FIE 前沿研究：感应电磁驱动液态金属的高热通量热管理技术

介绍

  本文开发了一种基于高性能感应电磁泵作为驱动源的液态金属小通道冷却技术，用于高热通量电子器件热管理。研究发现：

  1）旋转永磁体驱动的高性能感应电磁泵最大可以产生160 kPa压头和3.24 L/min流量，为液态金属小通道散热器提供了足够的驱动力；

  2）在热源温升保持在50°C以下的条件下，液态金属冷却系统能实现高达242 W/cm2的散热需求，并且通过提升电磁泵转速的方式可以显著提高热管理系统的冷却性能；

  3）接触热阻是影响高热流密度热管理散热能力的重要因素。与传统导热硅脂相比，液态金属热界面材料可以降低接触热阻（约18.4%）。

  本文开发了一种用于冷却高热流密度电子设备的液态金属小通道散热方法。设计了一种由旋转永磁体驱动的高性能感应电磁泵，压头为160 kPa，流量为3.24 L/min，可以满足液态金属小通道散热需求。

  为了研究其泵送能力和冷却性能，建立了基于液态金属小通道热管理的实验测试系统。结果表明，在热源温升保持在50°C以下的条件下，液态金属冷却系统能轻松实现高达242 W/cm2散热需求。通过提高永磁体转速可以显著提升热管理系统的冷却性能。此外，接触热阻对散热能力起着至关重要的作用。引入液态金属热界面材料可降低接触热阻（约18.4%）。

  随着电子设备向高功率密度和小型化方向迅速发展，废热作为不可避免的副产物对电子设备产生重大影响，甚至导致电子器件故障和退化。在有限空间内为大功率器件开发一种有效的热管理方法是一项重大挑战。

  基于微/小通道冷却技术被认为是一种很有前途的高热流密度电子器件热管理技术，这主要得益于其优异的换热系数和较大的对流换热面积。然而，传统冷却剂固有的热物理性质严重限制了微/小通道散热器的冷却性能。

  近年来，具有卓越热导率、高沸点和低粘度的室温镓基液态金属被认为是一种优异的热管理冷却工质。高电导率的液态金属还可以通过电磁技术驱动。但是，由于直流电磁泵（DC-EMP）在大电流的条件下存在电流扩散效应以及液态金属与电极之间的电化学反应，这将极大限制基于液态金属的微/小通道冷却系统的散热能力。与DC-EMP相比，带有旋转永磁体的感应电磁泵（PM-EMP）可以提供较高的驱动能力。

  本文开发了一种基于高性能PM-EMP的液态金属小通道散热技术，用于高热流密度电子器件的热管理。此外，还对液态金属小通道散热系统的传热和驱动性能进行了详细研究。通过本研究，可为大热功率和高热通量的电气设备热管理系统提供可行的冷却策略。

  基于高性能感应电磁泵（PM-EMP），开发了一种用于高热流密度热管理的小通道散热技术。采用泵体与支撑结构轭铁一体化设计，研制出一种高性能PM-EMP。通过原理实验，验证了PM-EMP的驱动性能。该泵在400 r/min时，最大可以提供160 kPa的压头和3.24 L/min的流量，这意味着PM-EMP完全能够充分驱动小通道散热器中的液态金属。研究还发现，增大转速可以明显提高PM-EMP驱动性能。此外，值得注意的是，压头随流量平稳下降，使PM-EMP运行更加平稳。

  为了研究传热和流体动力学特性，建立了液态金属小通道热管理的实验测试系统。结果表明，当热源温升（ΔTh）低于50 °C时，冷却系统可实现242 W/cm2的散热需求。值得注意的是，提高转速n（特别是在n从100 r/min变化到200 r/min时）可以显著提升液态金属小通道散热能力。接触热阻是影响高热流密度热管理散热能力的主要的因素。与传统导热硅脂相比，导热优良的液态金属热界面材料能更有效地降低接触热阻（约18.4%），这将显著降低热源的温升（当n = 100 r/min, q = 165 W/cm2时，ΔTh 降低了7.4 °C）。因此，以高性能感应电磁泵为驱动源的液态金属小通道冷却技术在大热功率及高热流密度电子器件的热管理方面具有广阔的应用前景。

  图1 PM-EMP说明（a）三维示意图；（b）横截面示意图；（c）工作原理图；（d）试验样机。

  图4 在不同的转速下ΔTh 随 q 的变化（a）使用液态金属导热脂；（b）使用传统导热硅脂。

  图 5（a）不用转速下小通道散热器的传热特性；（b） R’capacity和Rother随 n 的变化。

  Frontiers in Energy （SCI，2020 IF 2.709）)于2007年创刊，是能源领域综合性英文学术期刊。主编是翁史烈院士、倪维斗院士、苏义脑院士和彭苏萍院士。执行主编是上海交通大学黄震院士。出版能源领域原创研究论文、综述、科学快报、专题论文等。关切可再次生产的能源、未来能源、超常规能源、2030能源、微/纳米能源、能源与环境等全球能源的重大挑战问题。

  涉及领域包括（不限于）：先进的能源材料，储能与应用，氢能与燃料电池，CO2 捕集、封存和利用，太阳能和光伏系统，生物燃料和生物能源，地热能，风能，地热能，潮汐能，核能，传热传质技术，能源与环境，建筑节能及能源经济政策等。