导线电路(232)与外部时序脉冲电源连接；所述下层射流热沉板(1)内的冷却工质换热区域的深度小于采用的冷却工质的毛细长度；上层盖板(2)的尺寸大于下层射流热沉板(1)，其在长度和宽度方向均为下层射流热沉板(1)的1.2—1.5倍。2.根据权利要求1所述的基于主动气泡调控射流冷却装置，其特征在于，所述针尖电阻阵列(231)由多个独立针尖电阻组成；每个独立的针尖电阻通过薄膜导线电路(232)与外部时序脉冲电源连接并构成能够独立控制的电回路，其中，电回路由外部时序脉冲电源提供的脉冲电压独立控制；在外部时序脉冲电源提供的脉冲电压激励下，针尖电阻产生GW/mm2的热流密度，控制主动汽泡的产生、生长与收缩；时序脉冲电源提供的脉冲电压脉冲频率大于100Hz，脉冲电压的峰值采用5V—50V。3.根据权利要求1和2所述的基于主动气泡调控射流冷却装置，其特征在于，所述独立针尖电阻的形状采用圆形或矩形；针尖电阻阵列(231)由N个独立针尖电阻环绕射流孔(21)布置构成，独立针尖电阻间的...
【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，曲玖哲，赵伟，张超，宇波，孙东亮，万江红，马继楠，
申请(专利权)人：北京安兴高科新能源发展有限公司，
类型：发明
国别省市：
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