1 引言
隨著電力工業的發展,大功率電力設備的熱管理已成為影響電力設備集約緊湊性的關鍵難題之一。 目前典型的大功率電力設備( 如高端換流閥和IGBT 器件), 其熱流密度正逐漸突破百瓦/ 平方厘米,對散熱系統性能要求十分苛刻[1,2] 。 作為目前主流的散熱技術,水冷在向更高熱流密度邁進時面臨諸多困難。 主要原因在于: 一方面, 水的熱導率低,雖然納米流體等技術能對此進行一定的改善,但在高熱流密度時仍需要小孔噴射或微通道來提升換熱能力,系統結構復雜,對驅動泵要求高;另一方面, 水沸點低,在高熱流時容易發生沸騰相變,帶來嚴重的系統穩定性問題[3?5] 。 因此, 隨著電力設備集成度的持續提高,市場迫切需要更高端散熱技術的出現。
液態金屬作為近些年新興的高端散熱技術,學術界對其進行了系列探索,但液態金屬散熱在電力領域的應用目前尚未有涉及[6,7]。A.Miner 等開展了液態金屬冷卻高功率密度芯片的研究,其結果表明液態金屬可達到 10W /( cm2·K) 的對流換熱效率,能解決熱流密度大于 100W /cm2 的散熱難題,其實現的微型電磁泵可達到 8kPa 的最高壓頭[8] 。U.Ghoshal 等在此基礎上研究了具有更高性能的液態金屬散熱系統,其實驗中功率密度達到突破常規的200W /cm2 ,對流換熱系數可達到 20W /( cm2·K)[9]。 H.S.Park 等采用二氧化硅包覆的方法將鐵磁顆粒分散到液態金屬鎵中,首次實現了液態金屬磁功能性流體。 運用此功能流體,液態金屬可直接采用非接觸式磁驅動、零噪音、無運動部件, 更加安全可靠[10] 。 此外,材料相容性方面, P.R.Luebbers和 O.K.Chopra對液態金屬對各種結構材料的腐蝕情況進行了研究,并指出鐵、鎳、鉻與金屬鎵反應快,而Nb?5Mo?1Zr 對鎵基合金有較好的抗腐蝕性[11] 。 K. A.Narh等研究了液態金屬對 P?V?T 壓力容器材料的腐蝕狀況,并得出液態金屬對316L 不銹鋼有輕微腐蝕,而對典型的四種熱塑料沒有影響[12] 。
總體而言,目前電力設備冷卻領域關注的重點在于三方面:①更高性能的冷卻方式;②系統節能降耗;③如何使系統運行更加穩定可靠[13?16] 。 針對上述需求,液態金屬散熱技術具有天然的優勢。 首先, 液態金屬熱導率遠高于水, 因此散熱性能更優; 其次,液態金屬可采用無運動部件的電磁泵驅動,零噪音,能耗遠低于水泵;最后,液態金屬沸點高,表面張力大,飽和蒸汽壓低,相對水冷更不易出現沸騰、泄漏和蒸發的問題,更加安全穩定[17?20] 。 基于上述優點,本文建立了基于液態金屬的高熱流密度電力設備冷卻實驗平臺。 在該平臺上,液態金屬不僅作為流動傳熱介質在冷板內對流換熱,還在熱源處作為熱界面材料強化傳熱能力。 綜合這兩方面的優勢, 液態金屬散熱系統在相同工況條件下可獲得遠超傳統水冷的散熱性能。
2 實驗材料和平臺
目前,典型的液態金屬材料是常溫下呈現液態的低熔點鎵基合金,其具有優異的導熱/ 導電性,而且性質穩定、不易揮發、安全無毒。 本實驗中,采用Ga61 In25 Sn13 Zn1 合金作為液態金屬冷卻介質( 質量分數 Ga 61% , In 25% , Sn 13% , Zn 1% ),其實際測試的熱物理性能參數如表 1 所示。 其中熱導率采用 Setaram Mathis TCi 熱分析儀測試, 熔點采用NETZSCH DSC 掃描量熱儀測試。 實驗發現,鎵基合金呈現明顯的過冷度,過冷度大小與液體體積、雜質情況相關,本實驗中可達到 5 ~ 10℃ ,因此當環境溫度低于 0℃ 時合金仍然可呈現液體狀態,顯著的過冷度也是液態金屬散熱系統在低溫下穩定運行的有力保證。 從現有對鎵銦錫和鎵銦錫鋅合金的研究來看,尚未發現鎵基合金對人體造成毒性傷害的案例。在實驗室操作過程中,通過適當的口罩和手套防護, 鎵銦錫和鎵銦錫鋅合金對人體并沒有明顯危險性[6, 21] 。 在電力工程應用時,可通過適當的封裝處理避免液態金屬泄漏至外界環境。 鎵對鋁質材料有較強的腐蝕性,但對大部分不銹鋼和銅合金沒有腐蝕性,相容性良好[22] 。 此外,常規的塑料、陶瓷等材料均不與鎵發生腐蝕反應[12] 。 因此,在電力工程應用時,選擇與其相容的結構材料,便可以保證液態金屬冷卻系統的安全性、可靠性和使用壽命。
本實驗中,基于液態金屬的電力設備冷卻實驗平臺如圖 1 所示。 該平臺由電源、功率計、溫度采集系統、熱源、小冷板、蠕動泵、儲液箱、大冷板、遠端散熱器及保溫材料組成。 系統運行時,蠕動泵驅動環路中液態金屬流動,在小冷板端通過強烈的對流換熱將熱源熱量帶走,最后在大冷板/ 遠端散熱器端通過風扇強制對流釋放熱量。 通過溫度采集模塊采集小冷板溫度、液態金屬進出口溫度以及發熱功率等參數,可量化評估液態金屬在小冷板處的對流換熱能力。 為提高液態金屬散熱系統的散熱性能,在小冷板和熱源間涂覆了一層液態金屬以降低兩者間接觸熱阻。 液態金屬的熱導率遠高于傳統硅油基熱界面材料,應用于熱源和小冷板接觸面時能顯著提升界面熱量傳遞效率,降低熱源溫度。
實驗平臺中,高熱流密度電力設備熱源以方形電加熱塊模擬,加熱功率 1000W,散熱面積 10cm × 10cm,非散熱面以保溫材料包裹以減少漏熱損失。小冷板采用 T2 銅材質以降低導熱熱阻, 其與熱源的結合面涂抹液態金屬材料以提升接觸面傳熱性能,小冷板內換熱面積 240cm2 。 遠端散熱器采用翅片風冷結構,散熱面積 2 6m2 ,并配以 12V 低功率風扇強化空氣對流。 為方便與水介質的結果對比,冷卻介質均采用蠕動泵驅動以實現恒流量運行,蠕動泵最大流量 10L / min。 系統中共設置五處測溫點, 分別為小冷板進口、小冷板出口、熱源表面、小冷板底板及環境溫度。 溫度采集系統為Agilent 34972A, 測溫傳感器為 T 型熱電偶。
3 實驗結果
液態金屬冷卻相對水冷的優勢主要為:①液態金屬流動傳熱具有比水系統更高的對流換熱能力, 能顯著降低冷板內對流熱阻;②液態金屬熱界面材料具有比傳統導熱膏更高的熱導率,能極大降低界面接觸熱阻。 本文針對這兩個方面分別開展了實驗測試。
3-1 液態金屬和水對流換熱性能實驗
圖 2 為系統運行時,分別以液態金屬和水作為冷卻介質時熱源表面溫度隨時間的變化關系。 其中,熱源加熱功率為 1000W, 液態金屬和水流量均為 6L / min,環境溫度為 25℃ 。 為準確考核液態金屬對流相對水系統的優勢,本實驗中液態金屬和水系統具有相同的結構和運行工況,同時小冷板和熱源間涂抹相同的傳統導熱膏材料。 此時,液態金屬系統和水系統的性能差距主要取決于兩種工質的對流換熱能力。
從圖 2 中可以看出,在相同的熱負荷和工作介質流量情況下, 水系統達到熱平衡時熱源溫度為58℃ ,而液態金屬系統中熱源溫度為 44℃ , 液態金屬系統降溫優勢明顯。 根據系統熱阻定義,可計算出在 1000W 發熱量,環境溫度 25℃ 情況下,水系統的系統熱阻為 0033K / W, 而液態金屬系統的系統熱阻為 0019K / W。 可以看出,在相同的結構和運行工況下,僅僅采用液態金屬替換水作為液冷工質, 系統的散熱性能即可獲得顯著提升。 進一步研究液態金屬的對流換熱系數可以發現,在本實驗換熱面積為 240cm2 情況下,液態金屬對流換熱系數可達到13800W/(m2·K) ,而同樣工況下水的對流換熱系數僅為 2450W/(m2·K)。因此,液態金屬超高的對流換熱能力是其作為散熱系統工質的關鍵優勢。
3-2 液態金屬熱界面材料傳熱性能實驗
液態金屬涂覆于熱源與小冷板間能顯著降低界面處接觸熱阻。 針對圖 1 的液態金屬流動散熱系統,圖 3 給出了相同的結構和工況情況下,在熱源和小冷板間涂覆液態金屬相對傳統導熱膏接觸熱阻和系統熱阻的變化情況。
從圖 3 可以看出,針對幾何結構確定的液冷系統,不改變任何結構,僅僅用液態金屬替代熱源與小冷板間的傳統熱界面材料,即可大幅度降低界面接觸熱阻和系統熱阻。 替換后,界面接觸熱阻由原來的 0007K / W 降低至 0002K / W, 同時系統熱阻由原來的 0019K / W 降低至 0014K / W。 可以明顯看出:一方面,采用液態金屬作為界面材料,界面熱阻得以顯著降低,這主要歸功于液態金屬遠高于傳統導熱膏的熱導率;另一方面,在涂覆傳統導熱膏的液冷系統中,熱源和小冷板間的接觸熱阻占系統總熱阻的比例約 1 / 3。 因此,一旦接觸熱阻能夠大幅度降低,則系統總熱阻也能夠顯著降低。 在部分高熱流密度電力系統中,接觸熱阻占系統總熱阻的比例甚至可以達到 1 / 2,顯著的接觸熱阻已成為高功率密度電力設備的傳熱瓶頸。 傳統技術受到材料和工藝的局限,而液態金屬技術的出現可以高效地解決此瓶頸問題,意義顯著。
4 理論分析
圖 1 液態金屬冷卻系統熱阻主要由熱源處接觸熱阻、小冷板內對流熱阻以及遠端散熱器熱阻組成, 即
Rsys = RTIM + Rconv + Rradiator (1)
式中,Rsys 為系統熱阻;RTIM 為熱源處接觸熱阻;Rconv 為小冷板內對流熱阻;Rradiator 為遠端散熱器熱阻。 對于高功率電力設備水冷系統而言,遠端散熱器熱阻可以通過增加散熱器體積解決,因此瓶頸主要在于接觸熱阻和對流熱阻。
接觸熱阻可定義為:
RTIM = ( Ra + t / K + Rb ) / S (2)
式中,Ra 和 Rb 分別為熱界面材料分別與上下接觸界面的接觸熱阻系數;t 為熱界面材料厚度;K 為熱界面材料熱導率;S 為接觸面積。 液態金屬熱導率遠高于傳統導熱膏,因此涂覆液態金屬后接觸熱阻能顯著降低。 同時,液態金屬耐高溫,長期使用無有機物揮發,不會出現傳統導熱膏發干失效的問題,更加穩定可靠。
對流熱阻可以定義為:
Rconv = 1 / ( hA) (3)
式中,h 為對流換熱系數,A 為小冷板內對流換熱面積。 對于高功率密度電力設備而言,換熱面積受到器件幾何結構的限制很難增加,因此提高工質對流換熱系數是最直接有效的辦法。 傳統主流方法包括微通道和噴射冷卻,其都可以獲得較高的對流換熱系數,但是系統結構復雜,難于解決高壓、堵塞等安全性問題。 而液態金屬具有天然的高熱導率特征, 不需要高壓大流量情況下即可有效地解決上述問題。 此外,液態金屬沸點高,無毒,不易揮發泄漏,可回收重復利用,因此非常適合作為大功率密度電力設備冷卻系統的工作介質。
遠端散熱器熱阻可定義為:
Rradiator = f( Afin ,Qair ) (4)
式中,Afin 為散熱器翅片面積;Qair 為風量。 即遠端散熱器熱阻主要是翅片散熱面積和風量的函數。 散熱面積越大,風機流量越大,則遠端散熱器熱阻越小。
從上述分析可以看出,液態金屬技術可以有效解決高熱流密度電力設備散熱瓶頸,其核心優勢就在于其超高的對流換熱能力和界面熱傳導能力。
5 結論
本文建立了基于液態金屬的高熱流密度電力設備冷卻實驗平臺,在該平臺上可實現液態金屬和水等冷卻介質在高熱流密度工況條件下的對流換熱系數和熱導率的高精度測量。 通過液態金屬和水的對比實驗表明,以液態金屬替代水作為冷卻介質,系統熱阻可由 0033K / W 降低至 0019K / W; 若進一步以液態金屬替代傳統導熱膏作為界面材料,則散熱系統熱阻可降低至 0014K / W。 相比于水介質, 液態金屬具有優異的對流換熱能力和導熱能力。 當然,液態金屬應用于電力領域不僅需考慮熱物理性能,還要考慮其導電性、腐蝕性和安全性。 對于既需導電又需冷卻的應用對象,液態金屬非常契合;對于有絕緣要求的應用對象,在使用前必須進行有效絕緣或隔離的專門化設計。 液態金屬未來可在高熱流密度電力設備冷卻技術中推廣應用。
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