高热通量芯片干冰冷却降温性能的理论分析

宁静红，孙朝阳，鲍春秀，赵延峰

（天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津300134）

引 言

随着计算机技术的飞速发展，电子芯片的集成度逐渐提高，其热通量也随之增大，系统整体散热问题日益突出。同时，CPU 工艺级别向体积小型化方向发展，这也给散热器的尺寸结构提出了更严格的要求。CPU 芯片工作时温度过高，将导致芯片工作效率下降甚至停止工作。因此，对其进行良好冷却、保证工作性能十分必要。研究者分别在主动式和被动式两个方向展开了大量理论和实验研究[1-10]，Poachaiyapoom 等[11]研究了R134a为制冷剂的主动式微型蒸气压缩制冷系统，搭建了狭小空间内用微型压缩机的制冷循环实验台，起到一定的降温效果。

水冷散热器的散热效果较好，是目前主流使用的CPU 散热器，Hu 等[12]对不同环境温度下的水冷散热模型的降温效果进行研究。牛永红等[13-18]对水冷散热器进行数值模拟，但水冷散热器使用一段时间后可能形成水垢，堵塞散热器通道，另外对于特大功率芯片，水冷冷却系统的冷却效果会略显不足。随着CPU 功耗不断增大，迫切需要设计出更好的高热通量元件降温系统。

在水冷散热的基础上，有研究者利用干冰循环工质实现高热通量芯片的冷却。Li等[19]搭建了开放式干冰喷射冷却芯片系统，为进一步研究提供了可能。有学者[20-26]对喷雾冷却进行了相关研究，验证了喷雾冷却的可行性。目前，极端超频用户最常用的是液氮开放式降温系统，利用液氮的超低温度对芯片进行冷却，但其不能系统地控制流量以及稳定的维持芯片温度[27]。……