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基于电磁泵驱动的液态金属冷却系统研究


著名的“摩尔定律”推算:计算机芯片上的晶体管数量每18个月翻一番,目前Intel公司的酷睿I7系列芯片晶体管数已达到14亿,TDP(热设计功耗)更高达100W。随着芯片集成度不断增大,“热障”问题日益凸显,新的冷却方式被陆续提出,如液体冷却、微槽道冷却、喷雾冷却、激光制冷等。在器件温升40℃时,空气自然散热通常能保证最大热流密度为0.05W/cm2的设备正常散热,强迫风冷能保证0.2W/cm2的设备正常散热,而强迫水冷则能将这一热流密度值提升至15W/cm2。产生这一差异的原因主要在于对流换热系数,空气自然散热的对流换热系数大约为310W/(m2·K),强迫风冷的对流换热系数大约为20100W/(m2·K),而强迫水冷的对流换热系数约为2001000W/(m2·K)。可见强迫水冷的对流换热系数较前两者有数量级的提升,而这皆得益于液体的单位体积热容值。然而普通液体导热系数较低,是强化换热介质的一个不利因素,提高液体的导热系数能大大改善换热效率。液体金属具有远高于水、空气及许多非金属介质的热导率(如液态金属镓的热导率是水的65倍,空气的1600),具有良好的流动性,因此可将液态金属作为高热流密度发热器件的冷却流体,实现快速高效的热量输运效果,这相对于已有的散热方式而言是一个观念性的革新。同时,液态金属作为良好的导电液体,可借助完全无运动部件的低功耗电磁泵来实现驱动。电磁泵利用通电液态金属流体在磁场中产生的洛伦兹力带动液态金属流动,实现热量的快速传导。与机械泵相比,电磁泵无运动部件,结构简单,可靠性高,且功耗低,效率高,甚至可以依靠芯片产生的热量,利用压电效应产生的电压来实现自驱动。

1液态金属散热理论对流换热方程:

q=hAΔt         (1)

式中:q为换热量;h为换热系数;A为换热面积;Δt为换热面与冷却介质的温差。

强迫对流换热是通过增强换热系数h实现设备热量的快速排出。

          h=Nu·k/D         (2)

式中:Nu为努赛尔特数,强迫对流中为雷诺数Re和普朗特数Pr的函数;k为冷却介质的导热系数;D为特征尺寸。

由式(2)可知,冷却介质的对流换热系数与其导热系数成正比,液态金属冷却系统即是利用液态金属的高导热系数实现高效散热。

结合工程应用实际,液态金属应满足以下要求:

a)熔点较低,以减少或避免启动时的解冻过程;

b)高沸点,以避免产生气液两相,易于流体管理;

c)高热导率,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;

d)低的固液体积变化率,避免凝固过程体积变化对管壁的破坏影响;

e)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;

f)热容大,以提高传热能力,降低泵流量的需求;

g)工质在工作过程中不可燃,无毒,增强安全性。

本文选用镓基合金作为工质,具体参数要求:熔点8;固化温度-5;导热系数30W/(m·K);固液体积变化率≤0.3%

2液态金属冷却系统设计

本文结合实际工程项目设计了一体式液态金属冷却系统,如图1所示。

一体式液态金属冷却系统


综合考虑流道走向、管道截面、流速、翅片形状等重要因素,该冷却系统具有如下特点:

a)采用一体化集成设计,吸热装置、散热翅片、液态金属管道为一体结构,最大程度地降低系统热阻。散热器基体为铸铝305,液态金属管道材料为钛合金(外径8mm,内径6mm)。采用整体铸造的加工方法制作,液态金属管道与铝散热翅片为一体结构,传热效率高。

b)合理设计电磁泵的安装位置,将电磁泵放置于电子设备外部,杜绝了液体泄漏流向设备内部导致PCB短路的危险。

c)合理设计电磁泵参数,使其产生的洛仑兹力F能够抵抗加速度、振动等恶劣环境影响。

          F=BILsinθ          (3)

式中:B为磁场强度;I为电流强度;L为液态金属有效宽度;θ为电场与磁场夹角。电磁泵工作原理如图2所示。

电磁泵工作原理

试验中用电阻式发热片代替芯片,发热片尺寸Φ30mm×1mm,输入功耗40W,环境温度27℃。分别在未开启电磁泵和开启电磁泵时利用热电偶直接测试发热片表面温度和红外测温仪测试盖板表面温度及3仿真分析液态金属冷却系统散热过程为:在电磁泵作用下,液体金属流过贴附在芯片上的吸热装置,热量从发热的芯片传到较冷的液体,受热的液体金属之后流到散热翅片将热量传到外部环境中,经散热冷却后的液体金属重新流回吸热装置,如此循环,持续不断地将热量从芯片带走。该过程中,由电磁泵驱动液态金属持续流动从而形成稳定的热量输运过程。利用热仿真软件Flotherm对液态金属冷却系统原型机进行热仿真分析,环境温度设置为27℃,发热片尺寸Φ30mm×1mm,热耗40W,仿真结果如图3、图4所示。

电磁泵驱动液态金属冷却仿真结果

由仿真结果可知,在未开启电磁泵时,盖板高温区域主要分布在吸热装置附近,存在热量集中的现象,最高温度88.7℃,温度梯度较大,温差达到了35.7;开启电磁泵后,液态金属源源不断地将热量均匀传输至所有散热翅片处,盖板最高温度降至78.9℃,温度梯度明显减小,右部温度分布基本一致,有液冷管道分布的区域最高温差约为14.5℃,较之前未开启电磁泵温差降低约59%。发热片表面温度由99.3℃降低到86.9℃,降幅12.5%

发热片表面温度和盖板温差降低是由于流动的液态金属将吸热装置处的热量快速分布到整个管道内,管道内的热量又传导到与管道接触的翅片,以此增大高温区域的面积,加强辐射散热和对流散热,降低了发热片与外界空气间的热阻。

4实验分析

通过实际热测试,验证液态金属冷却系统的散热能力。实验中采用的设备主要有:1)直流电源,给电磁泵提供所需电流驱动液态金属流动;2)电阻式发热片,替代实际工程中的发热芯片;3)热电偶和数据采集仪,用以测试、采集和处理器件表面温度数据;4)红外热像仪,用以测试液态金属散热系统达到热平衡时整体温度分布情况。

实验内容包括电磁泵关闭和电磁泵开启两组实验,实验过程中保证周围环境条件和发热片功率不变,在不开启电磁泵时发热片持续升温直至温度稳定,之后开启电磁泵,待发热片温度再次稳定。测试结果如图5~图7所示。

热电偶测试结果

5为热电偶测试结果,实验表明开电磁泵前发热片表面温度稳定在97.3℃,开启电磁泵后温度快速降至88.5℃,降幅9%。图6、图7为红外测温仪测试结果,同样与仿真中的温度分布高度吻合。盖板翅片温度分布由热量集中变为均温分布,大幅度提高了翅片与空气自然对流的效率。试验结果验证了仿真分析的准确性,证明了一体式液态金属冷却系统的散热及均温性能。

红外测温仪测试结果电磁泵红外测温仪测试结果

5典型环境验证

本文按照GJB150A规定的各项环境试验条件,制定了专项环境试验大纲,依次进行了高低温贮存、高低温工作、温度冲击、湿热、盐雾、加速度、振动、冲击等试验,结果表明液态金属冷却系统能满足上述各项军用环境要求,散热性能稳定。特别是,在验证加速度环境时,施加了各向15g的加速度,试验过程中发热片温度保持稳定,系统散热能力不受影响,证明加速度对电磁泵驱动力无影响。

同时,为验证电磁泵电磁兼容特性,按GJB151A《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》和GJB152A《军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量》中RE102以及RS101项目对液态金属冷却系统进行试验,试验结果均合格。

通过上述试验,充分说明液态金属冷却系统可满足严酷的军用环境要求,散热效果优异,可靠性高,可实现工程化应用,解决军用、民用电子设备高热流密度芯片的散热难题。

6结束语

仿真及试验结果显示,当电磁泵开启后发热片表面温度迅速降低,冷却系统表面温度梯度明显减小,温度一致性好,证明液态金属具有极高的热量输送能力。而且,由于采用了无运动部件的电磁泵,使得整个液态金属冷却系统具有驱动效率高、无噪音、能耗低、性能稳定可靠的优点。

液态金属安全无毒,物化性质稳定,具有远高于水、空气及许多非金属介质的热导率,可实现更加高效的热量输运和极限散热能力。本文除了验证液态金属冷却系统散热能力之外,还根据工程化要求对其进行了典型军用环境验证,证明液态金属散热技术能够应用于军用电子设备高热流密度集中热源的散热,解决产品越来越严重的散热难题,散热效果优良,且能满足GJB150A振动、冲击、高低温冲击等严酷工作环境要求。

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