著名的“摩爾定律”推算:計算機芯片上的晶體管數量每18個月翻一番，目前Intel公司的酷睿I7系列芯片晶體管數已達到14億，TDP(熱設計功耗)更高達100W。隨著芯片集成度不斷增大，“熱障”問題日益凸顯，新的冷卻方式被陸續提出，如液體冷卻、微槽道冷卻、噴霧冷卻、激光制冷等。在器件溫升40℃時，空氣自然散熱通常能保證最大熱流密度為0.05W/cm2的設備正常散熱，強迫風冷能保證0.2W/cm2的設備正常散熱，而強迫水冷則能將這一熱流密度值提升至15W/cm²。產生這一差異的原因主要在于對流換熱系數，空氣自然散熱的對流換熱系數大約為3～10W/(m²·K)，強迫風冷的對流換熱系數大約為20～100W/(m²·K)，而強迫水冷的對流換熱系數約為200～1000W/(m²·K)�？梢姀娖人�冷的對流換熱系數較前兩者有數量級的提升，而這皆得益于液體的單位體積熱容值。然而普通液體導熱系數較低，是強化換熱介質的一個不利因素，提高液體的導熱系數能大大改善換熱效率。液體金屬具有遠高于水、空氣及許多非金屬介質的熱導率(如液態金屬鎵的熱導率是水的65倍，空氣的1600倍)，具有良好的流動性，因此可將液態金屬作為高熱流密度發熱器件的冷卻流體，實現快速高效的熱量輸運效果，這相對于已有的散熱方式而言是一個觀念性的革新。同時，液態金屬作為良好的導電液體，可借助完全無運動部件的低功耗電磁泵來實現驅動。電磁泵利用通電液態金屬流體在磁場中產生的洛倫茲力帶動液態金屬流動，實現熱量的快速傳導。與機械泵相比，電磁泵無運動部件，結構簡單，可靠性高，且功耗低，效率高，甚至可以依靠芯片產生的熱量，利用壓電效應產生的電壓來實現自驅動。

1液態金屬散熱理論對流換熱方程:

q=hAΔt         (1)

式中:q為換熱量;h為換熱系數;A為換熱面積;Δt為換熱面與冷卻介質的溫差。

強迫對流換熱是通過增強換熱系數h實現設備熱量的快速排出。

h=Nu·k/D         (2)

式中:Nu為努賽爾特數，強迫對流中為雷諾數Ｒe和普朗特數Pr的函數;k為冷卻介質的導熱系數;D為特征尺寸。

由式(2)可知，冷卻介質的對流換熱系數與其導熱系數成正比，液態金屬冷卻系統即是利用液態金屬的高導熱系數實現高效散熱。

結合工程應用實際，液態金屬應滿足以下要求:

a)熔點較低，以減少或避免啟動時的解凍過程;

b)高沸點，以避免產生氣液兩相，易于流體管理;

c)高熱導率，以增強換熱，降低熱阻，減小熱梯度，可采用較大的流體通道尺寸;

d)低的固液體積變化率，避免凝固過程體積變化對管壁的破壞影響;

e)適宜的粘度，較好的流動性，以降低流動阻力，減小對泵壓頭的需求;

f)熱容大，以提高傳熱能力，降低泵流量的需求;

g)工質在工作過程中不可燃，無毒，增強安全性。

本文選用鎵基合金作為工質，具體參數要求:熔點8℃;固化溫度－5℃;導熱系數30W/(m·K);固液體積變化率≤0.3%。

2液態金屬冷卻系統設計

本文結合實際工程項目設計了一體式液態金屬冷卻系統，如圖1所示。

綜合考慮流道走向、管道截面、流速、翅片形狀等重要因素，該冷卻系統具有如下特點:

a)采用一體化集成設計，吸熱裝置、散熱翅片、液態金屬管道為一體結構，最大程度地降低系統熱阻。散熱器基體為鑄鋁305，液態金屬管道材料為鈦合金(外徑8mm，內徑6mm)。采用整體鑄造的加工方法制作，液態金屬管道與鋁散熱翅片為一體結構，傳熱效率高。

b)合理設計電磁泵的安裝位置，將電磁泵放置于電子設備外部，杜絕了液體泄漏流向設備內部導致PCB短路的危險。

c)合理設計電磁泵參數，使其產生的洛侖茲力F能夠抵抗加速度、振動等惡劣環境影響。

F=BILsinθ          (3)

式中:B為磁場強度;I為電流強度;L為液態金屬有效寬度;θ為電場與磁場夾角。電磁泵工作原理如圖2所示。

試驗中用電阻式發熱片代替芯片，發熱片尺寸Φ30mm×1mm，輸入功耗40W，環境溫度27℃。分別在未開啟電磁泵和開啟電磁泵時利用熱電偶直接測試發熱片表面溫度和紅外測溫儀測試蓋板表面溫度及3仿真分析液態金屬冷卻系統散熱過程為:在電磁泵作用下，液體金屬流過貼附在芯片上的吸熱裝置，熱量從發熱的芯片傳到較冷的液體，受熱的液體金屬之后流到散熱翅片將熱量傳到外部環境中，經散熱冷卻后的液體金屬重新流回吸熱裝置，如此循環，持續不斷地將熱量從芯片帶走。該過程中，由電磁泵驅動液態金屬持續流動從而形成穩定的熱量輸運過程。利用熱仿真軟件Flotherm對液態金屬冷卻系統原型機進行熱仿真分析，環境溫度設置為27℃，發熱片尺寸Φ30mm×1mm，熱耗40W，仿真結果如圖3、圖4所示。

由仿真結果可知，在未開啟電磁泵時，蓋板高溫區域主要分布在吸熱裝置附近，存在熱量集中的現象，最高溫度88.7℃，溫度梯度較大，溫差達到了35.7℃;開啟電磁泵后，液態金屬源源不斷地將熱量均勻傳輸至所有散熱翅片處，蓋板最高溫度降至78.9℃，溫度梯度明顯減小，右部溫度分布基本一致，有液冷管道分布的區域最高溫差約為14.5℃，較之前未開啟電磁泵溫差降低約59%。發熱片表面溫度由99.3℃降低到86.9℃，降幅12.5%。

發熱片表面溫度和蓋板溫差降低是由于流動的液態金屬將吸熱裝置處的熱量快速分布到整個管道內，管道內的熱量又傳導到與管道接觸的翅片，以此增大高溫區域的面積，加強輻射散熱和對流散熱，降低了發熱片與外界空氣間的熱阻。

4實驗分析

通過實際熱測試，驗證液態金屬冷卻系統的散熱能力。實驗中采用的設備主要有:1)直流電源，給電磁泵提供所需電流驅動液態金屬流動;2)電阻式發熱片，替代實際工程中的發熱芯片;3)熱電偶和數據采集儀，用以測試、采集和處理器件表面溫度數據;4)紅外熱像儀，用以測試液態金屬散熱系統達到熱平衡時整體溫度分布情況。

實驗內容包括電磁泵關閉和電磁泵開啟兩組實驗，實驗過程中保證周圍環境條件和發熱片功率不變，在不開啟電磁泵時發熱片持續升溫直至溫度穩定，之后開啟電磁泵，待發熱片溫度再次穩定。測試結果如圖5～圖7所示。

圖5為熱電偶測試結果，實驗表明開電磁泵前發熱片表面溫度穩定在97.3℃，開啟電磁泵后溫度快速降至88.5℃，降幅9%。圖6、圖7為紅外測溫儀測試結果，同樣與仿真中的溫度分布高度吻合。蓋板翅片溫度分布由熱量集中變為均溫分布，大幅度提高了翅片與空氣自然對流的效率。試驗結果驗證了仿真分析的準確性，證明了一體式液態金屬冷卻系統的散熱及均溫性能。

5典型環境驗證

本文按照GJB150A規定的各項環境試驗條件，制定了專項環境試驗大綱，依次進行了高低溫貯存、高低溫工作、溫度沖擊、濕熱、鹽霧、加速度、振動、沖擊等試驗，結果表明液態金屬冷卻系統能滿足上述各項軍用環境要求，散熱性能穩定。特別是，在驗證加速度環境時，施加了各向15g的加速度，試驗過程中發熱片溫度保持穩定，系統散熱能力不受影響，證明加速度對電磁泵驅動力無影響。

同時，為驗證電磁泵電磁兼容特性，按GJB151A《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求》和GJB152A《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度測量》中ＲE102以及ＲS101項目對液態金屬冷卻系統進行試驗，試驗結果均合格。

通過上述試驗，充分說明液態金屬冷卻系統可滿足嚴酷的軍用環境要求，散熱效果優異，可靠性高，可實現工程化應用，解決軍用、民用電子設備高熱流密度芯片的散熱難題。

6結束語

仿真及試驗結果顯示，當電磁泵開啟后發熱片表面溫度迅速降低，冷卻系統表面溫度梯度明顯減小，溫度一致性好，證明液態金屬具有極高的熱量輸送能力。而且，由于采用了無運動部件的電磁泵，使得整個液態金屬冷卻系統具有驅動效率高、無噪音、能耗低、性能穩定可靠的優點。

液態金屬安全無毒，物化性質穩定，具有遠高于水、空氣及許多非金屬介質的熱導率，可實現更加高效的熱量輸運和極限散熱能力。本文除了驗證液態金屬冷卻系統散熱能力之外，還根據工程化要求對其進行了典型軍用環境驗證，證明液態金屬散熱技術能夠應用于軍用電子設備高熱流密度集中熱源的散熱，解決產品越來越嚴重的散熱難題，散熱效果優良，且能滿足GJB150A振動、沖擊、高低溫沖擊等嚴酷工作環境要求。

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