液态金属热虹吸散热系统管道尺寸效应研究

罗曼丽，刘 静

(1. 中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室， 北京 100190；2. 中国科学院研究生院， 北京 100049)

液态金属热虹吸散热系统管道尺寸效应研究

罗曼丽1，2，刘 静1

(1. 中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室， 北京 100190；2. 中国科学院研究生院， 北京 100049)

热虹吸驱动室温液态金属散热是新近出现的一类芯片自驱动冷却方法，它引申出的诸多理论与技术问题亟待澄清。文中实验研究了热虹吸驱动室温液态金属散热系统的管道尺寸效应，对比考察了工质水和液态金属散热效果的差异、特性及规律。结果显示：当向热源提供5 W/cm2的热流密度时，热源可分别被液态金属和水冷却到50.8 ℃和71.6 ℃以下；由于粘度因素，热虹吸驱动液态金属散热系统在直径为3 mm的管道中仅能通过热传导散热，当管道直径≥ 4 mm时发生对流散热。实验表明：热虹吸驱动液态金属系统的散热方式受管道尺寸的影响很大，只有当实际管道直径大于系统的临界管道直径时，热虹吸力才足以驱动液态金属系统自循环流动冷却；水虹吸系统的临界尺寸高于液态金属系统，但冷却效果显著弱于后者。

热虹吸效应；液态金属；管道尺寸效应；芯片冷却；自循环

引 言

强化传热技术对于电子设备的正常运转和能源系统的高效利用有着重要意义。采用高导热率的室温液态金属实现热量快速传递，是近年来兴起的一种强化传热方法。在以往的研究与应用中，室温液态金属的驱动主要采用蠕动泵和电磁泵驱动。由于具有运动部件，蠕动泵具有不稳定、噪音大、维护复杂等问题。电磁泵需要绝缘和密封，否则会产生漏磁，进而影响其运动性能，而且会对周围电子器件产生影响，且电磁泵的性能会随着温度升高而降低。本文采用了无泵驱动室温液态金属传热的方法：热虹吸驱动室温液态金属散热。热虹吸是基于流体自然对流的一种被动型热传递现象，它利用流体因加热发生密度变化而产生的浮升力来驱动自身流动[1]。由于可采用热源自身的热量来驱动液态金属流动，无需外界能量输入，因而安全稳定，系统简单，无噪音。热虹吸驱动的流动环路可以是开式的，也可以是闭式的。环路有矩形、环形等[2]。根据工质有无相变，可以分为单相热虹吸和两相热虹吸。

近年来，国内外学术界围绕热虹吸现象的研究取得了系列成果。文献[3]建立了热虹吸油冷却系统的压力平衡数学模型；文献[4]对不同几何结构的单相热虹吸流动、传热性能及应用进行了总结；文献[5]基于数值模拟方法研究了通道壁的比热容和导热对对称分布的矩形环路单相热虹吸的影响；文献[6]考察了两相热虹吸的传热问题，特别研究了热端流道内分别采用光滑表面和肋片表面时系统的性能。热虹吸驱动方式具有安全、经济、节能、无噪音的特点，因而逐步得到了高度重视。

迄今为止，国内外就热虹吸效应开展了诸多探索，但大多只针对常规流体。近期，为实现灵巧的芯片热管理，首次将室温液态金属热虹吸效应引入到电子自动冷却[7]及能量回收[8]中，相应方法的提出，引申出了一系列重要的基础和实验问题。文献[9]考察了当热端竖直布置时，热虹吸驱动矩形环路液态金属的流动方向，以及不同的热流密度对液态金属流速的影响，结果表明液态金属的流速随着加热功率和冷热端高度差的增加而增加。热虹吸效应可以驱动液态金属流动，热量被液态金属从热端吸收，带到冷端散掉，以此实现冷却电子器件的目的。热虹吸驱动散热系统中，一个重要的问题是，系统的散热方式会受到管道尺寸的极大制约。为澄清管径尺寸对热虹吸驱动液态金属散热系统的影响规律，本文从实验角度系统研究了4种不同直径管道对热虹吸驱动水和液态金属散热系统的影响，对比分析了各尺寸管道系统的散热方式。相应工作对今后研制和优化液态金属热驱动散热器具有重要的参考价值。

1 热虹吸驱动流体系统实验平台

热虹吸驱动液态金属实验系统主要由热端、冷端和连接管道(冷管道和热管道)3部分组成。热端由热源和换热器构成，冷端由换热器、翅片以及风扇构成，连接管路为绝热性能较好的硅胶管。实验采用了4种不同内径的管道，分别为3 mm、4 mm、5 mm和6 mm。热管道长400 mm，冷管道长170 mm，冷热端高差180 mm。模拟热源和换热器均由尺寸为20 mm × 30 mm × 10 mm的铜块组成。系统的热端水平布置，并与冷端呈非对称结构，构成矩形环路，如图1所示。实验采用的工质是典型的液态金属镓铟合金(镓80%，铟20%)和水，其热物理性质见表1。

图1 系统示意图

物理性质Ga80%In20%水熔点/℃160密度/(kg·m-3)6093998．2比热/(J·kg-1·K-1)403．54180热导率/(W·m-1·K-1)26．580．6粘度/(Pa·s)0．00190．001

热端采用绝热材料包裹，尽可能减小热量损失。冷端采用翅片加风扇的方式将热量源源不断地散到外部空间。测温装置采用安捷伦37970A数据采集装置，实时监测各点的温度变化，记录系统稳定时的温度。热电偶采用T型热电偶，测量误差为 ± 0.5 ℃。图1为实验系统的流程示意图，点(1)～点(5)分别为热电偶位置。

2 热虹吸驱动原理和实验方法

2.1 工作原理

在热虹吸驱动系统中，工质在热端被加热后，温度上升，密度减小。冷热端流体因密度不同、压力不同而产生的压差(后称热虹吸力)驱动液态金属在管道内克服阻力流动，将热量由热端带到冷端。液体的流动方向与冷热端的相对位置有关，已有研究指出当热端竖直布置时，液体会由热端的上端流出，由下端流入[9]。本文将热端水平布置，由于热管道的沿程阻力大于冷管道，液体将做顺时针流动，此推论可以通过后面的实验得到验证。

液态金属的热虹吸流速大小不但与其物性参数(包括膨胀系数、密度和运动粘度)有关，还与系统的几何参数以及冷热端的高度差、环路的长度、局部结构以及热端的表面积和横截面积、加热功率有关。使用经典流体力学方程组，可推导出工质的热虹吸流速u的表达式[9]：

(1)

式中：β、ρ0、c、υ分别表示工质的热膨胀系数、参考密度、比热容和运动粘度；A和Q分别表示热端通道的横截面积和加热功率；C表示系统结构因子；H表示系统热端与冷端的高差；g是重力加速度。该式适用于一维不可压缩稳态流动，热端为恒热流加热，冷端为恒壁温冷却或对流冷却，并且忽略轴向导热、粘性耗散、管壁导热和散热的情况。式(1)是热虹吸驱动流体流速的定量表达式，由此可以看出，工质的流速与通道截面积和流体密度成负相关关系。

系统的换热量一般取决于换热系数和换热面积。由式(1)可知，管道直径越大，工质流速越小，对流换热就越弱。然而，管道直径越大，换热面积越大，换热量却增多。总之，管道直径的变化引起换热系数和换热面积产生相反的变化，造成换热量增减未知。基于此，本文研究了不同管道直径对热虹吸驱动液态金属散热系统的换热效果的影响。

2.2 实验方法

本文采用铜加热块模拟电子芯片热源，不同电压产生不同热流密度。热虹吸驱动系统的散热效果由模拟热源的稳定表面温度表示，系统稳定时热源表面温度越低，冷却效果越好。

整个实验采用了4种直径的管道和6种热流密度，见表2。每组测量数据均保持10 min稳定时间，环境温度为室温25 ℃。在每组实验之前，系统均被冷却到相同的室温环境状态。

表2 实验条件

3 热虹吸驱动流体实验结果与讨论

3.1 实验结果

实验测量了热虹吸散热系统的热源表面温度和冷热端的进出口温度，测点分布如图1所示。

图2表示了热流密度为0.83 W/cm2时, 1号管道热虹吸驱动液态金属系统热端两端的温度变化，可以看出液态金属和水在该热流密度下可以实现冷却热源的目的。图3比较了热流密度为1.67W/cm2时, 1～4号管道的热虹吸驱动液态金属和水系统的稳定热源温度。由图3可以看出: 液态金属和水的散热效果随着管径的增大而提高，其中2～4号管道液态金属的冷却效果比水好，而1号管道水的冷却能力远比液态金属好；同时，随着热流密度的增大，液态金属的冷却优势更显著。图4绘制了热流密度为2.50 W/cm2时，1号管道热虹吸驱动液态金属和水系统的热源温度变化。可以看出，随着时间的变化，水冷系统的热源温度不断升高并逐渐趋于定值，而液态金属系统热源温度不断上升。当热流密度大于2.50 W/cm2时，液态金属热虹吸系统的温度变化亦是如此。上述实验结果表明：液态金属在热流密度≤1.67 W/cm2时，热源可保持稳定温度；当热流密度≥2.50 W/cm2时，热虹吸驱动液态金属散热系统尚不足以满足冷却要求，为此需要就散热面积和通道尺寸进行优化设计。同时，虽然水冷系统可以使热源最终达到稳定温度，但随着热流密度的升高，水温逐渐趋于沸点，甚至可能发生相变，对系统承压能力要求高。如图5所示，1号管道热流密度为5 W/cm2时，热源的温度已经达到98 ℃，此时，工质水已经沸腾，其针对大功率热负荷散热的应用需进一步评估。

图2 液态金属散热系统的热端进出口温度变化(1号管道、热流密度0.83 W/cm2)

根据实验结果，当向热源提供5 W/cm2的热流密度时，热源可分别被液态金属和水冷却到50.8 ℃和71.6 ℃以下。图6以3号管道、热流密度4.17 W/cm2为例，显示了热虹吸正常驱动液态金属和水散热的热源温度变化。由图6可以看出，在热虹吸正常启动的情况下，液态金属的冷却效果比水好，而且液态金属比水先达到冷却平衡温度。

图3 四种管道液态金属和水系统散热效果对比(热流密度1.67 W/cm2)

图4 液态金属和水散热系统的热源温度变化(1号管道、热流密度2.50 W/cm2)

图5 四种管道水散热系统的热源稳定温度

图6 液态金属和水散热系统的热源温度变化(3号管道、热流密度4.17 W/cm2)

3.2 讨论

上述实验证明热虹吸驱动液态金属能够对热源进行有效散热。为了判断冷却是否由对流换热引起，分析了系统热端进出口温度的变化。图7和图8分别表示了液态金属和水的热端进出口温度变化。流体在静止的情况下，只通过热传导散热，热端进出口温度应该同时升高直到平衡。然而，从图7和图8可以看出，热端(1)点和(2)点的温度变化趋势不同。原因分析如下：当加热开始时，流体尚处于静止状态，热量只通过导热向两边传递，(1)点和(2)点温度同时上升；当冷热端温差积累到一定程度时，热虹吸力驱动流体开始流动，即从A点起工质开始流动。图7中(1)点温度迅速上升而(2)点温度下降，可判断流体由(2)流向(1)，即液态金属顺时针流动。到达B点后流速趋于稳定，进出口温度也趋于稳定，因而对流换热充分。液态金属和水的进出口温度呈相同的变化趋势，上述分析充分说明流体发生了流动，产生对流换热。工质从静止到充分流动，散热由静态导热转变为对流换热，热源温度出现显著转折。另外，比较液态金属和水散热系统的热源温度变化，可以看出水的温度变化比液态金属剧烈，这是因为水的密度和粘度比液态金属小，其流动更剧烈。然而，由于液态金属的热导率具有显著优势，其综合散热效果仍比水优异，且冷却速率比水快许多。

图7 液态金属散热系统的热端进出口温度变化(2号管道、3.33 W/cm2热流密度)

图8 水散热系统的热端进出口温度变化(2号管道、3.33 W/cm2热流密度)

实验表明，热流密度较大时，1号管道热虹吸驱动液态金属系统已经无法将热量完全散走。其原因在于：液态金属由于粘度高，在1号管道中流动阻力过大，热虹吸力无法克服流动阻力，流体保持静止，此时只有热传导起作用。当热流密度较小时，液态金属散热系统仅通过热传导就能将热量及时排走，热源温度可以保持稳定；当热流密度较大时，热传导作用有限，热源温度不断升高而无法达到稳定，如图4所示。

综上所述，热虹吸驱动液态金属散热系统在直径为3 mm的管道中仅通过热传导散热，而当管道直径等于4 mm时发生对流散热。因此，热虹吸驱动液态金属的散热方式受临界管道尺寸影响，若管道太小，热虹吸力不足以克服流动阻力，此时热传导为主要换热方式，不利于散热。因此在空间和成本允许的情况下应尽量增加管道直径，以实现对流散热。

4 结束语

热虹吸驱动液态金属和水的散热系统不但能有效冷却电子器件，还能节约能源和空间。本文首次实验研究了热虹吸驱动室温液态金属散热效果的管道尺寸效应。实验表明，热虹吸驱动液态金属系统的散热方式受管道直径的影响，当实际管道直径大于系统的临界管道直径时，热虹吸驱动液态金属系统可通过对流方式实现自动散热。由于液态金属具有很高的沸点，工作范围广，特别适合用作大功率电子设备的散热工质。

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罗曼丽(1988-)，女，硕士，主要从事小型电子器件散热研究工作。

刘 静(1969-)，男，博士，教授，主要从事芯片冷却、生物医学仪器等研究工作。

Study on Pipe Size Effects in Liquid Metal Cooling System Driven by Thermosyphon

LUO Man-li1,2，LIU Jing1

(1.KeyLaboratoryofCryogenics,TechnicalInstrtuteofPhysicsandChemistry,ChineseAcademyofSciences，Beijing100190,China；2.GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

The room temperature liquid metal device based on thermosyphon effect is a new self-driven chip cooling method. It has raised many critical theoretical and technical issues waiting for clarification. In this paper the pipe size effect of liquid metal heat dissipation system driven by thermosyphon is studied by experiments. The difference, characteristics and law between heat dissipation effects of liquid metal and water respectively driven by thermosyphon are comparatively evaluated. Results show that under heat flux density of 5 W/cm2, heat source can be cooled down below 50.8 ℃ and 71.6 ℃ by liquid metal and water respectively, that the liquid metal system driven by thermosyphon dissipates heat only through heat conduction when the pipe diameter equates to 3 mm, while through convective heat transfer when the pipe diameter is equal to or larger than 4 mm. Experiments demonstrate that the pattern of heat dissipation is affected greatly by the pipe size. Only when the actual pipe diameter is larger than its critical size, the liquid metal system driven by thermosyphon can realize self-circulation and thus efficiently remove heat via convective heat transfer mechanism. The critical pipe size for the thermosyphon driven water system is larger than that of liquid metal system. However, its cooling effect is evidently poorer than that of liquid metal system.

thermosyphon effect; liquid metal; pipe size effect; chip cooling; self-circulation

2013-06-03

TB66

A

1008-5300(2013)04-0013-05