CN109686710A - 一种基于液态金属多相流体的散热装置 - Google Patents

一种基于液态金属多相流体的散热装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于液态金属多相流体的散热装置，包括：冷却工质容器、液态金属容器、管道混合器、换热装置、冷却装置及分离装置，冷却工质容器内盛有冷却工质，液态金属容器内盛有液态金属，将冷却工质与液态金属进行混合后通入换热装置内，从而对热源部件进行冷却散热。本发明提供的散热装置，将液态金属与另一种冷却工质混合流动来实现散热，由于液态金属具有较低的蒸汽压和很高的沸点，作为冷却剂时可在较宽的工作温度区间内保持液态；在较低泵送功耗下，液‑液两相流动的内部环流可以有效地提高换热系数，液态金属可以始终进行单相对流换热，因而提高了散热系统工作的临界热流密度数值，保证了散热系统的可靠性，并提高系统抗热冲击的能力。

Description

一种基于液态金属多相流体的散热装置
技术领域
本发明实施例涉及散热技术领域，更具体地，涉及一种基于液态金属多相流体的散热装置。
背景技术
随着当今微电子技术的迅速发展，电子器件的性能与集成度不断提高，导致电子器件及设备的热流密度急剧增大。例如，如今的微处理器的热流密度已经达到100W/cm2的量级，一些高端的处理器甚至达到1kW/cm2以上量级。“热障”问题已经成为制约电子器件向更高性能发展的瓶颈。传统的风冷与单相液冷技术已经不足以应对这一问题，多相流散热技术是未来电子设备热管理技术中极有潜力的发展方向。
根据相态的不同，物质主要可以分为气相、液相、固相。多相流即上述物质相态中的两种或多种的混合流体。相与相之间的转变通常伴随着热量的吸收或释放，即相变潜热。此外，由于不同物质相态之间存在热物性的差异和复杂的相互作用，多相流体的流动换热往往具有不同于单相流体的特性。目前在电子散热领域的多相散热技术就是利用上述两方面的特点，来实现热量的转移。例如常见的热管，就是利用了密封的铜管内工质的沸腾与冷凝实现热量的传递与转移。而被视为新型换热工质的纳米流体，则是利用固体颗粒的高热导率来增强了载体流体的传热性能。由于以上特点，多相流体能够达到远超单相流体的换热性能，例如有相变的多相流能够达到的热流密度是单相流体散热的10倍，无相变的多相流散热也能达到单相流体的3-5倍。
但是，在对大功率激光器等具有极高热流密度的设备进行单工质多相流散热时，一旦达到临界热流密度，冷却工质会产生大量过热蒸汽，使流道内表面出现干涸，导致散热系统失效。此外，以纳米流体为代表的固液两相流体中，颗粒的沉降会显著影响纳米流体的热物理性能，从而影响散热性能。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明实施例的目的是提供一种基于液态金属多相流体的散热装置，利用液态金属热导率高、沸点高的特点，将液态金属与其他冷却工质的混合流动来获得更好的换热性能，以解决现有的单工质流体以及固-液两相流体散热性差的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于液态金属多相流体的散热装置，包括：
冷却工质容器(1)、液态金属容器(2)、管道混合器(5)、换热装置(6)、冷却装置(8)以及分离装置(9)，所述冷却工质容器(1)内盛有冷却工质，所述液态金属容器(2)内盛有液态金属；
所述管道混合器(5)包括：冷却工质入口、液态金属入口和混合液出口，所述分离装置(9)包括：冷却工质出口、液态金属出口和混合液入口；
所述冷却工质容器(1)的出口通过管道(10)与所述冷却工质入口连通，所述液态金属容器(2)的出口通过管道(10)与液态金属入口连通，所述混合液出口、换热装置(6)、冷却装置(8)以及混合液入口通过管道(10)依次连通，所述冷却工质容器(1)的入口通过管道(10)与所述冷却工质出口连通，所述液态金属容器(2)的入口通过管道(10)与所述液态金属出口连通；
所述冷却工质容器(1)与所述管道混合器(5)之间的管道(10)上设有冷却工质泵(3)，所述液态金属容器(2)与所述管道混合器(5)之间的管道(10)上设有液态金属泵(4)；所述换热装置(6)贴设于待冷却的热源部件(7)。
优选地，所述冷却工质泵(3)与所述管道混合器(5)之间的管道(10)上设有冷却工质阀(11)，所述液态金属泵(4)与所述管道混合器(5)之间的管道(10)上设有液态金属阀(12)。
优选地，所述管道混合器(5)为T型、Y型或同心管型。
优选地，所述冷却工质容器(1)、液态金属容器(2)和管道(10)的内表面均采用镀层处理。
优选地，所述液态金属为镓、锡、铟、铋、镓铟合金、镓锡合金、镓铋合金、镓铝合金、镓锌合金、镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。
优选地，所述冷却工质泵(3)采用离心泵、螺杆泵、隔膜泵、蠕动泵或电磁泵，所述液态金属泵(4)采用电磁泵、蠕动泵或隔膜泵。
优选地，所述冷却工质阀(11)和液态金属阀(12)采用不锈钢、聚四氟乙烯或塑料材质。
优选地，所述管道混合器(5)的材质为硅、石英、玻璃、聚二甲基硅氧烷或硅橡胶，且所述管道混合器(5)的内表面采用镀层处理。
优选地，所述换热装置(6)为管壳换热器、冷板换热器、射流换热器、喷雾换热器或微流道换热器，且所述换热装置(6)的内表面采用镀层处理。
优选地，所述热源部件(7)为电子器件或动力设备。
(三)有益效果
本发明提供的基于液态金属多相流体的散热装置，将液态金属与另一种冷却工质混合流动来实现散热，由于液态金属具有较低的蒸汽压和很高的沸点(如镓的熔点为29.8℃，沸点为2204℃)，作为冷却剂时，可以在较宽的工作温度区间始终保持液态；在较低热流密度下，液-液两相流动的内部环流可以有效地提高换热系数；在较高的热流密度下，传统的流动沸腾流散热系统已经达到临界热流密度而失效，但本发明提供的液态金属多相流体的散热装置中，液态金属可以始终进行单相对流换热，因而提高了散热系统工作的临界热流密度数值，保证了散热系统的可靠性，并提高了系统抗热冲击的能力。
此外，本发明涉及的冷却工质与液态金属的类型可以采用多种组合，从而适用于不同的工作条件。此外，由于冷却工质与液态金属分别由两个泵进行输送，因此可以在较低热流密度的工况下利用其中一种工质进行冷却，当发热设备进入较高功耗的工况时开启另一种工质的循环流动，即一个散热系统可以应对多种工作条件。
同时，由于液态金属具有良好的导电能力，可以利用高效电磁泵驱动，无机械转动部件，因此不易损坏，性能稳定。同时，可以通过外加磁场或者电场对液态金属多相流动进行控制，实现进一步强化传热。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中基于液态金属多相流体的散热装置的连接示意图；
图2为是本发明实施例中三种不同的管道混合器的结构及原理图；
附图标记：
1-冷却工质容器；2-液态金属容器；3-冷却工质泵；4-液态金属泵；5-管道混合器；6-换热装置；7-热源部件；8-冷却装置；9-分离装置；10-管道；11-冷却工质阀；12-液态金属阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参考图1所示，本发明实施例提供一种基于液态金属多相流体的散热装置，其特征在于，包括：冷却工质容器1、液态金属容器2、管道混合器5、换热装置6、冷却装置8以及分离装置9。
其中，冷却工质容器1内盛有冷却工质，冷却工质可以为水及水溶液、纳米流体、磁流体、离子液体、醇类、烷烃、氟利昂、熔融盐、液态金属、液态金属纳米流体等，液态金属容器2内盛有液态金属，液态金属可采用镓、锡、铟、铋、镓铟合金、镓锡合金、镓铋合金、镓铝合金、镓锌合金、镓铟锡合金或镓铟锡锌合金，其熔点一般在300℃以下。本发明实施例涉及的液态金属具有良好的导电能力(如镓的电导率为3.7×106/Ω/m)，可以利用高效电磁泵驱动，无机械转动部件，因此不易损坏，性能稳定。同时，可以通过外加磁场或者电场对液态金属多相流动进行控制，实现进一步强化传热。
在上述实施例的基础上，管道混合器5用于冷却工质和液态金属的混合，其包括：冷却工质入口、液态金属入口和混合液出口，冷却工质入口作为冷却工质的流入通道，其通过管道10与冷却工质容器1的出口连通；液态金属入口作为液态金属的流入通道，其通过管道10与液态金属容器2的出口连通。管道混合器5可以为硅、石英、玻璃、聚二甲基硅氧烷或者硅橡胶等非金属材质制作而成，也可以为采用内表面做镀层处理的不锈钢、铜、铝、镍或钛等金属材质制作而成。
在上述实施例的基础上，分离装置9用于将液态金属和冷却工质分离开来，其包括：冷却工质出口、液态金属出口和混合液入口，冷却工质出口作为冷却工质的流回至冷却工质容器1的通道，其通过管道10与冷却工质容器1的入口连通；液态金属入口作为液态金属的流回至液态金属容器2的通道，其通过管道10与液态金属容器2的入口连通。分离装置9可选择重力式分离、离心式分离、电分离或吸附分离等方式的分离装置对液态金属进行分离。
在上述实施例中，混合液出口、换热装置6、冷却装置8以及混合液入口通过管道10依次连通，这样就形成了液态金属与冷却工质的混合、换热、冷却、分离的循环回路，并且液态金属和冷却工质在混合前以及分离后均通过各自的管道10分开流通。管道10可以采用内表面做镀层处理的不锈钢、铜、铝、镍、钛，玻璃、石英、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、塑料等材料。管道10的横截面形状可以为圆形、椭圆形、三角形、四边形、五边形或多边形等。
其中，冷却工质和液态金属在管道混合器5内混合后形成液态金属多相流体，且液态金属多相流体通过混合液出口流入换热装置6内，换热装置6贴设于待冷却的热源部件7，热源部件7可以为计算机芯片、IGBT电转换模块、高功率激光芯片、激光二极管、高功率LED灯、聚光太阳能电池、动力电池包、半导体雷达、X射线球管或发动机等，主要为电子器件或者为动力设备等发热部件。液态金属多相流体与热源部件7进行热交换，吸收热量的液态金属多相流体流入冷却装置8中进行冷却处理，冷却后的液态金属多相流体通过混合液入口进入分离装置9，在分离装置9内被分离成冷却工质和液态金属，并分别流回冷却工质容器1和液态金属容器2中，再次循环流动。
在上述实施例中，换热装置6可采用管壳换热器、冷板换热器、射流换热器、喷雾换热器或微流道换热器，所述各换热器可以由铜、铝、不锈钢、镍、钛等金属及其合金材料制成。冷却装置8可采用风冷、液冷或相变冷却等多种冷却方式对液态金属多相流体进行冷却。
此外，为了便于冷却工质和液态金属的流通，冷却工质容器1与管道混合器5之间的管道10上设有冷却工质泵3，液态金属容器2与管道混合器5之间的管道10上设有液态金属泵4。其中，冷却工质泵3采用离心泵、螺杆泵、隔膜泵、蠕动泵或电磁泵，液态金属泵4采用电磁泵、蠕动泵或隔膜泵。本发明实施例涉及的冷却工质与液态金属的类型可以采用多种组合，从而适用于不同的工作条件。此外，由于冷却工质与液态金属由两个泵分别进行输送，因此可以在较低热流密度的工况下利用其中一种工质进行冷却，当发热设备进入较高功耗的工况时开启另一种工质的循环流动，即一个散热系统可以应对多种工作条件。
在上述实施例的基础上，为了便于分开控制液态金属和冷却工质的流量，以实现二者混合后不同的流体类型，在冷却工质泵3与管道混合器5之间的管道10上设有冷却工质阀11，在液态金属泵4与管道混合器5之间的管道10上设有液态金属阀12。其中，冷却工质阀11和液态金属阀12为采用不锈钢、聚四氟乙烯或塑料等材质制成的阀门，具体的阀门类型可采用闸阀、球阀、旋拧阀、蝶阀或针阀等。通过控制冷却工质阀11和液态金属阀12，可以实现管道混合器5内的液态金属多相流体混合方式的不同，具体包括交错式、并流式、流动聚焦式、阶梯乳化式以及薄膜乳化式。
在上述各实施例的基础上，参考图2，其中，深色工质为液态金属，浅色工质为另一种冷却工质，分别从两个入口进入管道混合器5中。三种管道混合器5分别为(a)T型、(b)Y型和(c)同心管型。在流道交汇处，两种流体在界面力与剪切力的作用下，产生湍流。在之后的流动中逐渐稳定下来，形成新的流动形态。具有不同初始流动参数的两种流体，混合之后形成不同的流动形态，即流型。在不同管道中混合也会得到不同的流型。可以根据流体工质的热物理性质，以及所需要的流型，来选择所需要的混合参数与混合器形状。
具体地，随着液态金属流量的增大，液态金属与冷却工质在T型流道中混合后有液滴流、栓塞流和分层流三种流型。液态金属所占的体积分数随着流型的变化而变化。在Y型流道中，液态金属与冷却工质混合后的流型比较类似，但是流动规律有所不同。采用同心管型流道，可以得到液滴流、栓塞流与射流等流型。
在上述各实施例的基础上，为了避免液态金属对各部件和管道的腐蚀，在冷却工质容器1、液态金属容器2、管道混合器5、换热装置6、冷却装置8、以及各部件之间的管道10的内表面均采用镀层处理。
本发明实施例提出了液态金属与另一种冷却工质混合流动来实现散热的技术思想，由于低熔点液态金属在工作温度下呈液态，具有优良的导热性能，而粘度与水接近，因此可以在不增加过多功耗的前提下显著提高散热性能。
同时，由于液态金属具有较低的蒸汽压和很高的沸点(如镓的熔点为29.8℃，沸点为2204℃)，作为冷却剂时，可以在较宽的工作温度区间始终保持液态。在较低热流密度下，液-液两相流动的内部环流可以有效地提高换热系数；在较高的热流密度下，传统的流动沸腾流散热系统已经达到临界热流密度而失效，但本发明提供的液态金属多相流体的散热装置中，液态金属可以始终进行单相对流换热，因而提高了散热系统工作的临界热流密度数值，保证了散热系统的可靠性，并提高了系统抗热冲击的能力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于液态金属多相流体的散热装置，其特征在于，包括：
冷却工质容器(1)、液态金属容器(2)、管道混合器(5)、换热装置(6)、冷却装置(8)以及分离装置(9)，所述冷却工质容器(1)内盛有冷却工质，所述液态金属容器(2)内盛有液态金属；
所述管道混合器(5)包括：冷却工质入口、液态金属入口和混合液出口，所述分离装置(9)包括：冷却工质出口、液态金属出口和混合液入口；
所述冷却工质容器(1)的出口通过管道(10)与所述冷却工质入口连通，所述液态金属容器(2)的出口通过管道(10)与液态金属入口连通，所述混合液出口、换热装置(6)、冷却装置(8)以及混合液入口通过管道(10)依次连通，所述冷却工质容器(1)的入口通过管道(10)与所述冷却工质出口连通，所述液态金属容器(2)的入口通过管道(10)与所述液态金属出口连通；
所述冷却工质容器(1)与所述管道混合器(5)之间的管道(10)上设有冷却工质泵(3)，所述液态金属容器(2)与所述管道混合器(5)之间的管道(10)上设有液态金属泵(4)；所述换热装置(6)贴设于待冷却的热源部件(7)。
2.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述冷却工质泵(3)与所述管道混合器(5)之间的管道(10)上设有冷却工质阀(11)，所述液态金属泵(4)与所述管道混合器(5)之间的管道(10)上设有液态金属阀(12)。
3.根据权利要求1或2所述的散热装置，其特征在于，所述管道混合器(5)为T型、Y型或同心管型。
4.根据权利要求1或2所述的散热装置，其特征在于，所述冷却工质容器(1)、液态金属容器(2)和管道(10)的内表面均采用镀层处理。
5.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述液态金属为镓、锡、铟、铋、镓铟合金、镓锡合金、镓铋合金、镓铝合金、镓锌合金、镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。
6.根据权利要求1或2所述的散热装置，其特征在于，所述冷却工质泵(3)采用离心泵、螺杆泵、隔膜泵、蠕动泵或电磁泵，所述液态金属泵(4)采用电磁泵、蠕动泵或隔膜泵。
7.根据权利要求2所述的散热装置，其特征在于，所述冷却工质阀(11)和液态金属阀(12)均采用不锈钢、聚四氟乙烯或塑料材质的阀门。
8.根据权利要求1或2所述的散热装置，其特征在于，所述管道混合器(5)的材质为硅、石英、玻璃、聚二甲基硅氧烷或硅橡胶，且所述管道混合器(5)的内表面采用镀层处理。
9.根据权利要求1或2所述的散热装置，其特征在于，所述换热装置(6)为管壳换热器、冷板换热器、射流换热器、喷雾换热器或微流道换热器，且所述换热装置(6)的内表面采用镀层处理。
10.根据权利要求1或2所述的散热装置，其特征在于，所述热源部件(7)为电子器件或动力设备。
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