（人机与环境工程专业论文）电子芯片冷却用微型膜式压缩机理论研究.pdf

f 、 k 【 j 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：盘里殛 日 期：型! ：! ：兰兰 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着芯片集成度的不断提高，芯片冷却已成为影响计算机性能进一步提高的关键因素。解 决芯片冷却问题的主要途径为发展新型冷却技术和微型蒸气压缩式制冷系统。从制冷量、可靠 性以及价格等因素考虑，大力发展微型蒸气压缩制冷系统无疑是具有重大意义的。 蒸气压缩式微型制冷系统主要部件包括压缩机、蒸发器、冷凝器和节流装置。在制冷系统 微型化中碰到的一个共性问题是需要有一个与制冷机构相匹配的微型压缩机。靠静电驱动的隔 膜压缩机，以高效性、紧凑性和可伸缩性，为其应用于电子芯片冷却提供了保证。 本文首先对静电驱动的隔膜压缩机中所采用的聚酰亚胺膜膜片受力变形作了理论研究，采 用大挠度薄壁变形理论，静态分析了压差变化与挠度和膜片受力之间的对应关系。用仿真软件 模拟膜片的动态变化过程，进一步分析膜片运动性能。 本文的研究结果显示，采用静电力驱动的隔膜压缩机由于压升较低，当其应用于微型蒸气 压缩式制冷系统时，工作特点十分接近于流体泵，且需要采用多个压缩机串联以达到合适的蒸 发和冷凝压力。 采用微元段计算方法，建立了隔膜压缩机工作模型，在综合考虑其气体力和膜片弹力等因 素的基础上，模拟压缩机工作过程，计算出驱动隔膜压缩机所需的最大电压值，并且对隔膜压 缩机单元进行分布排列以满足制冷系统中制冷量和体积流量的双重需求，分析额定工况下压缩 机中制冷剂的热力状况参数，并讨论非额定工况下其各个状态点热力参数的变化情况。 关键词：微型制冷系统，隔膜压缩机，聚酰亚胺薄膜，微元法模型，r 1 3 4 a 电子芯片冷却用微型膜式压缩机理论研究 a b s t r a c t w i m l ed e v e l o p m e n to ft h ed e n s e l yi n t e 唱r a d e dc l l i p s ，c h i p - c o o l i i l gi sb e c o n l i n gt l l ek e yf a c t o rt o m ei n l p r 0 v e m e n to fc o m p u t e r p e r f o r m 锄c e t h ed e v e l o p m e n to fn e wc o o l m gm e t l l o d s a r l d i i l i i l i a t u m t i o no ft l l ee x i s t i i l gr e 衔g e r a t i o ns y s t e ma r em et 、oi m p o r t a n tw a y st 0s o l v en l ep r o b l e mo f c h i pc o o l i i l g c o 眦i d e r i i l go fm ec 0 0 l i i l gc a p a c i 娥他l i a b i l i 劬p f i c ea 1 1 do l e rf a c t o r s ，d e v e l 叩i i l g i i l i c r 0 一s c a l ev a p o rc o r n p r e s s i o nr e 伍g e r a t i o ns y s t e mi su n d o u t ) t e d l yo fg r e a ts i g l l i f i c a n c e t h em 句o rc o m p o n e m so fv a p o rc 唧r e s s i o n豫衔g e r a t i o ns y s t e ma 陀 i i l i c r 0 一c o m p r e s s o r e v a p o m t o r c o n d e r l s e ra n d 咖o t t l i i l gd e v i c e i ti s ac o n m l o nd e m 锄d 呦a1 1 1 j h i a t u r er e 伍g e r a t i o n c o m p r e s s o rt om a t c hm e1 1 1 嘶a t u r i z a t i o ni l l 吐l er e m g e r a t i o ns y s t e m t h ed i a p l l r a 鲫c o m p r e s s o r 血v e nb ye l e c 仃o s t a t i cp r 0 v i d e sar e l ia _ b l ea p p l i c a t i o nf o re l e c 臼o m cc h i pc o o l i n gd u et oi t si l i g h e 伍c i e n c y ，c o m p a c ta n ds c a l a b l es i 弱 h l “sa r t i c l e ，af o r c e d e f b m 眦i o n 1 e o r e t i c a ls t u d y 矗d rn i ep o l y i n l i d ed i 印h r a g ml l s e di nm e d i a p h m g mc o m p r e s s o rd r i v e nb ye l e c 仃d s t a t i ci sa n a l y z e d b a s e do nt i l em e o 拶o fl a r g ed e n e c t i o no f t 1 1 i n w a l ld e f o m m t i o n ，蚴i c 勰a l y s i so fm ec o n e s p o n d i n gr e l a t i o r l s l l i pb e 俩e e n 血ec h a i l g eo f p r e s s u r ed i 虢r e n c e ，t l l ed e n e c t i o n 觚dm ef o r c eo ft h ed i 印h r a g mi s c a r r i e do u t t h ed ”a r n i c p r o c e s s e so f 吐l em e m b 瑚e ，m o t i o np e d o n i l a i l c eo f t i l ed i a p h m 孕na r es i i l m l a t e d t l l i ss t u d yr e s u l t st l l a tt 1 1 em a x i m a lp r e s s u r er i s eo f 吐圯d i a p l l r a g mc o m p r e s s o r “v e nb y e l e c 仃o s t a t i ci s1 0 、t h ew o r k i n gc h a r a c t e d s t i c so fm ed i a p h r a 孕nc o 埘l p r e s s o ra p p l i e di n1 1 1 i c m s c a l e v 叩o rc o m p r e s s i o nr e 衔g e r a t i o ns y s t e mi sq u i t es m l i l i a rt ot h a to ft h en u i dp u m p ，a n dm u l t i p l e c o m p r c s s o r si n s e r i e sa r e r e q u m dt 0a c l l i e v e l e 印p r o p r i a t ep r e s s u r e o ne 巾o r a t i n g 缸l d c o n d e n s a t m gp r o c e s s c o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r a t i n gf a c t o r ss u c h 勰g 笛f o r c ea i l de l a s t i c ，as e 鄹n t a t i o n - b a s e d c o n l p r e s s o rm o d e l i ss e tu pt os i n m l a t et l l ew o r k i i l gp r o c e s s ，锄dt l l em a x i i i l a l 出v i n gv o l t a g eo ft h e d i a p i l m g mc o m p r e s s o r si so b t a i l l e d t h ed i s t r i b u t i o no ft h ed i a p h i a g mc o m p r e s s o ru n i ti sa 妣g e dt 0 m e e t l ed u a lr e q u 娩n l e mo fc 0 0 l i n gc 印a c 时眦dv o l u m e t r i co ft l l er e 衔g e r a t i o ns y s t e m t h e m a l p 础衄e t c r so f 吐l er c 衔g e r a t i n gc y c l eu n d e rm e0 p e m t i n gc o n d i t i o n sa r ea i l a l ) ，z e d 孤di t sv 碰o u s s t a t e p o nh e a tp a r a m e t e rc h a l l g e sa tt 1 1 en o n r a t e dc o n d i t i o 脏a r ed i s c l l s s e d k e y w o r d s ：f n j c r 0 - s c a l er e f h g e m t i o ns y s t e i i l d i a p h r a g mc o m p r e s s o r ，p o l y i i l l i d ed i 印l l r a g r i l ， s e g m e n t a t i o n - b a s e dc o m p r e s s o rm o d e l ，r 1 3 4 a i i ， ， 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 图表清单v 注释表v i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 电子芯片冷却技术的研究现状及发展2 1 2 1 传统的电子芯片冷却方式简介2 1 2 2 新型电子芯片冷却技术3 1 2 3 制冷系统应用及其微型化技术的研究进展5 1 3 微型蒸气压缩制冷系统换热器研究进展6 1 4 微型膜式流体输送机械研究进展8 1 4 1 微型流体输送机械简介8 1 4 2 振动膜微泵8 1 4 3 带有膜结构的微喷1 l 1 4 4 带有膜结构的微阀1 2 1 4 5 传统的隔膜压缩机1 2 1 5 微型制冷系统压缩机研究进展1 3 1 6 本文拟完成任务1 4 第二章静电驱动压缩机基本理论1 6 2 1 静电驱动隔膜压缩机结构和工作原理1 6 2 2 聚酰亚胺膜膜片受力变形理论分析1 7 2 2 1 聚酰亚胺薄膜性质1 7 2 2 2 膜片挠度与受力变化理论研究。1 8 2 2 3 膜片变形所形成的膜腔容积2 1 2 2 4 实例分析一2 2 2 3 膜片动态模拟2 4 2 3 1 本文所用软件介绍2 4 2 3 2 膜片有限元建模2 4 2 3 3 仿真结果与分析2 6 第三章静电驱动隔膜压缩机工作过程模拟3l 3 1 静电力应用及优缺点31 3 2 隔膜压缩机膜的受力分析3 2 3 2 1 集总参数法求解静电力。3 2 3 2 2 单元法求解静电力。3 3 3 3 基于平行板电容单元法的隔膜压缩机模型3 3 3 4 隔膜压缩机模拟结果与分析3 7 第四章隔膜压缩机模型设计4 5 l l i 电子芯片冷却用微型膜式压缩机理论研究 4 1 隔膜压缩机模型4 5 4 1 1 隔膜压缩机参数设定4 5 4 1 2 压缩机排列分布4 6 4 2 压缩机额定设计工况分析。4 8 4 3 变工况状态下的热力分析5l 第五章结论与展望5 5 5 1 结论5 5 5 2 展望。5 6 参考文献5 7 致谢6 l 在校期间的研究成果及发表的学术论文6 2 ： i v 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图1 1 半导体冷却原理示意图。2 图1 2 热管工作原理示意图3 图1 3 蒸气压缩式制冷系统原理图一5 图1 4 微尺度换热器的结构图7 图1 5 使用球形阀的压电片驱动微型泵。9 图1 6 静电驱动微型泵。9 图1 7 双膜泵的结构示意图1 0 图1 8 带硅振动膜的形状记忆合金微泵1 1 图1 9 合成喷示意图1 1 图1 1 0 基于t a s i - n 膜上的静电驱动的气体微阀工作原理图1 2 图1 1 1 传统隔膜压缩机结构示意图1 2 图1 1 2 双腔微振膜压缩机。1 4 图2 1 隔膜压缩机结构示意图1 6 图2 2 隔膜压缩机运行步骤示意图1 7 图2 3 受力分析示意图1 9 图2 4 膜腔示意图2 2 图2 5 不同压差下膜片挠度变化图2 2 图2 75 0 l ( p a 压差膜片受力图2 3 图2 81 0 0 l ( p a 压差膜片受力图。2 3 图2 9 网格划分图2 5 图2 1o 膜片单边振动载荷分布图2 5 图2 1 l 膜片上下振动载荷分布图一2 5 图2 1 2 膜片稳定状态下时的z 方向位移图2 6 图2 1 3 膜片中心位置若干节点的z 方向位移变化图2 6 图2 1 4 膜片上下振动不同时刻主视图一2 7 图2 1 5 不同时刻点z 方向应力云图2 7 图2 1 6 三个节点x 方向位移变化图2 8 图2 1 7 三个节点y 方向位移变化图。2 8 图2 1 8 三个节点z 方向位移变化图2 8 图2 1 9 三个节点工方向速度变化图2 9 图2 2 0 三个节点) ，方向速度变化图2 9 图2 2 l 三个节点z 方向速度变化图2 9 图2 2 2 三个节点x 方向加速度变化图一3 0 图2 2 3 三个节点y 方向加速度变化图3 0 图2 2 4 三个节点z 方向加速度变化图3 0 图3 1 平行板电容示意图3l 图3 2 隔膜压缩机膜的受力分析示意图3 2 图3 3 腔表面的线性化( 口) 集总法p ) 单元法3 3 v 电子芯片冷却用微型膜式压缩机理论研究 图3 4 单元划分示意图3 4 图3 5 隔膜压缩驱动的准静态过程3 5 图3 6 单元法模型计算流程图3 6 图3 7 不同划分精度对挠度计算的影响3 7 图3 8 不同划分精度对压缩气体体积计算的影响3 7 图3 9 不同划分精度对压缩气体压力计算的影响3 8 图3 1 0 不同划分精度对电压计算的影响3 8 图3 1 1 不同划分精度对膜片弹力计算的影响3 8 图3 1 2 不同划分精度对膜片所受气体压力计算的影响3 9 图3 1 3 不同划分精度对膜片所受静电力计算的影响3 9 图3 1 4 不同进口压力下压缩气体体积变化图4 0 图3 1 5 不同进口压力下压缩气体压力变化图4 0 图3 1 6 压缩气体压力比体积图。4 0 图3 1 7 不同进口压力下压缩机所需电压变化图4 1 图3 1 8 不同进口压力下膜片弹力变化图4 1 图3 1 9 不同进口压力下膜片所受气体力变化图4 1 图3 2 0 不同进口压力下膜片所受的静电力变化图4 2 图3 2 l 不同压升下压缩气体体积变化图4 2 图3 2 2 不同压力下压缩气体压力变化图4 3 图3 2 3 不同压升下压缩机所需的电压变化图4 3 图3 2 4 不同压升下膜片弹力变化图4 3 图3 2 5 不同压升下膜片所受气体压力变化图4 3 图3 2 6 不同压升下膜片所受静电力变化图4 4 图4 1 蒸气压缩制冷系统示意图4 5 图4 2 压缩机可用空间示意图4 6 图4 3 不同半径及厚度的膜片承受最大压升图4 6 图4 4 单个压缩机单元外围尺寸示意图4 7 图4 5 压缩机列排列示意图4 7 图4 6 压缩机行排列示意图4 8 图4 7 简单排列组合形式示意图4 9 图4 8 标准工况下各状态点制冷剂气态压力4 9 图4 9 标准工况下各状态点制冷剂温度5 0 图4 1 0 标准工况下各状态点制冷剂比体积5 0 图4 1 1 标准工况下各状态点制冷剂体积流量5 0 图4 1 2 标准工况下各压缩机单元膜振动频率51 图4 1 3 变工况下各状态点制冷剂体积流量变化图5 2 图4 1 4 变工况下各压缩机单元膜振动频率变化图= ：- ：= 。= = = = = = 二= 二二= = 二i = = 5 z 图4 1 5 变工况下各状态点制冷剂温度变化图5 3 图4 1 6 变工况下各状态点制冷剂比体积变化图5 3 图4 1 7 变工况下各状态点制冷剂体积流量变化图5 4 图4 1 8 变工况下各压缩机单元膜振动频率变化图5 4 v l 南京航空航天火学硕士学位论文 表1 12 0 0 0 年与2 0 1 0 年五种制冷系统微型化情况的对比和预测引5 表1 2 微泵致动方式及特性8 表2 1k a p t o n h n 的性能参数表1 8 表2 2 聚酰亚胺膜膜片尺寸参数表2 2 表2 2 材料单元参数2 5 表4 1 压缩机单元排列组合参数表4 8 v i i 电子芯片冷却用微型膜式压缩机理论研究 r r r w ，y y m “ 幻 w ，s 。s r 膜片厚度 膜片半径 膜片挠度 膜片泊松比 腔体最大深度 r 1 3 4 a 蒸汽介电常数 无量纲常数 膜片两侧压差 注释表 足 彳 口 e 如 幻 p ，s t lx u 膜的弹性常数 膜的表面积 膜的拉力参数 膜片弹性模量 腔体方程多项式系数 电介层厚度 无量纲常数 膜片径向位移 膑厅早但长发耿月u 张刀y 耐砰旺叫叫形从削件伏 ， m膜片单位长度径向力m膜片单位长度周向力 场如加。研压缩机腔体体积 d 两平行极板之间距离 f 膜片振动周期厶初始应力 p d 真空下的介电常数 膜运动所需电压 凡静电力乃 膜片弹力 气体压力差 气体压强 厂 多变压缩指数矿，吼制冷剂体积流量 m 单元个数 七 定熵指数 ， 实际运行电压 介电常数 制冷剂焓 匙 制冷剂气体常数 ， 1 ， 比体积锄制冷剂质量流量 刁眦 压缩机容积效率膜振动频率 。 函 额定制冷量g 口单位质量制冷量 下标 a 口m 6 仃腔体 s w 砌刀 吸入口状态 m 似 最大缈气态 ，嘞 状态点 堋f f ，f 单元数 v i i i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 1 9 6 5 年，i n t e l 公司d r m o o r e 预测，由于制造技术的发展，集成电路上晶体管的数目 将会每1 8 个月翻一番，这被称为摩尔定律。1 9 7 1 年i n t e l 公司生产的第一个芯片只含2 3 0 0 个晶体管，而现在一枚h l t e l 奔腾4 芯片上，就集成有4 2 0 0 万个晶体管，到2 0 1 0 年，芯片 上晶体管的数量将超过1 0 亿。与摩尔定律类似的是，芯片的功率则是每3 6 个月翻一番【2 1 。 在国际半导体工业联合会2 0 0 1 年出版的科技蓝图报告中对2 0 0 1 年( o 1 3 微米技 术) 到2 0 1 6 年( o 0 2 2 微米技术) 单芯片的发展、功耗和与之相关的温度限制、芯片特征 方面所做的预测中显示：对于应用在笔记本电脑、台式机领域的芯片，其功率将达到 6 1 1 5 8 w ，限制的节点温度和环境温度将分别为8 5 和4 5 ，芯片尺寸将在1 7 0 3 0 7 砌衅 范围内，主频将为1 7 2 9 g h z 【3 1 。目前，s i i l i t l l f i e l d 核心p e n t i u m d 双核处理器的功耗已经 达到1 3 0 w 。根据i i l t e l 的首席技术官p a t r i c kg e l s i i l g e r 的预测，如果芯片中的晶体管数量以 现在的速率一直增长下去，到2 0 1 5 年它将与太阳表面一样热【4 】。 众所周知，对于高热流密度的芯片，如果不能采取更有效的冷却措施，它将带来接点 及芯片工作温度的急剧上升。研究表明：电子器件工作温度在7 肚8 0 水平时，每增加一 度，其可靠性就降低2 5 【5 】。c p u 失效问题的调查也表明，5 5 的失效都由过热引起【3 1 。 过高的工作温度不仅会降低计算机芯片的工作稳定性，增加出错率，同时模块内部与其外 部环境间所形成的热应力还将直接影响到芯片的工作频率、机械强度、电性能以及可靠性。 因此，如何将芯片保持在较低温度己成为芯片发展中亟待解决的技术难题之一。 在选用芯片冷却技术时，除需其具备很强的冷却能力之外，芯片的工作特点还决定了 该冷却系统必须满足可靠性、性价比、集成化等多方面的要求【5 】。冷却系统可靠性对于芯 片正常工作具有极为重要的意义，一旦失效往往会导致芯片烧毁，影响计算机的正常运行。 由于冷却系统中有效工作寿命最短的器件决定了整个系统的有效工作时间，因此冷却系统 应尽可能采用简单的结构，特别是需要通过减少运动部件的使用，来提高其有效工作寿命。 而且，由于消费者对价格的敏感，冷却系统的性价比在芯片冷却的应用中就变得极为重要。 同时，集成化要求了制冷系统最好能与芯片集成，要求冷却系统的制作工艺尽可能采用( 但 不限于) i c 工艺，以便于批量生产，这既有利于提高产品品质，也可有效地控制价格。 从冷却方式上看，芯片冷却可分为被动式和主动式散热两种【6 】。前者的特点在于没有 制冷机构，芯片温度始终处于环境温度以上，后者则包含用以获取较低温度的制冷机构， 从而它可提高芯片散热速率。 电子芯片冷却用微型膜式压缩机理论研究 1 2 电子芯片冷却技术的研究现状及发展 1 2 1 传统的电子芯片冷却方式简介 传统的电子芯片冷却方式主要有：风冷法，水循环冷却法和热电制冷方式。 l 、风冷法 风冷散热是目前台式机c p u 散热的主要方式。它的原理是在c p u 上安装散热片以扩 大散热面积，并在散热片上安装一个小风扇，通过空气的强迫对流带走热量。这种散热方 式具有简单实用，价格低廉的优点。其缺点在于：冷却效率低，最多只能排出c p u 发热 量的6 0 ，且其金属散热器随着c p u 表面热流密度的增加，已逐渐接近其导热极限用； 随着风扇功率和转速的增大，噪声增大；风扇比较容易损坏。 2 、水循环冷却法 将密封性良好的水槽贴在c p u 表面，并连通水循环系统，以将c p u 发出的热量带走。 这种方法的散热效率比风冷散热效率高，但所需的水冷却系统复杂，且使用不便，还存在 漏水和结露的隐患。 3 、热电制冷方式 热电制冷又称半导体制冷，它利用的是物理现象中的帕尔贴效应，靠电子( 空穴) 在运 动中直接传递热量。图1 1 为其工作原理图【。由p 型和n 型半导体材料组成热电对，通 电后产生热效应，一面为冷端( 吸热) ，一面为热端( 放热) 。半导体制冷的冷端一般不可 以直接接触c p u 表面，需要用辅助散热片将热量从c p u 的核心传到冷端。这种冷却方式 的优点是结构紧凑，静音；无机械部件、无振动，寿命长；制冷量和制冷速度可通过改变 电流大小来调节。其缺点是效率低、成本高、工艺不成熟；且易因温度过低，出现c p u 结 露，而导致短路现象。 2 图1 1 半导体冷却原理示意图 南京航空航天大学硕士学位论文 随着芯片微型化，c p u 频率的升高和散热量的迅速增加，传统的冷却方式已经不能满 足芯片冷却的要求了，因而急需开发新型的c p u 冷却技术来替代原有的散热技术。 1 2 2 新型电子芯片冷却技术 l 、热管冷却 热管冷却技术是以相变来强化换热的技术，其概念最早由c o t t e r 提出，它利用封闭在 真空管内的工作物质，反复进行沸腾或凝结来传送热量。其工作原理如图1 2 所示【l 】。 管内装入的液体称为工作液，是热量传递的介质。首先，蒸发段的工作液从外部芯片 吸收热量后沸腾成为等温饱和蒸汽，在气压差的驱使力作用下蒸汽越过绝热段后抵达冷凝 段，遇到较冷的管壁凝结为液体并释放热量；接着，在热管内贴壁敷设的吸液网芯的毛细 力作用下返回蒸发段再加热汽化，从而构成工质相变传热循环。 热管冷却方式的优点是：可以在等温条件下远距离传递热量并将此热量均匀分布在较 大散热面积上，其热阻小、传热快、传热方向可逆、结构简单、重量轻、体积小。缺点是： 可能出现低温的蒸汽流动黏性力、蒸汽流达音速的塞流现象、蒸汽流速过大、超过液体表 面张力、使液滴飞散的剪断力、流体的流量大于毛细输运能力等，可能会导致导管烧毁； 另外，对管材的材料性能和制造工艺有很高的要求。 图1 2 热管工作原理示意图 2 、微通道散热冷却 微通道换热器作为一种新兴的热设计技术，最早见诸于二十世纪八十年代初美国学者 t u c k e m 姗和p e 笛e 介绍的一种用硅制造而成的水冷肋片式换热器f 引。 微通道换热器的主要优点是【9 】：结构简单。微通道换热器主要采用矩形、三角形、 圆形肋片结构，通道结构简单，采用线切割或化学腐蚀加工，加工方便。体积小。可以 直接作用于毫米甚至微米级的热源位置。具有很高的换热效率。微通道换热器由于通道 的尺寸效应，热阻很低，同时又可以直接作用于热源位置，因此换热效率很高。如果采用 微通道液体强迫对流形式，则可达到更好的散热效果。流体状态主要呈层流，对动力系 3 电子芯片冷却用微型膜式压缩机理论研究 统的要求低，一般仅为几十毫米水头的水柱压降。能够在恶劣的工作环境下工作。缺点 是：水力直径量级的减小加大了实验台加工、装配及实验参数测量准确度的难度。此外， 微通道的堵塞问题，低雷诺数下微流体的流动问题都是需要深入探索的。 3 、低熔点液体金属冷却 低熔点液体金属冷却是由中科院理化研究所最新提出来的一种计算机芯片冷却方式 【1 0 1 。工作原理与水循环冷却方式基本相似，不同之处是在流道内流动的冷却工质并非常规 的水或其他有机混合流体，而是在室温附近可熔化的低熔点金属，如镓或更低熔点的合金 如镓铟等。镓是一种柔软无毒的银白色金属，它在大气环境下的熔点很低，仅为2 9 7 7 ( 其 合金熔点甚至在1 0 以下) ，而其导热率约为水的6 0 倍，高出空气l o o o 多倍，因此整套 装置可做成具有对流冷却方式的纯金属型散热器。作为一种同时兼有高效导热和对流散热 特性的技术，液态金属散热将有望成为新一代理想的超高功率密度热传输技术之一。 4 、纳米级气流冷却 美国普度大学的机械工程师正在开发一种利用空气分子电离来产生纳米级气流的新 颖的冷却技术，该技术利用安装在计算机芯片上，且彼此靠近的电极来生成离子，使1 0 0 v ( 或更低) 的电压通过电极，从而导致带负电荷的纳米管向带正电的电极释放电子【l 】。空 气分子的电离造成了电荷的不平衡，因而形成了会产生微弱气流来散热的纳米级脉冲，之 所以能够用如此低的电压制造出离子效应，是因为纳米管的尖端非常细小，而且带相反电 荷的电极彼此相距只有约1 0 p m 。研究人员相信该技术能够提供与液体循环冷却器件相同 的冷却速率。基于这一设计的未来冷却装置将有一个“离子产生区”，在这个区域电子被释 放，以及一个“推动区”，由一系列能制造冷却效果的电极组成。 5 、喷水冷却 喷水冷却芯片技术是由美国惠普公司科学家提出的给芯片喷水降温的新技术【1 1 1 ，在芯 片装上防水的保护膜，利用芯片内置的热传感器与喷头配合，就能恰如其分地给不同的芯 片喷洒适量的微小水滴，水遇热蒸发，使芯片降温，水蒸汽则被回收到喷头内部，进行循 环再利用。初步研究发现，这种方法不仅能有效地疏散热量，还可以通过控制那些喷嘴工 作的方向，对芯片不同的部分进行不同程度的冷却，目前研究者正在对这种方法进行更严 格的试验。 6 、适用于计算机芯片冷却的微型化制冷系统 常见的制冷方式包括压缩蒸汽制冷热电制冷：斯特林循环、脉冲管制 冷、吸附式制冷、逆布雷顿循环、焦耳汤姆逊节流和热电离子制冷等。要选 的c p u 冷却系统，首先可基于对计算机芯片电子封装的考虑，排除不适于计 的一些制冷系统，如吸收式制冷，焦耳汤姆逊节流，热电离子冷却等；其次， 所示的对比和预测来进行选择。从表1 1 中可以看出无论从制冷量、c o p 出 4 南京航空航天大学硕士学位论文 靠性、价格等因素来考虑，大力发展微型蒸气压缩制冷系统无疑是具有重大意义的。 表1 12 0 0 0 年与2 0 1 0 年五种制冷系统微型化情况的对比和预测n 2 1 采用制冷系统冷却的优点是坨】：在高散热通量的同时可保持低连接温度，使得微处理 器工作频率可以增加；同时，较低恒定的运行温度还可使得芯片的可靠性和有效寿命得到 提高。但另一方面，它也可能增加冷却系统的体积和成本以及导致系统可靠性下降。如图 1 3 所示为蒸气压缩制冷系统原理图。 q 口 锕 图1 3 蒸气压缩式制冷系统原理图 1 2 3 制冷系统应用及其微型化技术的研究进展 s c h i i l i d t 和n o t o h a r d j o n o 曾采用一个蒸气压缩冷却系统来冷却m m s 3 9 0g 洱c m o s 服 务器系统内的处理器，这是将制冷系统应用于毋m 系统的首例【l3 1 。 p e e p l e s 将采用r 1 3 4 a 为工质的蒸气压缩系统与已下市的高性能计算机合并在一起，开 发了一个l 汹，o t e c h 超级g 计算机【i 钔，确定了其在冷却周围环境方面的优势。这包括： c m o s 晶体管开关转换更加快速，载流子迁移率增加，阈值区下的运行特征和互连导电性 得到改善，并且接合点渗漏减少。但是这种方法存在着当周围空气温度低于露点时，湿蒸 5 电子芯片冷却用微型膜式压缩机理论研究 汽将会在裸露的表面凝结的现象，因此凡是裸露的冷表面都必须进行绝缘和密封；同时， 压缩机的体积和重量以及缺乏强大的交互控制能力限制了适用于电子冷却的制冷系统的广 泛应用。 m a v e e t y 等人开发了一个小型r 1 3 4 a 制冷系统，装在一个2 u 架子上，制冷量为1 3 0 w 以实现整合的散热器温度为2 0 。整个系统尺寸为4 0 7 1 7 8 6 4 舢一，由一个铜冷板蒸发器、 一个旋转压缩机、一个带有两个8 0 8 0 删n 2 的轴向叶片的铝制微通道冷凝器和一个细长管 组成【1 5 】。该系统所用压缩机高8 9 m m ，直径6 4 m m ，压缩机排量为1 8 c m 3 ，重1 3 6 k g ，采 用2 4 v 直流电压变速回转式压缩机，聚酯多元醇作为润滑油。蒸发器温度范围为5 到 2 0 ，周围空气在2 5 到3 0 之间，工作压比从3 1 到3 6 ，压缩机耗功为7 w 到2 2 w 之 间，c o p 值在2 2 和5 8 之间波动。随着冷凝器空气流速从o 0 1 k g s 增加到o 0 1 5 k 的，系 统与周围空气的热阻连接也从0 降到o 1 3 侧。可以看出，此系统不仅拥有较好的散热能 力又减小了制冷机构的质量和体积，是一个具有良好制冷性能的微型蒸气压缩系统。 据美国物理网报道，美国普度大学的科学家已经发明了可以对更高功率的计算机芯片 降温的微型制冷系统16 用。这个新的制冷系统能消除在半英寸( 约1 2 7 c m ) 大小的电路上 所产生的超过1 0 0 0 瓦的热量，其散热能力比空冷系统增强了5 倍。该制冷系统为微型蒸气 压缩制冷系统，包括压缩机，微通道冷凝器，膨胀阀和集成冷板蒸发散热器组成，制冷剂 采用r 1 3 4 a 。 微型蒸气压缩系统相对于一些传统的和新型的冷却技术，其制冷部件多，结构复杂， 这将会影响系统运行的可靠性和系统制作成本，从而限制了该方式的普遍推广；同时，要 满足微型制冷系统与芯片的进一步集成的要求，还将面临着工艺及效率问题。因此，当芯 片飞速的迈向高频化、高集成化、微型化的同时，进一步完善开发蒸气压缩制冷系统，使 其满足高冷却性能、微型化以及高性价比要求，将成为该方式未来的主要研究方向。 综上所述，随着芯片集成化的进一步发展，芯片散热问题已经成为人们迫切需要解决 的关键问题之一。微型蒸气压缩式制冷系统以其诸多优点，成为芯片冷却技术中的最为有 效的方案。当前国际上这方面的应用研究也才刚刚起步，仍然有许多工作需要完成。 1 3 微型蒸气压缩制冷系统换热器研究进展 制冷系统的主要部件包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等。由于微型制冷系统对 轻量化的要求很高，因此高效、紧凑、微型的部件是关键，荚中的核心部件就是微型压缩 机和两个换热器( 冷凝器和蒸发器) 。 微型制冷系统若采用紧凑高效的换热器，不仅可使整个装置的体积和质量减小，而且 由于装置功耗减小，其能耗比也大为提高。微通道换热器( i t l i c r o c h a n n e lh e a te x c h a l l g e r ) 和微 通道热沉( m i c r o c h 姗e lh e a ts i n k s ) 是2 0 世纪9 0 年代发展起来的高效换热设备【1 8 - 19 1 ，可广泛 6 南京航空航天大学硕士学位论文 应用于化工、能源与环境等领域【2 咐3 1 。微通道换热器的发展主要包括结构形式和实验研究 两方面。 近年来，随着微加工技术的进步，电子和机械工业的发展，人们可以制造出流体通道 深度范围由几微米到几百微米的高效微型换热器。各种各样的微加工技术被应用于加工微 型换热器，如平板印刷术、化学蚀刻技术、光刻法皿i g a ) 、钻石切削技术、微电子控制加 工技术以及离子束加工技术等掣肄2 7 1 。根据微通道的不同，微型换热器可以分为带有宽扁 通道的微型换热器、带有窄深通道的微型换热器和带有宽深通道的微型换热器三种型式。 p 虹的微型制冷系统所用的微型换热器【2 8 】，即