CN116581094A - 一种液态金属散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态金属散热装置，属于散热装置技术领域。包括液流管道和电磁泵，所述液流管道与所述电磁泵连通形成密闭回路；所述液流管道包括用于与外部进行热交换的换热段和用于冷却芯片的冷却段，所述液流管道内充有液态金属；所述液流管道内壁形成有若干凸肋，用于扰乱沿所述液流管道内壁流动的液态金属的流动状态，发生湍流传热，因流体的质点作不规则运动，流场中各种量随时间和空间坐标发生紊乱的变化，导致管中心处温度与管壁处的温度差较小，换热效率比层流传热得以提高从而增强液态金属与液流管道的管壁流动处的传热效果，提高换热效率。

Description

一种液态金属散热装置

技术领域

本发明涉及散热装置技术领域，具体涉及一种液态金属散热装置。

背景技术

随着高集成计算机芯片的发展，对高性能芯片冷却的需求已上升到前所未有的层面。传统的液体冷却虽然效率较高，但在运行中由于工质蒸发或泄露等会导致器件老化、腐蚀，对液体及流动管道的要求较高，可靠性尚有待提高，同时液冷系统中液泵和风扇的高速转动大大增加了系统噪音。此外，喷雾冷却、热管、微通道冷却、液体射流冲击冷却等新方法在一定程度增强了芯片的散热效果，但也各有优缺点。比如，热管是一种被动散热，利用相变传热的冷却方式，可以达到较之单相流体更高的热流转移通量，但热管制作工艺如芯体材料的制备、工质封装、维护及可靠性等仍有待于提高，这使其应用受到一定限制；而液体射流冲击冷却、直接浸液冷却及喷雾冷却均会给电子元器件的防潮带来困难，同时系统比较复杂，体积和重量较大，设备费用高，维修较困难，传统的冷却方法将趋于其散热极限。

液态金属是指一种不定型金属，液态金属可看作由正离子流体和自由电子气组成的混合物。液态金属具有远高于水、空气及许多非金属介质的热导率，同时具有流动性，这些特性将金属流体的导热和对流换热方式组合在一起可实现快速高效的热量输运。因此液态金属芯片散热器相对传统水冷可实现更加高效的热量输运及极限散热能力，液态金属不易蒸发，不易泄漏，安全无毒，物化性质稳定，极易回收，是一种非常安全的流动工质，可以保证散热系统的高效、长期、稳定运行在室温金属流体芯片散热技术中，流道内流动的工质是在室温附近即可熔化的低熔点金属如镓或更低熔点的合金等，这同传统液冷技术有着本质的区别。

在现有技术中，作为室温金属流体芯片散热工质的液体金属，一般具有较低的蒸气压和高的沸点，那么在流动过程中，几乎不可能出现从液相到气相之间的转变，从而确保了冷却系统的稳定性和安全性。目前，人们一般采用受迫对流空气来冷却发热器件，即利用风扇将冷却空气压送至散热器件表面以将该处热量散走，但此种方式散热量有限，且会造成明显噪音；而且一旦微器件发热密度达到过高时，空气冷却将难以胜任。另一种常见的冷却方式为水冷，水冷虽然效率较高，但在运行中受热蒸发导致会器件老化和腐蚀，并且对水质及流动管道的要求较高，存在泄露风险，水在循环过程中一旦驱动水循环的设备发生故障导致水流停止，则失去冷却的芯片温度将迅速攀升，直至烧毁，因此，水冷方式的散热器件的安全性低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液态金属散热装置，用于解决现有技术中传统散热方式无法适配高集成计算机芯片的发展造成高集成计算机芯片散热极易达到其散热极限，传统散热方式散热量有限、安全性低易导致无法及时将热量散出使得高集成计算机芯片烧毁的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种液态金属散热装置，包括液流管道和电磁泵，所述液流管道与所述电磁泵连通形成密闭回路；所述液流管道包括用于与外部进行热交换的换热段和用于冷却芯片的冷却段，所述液流管道内充有液态金属；所述液流管道内壁形成有若干凸肋，用于扰乱沿所述液流管道内壁流动的液态金属的流动状态。

作为本发明进一步的方案，所述凸肋为环状、块状、条状或锥状。

作为本发明进一步的方案，所述液流管道内壁沿其轴向开设有螺旋槽。

作为本发明进一步的方案，若干所述凸肋与所述螺旋槽间隔设置。

作为本发明进一步的方案，还包括散热组件，所述散热组件包括壳体、散热风机组件和散热管，所述散热管安装于所述壳体底部，所述散热风机组件安装于所述壳体顶壁，所述壳体侧壁开设有通风口；所述液流管道的换热段盘绕于所述散热管内壁，所述散热管外壁轧制有若干散热翅。

作为本发明进一步的方案，所述电磁泵内部包括沿液态金属流动方向依次相接的内径渐扩的第三导流管、内径均匀的第二导流管和内径渐缩的第一导流管；所述液流管道还包括用于接收液态金属流入的液流入口和用于向外输送液态金属的液流出口，所述液流入口与所述第一导流管通过高压喷头连接，所述液流出口与所述第三导流管连接。

作为本发明进一步的方案，还包括导热层，所述散热组件与封装芯片的芯片外壳通过所述导热层连接；所述导热层为导热硅脂层。

作为本发明进一步的方案，还包括冷体，所述冷体与封装芯片的芯片外壳贴合，且所述冷体内开设有道槽，所述液流管道冷却段安装于所述道槽内。

作为本发明进一步的方案，所述液态金属为镓金属、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、铋铟锡合金、铋铟锡锌合金中的至少一种。

作为本发明进一步的方案，还包括加热组件，所述加热组件间隔设置于所述液流管道外壁，用于芯片启动阶段的预热。

本发明的有益效果：

(1)本发明所公开的一种液态金属散热装置通过在液流管道内壁形成有若干凸肋，用于扰乱沿液流管道内壁流动的液态金属的流动状态，发生湍流传热，因流体的质点作不规则运动，流场中各种量随时间和空间坐标发生紊乱的变化，导致管中心处温度与管壁处的温度差较小，换热效率比层流传热得以提高从而增强液态金属与液流管道的管壁流动处的传热效果，提高换热效率。

(2)本发明所公开的一种液态金属散热装置通过在液流管道内壁沿其轴向开设螺旋状的螺旋槽，使得液态金属沿液流管道内壁流动时产生周期性的扰动作用，加快由液流管道壁面向液态金属的热量传递，强化传热效果，螺旋槽凹陷的侧壁对流经的液态金属产生限制作用，使得管内的液态金属做整体螺旋运动从而产生局部二次流动，同时螺旋槽所导致的形体阻力产生逆向压力梯度，在边界层分离之前会产生逆压梯度，在粘性力和逆向压力的作用下，液态金属会在分离点速度降为零形成新的滞停点，进行充分换热，之后在扰动作用下离开壁面后在液态金属主流的流动下沿液流管道流动到散热组件进行散热，进一步提高换热效果。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明所提出的一种液态金属散热装置的整体结构示意图；

图2是本发明所提出的一种液态金属散热装置的凸肋结构示意图；

图3是本发明所提出的一种液态金属散热装置的螺旋槽结构示意图；

图4是本发明所提出的一种液态金属散热装置的电磁泵结构示意图。

图中：1、散热组件；11、壳体；12、散热风机组件；13、通风口；14、散热管；140、凸肋；141、外管壁；142、螺旋槽；15、散热翅；2、电磁泵；201、第一磁极；202、第二磁极；203、电源；204、进液口；205、出液口；21、第一导流管；22、第二导流管；23、第三导流管；24、限位阀；25、高压喷头；3、液流管道；301、液流入口；302、液流出口；4、冷体；401、道槽；5、芯片外壳；6、导热层；7、加热组件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，一种液态金属散热装置，包括散热组件1、电磁泵2、液流管道3、冷体4、芯片外壳5和导热层6，其中散热组件1通过导热层6与芯片外壳5粘接，电磁泵2与液流管道3形成密闭连通的回路，液流管道3包括盘绕于散热组件1内部的用于与外部进行换热的换热段和用于冷却封装于芯片外壳5内的芯片的冷却段，在液流管道3内充有液态金属，为了扰乱液态金属沿液流管道3内壁流动的流动状态，在液流管道3内壁挤压形成有凸肋140，提高散热效果。

在一实施例中，电磁泵2驱动液流管道3内的液态金属沿液流管道3进行流动形成循环回路，液态金属在液流管道3的冷却段温度较低，对温度较高的芯片进行热交换，此时液态金属因为热传递吸收芯片高温散发的热量，在流动过程中，芯片产生的热量随着温度较低的液态金属流动将热量带走，液态金属吸收芯片产生的热量在液流管道3内流动至位于散热组件1部位的液流管道3换热段，位于换热段的液态金属通过散热组件1与外界进行热交换，将液态金属中携带的热量传递至外界进行散热，然后冷却下来的液态金属从换热段再次流经冷却段继续对芯片进行热交换冷却芯片温度，液态金属沿着液流管道3于电磁泵2连通成的密闭回路往复循环对芯片进行散热。

液态金属是指一种不定型金属，液态金属可看作由正离子流体和自由电子气组成的混合物。液态金属具有远高于水、空气及许多非金属介质的热导率，同时具有流动性，这些特性将金属流体的导热和对流换热方式组合在一起可实现快速高效的热量输运。因此液态金属芯片散热器相对传统水冷可实现更加高效的热量输运及极限散热能力，液态金属不易蒸发，不易泄漏，安全无毒，物化性质稳定，极易回收，是一种非常安全的流动工质，可以保证散热系统的高效、长期、稳定运行在室温金属流体芯片散热技术中，流道内流动的工质是在室温附近即可熔化的低熔点金属如镓或更低熔点的合金等，这同传统液冷技术有着本质的区别。作为室温金属流体芯片散热工质的液态金属，一般具有较低的蒸气压和高的沸点以及较低的熔点，那么在流动过程中，几乎不可能出现从液相到气相之间的转变，从而确保了冷却系统的稳定性和安全性。

该液态金属可以为镓金属、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、铋铟锡合金、铋铟锡锌合金中的至少一种，液态金属在常温(常温一般定义为25℃左右，常温可以称为一般温度或者室温，我国工程上常温按照20℃为标准，这是我国大多数地方春秋天的温度，如循水温度)下一般即可融化呈液态。

镓是柔软的银白色金属，它在大气环境下的熔点很低，仅为29.77℃，在熔点时的导热系数为29.4W/(m·K),远高于空气和水；镓的沸点很高，约为2403℃，蒸气压较低；液态镓的绝对粘度在52.9℃时为1.89g/(m·s)；固态镓在27℃时的比热为370J/(kg·℃)，在100℃时的比热为344J/(kg·℃)；固态镓的密度为5.904g/cm，32.38℃时的液体镓的密度为6.093g/cm。这些热特性表明将镓作为芯片散热用的冷却介质是十分合适的。

镓易与许多金属形成一系列低熔点合金，由于锡的价格相对较为低廉，镓和锡组成的合金具有较低的熔点和良好的导热性能,特别适合用作液体金属芯片散热器的冷却工质，总的来说，液态金属工质对室温金属流体散热系统的传热性能和效率有着重要的影响，它应满足以下要求：较低熔点，以减少或避免启动时的解冻过程；高的沸点，以避免产生气液两相，易于流体管理；高的热导率，以增强换热、降低热阻，减小热梯度、可采用较大的流体通道尺寸；适宜的粘度，较好的流动性，以降低流动阻力，减小对泵压头的需求；热容大，以提高传热能力，降低泵流量的需求；工质在工作过程中不可燃、无毒，增强安全性。

为了提高液流管道3的换热效果，采用由奥氏体不锈钢、钛合金、铜合金等导热性能好的材料制成液流管道3，液流管道3内壁光滑，然后通过无切削滚扎工艺将液流管道3金属内壁进行挤压发生塑性变形形成向液流管道3内部突起的凸肋140，凸肋140的中间高两边低，可以呈环状的凸肋140、块状的凸肋140、条状的凸肋140或者锥形的凸肋140，使得沿液流管道3内壁流动的液态金属的流动状态受到干扰扰动，在凸肋140的波峰处流速低，静压增大，在波谷处则反之，使得沿液流管道3内壁流动液态金属产生剧烈的漩涡，加强了液流管道3内壁边界的液态金属的搅动效果，使得该凸肋140处液态金属与液流管道3内壁面接触处雷诺数增大，在扰动作用下该接触面处液态金属流动的速度剖面发生扭曲，速度剖面上出现了拐点，使得在这点上或附近，沿着液态金属流动方向的机械能突变为零，致使此点速度突降为零，这样速度发生了间断，这样这一部分液态金属与散热面接触时间更久，可以传递更多的热量；由于沿流线方向机械能是守恒的，速度突降为零必然导致压力突然升高，形成压力脉冲，使得该点处湍流动能增加产生湍流继续随主流一起流动；

湍流是流体的一种流动状态，当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，也称为稳流或片流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合，这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种运动称为湍流，又称为乱流、扰流或紊流；

流体的流动出现湍流后发生湍流传热，因流体的质点作不规则运动，流场中各种量随时间和空间坐标发生紊乱的变化，导致管中心处温度与管壁处的温度差较小，换热效率比层流传热得以提高从而增强液态金属与液流管道3管壁流动处的传热效果，提高换热效率。

在一实施例中，为了进一步增强传热效果，提高传热效率，在液流管道3的外管壁141通过挤压形成向内壁方向凹陷的凹槽，在管内壁则形成突出于液流管道3内部的凸肋140，在液流管道3内壁沿其轴向开设螺旋状的螺旋槽142，使得液态金属沿液流管道3内壁流动时产生周期性的扰动作用，加快由液流管道3壁面向液态金属的热量传递，强化传热效果，螺旋槽142凹陷的侧壁对流经的液态金属产生限制作用，使得管内的液态金属做整体螺旋运动从而产生局部二次流动，同时螺旋槽142所导致的形体阻力产生逆向压力梯度，在边界层分离之前会产生逆压梯度，在粘性力和逆向压力的作用下，液态金属会在分离点速度降为零形成新的滞停点，进行充分换热，之后在扰动作用下离开壁面后在液态金属主流的流动下沿液流管道3流动到散热组件进行散热，若干凸肋140与螺旋槽142间隔设置，其中，边界层是高雷诺数绕流中紧贴管壁面的粘性力不可忽略的流动薄层。

由于液态金属在室温下或者吸热升温达到其熔点呈液态，但是在冬天或者环境温度低于零下时，液态金属呈现固态，无法在液流管道3内流动或者流动不畅，则会影响散热效果，在液流管道3外壁间隔安装有若干加热组件7，当芯片启动的时候，发热量不是很多，但是液态金属此时成固态或半固态不易流动，影响散热，所以通过若干加热组件7对液流管道3进行预热，避免了芯片启动阶段因为散热差将芯片烧毁；同时在散热组件1内安装有散热风机组件12，其中，散热组件1包括壳体11，在壳体11顶壁开设安装口，在壳体11侧壁开设通风口13，将散热组件1与芯片外壳5通过导热层6粘接，将散热管14安装在壳体11底壁，将散热风机组件12安装于安装口处，安装口与通风口13间形成气体流通的风道，从而通过散热风机组件12吹入冷气流，使得芯片产生的热量通过导热层6传递至壳体11内并沿风道由通风口13排出，这样芯片在启动阶段，加热组件7在对液流管道3内的液态金属进行预热时，可以通过散热组件1对芯片进行散热。

在一实施例中，为了提高散热管14与外部的热交换，提高换热效果，在散热管14管壁轧制若干散热翅15，散热翅15沿散热管14长度方向环绕于散热管14外壳壁，散热翅15可以呈螺旋形排布，增强换热效果。

在一实施例中，芯片封装于芯片外壳5内，包裹住芯片的周边的内壁里安装有冷体4，冷体4开设有蛇形弯折的道槽401，液流管道3的冷却段设置于道槽401内，液流管道3与芯片进行热交换对芯片进行散热。

为了便于电磁泵2驱动液态金属沿液流管道3流动，电磁泵2内部沿液态金属流动方向依次相接有内径渐扩的第三导流管23、内径均匀的第二导流管22和内径渐缩的第一导流管21，液流管道3还包括用于接收液态金属流入的液流入口301和用于向外输送液态金属的液流出口302，液流入口301与第一导流管21通过高压喷头25连接，液流出口302与所述第三导流管23连接，液流出口302与所述第三导流管23连接，渐变的流道可以尽量减少液态金属的流动阻力；在第一导流管21流出端通过高压喷头25与液流管道3的液流入口301连接，在第三导流管23的流入端与液流管道3的液流出口302连接，高压喷头25上设置有控制液态金属流量的限位阀24，液态金属通过高压喷头25呈喷射状进入液流管道3，增加其动能。

在一实施例中，电磁泵2内通过液态金属的流道上下两侧壁安装第一磁极201和第二磁极202，第一磁极201靠近电磁泵2的一侧为N极，第二磁极202靠近电磁泵2的一侧为S极，在电磁泵2内的流道两侧连通电源203，液态金属从进液口204进入流道，从出液口205流出流道，当低电压、大电流的直流电通过电极流入液态金属后再从另一侧电极流出，当液态金属内流动的电流与磁场发生相互作用时，产生推动液态金属的电磁力，从而驱动液态金属在液流管道3内流动。

在一实施例中，流入冷却段之前的液态金属温度较低，流入换热段之前的液态金属温度较高，温度较高的流体在密封的液流管道3内温度上升，密度降低与温度较低的流体之间形成密度差，在热驱动力的作用下，液态金属不断地从芯片处吸热，携带至散热管14处释放，从而在液流管道3内循环流动。

在一实施例中，导热层6为导热硅脂层，导热硅脂以有机硅酮为主要原料，添加耐热、导热性能优异的材料，制成的导热型有机硅脂状复合物，是一种高导热绝缘有机硅材料，几乎永远不固化，可在零下50℃至230℃的温度下长期保持使用时的脂膏状态，既具有优异的电绝缘性，又有优异的导热性，同时具有低游离度(趋向于零)，耐高低温、耐水、臭氧、耐气候老化，提供了极佳的导热效果，在散热与导热应用中，即使是表面非常光洁的两个平面在相互接触时都会有空隙出现，这些空隙中的空气是热的不良导体，会阻碍热量向散热片的传导。而导热硅脂就是一种可以填充这些空隙，使热量的传导更加顺畅迅速的材料，通过在散热组件1与芯片外壳5连接处通过导热层6连接，填充两者之间存在的空隙，提高传热效果，同时为了避免液态金属在低于室温状态下固化，可通过导热层6直接将芯片产生的热量通过导热层6传递至散热组件1，通过散热风机组件12进行散热。

本发明所公开的一种液态金属散热装置的工作原理如下：

在凸肋140的波峰处流速低，静压增大，在波谷处则反之，使得沿液流管道3内壁流动液态金属产生剧烈的漩涡，加强了液流管道3内壁边界的液态金属的搅动效果，使得该凸肋140处液态金属与液流管道3内壁面接触处雷诺数增大，在扰动作用下该接触面处液态金属流动的速度剖面发生扭曲，速度剖面上出现了拐点，使得在这点上或附近，沿着液态金属流动方向的机械能突变为零，致使此点速度突降为零，这样速度发生了间断，这样这一部分液态金属与散热面接触时间更久，可以传递更多的热量；由于沿流线方向机械能是守恒的，速度突降为零必然导致压力突然升高，形成压力脉冲，使得该点处湍流动能增加产生湍流，发生湍流传热，因流体的质点作不规则运动，流场中各种量随时间和空间坐标发生紊乱的变化，导致管中心处温度与管壁处的温度差较小，换热效率比层流传热得以提高从而增强液态金属与液流管道3管壁流动处的传热效果，提高换热效率。

以上对本发明的部分实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种液态金属散热装置，其特征在于，包括液流管道(3)和电磁泵(2)，所述液流管道(3)与所述电磁泵(2)连通形成密闭回路；所述液流管道(3)包括用于与外部进行热交换的换热段和用于冷却芯片的冷却段，所述液流管道(3)内充有液态金属；所述液流管道(3)内壁形成有若干凸肋(140)，用于扰乱沿所述液流管道(3)内壁流动的液态金属的流动状态。

2.根据权利要求1所述的一种液态金属散热装置，其特征在于，所述凸肋(140)为环状、块状、条状或锥状。

3.根据权利要求1所述的一种液态金属散热装置，其特征在于，所述液流管道(3)内壁沿其轴向开设有螺旋槽(142)。

4.根据权利要求3所述的一种液态金属散热装置，其特征在于，若干所述凸肋(140)与所述螺旋槽(142)间隔设置。

5.根据权利要求1所述的一种液态金属散热装置，其特征在于，还包括散热组件(1)，所述散热组件(1)包括壳体(11)、散热风机组件(12)和散热管(14)，所述散热管(14)安装于所述壳体(11)底部，所述散热风机组件(12)安装于所述壳体(11)顶壁，所述壳体(11)侧壁开设有通风口(13)；所述液流管道(3)的换热段盘绕于所述散热管(14)内壁，所述散热管(14)外壁轧制有若干散热翅(15)。

6.根据权利要求1所述的一种液态金属散热装置，其特征在于，所述电磁泵(2)内部包括沿液态金属流动方向依次相接的内径渐扩的第三导流管(23)、内径均匀的第二导流管(22)和内径渐缩的第一导流管(21)；所述液流管道(3)还包括用于接收液态金属流入的液流入口(301)和用于向外输送液态金属的液流出口(302)，所述液流入口(301)与所述第一导流管(21)通过高压喷头(25)连接，所述液流出口(302)与所述第三导流管(23)连接。

7.根据权利要求5所述的一种液态金属散热装置，其特征在于，还包括导热层(6)，所述散热组件(1)与封装芯片的芯片外壳(5)通过所述导热层(6)连接；所述导热层(6)为导热硅脂层。

8.根据权利要求1所述的一种液态金属散热装置，其特征在于，还包括冷体(4)，所述冷体(4)与封装芯片的芯片外壳(5)贴合，且所述冷体(4)内开设有道槽(401)，所述液流管道(3)冷却段安装于所述道槽(401)内。

9.根据权利要求1所述的一种液态金属散热装置，其特征在于，所述液态金属为镓金属、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、铋铟锡合金、铋铟锡锌合金中的至少一种。

10.根据权利要求9所述的一种液态金属散热装置，其特征在于，还包括加热组件(7)，所述加热组件(7)间隔设置于所述液流管道(3)外壁，用于芯片启动阶段的预热。