CN113488444B - 一种基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统 - Google Patents

一种基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统，属于芯片散热领域，该系统包括微通道主冷却单元、辅助冷却单元、冷水机组和系统控制器，微通道主冷却单元包括主微通道换热器、电磁阵列和纳米磁流体冷却液，冷水机组为芯片的整体散热提供冷量；电磁阵列形成磁场区域，利用纳米磁流体的磁热效应为芯片热点提供额外制冷量；辅助冷却单元包括辅微通道换热器和换热流体，用于带走纳米磁流体励磁时产生的热量。系统控制器包括控制单元、温度传感器和直流电源，可以动态监测芯片热点位置和温度，并通过调节磁场强度实现不同热点的定点动态散热。本发明能以较小的能耗实现芯片热点的快速冷却，有效预防芯片的局部热失效，提高芯片表面温度的均匀性。

Description

一种基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统
技术领域
本发明属于芯片散热技术领域，更具体地，涉及一种基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统。
背景技术
随着电子技术的飞速发展，微型化、高集成的大功率电子器件应用越来越广泛。摩尔定律表明，单个芯片上集成的晶体管数量每18-24个月就会翻一番。单位面积上集成的晶体管数目随着年份逐渐增加，而芯片尺寸逐渐减小，导致芯片热流密度极大提高，且芯片中不同功能模块的晶体管的活动会造成高度不均匀的热量产生，进而导致芯片中出现随时间和空间而变化的热点区域。热点处的热流密度可高达500～1000W/cm2，热点区域的出现会在芯片中产生局部高温和热应力，而芯片温度和温度梯度的增加将以指数倍的速度加速缩短产品的平均无故障时间，并且缩短电子设备的生命周期。相关研究表明，超过55％的电子器件失效问题与芯片热管理相关。因此，芯片的热管理系统不仅要应对背景热量，同时还要能够快速地带走热点区域的热量，在维持芯片整体温度的同时降低其热点区域的温度。
目前电子芯片的散热主要采用微通道冷却技术，微通道换热器具有换热面积大、效率高等特点，对芯片的整体均匀冷却具有非常优异的效果。针对芯片热点问题，主要通过对热点区域的微通道结构进行改进，但由于结构固定，只能机械式的冷却固定区域的热点，不能解决芯片热点不可控问题；另一种方法是通过增大微通道整体冷却能力进行热点冷却，但这将导致非热点区域的过度冷却，影响芯片的正常工作，同时也会显著增加能耗。因此，有必要对芯片热点的散热问题展开研究，设计一种能自动监测芯片热点位置并智能调控实现热点冷却的系统，从而有效预防芯片的热失效问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统，其目的在于通过控制电磁阵列产生磁场的区域，仅使热点对应微通道上的电磁体产生磁场，而其他微通道上的电磁体不产生磁场，利用纳米磁流体退磁产生的冷量实现芯片热点定点动态冷却，而非热点区域不受影响，由此解决传统热点冷却方法非热点区域过冷的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统，该系统包括微通道主冷却单元、辅助冷却单元和冷水机组；
所述微通道主冷却单元包括主微通道换热器、电磁阵列和主流路，所述主微通道换热器内部包括多个微通道，其两端通过所述主流路连接于所述冷水机组从而构成循环回路；所述主微通道换热器的流入段位于相对设置的电磁阵列之间，流出段与芯片接触设置；
所述辅助冷却单元贴合设置于所述主微通道换热器流入段的上下两面并与所述冷水机组连通；所述主流路内设有纳米磁流体，所述纳米磁流体流经所述流入段时在所述电磁阵列产生的磁场作用下励磁升温，所述辅助冷却单元用于吸收所述纳米磁流体励磁过程中产生的热量并使励磁后的纳米磁流体降温，降温后的纳米磁流体流经所述流出段时退磁降温并吸收芯片产生的热量；通过控制所述电磁阵列对应所述主微通道换热器流入段的各微通道产生的磁场区域，从而实现芯片热点的定点冷却。
优选地，所述辅助冷却单元包括辅微通道换热器、第二驱动件和辅流路；
所述辅微通道换热器与所述主微通道换热器流入段的上下两面贴合设置，所述辅微通道换热器两端通过所述辅流路连接于所述冷水机组从而构成循环回路；所述辅流路内设有换热流体，所述换热流体在所述第二驱动件的驱动下循环流动以带走所述纳米磁流体励磁过程中产生的热量；携带热量的换热流体通过所述冷水机组后冷却并在所述辅流路中继续循环流动。
优选地，所述换热流体包括水、乙醇或制冷剂。
优选地，所述主微通道换热器和所述辅微通道换热器通过真空钎焊连接；所述主微通道换热器和所述辅微通道换热器内的微通道为错流设置。
优选地，所述主微通道换热器和所述辅微通道换热器的材料为铜。
优选地，所述冷水机组的制冷方式为蒸汽压缩制冷，所述冷水机组用于冷却所述纳米磁流体及所述换热流体。
优选地，所述纳米磁流体由纳米磁颗粒和作为基液的流体组成，所述纳米磁颗粒弥散分布于所述基液中。
优选地，所述纳米磁颗粒为Gd基合金纳米颗粒或钙钛型合金纳米颗粒；所述基液为去离子水。
优选地，还包括系统控制器，所述系统控制器包括控制单元、多个温度传感器和直流电源；
所述多个温度传感器用于感应并记录芯片表面的温度并监测局部热点的位置，并将温度信号和位置信号传递至所述控制单元；所述控制单元根据所述温度信号和位置信号控制所述直流电源打开所述第二驱动件，并且控制热点位置对应微通道上的所述电磁阵列产生磁场。
优选地，所述控制单元还用于根据所述多个温度传感器监测的温度判断芯片热点的个数及位置，并控制所述直流电源对热点对应微通道上的所述电磁阵列通电，从而产生磁场；所述控制单元还用于根据热点温度调节通入所述电磁阵列的电流大小从而动态调节磁场大小，以满足单热点或多热点的不同散热需求。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提出的基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统通过将控制单元和电磁阵列组合，仅使热点对应微通道上的电磁体产生磁场，而其他微通道上的电磁体不产生磁场，利用纳米磁流体退磁产生的冷量实现芯片热点定点动态冷却，而非热点区域不受影响，可有效避免传统热点冷却方法非热点区域过冷的问题；且可通过调节电流大小改变磁场的强度，从而调节纳米磁流体的冷却能力，满足不同热点冷却需求，调节方便。
2、本发明提出的基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统利用纳米磁流体的磁热效应实现磁流体流出磁场区域时产生温降，相比于现有技术中微通道芯片冷却系统而言，能够在相同微通道尺寸中，消耗少量功耗，实现进一步降低芯片热点处磁流体冷却液的温度，显著提高了热点冷却效果。
3、本发明提出的基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统利用纳米级磁颗粒弥散在基液中形成纳米磁流体，强化了微通道换热器的换热能力，有利于芯片的快速散热。
4、本发明使用范围广，适用于多种电子器件的散热，且设计简单，调节便捷，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统的系统结构图；
图2是本发明基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统所构建的主、辅微通道换热器的结构示意图；
图3是本发明基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统的电磁阵列控制电路示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-冷水机组；2-第一驱动件；3-控制单元；4-温度传感器；5-主微通道换热器；6-辅微通道换热器；7-电磁阵列；8-直流电源；811-开关；9-主流路；10-第二驱动件；11-辅流路；12-芯片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1-3所示，本发明提供一种基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统，该系统由微通道主冷却单元、辅助冷却单元、冷水机组1和系统控制器组成。其中，所述微通道主冷却单元由第一驱动件2、主微通道换热器5、电磁阵列7、主流路9和纳米磁流体组成。冷水机组1与所述主微通道换热器5通过所述主流路9连接，所述第一驱动件2驱动所述纳米磁流体在所述主流路9中循环流动，所述主微通道换热器5的流入段置于所述电磁阵列7内，流出段与芯片12直接接触。
辅助冷却单元由辅微通道换热器6、第二驱动件10、辅流路11和换热流体组成，所述冷水机组1与所述辅微通道换热器6通过所述辅流路11连接，所述辅微通道换热器6位于主微通道换热器5流入段的上下两侧，并置于所述电磁阵列7内，所述第二驱动件10驱动所述换热流体循环流动。
系统控制器由控制单元3、多个温度传感器4和直流电源8组成，所述控制单元3控制直流电源8，多个温度传感器4贴于芯片12表面可能出现热点的位置。
本发明的一个实施例中，所述电磁阵列7由多个并联设置的电磁体组成，并且多个电磁体之间互不影响。如图3所示，每个电磁体上串联有开关811，用于控制通入电磁体的电流，从而控制该电磁体是否产生磁场。
本发明的一个实施例中，所述第一驱动件2和所述第二驱动件10均为泵体。
本发明的一个实施例中，所述纳米磁流体由纳米磁颗粒和作为基液的流体组成，所述纳米磁颗粒弥散分布于所述基液中。进一步地，所述纳米磁颗粒为Gd基合金纳米颗粒或钙钛型合金纳米颗粒；所述基液为去离子水。
作为本发明的优选实施例，所述纳米磁流体为Gd基合金纳米磁流体。
本发明的一个实施例中，所述换热流体包括水、乙醇或制冷剂。
作为本发明的优选实施例，所述换热流体为水。
本发明的一个实施例中，所述冷水机组1可以采用任何制冷方式。
作为本发明的优选实施例，所述冷水机组1的制冷方式为蒸汽压缩制冷，用于冷却所述纳米磁流体及所述换热流体。
作为本发明的优选实施例，所述温度传感器4为热电偶温度传感器。
本发明的工作方式如下：
热电偶温度传感器监测芯片12的温度，并实时的将信号传递给所述控制单元3，当芯片12各处温度与芯片平均温度差值均小于5℃时，则判断为无芯片热点，此时仅所述微通道主冷却单元工作，辅助冷却单元不工作，直流电源8未接通，电磁阵列7未产生磁场。具体地，所述第一驱动件2驱动被冷水机组1冷却后的Gd基合金纳米磁流体流入主微通道换热器5并冷却芯片12，之后又回到冷水机组1，释放从芯片12处吸收的热量。
当芯片12某处温度与芯片平均温度差值大于5℃时，则判断为芯片热点，此时所述微通道主冷却单元和辅助冷却单元均工作，直流电源8接通。具体地，控制单元3根据热点位置控制直流电源8使得热点对应微通道上的电磁阵列7中的电磁体产生磁场，当Gd基合金纳米磁流体流入主微通道换热器5的磁场区域时(励磁)，由于磁热效应其温度会升高，此时第二驱动件2驱动水流经辅微通道换热器6，并将Gd基合金纳米磁流体励磁时产生的热量带走，当Gd基合金纳米磁流体流出主微通道换热器5的磁场区域时(退磁)，此时的Gd基合金纳米磁流体会由于磁热效应而获得更低的温度，随后低温Gd基合金纳米磁流体直接流向芯片热点并快速将热点的热量带走，由于仅热点对应的微通道上的电磁体产生磁场，而其他微通道上的电磁体未产生磁场，故其他微通道内的Gd基合金纳米磁流体的温度未改变，从而实现了芯片热点的定点冷却，而非热点区域不受影响，提高了芯片表面温度的均匀性。由于采用电磁阵列7，故可实现单热点或多热点的散热，且电磁阵列7的磁场强度可通过改变电流的大小动态调节，因此能满足不同热点的散热需求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统，其特征在于，该系统包括微通道主冷却单元、辅助冷却单元和冷水机组(1)；
所述微通道主冷却单元包括主微通道换热器(5)、电磁阵列(7)和主流路(9)，所述主微通道换热器(5)内部包括多个微通道，其两端通过所述主流路(9)连接于所述冷水机组(1)从而构成循环回路；所述主微通道换热器(5)的流入段位于相对设置的电磁阵列(7)之间，流出段与芯片(12)接触设置；
所述辅助冷却单元贴合设置于所述主微通道换热器(5)流入段的上下两面并与所述冷水机组(1)连通；所述主流路(9)内设有纳米磁流体，所述纳米磁流体流经所述流入段时在所述电磁阵列(7)产生的磁场作用下励磁升温，所述辅助冷却单元用于吸收所述纳米磁流体励磁过程中产生的热量并使励磁后的纳米磁流体降温，降温后的纳米磁流体流经所述流出段时退磁降温并吸收芯片(12)产生的热量；通过控制所述电磁阵列(7)对应所述主微通道换热器(5)流入段的各微通道产生的磁场区域，从而实现芯片热点的定点冷却。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统，其特征在于，所述辅助冷却单元包括辅微通道换热器(6)、第二驱动件(10)和辅流路(11)；
所述辅微通道换热器(6)与所述主微通道换热器(5)流入段的上下两面贴合设置，所述辅微通道换热器(6)两端通过所述辅流路(11)连接于所述冷水机组(1)从而构成循环回路；所述辅流路(11)内设有换热流体，所述换热流体在所述第二驱动件(10)的驱动下循环流动以带走所述纳米磁流体励磁过程中产生的热量；携带热量的换热流体通过所述冷水机组(1)冷却后并在所述辅流路(11)中继续循环流动。
3.根据权利要求2所述的一种基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统，其特征在于，所述换热流体包括水、乙醇或制冷剂。
4.根据权利要求2所述的一种基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统，其特征在于，所述主微通道换热器(5)和所述辅微通道换热器(6)通过真空钎焊连接；所述主微通道换热器(5)和所述辅微通道换热器(6)内的微通道为错流设置。
5.根据权利要求4所述的一种基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统，其特征在于，所述主微通道换热器(5)和所述辅微通道换热器(6)的材料为铜。
6.根据权利要求2所述的一种基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统，其特征在于，所述冷水机组(1)的制冷方式为蒸汽压缩制冷，所述冷水机组(1)用于冷却所述纳米磁流体及所述换热流体。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统，其特征在于，所述纳米磁流体由纳米磁颗粒和作为基液的流体组成，所述纳米磁颗粒弥散分布于所述基液中。
8.根据权利要求7所述的一种基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统，其特征在于，所述纳米磁颗粒为Gd基合金纳米颗粒或钙钛型合金纳米颗粒；所述基液为去离子水。
9.根据权利要求2-6任一项所述的一种基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统，其特征在于，还包括系统控制器，所述系统控制器包括控制单元(3)、多个温度传感器(4)和直流电源(8)；
所述多个温度传感器(4)用于感应并记录芯片(12)表面的温度并监测局部热点的位置，并将温度信号和位置信号传递至所述控制单元(3)；所述控制单元(3)根据所述温度信号和位置信号控制所述直流电源(8)打开所述第二驱动件(10)，并且控制热点位置对应微通道上的所述电磁阵列(7)产生磁场。
10.根据权利要求9所述的一种基于纳米磁流体的芯片热点冷却系统，其特征在于，所述控制单元(3)还用于根据所述多个温度传感器(4)监测的温度判断芯片热点的个数及位置，并控制所述直流电源(8)对热点对应微通道上的所述电磁阵列(7)通电，从而产生磁场；所述控制单元(3)还用于根据热点温度调节通入所述电磁阵列(7)的电流大小从而动态调节磁场大小，以满足单热点或多热点的不同散热需求。
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