CN107454802A - 一种基于流动液态金属的散热装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于流动液态金属的散热装置和方法，该发明散热装置由弯曲铜管、液态金属、散热装置、电磁泵组成，该发明是利用电磁泵驱动液态金属在铜管中流动，由流动的液态金属达到热量的快速传输与散热的目的。液态金属具有远高于水，空气及许多非金属介质的热导率，并且具有良好的抗腐蚀性能，不宜蒸发，不易泄露，安全无毒，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。

Description

一种基于流动液态金属的散热装置和方法

技术领域

本发明涉及电力、电子、新能源等行业发热器件的散热问题，特别是涉及一种基于流动液态金属的散热装置和散热方法。

技术背景

随着CPU、GPU、功率器件的性能提高，发热成了普遍的问题，由此散热器的作用也越来越重要，有效的散热能保护集成电路、电子设备、线路等部件不受高温损坏，延长设备使用寿命，并能更好的发挥器件性能。在实际应用过程中为了达到更好的散热效果，通常采用铜管密封水,通过水循环的方式来达到散热目的。目前散热器应用非常广泛，散热器对整个设备的作用也越来越重要，散热装置的性能甚至决定了整个设备的使用寿命。一般的散热器分为被动散热、侧吹塔式、下压式，以及水冷式。其中水冷直接是靠水来带走热量，然后通过冷排吹出热量。有些散热器是利用铜管中密封一些易蒸发液体,如氟利昂等，通过热传递的方式进行散热，上述两种散热装置机构复杂，需要泵和压缩机等，不便于维护，使用寿命较低。对于散热要求较高，且需要及时散热的装置来说，水等常规的介质不能达到很好的散热效果，并且长期使用会存在安全隐患,成本也较高。在散热性要求较高的场合，这种散热装置存在一定的局限性。

发明内容

针对上述这一局限性，本发明提出利用流动液态金属进行散热的方法，液态金属换热性能优于水等常规工质，通过无运动部件的低功耗微型电磁泵驱动液态金属在铜管中流动，进行热量的传递与排散，从而实现高性能的散热，并能保证良好的工作稳定性。液态金属的导热率大，耐腐蚀抗氧化，安全可靠等优点，使用时间长，相对于传统水冷可实现更高效的热传导及散热能力。

为了更高效的散热，发明了一种基于流动液态金属的散热方法和基于流动液态金属的散热装置，如图1所示。1、一种基于流动液态金属的散热装置，其特征在于：该散热装置由弯曲铜管、液态金属、散热装置、电磁泵组成，

其中弯曲铜管分为两部分：在散热装置内部的吸热部分和装置外部暴露在空气中的散热部分；散热装置有两块留有弯曲铜管的半圆形凹槽的光滑黄铜板和吸热部分的弯曲铜管组成，弯曲铜管的始端和末端连接电磁泵的入口和出口，形成一个密闭的管道空腔，管道空腔内部充满液态金属，并供其流动，其流动的推力来着电磁泵，弯曲铜管内装有液态金属。

所述的弯曲铜管是选用内径为4mm，外径为4.5mm的黄铜管制成S形紧密排列的弯曲铜管，其中弯曲铜管分为两部分，一部分将嵌入散热装置内，用于吸收热量，另一部分暴露在空气中，用于散热，整个弯曲铜管的始端和末端连接电磁泵的入口和出口。

所述的散热装置由两块留有弯曲铜管凹槽的光滑的黄铜板组成，每个凹槽为半圆形，直径为4.8mm，两块黄铜板对合之后形成直径为4.8mm的圆形空腔，可以将吸热部分的弯曲铜管嵌入其中。

所述的弯曲铜管与散热装置的凹槽之间有0.3mm的安装空隙，先在两铜板的半圆形凹槽处涂抹液态金属作为填充介质，将吸热部分的弯曲铜管装入其中一个铜板的半圆形凹槽中，再将另一个铜板以凹槽走向和铜板边缘为基准，将两铜板对齐、对合，使弯曲铜管夹在中间，最后将两铜板压紧，并用螺丝固定。

所述的散热装置使用黄铜，并在内部嵌入弯曲铜管。

所述的液态金属为40g热导率大于20W/m·k的液态金属，使其装满整个弯曲铜管，弯曲铜管和电磁泵形成一个密闭的循环管道，供液态金属流动，驱动力来自电磁泵。

所述的电磁泵内也装满液态金属，再将弯曲铜管的始端和末端接入电磁泵的入口和出口，使整个管道循环系统充满液态金属，或者仅有小量的空气。

本发明的一种基于流动液态金属的散热方法是：

采用由弯曲铜管、液态金属、散热装置、电磁泵组成的散热装置系统，当散热装置的温度超过60℃时，启动电磁泵，否则不启动电磁泵。在散热装置的温度不高于60℃时，利用两部分弯曲铜管内的液态金属的温差进行热量传递，

当温度高于60℃时，为了达到更高效的散热性能，通过电磁泵推动弯曲铜管内的液态金属流动，将散热装置内的温度较高的液态金属，和散热装置外的温度较低的液态金属进行循环对流，

电磁泵可以根据散热装置的温度，进行液态金属的流速控制，如温度高的情况下进行快速流动，温度低的情况下，进行慢速流动，

如果散热装置的温度超过80℃，可以在散热部分的弯曲铜管侧加入风扇进行风冷，以得到更好的散热效果。或者增大散热装置的表面积和散热部分弯曲铜管的长度。

为了使液态金属在铜管内流动形成冷热循环，加入电磁泵进行液态金属驱动。电磁泵是一种输送导电流体的装置，它利用导电流体中的电流和磁场的相互作用，把电磁推动力直接加在液态金属上，使液态金属发生定向移动，采用无运动部件电磁泵驱动，具有可靠性高，噪声小，结构简单紧凑，功率小，可控性能强。

电磁泵可以根据散热装置的温度，进行液态金属的流速控制，如温度高的情况下进行快速流动，温度低的情况下，进行慢速流动。从而控制在不同的温度下进行有效的散热。

本发明的有益效果在于：

该发明是利用电磁泵驱动液态金属在铜管中流动，由流动的液态金属达到热量的快速传输与散热的目的。液态金属具有远高于水，空气及许多非金属介质的热导率，并且具有良好的抗腐蚀性能，不宜蒸发，不易泄露，安全无毒，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。

常规的散热装置是利用铜管中密封一些易蒸发液体，如氟利昂，极低压的水等，通过热传递的方式进行散热，这种散热装置机械结构复杂，功耗大，不易维护。

液态金属具有远高于水，空气及许多非金属介质的热导率，是一种非常高效的热传导流动工质。

通过无运动部件的低功耗微型电磁泵驱动液态金属在铜管中流动，进行热量的传输与排散。从而达到高性能的散热要求。

该散热装置散热性能优异，使用寿命长，机械结构简单，基本不用维护。

本发明构思的关键点：

1、流动液态金属具有远高水等其他介质的导热率，可实现高效的热量传输及散热。

2、黄铜具有较好的导热性，利用铜管中流动液态金属可起到双重散热的效果。

3、采用无运动部件电磁泵驱动液态金属流动，机械结构简单紧凑，振动噪声小，功耗低、可靠性高。其降温性能可以通过控制流速实现。

4、本散热装置便于安装和改造，可以改变机械结构、形状、尺寸可以适用于绝大多数散热场合，提高散热能力。而且具有安装维护简单的特点。

附图说明

图1为本发明的散热装置示意图，由弯曲铜管、液态金属、散热装置、电磁泵组成。

具体实施方式

本发明提出利用流动液态金属进行散热的方法，液态金属换热性能优于水等常规工质，通过无运动部件的低功耗微型电磁泵驱动液态金属在铜管中流动，进行热量的传递与排散，从而实现高性能的散热，并能保证良好的工作稳定性。液态金属的导热率大，耐腐蚀抗氧化，安全可靠等优点，使用时间长，相对于传统水冷可实现更高效的热传导及散热能力。

为了更高效的散热，发明了一种基于流动液态金属的散热方法和基于流动液态金属的散热装置，如图1所示。该散热装置由弯曲铜管、液态金属、散热装置、电磁泵组成。其中弯曲铜管分为两部分：在散热装置内部的吸热部分和装置外部暴露在空气中的散热部分。散热装置有两块留有弯曲铜管的半圆形凹槽的光滑黄铜板和吸热部分的弯曲铜管组成。弯曲铜管的始端和末端连接电磁泵的入口和出口，形成一个密闭的管道空腔，管道空腔内部充满液态金属，并供其流动。其流动的推力来着电磁泵。

弯曲铜管：

选用内径为4mm，外径为4.5mm的黄铜管制成S形紧密排列的弯曲铜管。其中弯曲铜管分为两部分，一部分将嵌入散热装置内，用于吸收热量，另一部分暴露在空气中，用于散热。采用弯曲铜管，可以增大接触面积，有利于更好的吸热和散热。整个弯曲铜管的始端和末端连接电磁泵的入口和出口。弯曲铜管内装有液态金属。

散热装置：

散热装置由两块留有弯曲铜管凹槽的光滑的黄铜板组成，每个凹槽为半圆形，直径为4.8mm，两块黄铜板对合之后形成直径为4.8mm的圆形空腔，可以将吸热部分的弯曲铜管嵌入其中。

由于弯曲铜管与散热装置的凹槽之间有0.3mm的安装空隙，为了减小弯曲铜管与散热装置的接触热阻，并填充空隙。先在两铜板的半圆形凹槽处涂抹液态金属作为填充介质，将吸热部分的弯曲铜管装入其中一个铜板的半圆形凹槽中，再将另一个铜板以凹槽走向和铜板边缘为基准，将两铜板对齐、对合，使弯曲铜管夹在中间。最后将两铜板压紧，并用螺丝固定。

散热装置使用黄铜，并在内部嵌入弯曲铜管，利用铜的优良导热能力和管内流动的液态金属可以保证散热装置的高效热传导能力和快速的温降性能。

液态金属：

弯曲铜管内加入40g热导率大于20W/m·k的液态金属，使其装满整个弯曲铜管。液态金属在室温下液化，具有高导热率，不易挥发，安全无毒的特性。弯曲铜管和电磁泵形成一个密闭的循环管道，供液态金属流动，驱动力来自电磁泵。

电磁泵：

为了减小弯曲铜管和电磁泵内的空气，将电磁泵内也装满液态金属，再将弯曲铜管的始端和末端接入电磁泵的入口和出口，使整个管道循环系统充满液态金属，或者仅有小量的空气。

为了使液态金属在铜管内流动形成冷热循环，加入电磁泵进行液态金属驱动。电磁泵是一种输送导电流体的装置，它利用导电流体中的电流和磁场的相互作用，把电磁推动力直接加在液态金属上，使液态金属发生定向移动，采用无运动部件电磁泵驱动，具有可靠性高，噪声小，结构简单紧凑，功率小，可控性能强。

整个系统通过嵌入弯曲铜管的散热装置吸收热量，热量通过弯曲铜管传递给内部的液态金属，当散热装置的温度超过60℃时，启动电磁泵，否则不启动电磁泵。在散热装置的温度不高于60℃时，利用两部分弯曲铜管内的液态金属的温差进行热量传递，得到降温的效果。当温度高于60℃时，为了达到更高效的散热性能，通过电磁泵推动弯曲铜管内的液态金属流动，将散热装置内的温度较高的液态金属，和散热装置外的温度较低的液态金属进行循环对流，达到散热的目的，保证了热量的及时排散。

电磁泵可以根据散热装置的温度，进行液态金属的流速控制，如温度高的情况下进行快速流动，温度低的情况下，进行慢速流动。从而控制在不同的温度下进行有效的散热。

如果散热装置的温度超过80℃，可以在散热部分的弯曲铜管侧加入风扇进行风冷，以得到更好的散热效果。或者增大散热装置的表面积和散热部分弯曲铜管的长度。

Claims (9)

1.一种基于流动液态金属的散热装置，其特征在于：该散热装置由弯曲铜管、液态金属、散热装置、电磁泵组成，

其中弯曲铜管分为两部分：在散热装置内部的吸热部分和装置外部暴露在空气中的散热部分；散热装置有两块留有弯曲铜管的半圆形凹槽的光滑黄铜板和吸热部分的弯曲铜管组成，弯曲铜管的始端和末端连接电磁泵的入口和出口，形成一个密闭的管道空腔，管道空腔内部充满液态金属，并供其流动，其流动的推力来着电磁泵，弯曲铜管内装有液态金属。

2.根据权利要求1所述的一种基于流动液态金属的散热装置，其特征在于：所述的弯曲铜管是选用内径为4mm，外径为4.5mm的黄铜管制成S形紧密排列的弯曲铜管，其中弯曲铜管分为两部分，一部分将嵌入散热装置内，用于吸收热量，另一部分暴露在空气中，用于散热，整个弯曲铜管的始端和末端连接电磁泵的入口和出口。

3.根据权利要求1所述的一种基于流动液态金属的散热装置，其特征在于：所述的散热装置由两块留有弯曲铜管凹槽的光滑的黄铜板组成，每个凹槽为半圆形，直径为4.8mm，两块黄铜板对合之后形成直径为4.8mm的圆形空腔，可以将吸热部分的弯曲铜管嵌入其中。

4.根据权利要求1所述的一种基于流动液态金属的散热装置，其特征在于：所述的弯曲铜管与散热装置的凹槽之间有0.3mm的安装空隙，先在两铜板的半圆形凹槽处涂抹液态金属作为填充介质，将吸热部分的弯曲铜管装入其中一个铜板的半圆形凹槽中，再将另一个铜板以凹槽走向和铜板边缘为基准，将两铜板对齐、对合，使弯曲铜管夹在中间，最后将两铜板压紧，并用螺丝固定。

5.根据权利要求1所述的一种基于流动液态金属的散热装置，其特征在于：所述的散热装置使用黄铜，并在内部嵌入弯曲铜管。

6.根据权利要求1所述的一种基于流动液态金属的散热装置，其特征在于：所述的液态金属为40g热导率大于20W/m·k的液态金属，使其装满整个弯曲铜管，弯曲铜管和电磁泵形成一个密闭的循环管道，供液态金属流动，驱动力来自电磁泵。

7.根据权利要求1所述的一种基于流动液态金属的散热装置，其特征在于：所述的电磁泵内也装满液态金属，再将弯曲铜管的始端和末端接入电磁泵的入口和出口，使整个管道循环系统充满液态金属，或者仅有小量的空气。

8.一种基于流动液态金属的散热方法，其特征在于：采用由弯曲铜管、液态金属、散热装置、电磁泵组成的散热装置系统，当散热装置的温度超过60℃时，启动电磁泵，否则不启动电磁泵。在散热装置的温度不高于60℃时，利用两部分弯曲铜管内的液态金属的温差进行热量传递，

当温度高于60℃时，为了达到更高效的散热性能，通过电磁泵推动弯曲铜管内的液态金属流动，将散热装置内的温度较高的液态金属，和散热装置外的温度较低的液态金属进行循环对流，

电磁泵可以根据散热装置的温度，进行液态金属的流速控制，如温度高的情况下进行快速流动，温度低的情况下，进行慢速流动，

如果散热装置的温度超过80℃，可以在散热部分的弯曲铜管侧加入风扇进行风冷，以得到更好的散热效果。或者增大散热装置的表面积和散热部分弯曲铜管的长度。

9.根据权利要求8所述的一种基于流动液态金属的散热方法，其特征在于：

所述的所述的弯曲铜管是选用内径为4mm，外径为4.5mm的黄铜管制成S形紧密排列的弯曲铜管，其中弯曲铜管分为两部分，一部分将嵌入散热装置内，用于吸收热量，另一部分暴露在空气中，用于散热，整个弯曲铜管的始端和末端连接电磁泵的入口和出口，

所述的散热装置由两块留有弯曲铜管凹槽的光滑的黄铜板组成，每个凹槽为半圆形，直径为4.8mm，两块黄铜板对合之后形成直径为4.8mm的圆形空腔，可以将吸热部分的弯曲铜管嵌入其中，

所述的弯曲铜管与散热装置的凹槽之间有0.3mm的安装空隙，先在两铜板的半圆形凹槽处涂抹液态金属作为填充介质，将吸热部分的弯曲铜管装入其中一个铜板的半圆形凹槽中，再将另一个铜板以凹槽走向和铜板边缘为基准，将两铜板对齐、对合，使弯曲铜管夹在中间，最后将两铜板压紧，并用螺丝固定，

所述的散热装置使用黄铜，并在内部嵌入弯曲铜管，

所述的液态金属为40g热导率大于20W/m·k的液态金属，使其装满整个弯曲铜管，弯曲铜管和电磁泵形成一个密闭的循环管道，供液态金属流动，驱动力来自电磁泵，

所述的电磁泵内也装满液态金属，再将弯曲铜管的始端和末端接入电磁泵的入口和出口，使整个管道循环系统充满液态金属，或者仅有小量的空气。