CN115360156A

CN115360156A - 一种基于磁流体力学效应的芯片散热方法及其装置

Info

Publication number: CN115360156A
Application number: CN202210808950.1A
Authority: CN
Inventors: 王军; 黄护林
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2022-07-11
Filing date: 2022-07-11
Publication date: 2022-11-18

Abstract

本发明属于高热流密度的芯片散热领域，具体涉及一种基于磁流体力学效应的芯片散热方法及其装置。包括换热通道、液态金属、三棱锥肋群、高导热硅脂、发热芯片、磁铁组，所述换热通道由左右两侧导电壁和上下绝缘壁组成，所述换热通道的第二绝缘板外侧接触发热芯片，而内侧布置有小阻塞比的散热肋群，所述磁铁组为一对极性相反的磁铁，并分布于流道的左右两侧，通过该磁铁组提供可覆盖流域的均匀外磁场。本发明所提供的方法在利用液态金属高导热能力的同时，还可优化流动边界层的流型结构，显著提升壁面对流换热效率，可广泛应用于诸如高性能计算机、激光泵浦源等高热流密度的电子散热领域。

Description

一种基于磁流体力学效应的芯片散热方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种基于磁流体力学效应的芯片散热方法及其装置，属于高热流密度的芯片散热领域。

背景技术

近年来，随着高性能计算机及各类光电芯片朝着高度集成化、微型化及增加时钟频率的趋势发展，“热障”问题日益严峻。研究表明芯片温度每升高10℃，MOS电流驱动能力将下降约4%，互连延迟将会增加约5%，芯片在80℃时的失效率是40℃时的7.5~32倍。因此，研制新型散热方法及装置对于解决芯片散热问题具有重大意义。

高性能小体积芯片的发展伴随着高热流密度散热问题的产生，目前众多散热技术在解决高热流密度散热领域不断进步，例如新一代液态金属先进芯片散热技术，由于液态金属高导热率、高沸点和低熔点等优势，与水冷相比，可以进一步提高热交换效率。然而使用液态金属时，液态金属的粘性较大，当液态金属在管内稳定流动时，在靠近壁面的地方流速逐渐减小，并在贴壁处形成较厚的粘性边界层，粘性边界层内的速度梯度小，阻碍了壁面与流体间的热量传递，从而影响壁面与流体间的对流换热效率。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于磁流体力学效应的芯片散热方法及其装置。

技术方案：一种基于磁流体力学效应的芯片散热方法，包括：

S1，建立换热通道，所述换热通道的两侧被设置为导电壁，所述换热通道的上下侧被设为绝缘壁；所述换热通道的上下侧作为热交换层，用于对芯片散热；

S2，设置均匀磁场，所述换热通道位于磁场内，且其通道方向被设置为与磁场的磁感线垂直；

S3，引入液态金属穿过所述换热通道，在磁场的作用下，所述液态金属在其流向的截面产生诱导电流；所述磁场下的诱导电流对液态金属的流动产生阻力，使得液态金属靠近绝缘壁的流层的流速增大，减薄液态金属与绝缘壁之间的边界层，提高热交换效率。

在进一步的实施例中，还包括在所述换热通道中设置扰流结构，用于破坏边界层的结构。

基于上述任意一项所述的磁流体力学效应的芯片散热方法的装置，其特征在于，包括由第一绝缘板、第二绝缘板、第一导电板和第二导电板围绕形成的换热通道、分别位于换热通道左右侧的磁铁以及设于所述换热通道内流动的液态金属；所述左右侧的磁铁之间形成均匀磁场。

在进一步的实施例中，所述第二绝缘板上交替分布多个三棱锥肋。

在进一步的实施例中，所述三棱锥肋的顶角在60°~70°之间，其高度h小于其侧层厚度，其腰长c≥2h。

在进一步的实施例中，所述磁铁与换热通道之间设置隔热材料。

在进一步的实施例中，所述第一绝缘板和第二绝缘板为高导热绝缘材料，第一导电板和第二导电板为良好导电材料。

在进一步的实施例中，所述液态金属为低熔点金属。

在进一步的实施例中，所述发热芯片与第二绝缘板之间填充有高导热硅脂。

有益效果：与现有技术相比，其显著优点是：

1、基于高导热的液态金属以及对流体边界层的破坏，本发明与现有的散热技术相比，其与芯片之间的热交换效率更高，因而散热效率更高；

2、第二绝缘板上布置有小阻塞比的三棱锥肋群，且采用交叉分布的方式。相比于传统的直肋、斜肋、W型肋和V型肋等，三棱锥肋有一定的导流作用，因此，采用三棱锥肋群布置方式可以很好的避免肋后方区域的回流问题，既能一定程度减小流动阻力损失，又能增强壁面换热的均匀性，防止局部热应力的产生；

3、由于用于换热的液态金属为汞、NaK等低熔点金属流体，保证了常温以及较低温度条件下金属流体始终呈液态，降低了流体的泵送功率。

附图说明

图1是本发明的基于磁流体力学效应的散热装置结构示意图；

图2是本发明的换热通道横截面上电流线分布示意图；

图3是为图2中边界层处电流线分布的局部放大示意图；

图4是应用磁场前后通道上下壁面附近液态金属速度分布变化示意图；

图5是本发明的换热通道内第二绝缘板上三棱锥肋群交替分布示意图；

图6是本发明的三棱锥肋结构放大示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

本申请采用诱导电流线7表示诱导电流及其流向，磁力线8表示磁场及其特点。

实施例1

基于背景技术中提到的问题，本实施例提供一种提高壁面换热效率的创新方法，使用高导热的液态金属作为换热介质，同时解决液态金属因粘性较大，流动时易形成较厚流动边界层影响壁面对流换热效率的缺陷，实现热交换效率的提高。

本实施例采用一种基于磁流体力学效应的芯片散热方法，通过磁铁组5提供可覆盖液态金属2流域的均匀外磁场，设置换热通道1，换热通道1两侧的第一导电板13和第二导电板14设为导电壁，第一绝缘板11和第二绝缘板12设为高导热绝缘壁，换热通道1的第二绝缘板12靠近发热芯片4。如图2，换热通道1的通向被设置垂直向穿过磁场的磁力线，液态金属2穿过换热通道1时，在均匀磁场下产生了诱导电流。如图3所示，电流穿过绝缘壁侧层和左右侧导电壁，并形成电流回路，诱导电流和磁场相互作用会产生洛伦兹体积力，主流区的电流分量方向垂直于磁力线8，根据左手法则，所产生的洛伦兹力方向与液态金属2流动方向相反，从而反过来抑制了换热通道1内主流区液态金属2的流动，使得液态金属2流速减缓，根据能量守恒，主流区内的液态金属2被挤压会朝向洛伦兹力几乎为零的第一绝缘板11和第二绝缘板12的侧层运动，导致上第二绝缘板侧层的液态金属2流速激增，形成射流，如图4所示。射流工况破坏近壁处液态金属2的流动边界层，减薄层流底层，同时结合液态金属2具有高导热能力，能够高效强化热壁面的对流换热。

本实施例提供的方法中，磁场的应用和导电壁的特定分布对换热通道1内液态金属2流型结构进行了调整，极大地提升了热壁面的换热效率，具体表现在：主流区液态金属受反向洛伦兹体积力的作用流速减缓，根据能量守恒，液态金属会朝向洛伦兹力较弱的上第二绝缘板12侧层运动，造成侧层流速激增，在近壁处形成射流，并破坏流动边界层，减薄层流底层，从而强化流体与壁面对流作用，达到提高换热效率的目的。

实施例2

基于实施例1的技术内容，本实施例提出一种具体的实施装置，如图1所示，包括换热通道1、液态金属2、三棱锥肋3、发热芯片4、磁铁组5。其中换热通道1包括第一绝缘板11、第二绝缘板12、第一导电板13和第二导电板14。第一绝缘板11、第二绝缘板12为高导热绝缘材料，第一导电板13、第二导电板14为导电材料。磁铁组5由磁铁N极和磁铁S极组成，分别分布于第一导电板13的左侧、第二导电板14的右侧，位于换热通道1左右侧的且相互平行，通过磁铁组5提供可覆盖液态金属2流域的均匀外磁场，液态金属2通过磁场时，由于诱导电流和磁场相互作用在主流区产生了与其流动方向相反的洛伦兹力，从而反过来抑制了主流区内液态金属2的流动，液态金属2被挤压朝向洛伦兹力几乎为零的第一绝缘板11、第二绝缘板12的侧层运动，导致第一绝缘板11、第二绝缘板12侧层流速激增，形成射流，然后通过射流工况破坏液态金属2流动边界层，减薄层流底层，实现高效对流换热。

如图2所示，换热通道1的左右面为导电壁，上下为绝缘壁的情况下，液态金属2在磁场下流动时产生的诱导电流由第二绝缘板12侧层流向第一绝缘板11，并于左右导电壁内返回，形成电流回路。垂直于磁力线8的电流分量引入了洛伦兹力，抑制了主流区液态金属2的流动，使得主流区液态金属2受挤压朝洛伦兹力几乎为零的第一绝缘板11、第二绝缘板12侧层运动，造成近壁处边界层流速激增，形成射流，对流作用加强。而靠近第二绝缘板12的发热芯片4工作时产生的热量，通过热传导至第二绝缘板，并最终以强对流的形式由高导热的液态金属2带走。

实施例3

在实施例的基础上，为了进一步增强对近壁面高速流体的扰动并兼顾减小流动阻力，还在换热通道1中设置了小阻塞比的扰流结构。

实施例4

基于实施例3提到的扰流结构，如图6所示，本实施例给出一种具体的扰流设置，在第二绝缘板12上交替分布多个三棱锥肋3，其中三棱锥肋的顶角α在60°~70°之间，高度h小于侧层厚度O（Ha^-1/2），腰长c≥2h。

如图5所示，本实施例以三棱锥肋3为例，第二绝缘板侧层的高速液态金属2由流道入口21经三棱锥肋3往流道出口22流动，三棱锥肋3沿液态金属的流向呈交叉分布，这种分布方式进一步强化了肋群对金属流体的扰动作用，从而增强了换热。

本发明不局限于上述实施例的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。比如：1、换热通道1可以呈矩形、方形或不规则形状；2、磁铁N极和S极在换热通道左右侧位置可以互换；3、磁铁组5可以由两个以上的磁铁拼接、电磁线圈、电磁铁等；4、换热通道1上第二绝缘板上均可布置发热芯片，可作为双面热源的冷却通道；5、扰流结构还可以为圆柱形、矩性、梯形等其他可以破坏流体边界层的结构；6、换热通道1的电绝缘板可由表面覆盖有诸如Cr₂O₃、TiO₂、TiC以及SiC等绝缘涂层材料的板面替代。本发明所采用的仅是优选的其中一种，凡采用同等替换形成的技术方案，均为本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种基于磁流体力学效应的芯片散热方法，其特征在于，包括：

S1，建立换热通道（1），所述换热通道（1）的两侧被设置为导电壁，所述换热通道（1）的上下侧被设置为绝缘壁；所述换热通道（1）的上下侧作为热交换层，用于对芯片散热；

S2，设置均匀磁场，所述换热通道（1）位于磁场内，且其通道方向被设置为与磁场的磁感线垂直；

S3，引入液态金属（2）穿过所述换热通道（1），在磁场的作用下，所述液态金属（2）在其流向的截面产生诱导电流；所述磁场下的诱导电流对液态金属（2）的流动产生阻力，使得液态金属（2）与绝缘壁接触的流层流速增大，减薄液态金属（2）与绝缘壁之间的边界层，提高热交换效率。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁流体力学效应的芯片散热方法，其特征在于，还包括在所述换热通道（1）中设置扰流结构，用于破坏边界层结构。

3.一种利用如权利要求1-2中任意一项所述的磁流体力学效应的芯片散热方法的装置，其特征在于，包括由第一绝缘板（11）、第二绝缘板（12）、第一导电板（13）和第二导电板（14）围绕形成的换热通道（1）、分别位于换热通道（1）左右侧的磁铁以及设于所述换热通道（1）内流动的液态金属（2）；所述左右侧的磁铁之间形成均匀磁场。

4.根据权利要求3所述的基于磁流体力学效应的芯片散热方法的装置，其特征在于，所述第二绝缘板（12）上交替分布多个三棱锥肋。

5.根据权利要求4所述的基于磁流体力学效应的芯片散热方法的装置，其特征在于，所述三棱锥肋的顶角在60°~70°之间，其高度h小于其侧层厚度，其腰长c≥2h。

6.根据权利要求3所述的磁流体力学效应的芯片散热方法的装置，其特征在于，所述磁铁与换热通道（1）之间设置隔热材料。

7.根据权利要求3所述的基于磁流体力学效应的芯片散热方法的装置，其特征在于，所述第一绝缘板（11）和第二绝缘板（12）为高导热绝缘材料，第一导电板（13）和第二导电板（14）为良好导电材料。

8.根据权利要求3所述的基于磁流体力学效应的芯片散热方法的装置，其特征在于，所述液态金属（2）为低熔点金属。

9.根据权利要求3所述的基于磁流体力学效应的芯片散热方法的装置，其特征在于，所述发热芯片（4）与第二绝缘板（12）之间填充有高导热硅脂（6）。