基于液態(tài)金屬的高熱流密度電力設(shè)備冷卻實(shí)驗(yàn)研究

熱設(shè)計(jì) 2020-12-12

１引言

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，大功率電力設(shè)備的熱管理已成為影響電力設(shè)備集約緊湊性的關(guān)鍵難題之一。目前典型的大功率電力設(shè)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(duì)散熱系統(tǒng)性能要求十分苛刻^{［１，２］} 。作為目前主流的散熱技術(shù)，水冷在向更高熱流密度邁進(jìn)時(shí)面臨諸多困難。主要原因在于：一方面，水的熱導(dǎo)率低，雖然納米流體等技術(shù)能對(duì)此進(jìn)行一定的改善，但在高熱流密度時(shí)仍需要小孔噴射或微通道來提升換熱能力，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)驅(qū)動(dòng)泵要求高；另一方面，水沸點(diǎn)低，在高熱流時(shí)容易發(fā)生沸騰相變，帶來嚴(yán)重的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題^{［３?５］} 。因此，隨著電力設(shè)備集成度的持續(xù)提高，市場(chǎng)迫切需要更高端散熱技術(shù)的出現(xiàn)。

液態(tài)金屬作為近些年新興的高端散熱技術(shù)，學(xué)術(shù)界對(duì)其進(jìn)行了系列探索，但液態(tài)金屬散熱在電力領(lǐng)域的應(yīng)用目前尚未有涉及［６，７］。Ａ．Ｍｉｎｅｒ等開展了液態(tài)金屬冷卻高功率密度芯片的研究，其結(jié)果表明液態(tài)金屬可達(dá)到１０Ｗ／（ｃｍ２·Ｋ）的對(duì)流換熱效率，能解決熱流密度大于１００Ｗ／ｃｍ２的散熱難題，其實(shí)現(xiàn)的微型電磁泵可達(dá)到８ｋＰａ的最高壓頭［８］。Ｕ.Ｇｈｏｓｈａｌ等在此基礎(chǔ)上研究了具有更高性能的液態(tài)金屬散熱系統(tǒng)，其實(shí)驗(yàn)中功率密度達(dá)到突破常規(guī)的２００Ｗ／ｃｍ２，對(duì)流換熱系數(shù)可達(dá)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(tài)金屬鎵中，首次實(shí)現(xiàn)了液態(tài)金屬磁功能性流體。運(yùn)用此功能流體，液態(tài)金屬可直接采用非接觸式磁驅(qū)動(dòng)、零噪音、無運(yùn)動(dòng)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(duì)液態(tài)金屬對(duì)各種結(jié)構(gòu)材料的腐蝕情況進(jìn)行了研究，并指出鐵、鎳、鉻與金屬鎵反應(yīng)快，而Ｎｂ?５Ｍｏ?１Ｚｒ對(duì)鎵基合金有較好的抗腐蝕性［１１］。Ｋ．Ａ．Ｎａｒｈ等研究了液態(tài)金屬對(duì) Ｐ?Ｖ?Ｔ壓力容器材料的腐蝕狀況，并得出液態(tài)金屬對(duì)３１６Ｌ不銹鋼有輕微腐蝕，而對(duì)典型的四種熱塑料沒有影響［１２］。

總體而言，目前電力設(shè)備冷卻領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)在于三方面：①更高性能的冷卻方式；②系統(tǒng)節(jié)能降耗；③如何使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠^{［１３?１６］} 。針對(duì)上述需求，液態(tài)金屬散熱技術(shù)具有天然的優(yōu)勢(shì)。首先，液態(tài)金屬熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于水，因此散熱性能更優(yōu)；其次，液態(tài)金屬可采用無運(yùn)動(dòng)部件的電磁泵驅(qū)動(dòng)，零噪音，能耗遠(yuǎn)低于水泵；最后，液態(tài)金屬沸點(diǎn)高，表面張力大，飽和蒸汽壓低，相對(duì)水冷更不易出現(xiàn)沸騰、泄漏和蒸發(fā)的問題，更加安全穩(wěn)定^{［１７?２０］} 。基于上述優(yōu)點(diǎn)，本文建立了基于液態(tài)金屬的高熱流密度電力設(shè)備冷卻實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在該平臺(tái)上，液態(tài)金屬不僅作為流動(dòng)傳熱介質(zhì)在冷板內(nèi)對(duì)流換熱，還在熱源處作為熱界面材料強(qiáng)化傳熱能力。綜合這兩方面的優(yōu)勢(shì)，液態(tài)金屬散熱系統(tǒng)在相同工況條件下可獲得遠(yuǎn)超傳統(tǒng)水冷的散熱性能。

２實(shí)驗(yàn)材料和平臺(tái)

目前，典型的液態(tài)金屬材料是常溫下呈現(xiàn)液態(tài)的低熔點(diǎn)鎵基合金，其具有優(yōu)異的導(dǎo)熱／導(dǎo)電性，而且性質(zhì)穩(wěn)定、不易揮發(fā)、安全無毒。本實(shí)驗(yàn)中，采用Ｇａ６１Ｉｎ２５Ｓｎ１３Ｚｎ１合金作為液態(tài)金屬冷卻介質(zhì)（質(zhì)量分?jǐn)?shù) Ｇａ６１％，Ｉｎ２５％，Ｓｎ１３％，Ｚｎ１％），其實(shí)際測(cè)試的熱物理性能參數(shù)如表１所示。其中熱導(dǎo)率采用ＳｅｔａｒａｍＭａｔｈｉｓＴＣｉ熱分析儀測(cè)試，熔點(diǎn)采用ＮＥＴＺＳＣＨＤＳＣ掃描量熱儀測(cè)試。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鎵基合金呈現(xiàn)明顯的過冷度，過冷度大小與液體體積、雜質(zhì)情況相關(guān)，本實(shí)驗(yàn)中可達(dá)到５～１０℃ ，因此當(dāng)環(huán)境溫度低于０℃ 時(shí)合金仍然可呈現(xiàn)液體狀態(tài)，顯著的過冷度也是液態(tài)金屬散熱系統(tǒng)在低溫下穩(wěn)定運(yùn)行的有力保證。從現(xiàn)有對(duì)鎵銦錫和鎵銦錫鋅合金的研究來看，尚未發(fā)現(xiàn)鎵基合金對(duì)人體造成毒性傷害的案例。在實(shí)驗(yàn)室操作過程中，通過適當(dāng)?shù)目谡趾褪痔追雷o(hù)，鎵銦錫和鎵銦錫鋅合金對(duì)人體并沒有明顯危險(xiǎn)性［６，２１］。在電力工程應(yīng)用時(shí)，可通過適當(dāng)?shù)姆庋b處理避免液態(tài)金屬泄漏至外界環(huán)境。鎵對(duì)鋁質(zhì)材料有較強(qiáng)的腐蝕性，但對(duì)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(guī)的塑料、陶瓷等材料均不與鎵發(fā)生腐蝕反應(yīng)［１２］。因此，在電力工程應(yīng)用時(shí)，選擇與其相容的結(jié)構(gòu)材料，便可以保證液態(tài)金屬冷卻系統(tǒng)的安全性、可靠性和使用壽命。

本實(shí)驗(yàn)中，基于液態(tài)金屬的電力設(shè)備冷卻實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖１所示。該平臺(tái)由電源、功率計(jì)、溫度采集系統(tǒng)、熱源、小冷板、蠕動(dòng)泵、儲(chǔ)液箱、大冷板、遠(yuǎn)端散熱器及保溫材料組成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)環(huán)路中液態(tài)金屬流動(dòng)，在小冷板端通過強(qiáng)烈的對(duì)流換熱將熱源熱量帶走，最后在大冷板／遠(yuǎn)端散熱器端通過風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流釋放熱量。通過溫度采集模塊采集小冷板溫度、液態(tài)金屬進(jìn)出口溫度以及發(fā)熱功率等參數(shù)，可量化評(píng)估液態(tài)金屬在小冷板處的對(duì)流換熱能力。為提高液態(tài)金屬散熱系統(tǒng)的散熱性能，在小冷板和熱源間涂覆了一層液態(tài)金屬以降低兩者間接觸熱阻。液態(tài)金屬的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硅油基熱界面材料，應(yīng)用于熱源和小冷板接觸面時(shí)能顯著提升界面熱量傳遞效率，降低熱源溫度。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，高熱流密度電力設(shè)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(zhì)以降低導(dǎo)熱熱阻，其與熱源的結(jié)合面涂抹液態(tài)金屬材料以提升接觸面?zhèn)鳠嵝阅埽±浒鍍?nèi)換熱面積２４０ｃｍ２。遠(yuǎn)端散熱器采用翅片風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，散熱面積２６ｍ２，并配以１２Ｖ低功率風(fēng)扇強(qiáng)化空氣對(duì)流。為方便與水介質(zhì)的結(jié)果對(duì)比，冷卻介質(zhì)均采用蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)恒流量運(yùn)行，蠕動(dòng)泵最大流量１０Ｌ／ｍｉｎ。系統(tǒng)中共設(shè)置五處測(cè)溫點(diǎn)，分別為小冷板進(jìn)口、小冷板出口、熱源表面、小冷板底板及環(huán)境溫度。溫度采集系統(tǒng)為Ａｇｉｌｅｎｔ３４９７２Ａ，測(cè)溫傳感器為Ｔ型熱電偶。

３實(shí)驗(yàn)結(jié)果

液態(tài)金屬冷卻相對(duì)水冷的優(yōu)勢(shì)主要為：①液態(tài)金屬流動(dòng)傳熱具有比水系統(tǒng)更高的對(duì)流換熱能力，能顯著降低冷板內(nèi)對(duì)流熱阻；②液態(tài)金屬熱界面材料具有比傳統(tǒng)導(dǎo)熱膏更高的熱導(dǎo)率，能極大降低界面接觸熱阻。本文針對(duì)這兩個(gè)方面分別開展了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

３-１液態(tài)金屬和水對(duì)流換熱性能實(shí)驗(yàn)

圖２為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，分別以液態(tài)金屬和水作為冷卻介質(zhì)時(shí)熱源表面溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。其中，熱源加熱功率為１０００Ｗ，液態(tài)金屬和水流量均為６Ｌ／ｍｉｎ，環(huán)境溫度為２５℃ 。為準(zhǔn)確考核液態(tài)金屬對(duì)流相對(duì)水系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，本實(shí)驗(yàn)中液態(tài)金屬和水系統(tǒng)具有相同的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況，同時(shí)小冷板和熱源間涂抹相同的傳統(tǒng)導(dǎo)熱膏材料。此時(shí)，液態(tài)金屬系統(tǒng)和水系統(tǒng)的性能差距主要取決于兩種工質(zhì)的對(duì)流換熱能力。

從圖２中可以看出，在相同的熱負(fù)荷和工作介質(zhì)流量情況下，水系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)熱源溫度為５８℃ ，而液態(tài)金屬系統(tǒng)中熱源溫度為４４℃ ，液態(tài)金屬系統(tǒng)降溫優(yōu)勢(shì)明顯。根據(jù)系統(tǒng)熱阻定義，可計(jì)算出在１０００Ｗ發(fā)熱量，環(huán)境溫度２５℃ 情況下，水系統(tǒng)的系統(tǒng)熱阻為００３３Ｋ／Ｗ，而液態(tài)金屬系統(tǒng)的系統(tǒng)熱阻為００１９Ｋ／Ｗ。可以看出，在相同的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況下，僅僅采用液態(tài)金屬替換水作為液冷工質(zhì)，系統(tǒng)的散熱性能即可獲得顯著提升。進(jìn)一步研究液態(tài)金屬的對(duì)流換熱系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，在本實(shí)驗(yàn)換熱面積為２４０ｃｍ２情況下，液態(tài)金屬對(duì)流換熱系數(shù)可達(dá)到１３８００Ｗ／（ｍ２·Ｋ），而同樣工況下水的對(duì)流換熱系數(shù)僅為２４５０Ｗ／（ｍ２·Ｋ）。因此，液態(tài)金屬超高的對(duì)流換熱能力是其作為散熱系統(tǒng)工質(zhì)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

３-２液態(tài)金屬熱界面材料傳熱性能實(shí)驗(yàn)

液態(tài)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(duì)圖１的液態(tài)金屬流動(dòng)散熱系統(tǒng)，圖３給出了相同的結(jié)構(gòu)和工況情況下，在熱源和小冷板間涂覆液態(tài)金屬相對(duì)傳統(tǒng)導(dǎo)熱膏接觸熱阻和系統(tǒng)熱阻的變化情況。

從圖３可以看出，針對(duì)幾何結(jié)構(gòu)確定的液冷系統(tǒng)，不改變?nèi)魏谓Y(jié)構(gòu)，僅僅用液態(tài)金屬替代熱源與小冷板間的傳統(tǒng)熱界面材料，即可大幅度降低界面接觸熱阻和系統(tǒng)熱阻。替換后，界面接觸熱阻由原來的０００７Ｋ／Ｗ降低至０００２Ｋ／Ｗ，同時(shí)系統(tǒng)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(tài)金屬作為界面材料，界面熱阻得以顯著降低，這主要?dú)w功于液態(tài)金屬遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)導(dǎo)熱膏的熱導(dǎo)率；另一方面，在涂覆傳統(tǒng)導(dǎo)熱膏的液冷系統(tǒng)中，熱源和小冷板間的接觸熱阻占系統(tǒng)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(tǒng)總熱阻也能夠顯著降低。在部分高熱流密度電力系統(tǒng)中，接觸熱阻占系統(tǒng)總熱阻的比例甚至可以達(dá)到１／２，顯著的接觸熱阻已成為高功率密度電力設(shè)備的傳熱瓶頸。傳統(tǒng)技術(shù)受到材料和工藝的局限，而液態(tài)金屬技術(shù)的出現(xiàn)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(tài)金屬冷卻系統(tǒng)熱阻主要由熱源處接觸熱阻、小冷板內(nèi)對(duì)流熱阻以及遠(yuǎn)端散熱器熱阻組成，即

Ｒｓｙｓ＝ＲＴＩＭ＋Ｒｃｏｎｖ＋Ｒｒａｄｉａｔｏｒ（１）

式中，Ｒｓｙｓ為系統(tǒng)熱阻；ＲＴＩＭ為熱源處接觸熱阻；Ｒｃｏｎｖ為小冷板內(nèi)對(duì)流熱阻；Ｒｒａｄｉａｔｏｒ為遠(yuǎn)端散熱器熱阻。對(duì)于高功率電力設(shè)備水冷系統(tǒng)而言，遠(yuǎn)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(duì)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(shù)；ｔ為熱界面材料厚度；Ｋ為熱界面材料熱導(dǎo)率；Ｓ為接觸面積。液態(tài)金屬熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)導(dǎo)熱膏，因此涂覆液態(tài)金屬后接觸熱阻能顯著降低。同時(shí)，液態(tài)金屬耐高溫，長(zhǎng)期使用無有機(jī)物揮發(fā)，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)導(dǎo)熱膏發(fā)干失效的問題，更加穩(wěn)定可靠。

對(duì)流熱阻可以定義為：

Ｒｃｏｎｖ＝１／（ｈＡ）（３）

式中，ｈ為對(duì)流換熱系數(shù)，Ａ為小冷板內(nèi)對(duì)流換熱面積。對(duì)于高功率密度電力設(shè)備而言，換熱面積受到器件幾何結(jié)構(gòu)的限制很難增加，因此提高工質(zhì)對(duì)流換熱系數(shù)是最直接有效的辦法。傳統(tǒng)主流方法包括微通道和噴射冷卻，其都可以獲得較高的對(duì)流換熱系數(shù)，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于解決高壓、堵塞等安全性問題。而液態(tài)金屬具有天然的高熱導(dǎo)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(tài)金屬沸點(diǎn)高，無毒，不易揮發(fā)泄漏，可回收重復(fù)利用，因此非常適合作為大功率密度電力設(shè)備冷卻系統(tǒng)的工作介質(zhì)。

遠(yuǎn)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(fēng)量。即遠(yuǎn)端散熱器熱阻主要是翅片散熱面積和風(fēng)量的函數(shù)。散熱面積越大，風(fēng)機(jī)流量越大，則遠(yuǎn)端散熱器熱阻越小。

從上述分析可以看出，液態(tài)金屬技術(shù)可以有效解決高熱流密度電力設(shè)備散熱瓶頸，其核心優(yōu)勢(shì)就在于其超高的對(duì)流換熱能力和界面熱傳導(dǎo)能力。

５結(jié)論

本文建立了基于液態(tài)金屬的高熱流密度電力設(shè)備冷卻實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在該平臺(tái)上可實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬和水等冷卻介質(zhì)在高熱流密度工況條件下的對(duì)流換熱系數(shù)和熱導(dǎo)率的高精度測(cè)量。通過液態(tài)金屬和水的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，以液態(tài)金屬替代水作為冷卻介質(zhì)，系統(tǒng)熱阻可由００３３Ｋ／Ｗ降低至００１９Ｋ／Ｗ；若進(jìn)一步以液態(tài)金屬替代傳統(tǒng)導(dǎo)熱膏作為界面材料，則散熱系統(tǒng)熱阻可降低至００１４Ｋ／Ｗ。相比于水介質(zhì)，液態(tài)金屬具有優(yōu)異的對(duì)流換熱能力和導(dǎo)熱能力。當(dāng)然，液態(tài)金屬應(yīng)用于電力領(lǐng)域不僅需考慮熱物理性能，還要考慮其導(dǎo)電性、腐蝕性和安全性。對(duì)于既需導(dǎo)電又需冷卻的應(yīng)用對(duì)象，液態(tài)金屬非常契合；對(duì)于有絕緣要求的應(yīng)用對(duì)象，在使用前必須進(jìn)行有效絕緣或隔離的專門化設(shè)計(jì)。液態(tài)金屬未來可在高熱流密度電力設(shè)備冷卻技術(shù)中推廣應(yīng)用。

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