微机CPU芯片液冷材料与冷却效果分析

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现在CPU的散热问题越来越突出。随着电子芯片技术的飞速发展,计算机的CPU芯片呈现高集成化、小型化及高频化的发展趋势,但CPU芯片越来越高的发热量,成为阻碍这一趋势发展的关键因素。CPU芯片更进一步的小型化及集成化发展,使电子元件单位面积产生的热量大幅度的提高,提高散热器散热效率已成为急需解决的问题,而先进的电子芯片散热技术将成为解决这一问题的核心。传统的芯片散热技术受到挑战,风冷技术难以达到更高的散热要求,具有更高散热效果及发展前景的液体散热技术,日益成为国内外研究者的重要课题。液体散热技术是一种非常有效的散热方式,在CPU散热方面也有非常好的表现。国内外对CPU散热问题的研究大多集中于液体散热器的设计和优化上,如热管和微槽道设计等,对于冷却液材料的研究多是关于液态金属这种高价格的材料上。还有就是在有机溶剂中寻找对环境友好、对人危害较小的新型冷却液材料,用以替代污染环境的旧的冷却液,而这一方面的研究主要集中在空调和冰箱这样较强的制冷机器上面。另外在汽车发动机上使用的纳米流体的研究也较多,对纳米流体的研究大多集中在延长纳米颗粒在溶液中的悬浮时间或改良性状、提高导热系数或减小粘度增强流动性等方面,但关于用在CPU散热方面的研究却是很少见到。本文的研究从对液体散热系统的分析和液体散热工质的对比,从散热系统(常用液体散热系统、热管散热系统、液体喷射散热系统)的优缺点和各自用途及从冷却液材料的要求出发,讨论了多种冷却液材料(水、金属液体、纳米流体)的优势和不足之处及其实际效果,并讨论了CPU芯片液冷材料需要具备的特点:良好的导热系数、流动性、高沸点、低冰点、比热容。除此之外,还必须具备对人无毒害、无刺激,对环境友好的特点,具有可持续发展性,并依此设计了一种以甘油为基,添加纯净水进行性状改良的冷却液材料,并对其进行实际测试,发现这种冷却液很好的满足了散热要求。在上述研究结果的基础上,本文得出以下结论:(1)提出了一种廉价且效果突出的甘油基冷却液材料,以水作为溶剂配制成几组不同浓度的冷却液,进行实际装机测试并进行分析,发现在对散热器的散热效果受到充液量的限制,当充满冷却液的散热效果优于装不满(96%)的;(2)当水作为冷却液材料时,大比热容是让它在实际散热效果中表现不佳的原因,但是较大的比热容又使它具有缓冲温度突变的作用,面对发热体突然大量发热的情况,水可以使发热体的温度缓慢升高,而不至于温度突然升高对发热体造成损伤,并随着冷却液比热容的增大,缓冲效果越来越明显;(3)冷却液的比热容和粘度相互制约,但存在一个平衡点,使得材料在散热效果方面表现优异,比如甘油25%体积浓度的水溶液,既能保证良好的散热效果又可以对温度突变进行缓冲;(4)设计了一种新型的双管道液体散热器,采用双管道使得散热器中可以同时互不干扰的流动两种性能互补的冷却液,既可达到良好的散热效果,又能够保留对温度突变的缓冲效果。
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