本發(fā)明涉及半導(dǎo)體芯片散熱技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種高負(fù)荷CPU噴霧相變制冷裝置冷卻液循環(huán)系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)過(guò)幾十年的高速發(fā)展取得了巨大成就，隨著電子設(shè)備高度微型化和集成化，其功耗越來(lái)越大，芯片的局部熱流密度不斷增加，目前已經(jīng)突破了250W/cm²。雖然散熱技術(shù)也在不斷發(fā)展，但是面對(duì)發(fā)展更為迅速的半導(dǎo)體行業(yè)，散熱技術(shù)前景不容樂(lè)觀。如果熱量不能及時(shí)的疏散出去，這將極大影響到芯片的工作性能和使用壽命。據(jù)研究表明，電子元器件的溫度每上升10℃，其使用壽命就會(huì)縮短二分之一，當(dāng)電子元器件的溫度達(dá)到80℃以上時(shí)，其工作性能將迅速下降，超過(guò)55％的電子設(shè)備的失效形式是由溫度過(guò)高引起的，所以芯片行業(yè)所面臨的散熱問(wèn)題十分嚴(yán)峻，散熱技術(shù)的發(fā)展也成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。

傳統(tǒng)的散熱冷主要有：1自然冷卻，主要采用板翅式和針翅式兩種，其散熱效果與散熱片的大小成正比，且穩(wěn)定可靠。但因?yàn)槭亲匀焕鋮s，其散熱效率低。2風(fēng)冷，即使用風(fēng)扇帶走散熱器所吸收的熱量。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但散熱效率不高，無(wú)法滿足高熱流密度熱源的散熱。且風(fēng)扇帶動(dòng)周?chē)拇艌?chǎng)因漏磁或電火花干擾周?chē)娮釉恼９ぷ鳌?熱管冷卻，其導(dǎo)熱性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小適合狹小空間高熱量器件的冷卻，但是散熱能力具有一定的局限性。4半導(dǎo)體制冷，該方法無(wú)需制冷劑、無(wú)噪音、可以實(shí)現(xiàn)溫度的高精度控制。專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?01510693497.4的專(zhuān)利提出了一種CPU散熱裝置，采用半導(dǎo)體制冷片與散熱片結(jié)合的方式，提高了CPU散熱裝置的散熱能力，但單個(gè)元件的功率很小，對(duì)于大功率器件的冷卻，需要大量熱電元件組成電堆，使得系統(tǒng)體積龐大，能耗高，使用成本高。5微通道冷卻，該技術(shù)已經(jīng)成熟，專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮镃N201520082782.8的專(zhuān)利提出了一種微通道冷卻器，采用兩塊蓋板和一塊雙面具有微通道的換熱板將冷熱流體隔開(kāi)，有效避免了冷卻液在冷卻器內(nèi)的積聚，提高了冷卻器的散熱效率。但由于微通道尺寸較小，容易結(jié)垢或堵塞，壓力損失較大，對(duì)泵的要求高。為了滿足更高熱流密度的散熱要求，以及響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召。尋找一種更加高效、節(jié)能、環(huán)保的冷卻方式已經(jīng)迫在眉睫。專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?01610241249.0的專(zhuān)利提出了一種實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷CPU強(qiáng)化散熱功能的納米噴霧裝置及其方法，該技術(shù)方法具有散熱能力強(qiáng)、能耗低的優(yōu)勢(shì)，在高性能計(jì)算機(jī)散熱領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述問(wèn)題提供一種高負(fù)荷CPU噴霧相變制冷裝置冷卻液循環(huán)系統(tǒng)及其控制方法，能夠以更加高效、環(huán)保、節(jié)能的方式實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷CPU的散熱系統(tǒng)的運(yùn)行。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種高負(fù)荷CPU噴霧相變制冷裝置冷卻液循環(huán)系統(tǒng)，包括冷卻液罐、管路、射流腔、微泵組、三通、噴霧腔、冷凝器、散熱器和單片機(jī)；

所述冷卻液罐包括回水口E、回水口G和出水口F；微泵組包括第一微泵、第二微泵、微泵組進(jìn)水口A、微泵組出水口C和微泵組出水口B；射流腔包括射流腔入射口、射流腔出水口和射流腔抽水口；

所述噴霧腔為密封式設(shè)計(jì)；所述冷凝器置于噴霧腔內(nèi)頂部；噴霧腔的一側(cè)安裝有微細(xì)霧化噴嘴，另一側(cè)安裝有強(qiáng)化散熱翅片，強(qiáng)化散熱翅片下方設(shè)置有回水口；

所述出水口F通過(guò)管道與微泵組進(jìn)水口A連接；微泵出水口B通過(guò)管路與三通的第一接口連接，微泵出水口B與三通間的連接管道上安裝有壓力傳感器；所述三通的第二接口通過(guò)管路與微細(xì)霧化噴嘴連接，三通的第三接口通過(guò)管路與冷凝器連接，冷凝器的出口端通過(guò)管路與散熱水排的入口端連接，散熱水排的出口端通過(guò)管路與冷卻液罐的回水口E連接；微泵組的出水口C通過(guò)管道與射流腔入口連接；射流腔出水口通過(guò)管道與回水口G連接；射流腔抽水口通過(guò)管路與噴霧腔回水口連接；所述射流腔抽水口與噴霧腔回水口連接的管路上也安裝有散熱水排；

所述單片機(jī)中包括輸入模塊、運(yùn)算模塊、控制模塊和輸出模塊；輸入模塊分別與CPU上的熱敏電阻和壓力傳感器電連接，用于接收壓力傳感器的流量信號(hào)和熱敏電阻的溫度信號(hào)，并傳給運(yùn)算模塊，所述運(yùn)算模塊進(jìn)行計(jì)算分析后，傳遞給相應(yīng)的控制模塊，所述控制模塊包括微泵組控制模塊、散熱器控制模塊；所述控制模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后，傳送給輸出模塊，所述輸出模塊分別與效應(yīng)機(jī)構(gòu)微泵組和遠(yuǎn)端散熱器電連接，輸出模塊對(duì)效應(yīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。

上述方案中，所述射流腔入射口的末端為漸縮型噴孔，所述射流腔出水口管徑d1＝5mm，射流腔入射口末端的射流腔噴孔的孔徑d2＝2.5mm，Q＝5L/min，所述射流腔抽水口的可吸入高度△Z＝0.25m。

上述方案中，所述噴霧腔、管路以及射流腔外表面均采取隔熱防水處理。

上述方案中，所述冷凝器與三通之間的管路中安裝有流量調(diào)節(jié)閥。

上述方案中，所述強(qiáng)化散熱翅片為圓形，上表面設(shè)有呈陣列分布的凸起，所述凸起之間設(shè)有直線分布的凹槽。

進(jìn)一步的，所述凸起為圓錐形或者正方形。

上述方案中，所述第一微泵位于第二微泵的上方；第一微泵的流量大于第二微泵的流量；所述微泵組出水口C的直徑大于微泵組出水口B的直徑。

一種根據(jù)權(quán)利要求1所述高負(fù)荷CPU噴霧相變制冷裝置冷卻液循環(huán)系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：

S1、CPU上的熱敏電阻監(jiān)測(cè)到CPU的溫度達(dá)到設(shè)定上限值時(shí)，發(fā)出溫度信號(hào)，并傳送到單片機(jī)，微泵組控制模塊控制微泵組啟動(dòng)，微泵組將冷卻液從冷卻液罐中泵出，分別供給給微細(xì)霧化噴嘴、冷凝器和射流腔；

S2、通過(guò)單片機(jī)調(diào)節(jié)微泵組出水口C處的流量達(dá)到5L/min，微泵組出水口B處的壓力達(dá)到1.5MPa；

S3、當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到微細(xì)霧化噴嘴前端的冷卻液壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，將自動(dòng)開(kāi)啟，冷卻液霧粒均勻噴射到強(qiáng)化散熱翅片表面形成蒸發(fā)相變制冷，帶走熱量；冷卻液蒸發(fā)后，在冷凝器表面進(jìn)行熱交換，最終由冷凝器中的導(dǎo)熱液將熱量帶至遠(yuǎn)端散熱器中進(jìn)行散熱，散熱后的導(dǎo)熱液回流至冷卻液罐；

S4、冷卻液經(jīng)微泵組出水口C進(jìn)入到射流腔入射口，且在射流腔入口段漸縮型噴孔的作用下，產(chǎn)生高速射流運(yùn)動(dòng)，并在射流腔的腔體中形成一定的負(fù)壓強(qiáng)，通過(guò)管道連接射流腔與噴霧腔，在負(fù)壓的作用下即可將噴霧腔中的冷卻液積液通過(guò)射流腔抽水口抽出，最終經(jīng)過(guò)射流腔出水口回流至冷卻液罐。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種高負(fù)荷CPU噴霧相變制冷裝置冷卻液循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)兩級(jí)微泵組實(shí)現(xiàn)了不同冷卻液流量、不同冷卻液壓力的分配，在滿足使用要求的情況下，進(jìn)一步降低功了耗，同時(shí)也減小了該系統(tǒng)的安裝空間。

2、本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種高負(fù)荷CPU噴霧相變制冷裝置冷卻液循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)射流腔中形成的負(fù)壓將噴霧腔中的冷卻液積液抽出，實(shí)現(xiàn)冷卻液的循環(huán)。

3、本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種高負(fù)荷CPU噴霧相變制冷裝置冷卻液循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)采用封閉式的噴霧腔體設(shè)計(jì)以及閉路循環(huán)系統(tǒng)，使冷卻液與外界完全隔離，保證使用設(shè)備的安全。

4、本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種高負(fù)荷CPU噴霧相變制冷裝置冷卻液循環(huán)系統(tǒng)，具有完全自循環(huán)功能，且散熱效率高，能耗低，噪音低等優(yōu)勢(shì)，適用于單體式臺(tái)式機(jī)、高性能工作站等高負(fù)荷芯片散熱。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一實(shí)施方式的射流腔剖面圖；

圖3為本發(fā)明一實(shí)施方式的射流腔三維圖；

圖4為本發(fā)明一實(shí)施方式的微泵組結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明一實(shí)施方式的噴霧腔剖面圖；

圖6為本發(fā)明一實(shí)施方式的噴霧腔三維圖；

圖7為本發(fā)明一實(shí)施方式的強(qiáng)化散熱翅片；

圖8為本發(fā)明一實(shí)施方式的控制系統(tǒng)框圖。

圖中：1、冷卻液罐；2、管路；3、射流腔；4、射流腔噴孔；5、微泵組；501、第一微泵；502、第二微泵；6、壓力傳感器；7、三通；8、流量調(diào)節(jié)閥；9、噴霧腔；10、冷凝器；11、遠(yuǎn)端散熱器；12、射流腔入射口；13、射流腔出水口；14、射流腔抽水口；15、微泵組進(jìn)水口A；16、微泵組出水口C；17、微泵組出水口B；18、微細(xì)霧化噴嘴；19、強(qiáng)化散熱翅片；20、噴霧腔回水口；21、噴霧腔內(nèi)部平臺(tái)；22、回水口E；23、回水口F；24、回水口G；25、CPU熱敏電阻；26、單片機(jī)；27、輸入模塊；28、運(yùn)算模塊；29、微泵組控制模塊；30、散熱器控制模塊；31、輸出模塊；32、凹槽；33、凸起。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

圖1所示為本發(fā)明所述高負(fù)荷CPU噴霧相變制冷裝置冷卻液循環(huán)系統(tǒng)的一種實(shí)施方式，所述高負(fù)荷CPU噴霧相變制冷裝置冷卻液循環(huán)系統(tǒng)包括冷卻液罐1、管路2、射流腔3、微泵組5、三通7、噴霧腔9、冷凝器10、散熱器11和單片機(jī)26。

所述冷卻液罐1包括回水口E22、回水口G24和出水口F23；微泵組5包括第一微泵501、第二微泵502、微泵組進(jìn)水口A15、微泵組出水口C16和微泵組出水口B17；射流腔3包括射流腔入射口12、射流腔出水口13和射流腔抽水口14。

所述噴霧腔9安裝在CPU上，且為密封式設(shè)計(jì)；所述冷凝器10置于噴霧腔9內(nèi)頂部；噴霧腔9的一側(cè)安裝有微細(xì)霧化噴嘴18，另一側(cè)安裝有強(qiáng)化散熱翅片19，強(qiáng)化散熱翅片19位于CPU上表面、且緊密貼合，利于熱量傳導(dǎo)；強(qiáng)化散熱翅片19下方設(shè)置有回水口20。

所述出水口F23通過(guò)管道2與微泵組進(jìn)水口A15連接；微泵出水口B17通過(guò)管路與三通7的第一接口連接，微泵出水口B17與三通7間的連接管道上安裝有壓力傳感器6；所述三通7的第二接口通過(guò)管路與微細(xì)霧化噴嘴18連接，三通7的第三接口通過(guò)管路與冷凝器10連接，所述冷凝器10與三通7之間的管路中安裝有流量調(diào)節(jié)閥8；冷凝器10的出口端通過(guò)管路與散熱水排11的入口端連接，散熱水排11的出口端通過(guò)管路與冷卻液罐1的回水口E22連接；微泵組的出水口C16通過(guò)管道與射流腔入口12連接；射流腔出水口13通過(guò)管道與回水口G24連接；射流腔抽水口14通過(guò)管路與噴霧腔回水口20連接；所述射流腔抽水口14與噴霧腔回水口20連接的管路上也安裝有散熱水排11。

所述單片機(jī)26中包括輸入模塊27、運(yùn)算模塊28、控制模塊和輸出模塊31；輸入模塊27分別與CPU上的熱敏電阻25和壓力傳感器6電連接，用于接收壓力傳感器6的流量信號(hào)和熱敏電阻25的溫度信號(hào)，并傳給運(yùn)算模塊28，所述運(yùn)算模塊28進(jìn)行計(jì)算分析后，傳遞給相應(yīng)的控制模塊，所述控制模塊包括微泵組控制模塊29、散熱器控制模塊30；所述控制模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后，傳送給輸出模塊31，所述輸出模塊分別與效應(yīng)機(jī)構(gòu)微泵組5和遠(yuǎn)端散熱器11電連接，輸出模塊對(duì)效應(yīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。

所述射流腔入射口12的末端為漸縮型噴孔，據(jù)伯努利方程計(jì)算得出，公式如下：

$\frac{P}{\mathrm{\ρ}g}+\frac{v^2}{2g}+z=c$

與入射口處冷卻液壓強(qiáng)相當(dāng)?shù)囊褐叨龋?/p>

C--通用常數(shù)，

v--噴孔處冷卻液流速，

Z--噴孔位置相對(duì)于基準(zhǔn)面的幾何位置，

所述射流腔出水口13管徑d1＝5mm，射流腔入射口12末端的射流腔噴孔4的孔徑

$d2=2.5mm,Q=5L/min,v=\frac{4Q}{{\mathrm{\πd}}^2},$

所述射流腔抽水口14的可吸入高度：

所述射流腔抽水口14的吸力足夠，且不會(huì)浪費(fèi)。

優(yōu)選的，所述噴霧腔9、管路以及射流腔3外表面均采取隔熱防水處理。

所述強(qiáng)化散熱翅片19為圓形，上表面設(shè)有呈陣列分布的凸起33，所述凸起33之間設(shè)有直線分布的凹槽32。

優(yōu)選的，所述凸起33為圓錐形或者正方形等多種形式。

優(yōu)選的，所述第一微泵501位于第二微泵502的上方；第一微泵501的流量大于第二微泵502的流量；所述微泵組出水口C16的直徑大于微泵組出水口B17的直徑，微泵組出水口C16具有流量大的特點(diǎn)，而微泵組出水口B17具有流量小、壓力高的特點(diǎn)，滿足噴嘴射流腔3需要的流量大，而微細(xì)霧化噴嘴18所要的流量小的特點(diǎn)，在第一微泵501對(duì)液體會(huì)有一個(gè)加壓，射流腔3用不完的冷卻液第二微泵502會(huì)抽走，繼續(xù)加壓，供微細(xì)霧化噴嘴18用，這樣具有節(jié)能的效果。

本發(fā)明還提供一種根據(jù)權(quán)利要求1所述高負(fù)荷CPU噴霧相變制冷裝置冷卻液循環(huán)系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：

S1、微泵組5作為整個(gè)冷卻液循環(huán)系統(tǒng)動(dòng)力源，CPU上的熱敏電阻25監(jiān)測(cè)到CPU的溫度達(dá)到設(shè)定上限值時(shí)，發(fā)出溫度信號(hào)，并傳送到單片機(jī)26，微泵組控制模塊控制微泵組5啟動(dòng)，微泵組5將冷卻液從冷卻液罐1中泵出，分別供給給微細(xì)霧化噴嘴18、冷凝器10和射流腔3；

S2、通過(guò)單片機(jī)26調(diào)節(jié)微泵組出水口C16處的流量達(dá)到5L/min，微泵組出水口B17處的壓力達(dá)到1.5MPa；

S3、當(dāng)壓力傳感器6檢測(cè)到微細(xì)霧化噴嘴18前端的冷卻液壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，將自動(dòng)開(kāi)啟，冷卻液霧粒均勻噴射到強(qiáng)化散熱翅片19表面形成蒸發(fā)相變制冷，帶走熱量；冷卻液蒸發(fā)后，在冷凝器10表面進(jìn)行熱交換，最終由冷凝器10中的導(dǎo)熱液將熱量帶至遠(yuǎn)端散熱器11中進(jìn)行散熱，散熱后的導(dǎo)熱液回流至冷卻液罐1；

S4、冷卻液經(jīng)微泵組出水口C16進(jìn)入到射流腔入射口12，且在射流腔入口段漸縮型噴孔4的作用下，產(chǎn)生高速射流運(yùn)動(dòng)，并在射流腔3的腔體中形成一定的負(fù)壓強(qiáng)，通過(guò)管道連接射流腔3與噴霧腔9，在負(fù)壓的作用下即可將噴霧腔9中的冷卻液積液通過(guò)射流腔抽水口14抽出，最終經(jīng)過(guò)射流腔出水口13回流至冷卻液罐1。

應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說(shuō)明書(shū)是按照各個(gè)實(shí)施例描述的，但并非每個(gè)實(shí)施例僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說(shuō)明書(shū)的這種敘述方式僅僅是為清楚起見(jiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說(shuō)明書(shū)作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。

上文所列出的一系列的詳細(xì)說(shuō)明僅僅是針對(duì)本發(fā)明的可行性實(shí)施例的具體說(shuō)明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實(shí)施例或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。