基于液态金属的高热流密度电力设备冷却实验研究

热设计 2020-12-12

１引言

随着电力工业的发展，大功率电力设备的热管理已成为影响电力设备集约紧凑性的关键难题之一。目前典型的大功率电力设备（如高端换流阀和ＩＧＢＴ器件），其热流密度正逐渐突破百瓦／平方厘米，对散热系统性能要求十分苛刻^{［１，２］} 。作为目前主流的散热技术，水冷在向更高热流密度迈进时面临诸多困难。主要原因在于：一方面，水的热导率低，虽然纳米流体等技术能对此进行一定的改善，但在高热流密度时仍需要小孔喷射或微通道来提升换热能力，系统结构复杂，对驱动泵要求高；另一方面，水沸点低，在高热流时容易发生沸腾相变，带来严重的系统稳定性问题^{［３⁃５］} 。因此，随着电力设备集成度的持续提高，市场迫切需要更高端散热技术的出现。

液态金属作为近些年新兴的高端散热技术，学术界对其进行了系列探索，但液态金属散热在电力领域的应用目前尚未有涉及［６，７］。Ａ．Ｍｉｎｅｒ等开展了液态金属冷却高功率密度芯片的研究，其结果表明液态金属可达到１０Ｗ／（ｃｍ２·Ｋ）的对流换热效率，能解决热流密度大于１００Ｗ／ｃｍ２的散热难题，其实现的微型电磁泵可达到８ｋＰａ的最高压头［８］。Ｕ.Ｇｈｏｓｈａｌ等在此基础上研究了具有更高性能的液态金属散热系统，其实验中功率密度达到突破常规的２００Ｗ／ｃｍ２，对流换热系数可达到２０Ｗ／（ｃｍ２·Ｋ）［９］。Ｈ．Ｓ．Ｐａｒｋ等采用二氧化硅包覆的方法将铁磁颗粒分散到液态金属镓中，首次实现了液态金属磁功能性流体。运用此功能流体，液态金属可直接采用非接触式磁驱动、零噪音、无运动部件，更加安全可靠［１０］。此外，材料相容性方面，Ｐ．Ｒ．Ｌｕｅｂｂｅｒｓ和Ｏ．Ｋ．Ｃｈｏｐｒａ对液态金属对各种结构材料的腐蚀情况进行了研究，并指出铁、镍、铬与金属镓反应快，而Ｎｂ⁃５Ｍｏ⁃１Ｚｒ对镓基合金有较好的抗腐蚀性［１１］。Ｋ．Ａ．Ｎａｒｈ等研究了液态金属对Ｐ⁃Ｖ⁃Ｔ压力容器材料的腐蚀状况，并得出液态金属对３１６Ｌ不锈钢有轻微腐蚀，而对典型的四种热塑料没有影响［１２］。

总体而言，目前电力设备冷却领域关注的重点在于三方面：①更高性能的冷却方式；②系统节能降耗；③如何使系统运行更加稳定可靠^{［１３⁃１６］} 。针对上述需求，液态金属散热技术具有天然的优势。首先，液态金属热导率远高于水，因此散热性能更优；其次，液态金属可采用无运动部件的电磁泵驱动，零噪音，能耗远低于水泵；最后，液态金属沸点高，表面张力大，饱和蒸汽压低，相对水冷更不易出现沸腾、泄漏和蒸发的问题，更加安全稳定^{［１７⁃２０］} 。基于上述优点，本文建立了基于液态金属的高热流密度电力设备冷却实验平台。在该平台上，液态金属不仅作为流动传热介质在冷板内对流换热，还在热源处作为热界面材料强化传热能力。综合这两方面的优势，液态金属散热系统在相同工况条件下可获得远超传统水冷的散热性能。

２实验材料和平台

目前，典型的液态金属材料是常温下呈现液态的低熔点镓基合金，其具有优异的导热／导电性，而且性质稳定、不易挥发、安全无毒。本实验中，采用Ｇａ６１Ｉｎ２５Ｓｎ１３Ｚｎ１合金作为液态金属冷却介质（质量分数Ｇａ６１％，Ｉｎ２５％，Ｓｎ１３％，Ｚｎ１％），其实际测试的热物理性能参数如表１所示。其中热导率采用ＳｅｔａｒａｍＭａｔｈｉｓＴＣｉ热分析仪测试，熔点采用ＮＥＴＺＳＣＨＤＳＣ扫描量热仪测试。实验发现，镓基合金呈现明显的过冷度，过冷度大小与液体体积、杂质情况相关，本实验中可达到５～１０℃ ，因此当环境温度低于０℃ 时合金仍然可呈现液体状态，显著的过冷度也是液态金属散热系统在低温下稳定运行的有力保证。从现有对镓铟锡和镓铟锡锌合金的研究来看，尚未发现镓基合金对人体造成毒性伤害的案例。在实验室操作过程中，通过适当的口罩和手套防护，镓铟锡和镓铟锡锌合金对人体并没有明显危险性［６，２１］。在电力工程应用时，可通过适当的封装处理避免液态金属泄漏至外界环境。镓对铝质材料有较强的腐蚀性，但对大部分不锈钢和铜合金没有腐蚀性，相容性良好［２２］。此外，常规的塑料、陶瓷等材料均不与镓发生腐蚀反应［１２］。因此，在电力工程应用时，选择与其相容的结构材料，便可以保证液态金属冷却系统的安全性、可靠性和使用寿命。

本实验中，基于液态金属的电力设备冷却实验平台如图１所示。该平台由电源、功率计、温度采集系统、热源、小冷板、蠕动泵、储液箱、大冷板、远端散热器及保温材料组成。系统运行时，蠕动泵驱动环路中液态金属流动，在小冷板端通过强烈的对流换热将热源热量带走，最后在大冷板／远端散热器端通过风扇强制对流释放热量。通过温度采集模块采集小冷板温度、液态金属进出口温度以及发热功率等参数，可量化评估液态金属在小冷板处的对流换热能力。为提高液态金属散热系统的散热性能，在小冷板和热源间涂覆了一层液态金属以降低两者间接触热阻。液态金属的热导率远高于传统硅油基热界面材料，应用于热源和小冷板接触面时能显著提升界面热量传递效率，降低热源温度。

实验平台中，高热流密度电力设备热源以方形电加热块模拟，加热功率１０００Ｗ，散热面积１０ｃｍ × １０ｃｍ，非散热面以保温材料包裹以减少漏热损失。小冷板采用Ｔ２铜材质以降低导热热阻，其与热源的结合面涂抹液态金属材料以提升接触面传热性能，小冷板内换热面积２４０ｃｍ２。远端散热器采用翅片风冷结构，散热面积２６ｍ２，并配以１２Ｖ低功率风扇强化空气对流。为方便与水介质的结果对比，冷却介质均采用蠕动泵驱动以实现恒流量运行，蠕动泵最大流量１０Ｌ／ｍｉｎ。系统中共设置五处测温点，分别为小冷板进口、小冷板出口、热源表面、小冷板底板及环境温度。温度采集系统为Ａｇｉｌｅｎｔ３４９７２Ａ，测温传感器为Ｔ型热电偶。

３实验结果

液态金属冷却相对水冷的优势主要为：①液态金属流动传热具有比水系统更高的对流换热能力，能显著降低冷板内对流热阻；②液态金属热界面材料具有比传统导热膏更高的热导率，能极大降低界面接触热阻。本文针对这两个方面分别开展了实验测试。

３-１液态金属和水对流换热性能实验

图２为系统运行时，分别以液态金属和水作为冷却介质时热源表面温度随时间的变化关系。其中，热源加热功率为１０００Ｗ，液态金属和水流量均为６Ｌ／ｍｉｎ，环境温度为２５℃ 。为准确考核液态金属对流相对水系统的优势，本实验中液态金属和水系统具有相同的结构和运行工况，同时小冷板和热源间涂抹相同的传统导热膏材料。此时，液态金属系统和水系统的性能差距主要取决于两种工质的对流换热能力。

从图２中可以看出，在相同的热负荷和工作介质流量情况下，水系统达到热平衡时热源温度为５８℃ ，而液态金属系统中热源温度为４４℃ ，液态金属系统降温优势明显。根据系统热阻定义，可计算出在１０００Ｗ发热量，环境温度２５℃ 情况下，水系统的系统热阻为００３３Ｋ／Ｗ，而液态金属系统的系统热阻为００１９Ｋ／Ｗ。可以看出，在相同的结构和运行工况下，仅仅采用液态金属替换水作为液冷工质，系统的散热性能即可获得显著提升。进一步研究液态金属的对流换热系数可以发现，在本实验换热面积为２４０ｃｍ２情况下，液态金属对流换热系数可达到１３８００Ｗ／（ｍ２·Ｋ），而同样工况下水的对流换热系数仅为２４５０Ｗ／（ｍ２·Ｋ）。因此，液态金属超高的对流换热能力是其作为散热系统工质的关键优势。

３-２液态金属热界面材料传热性能实验

液态金属涂覆于热源与小冷板间能显著降低界面处接触热阻。针对图１的液态金属流动散热系统，图３给出了相同的结构和工况情况下，在热源和小冷板间涂覆液态金属相对传统导热膏接触热阻和系统热阻的变化情况。

从图３可以看出，针对几何结构确定的液冷系统，不改变任何结构，仅仅用液态金属替代热源与小冷板间的传统热界面材料，即可大幅度降低界面接触热阻和系统热阻。替换后，界面接触热阻由原来的０００７Ｋ／Ｗ降低至０００２Ｋ／Ｗ，同时系统热阻由原来的００１９Ｋ／Ｗ降低至００１４Ｋ／Ｗ。可以明显看出：一方面，采用液态金属作为界面材料，界面热阻得以显著降低，这主要归功于液态金属远高于传统导热膏的热导率；另一方面，在涂覆传统导热膏的液冷系统中，热源和小冷板间的接触热阻占系统总热阻的比例约１／３。因此，一旦接触热阻能够大幅度降低，则系统总热阻也能够显著降低。在部分高热流密度电力系统中，接触热阻占系统总热阻的比例甚至可以达到１／２，显著的接触热阻已成为高功率密度电力设备的传热瓶颈。传统技术受到材料和工艺的局限，而液态金属技术的出现可以高效地解决此瓶颈问题，意义显著。

４理论分析

图１液态金属冷却系统热阻主要由热源处接触热阻、小冷板内对流热阻以及远端散热器热阻组成，即

Ｒｓｙｓ＝ＲＴＩＭ＋Ｒｃｏｎｖ＋Ｒｒａｄｉａｔｏｒ（１）

式中，Ｒｓｙｓ为系统热阻；ＲＴＩＭ为热源处接触热阻；Ｒｃｏｎｖ为小冷板内对流热阻；Ｒｒａｄｉａｔｏｒ为远端散热器热阻。对于高功率电力设备水冷系统而言，远端散热器热阻可以通过增加散热器体积解决，因此瓶颈主要在于接触热阻和对流热阻。

接触热阻可定义为：

ＲＴＩＭ＝（Ｒａ＋ｔ／Ｋ＋Ｒｂ）／Ｓ（２）

式中，Ｒａ和Ｒｂ分别为热界面材料分别与上下接触界面的接触热阻系数；ｔ为热界面材料厚度；Ｋ为热界面材料热导率；Ｓ为接触面积。液态金属热导率远高于传统导热膏，因此涂覆液态金属后接触热阻能显著降低。同时，液态金属耐高温，长期使用无有机物挥发，不会出现传统导热膏发干失效的问题，更加稳定可靠。

对流热阻可以定义为：

Ｒｃｏｎｖ＝１／（ｈＡ）（３）

式中，ｈ为对流换热系数，Ａ为小冷板内对流换热面积。对于高功率密度电力设备而言，换热面积受到器件几何结构的限制很难增加，因此提高工质对流换热系数是最直接有效的办法。传统主流方法包括微通道和喷射冷却，其都可以获得较高的对流换热系数，但是系统结构复杂，难于解决高压、堵塞等安全性问题。而液态金属具有天然的高热导率特征，不需要高压大流量情况下即可有效地解决上述问题。此外，液态金属沸点高，无毒，不易挥发泄漏，可回收重复利用，因此非常适合作为大功率密度电力设备冷却系统的工作介质。

远端散热器热阻可定义为：

Ｒｒａｄｉａｔｏｒ＝ｆ（Ａｆｉｎ，Ｑａｉｒ）（４）

式中，Ａｆｉｎ为散热器翅片面积；Ｑａｉｒ为风量。即远端散热器热阻主要是翅片散热面积和风量的函数。散热面积越大，风机流量越大，则远端散热器热阻越小。

从上述分析可以看出，液态金属技术可以有效解决高热流密度电力设备散热瓶颈，其核心优势就在于其超高的对流换热能力和界面热传导能力。

５结论

本文建立了基于液态金属的高热流密度电力设备冷却实验平台，在该平台上可实现液态金属和水等冷却介质在高热流密度工况条件下的对流换热系数和热导率的高精度测量。通过液态金属和水的对比实验表明，以液态金属替代水作为冷却介质，系统热阻可由００３３Ｋ／Ｗ降低至００１９Ｋ／Ｗ；若进一步以液态金属替代传统导热膏作为界面材料，则散热系统热阻可降低至００１４Ｋ／Ｗ。相比于水介质，液态金属具有优异的对流换热能力和导热能力。当然，液态金属应用于电力领域不仅需考虑热物理性能，还要考虑其导电性、腐蚀性和安全性。对于既需导电又需冷却的应用对象，液态金属非常契合；对于有绝缘要求的应用对象，在使用前必须进行有效绝缘或隔离的专门化设计。液态金属未来可在高热流密度电力设备冷却技术中推广应用。

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