液态金属芯片散热方法的研究

论文摘要

高集成度计算机芯片引发的热障问题,已在热管理领域引起广泛关注。高性能和高可靠性变得越来越困难。传统的强化传热方法对复杂的电子系统显得力不从心。近年来的研究发现,采用液态金属芯散热可大大降低芯片的温度,由此引申出许多极为重要的基础与应用问题。本论文旨在针对这一崭新课题进行全面研究,所取得的进展包括以下几方面:1.针对低熔点金属或其合金的热物性数据比较缺乏的现状,本论文基于Faber-Ziman理论和Wiedemann-Franz-Lorenz定律,推导出了二元合金的导热系数预测公式,并利用TCI热导率测试仪测试出几种合金的热导率,还运用DSC测量得到几种合金的比热。2.与传统液体不同,液态金属流动换热有其自身的特点。论文讨论了绝热边界条件下流体流动换热的规律,评估了考虑轴向导热对流动换热的影响。进一步获得液态金属传热的理论分析模型。研究发现,是否考虑轴向导热的影响,主要看Peclet数的大小。当Peclet数较大时,轴向导热即可忽略。3.为进一步提高液态金属的热导率,论文提出旨在实现自然界导热系数最高的液体—纳米金属流体的概念,是对目前研究热点——纳米流体的一种深化,能解决普通纳米流体遇到的沉降和堵塞等问题,更重要的是,纳米金属流体的有效热导率远高于常规纳米流体。论文采用几中描述纳米流体的理论模型,预测了纳米金属流体的热导率。并考察了纳米颗粒的吸附,体积份额等对热导率的影响。由于具有大的热导率、表面张力以及可采用电磁驱动,液态金属是配制纳米金属流体的理想基液。4.鉴于液态金属的两大优点:优良的换热性能和导电性能,论文首次证实可以采用芯片自身能量驱动液态金属循环,从而达到冷却芯片的目的。其主要创新在于,引入了温差发电器,利用芯片与环境的温差发电对电磁泵供电。这种设备不消耗任何外部能量,因而是一种自适应的,完全静音的芯片冷却模块。实验证实采用一级或两级热电片即可实现较大的温度下降。而且,芯片散热越大,温差发电器产生的电流越大,从而可实现更多的温降。这种温差发电器-电磁泵-液态金属的组合有望在台式机和笔记本中获得广泛应用,特别是用在那些需要高效冷却,而又需要极低能耗的地方。5.在极端环境条件下,当温度低于低熔点金属的熔点时,低熔点金属或者合金可能发生凝固,这种情况不但使强化换热效果减弱,甚至可能恶化整个散热系统。所以,低熔点合金用作载热介质时,如何防止其发生凝固,是一个重要的问题,论文为此情况提出了内部安装加热丝的解决方法,并建立了数学模型,引入移动热源法、从理论和实验上进行了分析和研究,实验测试与理论结果吻合较好。该方法可确保液态金属循环快速启动和安全运行。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 主要冷却方式
• 1.3 液态金属的基本性质
• 1.3.1 理想液态金属的特点
• 1.3.2 液态金属粘度及其影响因素
• 1.3.3 液态金属表面张力及其影响因素
• 1.4 液态金属在散热方面的应用
• 1.5 液态金属芯片散热技术的提出
• 1.5.1 液态金属芯片散热的提出
• 1.5.2 几种常见低熔点合金
• 1.5.3 液态金属用于芯片散热的优势
• 1.5.4 液态金属镓的基本性质
• 1.6 液态金属芯片散热技术的研究进展
• 1.7 本文的主要工作
• 第二章 低熔点金属或其合金热物性研究
• 2.1 引言
• 2.2 液态二元合金导热系数的预测
• 2.2.1 液态合金电阻率
• 2.2.2 液态合金热导率预测
• 2.3 液态合金导热系数测量
• 2.3.1 测量原理
• 2.3.2 测量仪器和设备
• 2.3.3 测量过程
• 2.3.4 热导率测量结果及分析
• 2.4 合金热导率理论预测与实验结果
• 2.4.1 NaK 合金
• 2.4.2 GaIn 合金
• 2.5 液态合金比热测量
• 2.5.1 比热测量原理
• 2.5.2 比热测量仪器
• 2.5.3 测量步骤
• 2.5.4 合金比热测量结果
• 2.6 本章小结
• 第三章 液态金属及其合金的强化传热问题研究
• 3.1 引言
• 3.2 圆管内液态金属换热理论分析
• 3.3 液态金属流动的换热系数
• 3.4 流道壁面温度
• 3.5 液态金属芯片散热技术的数值评估
• 3.5.1 冷头数值分析
• 3.5.2 电磁泵特性分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 高导热纳米金属流体的研究
• 4.1 引言
• 4.2 纳米流体研究的新动向
• 4.2.1 基于纳米流体的热管
• 4.2.2 添加纳米液滴的新型纳米流体
• 4.2.3 基于纳米颗粒控制纳米流体
• 4.3 纳米金属流体的提出
• 4.4 纳米金属流体制作过程
• 4.5 纳米金属流体热物性研究
• 4.6 纳米金属流体的传热分析
• 4.6.1 忽略轴向导热
• 4.6.2 考虑轴向导热
• 4.7 纳米金属流体的应用
• 4.8 本章小结
• 第五章 液态金属芯片散热技术的驱动方式研究
• 5.1 引言
• 5.2 液态金属的驱动方法
• 5.3 液态金属磁力学泵
• 5.3.1 磁力学泵工作原理
• 5.3.2 磁力学泵用于芯片散热技术
• 5.3.3 电磁泵制作过程
• 5.4 热驱动芯片散热技术研究
• 5.4.1 温差发电技术
• 5.4.2 计算机芯片散发的热量
• 5.4.3 电脑热量的利用
• 5.4.4 小电流驱动的液态金属芯片散热器
• 5.4.5 热驱动的液态金属芯片散热器
• 5.5 本章小结
• 第六章 液态金属芯片散热中的解冻技术研究
• 6.1 前言
• 6.2 物理分析
• 6.2.1 物理模型
• 6.2.2 物理模型求解
• 6.2.3 对固-液界面移动速度的处理方法
• 6.2.4 求解结果
• 6.3 低熔点金属解冻试验研究
• 6.4 解冻金属其他方法
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本论文的主要内容和贡献
• 7.1.1 低熔点金属或其合金热物性研究
• 7.1.2 液态金属或其合金传热问题研究
• 7.1.3 高导热纳米金属流体的研究
• 7.1.4 液态金属芯片散热技术的驱动方式研究
• 7.1.5 液态金属芯片散热中的解冻技术研究
• 7.2 本论文的创新点
• 7.3 对未来工作的展望
• 参考文献
• 个人简历
• 攻读博士期间发表或待发表的论文目录
• 攻读博士学位期间申请的专利
• 攻读博士学位期间所受奖励
• 致谢