液态金属芯片散热器的房室模型及性能评价研究.pdf

中国T程热物理学会 传热传质学 第卜一届学术会议 编号：053119 液态金属芯片散热器的房室模型 及性能评价 ． 闰井夫“2 刘静1 ’中国科学院理化技术研究所1000802中国科学院研究生院100039 TEL：OIO cn E-mailOliu@c1．cryo．ac 摘要随着芯片技术的飞速发展，集成度更高、运算速度更快的cPU不断涌现，常规的散热方法如 安装大功率高转速风扇、大面积散热片等已根难满足实际使用要求或已达到其降温冷却极限。液态 余属芯片散热技术的提出，为高功率密度器件的热管理开辟了新的方向。为更好的从系统的角度来 评估整套液态金属：占片散热系统的工作性能，本文建立了相应的传热学房室模型并进行了理论分析； 吲时，我们还引入红外热图成像技术，比较形象、直观地展示了采用液态金属对芯片进行降温的潜 力。本文研究为今后设计液态金属芯片散热器提供了一种理论和试验基础。 关键字低熔点液态金属； 芯片冷却； 微型换热器；房室模型； 红外热图成像 1 日U 吾 众所周知，芯片过热会导致计算机出现不正常工作状态，甚至缩短使用寿命[1】。 因此，电子元器件的散热问题一直是制约计算机发展的一个屏障[2]。目前，散热主要 仍以空气冷却为主，这种方法需要配备较高转速的风扇，但由于空气的热容和热导率 较小，其制冷能力十分有限，此种方式很难适应日益增长的高功率芯片的散热要求。 相对于空气冷却，采用水冷的制冷效果则要好许多。有资料表明采用强制对流水 冷超过空冷效果10倍[2]。但水冷也有其局限性，其热导率并不高，使用也很不方便。 近期，我们提出采用金属镓作为制冷剂【1]通过实验测定和理论分析表明，相比 于水和空气冷却，这种新方法的散热效果更好，相应讨论可参考文献【3】。由于金属镓 的热导率远高于水或空气，且价格相对便宜。基于以上原因．我们在前期研制出了基 于镓的纯电控型芯片散热器【4】。 图1 屯磁象驱动液态金属制冷装置原型图 为更好地理解新型散热器的工作性能，本文建立了房室传热模型，能够有效的反 映出整套装置系统的温度场分布及其变化趋势，并可方便地考察各单元的几何尺寸、 物性参数等对系统制冷效果的影响。进一步地，我们还引入红外热像仪对整个系统的 1588 r作状态进行监测，能够更加定量解释实验现象，评估器44二的散热效果。 2 房室模型 2．1制冷装置的组成 我们建立的纯电控型芯片散热器系统[4]如图1所示，其整体构架采用铜管制成， 硅胶管用于绝缘和起到联接作用。热端采用薄铜片作为冷却平台，冷端设置有散熟片。 金属镓则提前灌注到整个循环管路中，其流动驱动力来自实验宝。自行研制的微型电磁 泵，由于这种无机械运动的纯电控方式的引入，使得散热芯片更易于微型化，且更灵 活。这里，采用铝块模拟发热芯片，其侧壁上开孔，簧入功率接近芯片工况的电热管， 通过电加热使之模拟CPU的发热，由此即搭建起整套液态金属散热实验系统。 2．2稳态流动中传热房室模型的建立 L．与v．(i=l…2．．，5)则分别代表各段房室的睦度和体积。 留2整套制冷装置房室模型构梨倒 为筒捷起见，我们假设沿程管路的直径均相同。房室a和房室b，分别代表CPU 和散热片。稳定流动过程中，各房室的能量守恒方程式可建立如r： ≯，=pc■—0_11+rh，c(1+．一t) (I) Ur 访=qS(t～Tr) (2) 这里，P，c分别为液态金属镓的密度及比热容，rh，是镓的质量流量，Vl和