0 引言
随着武器装备科技的进步使得工件热流密度迅速攀升,热管理问题已经成为阻碍器件向更高性能发展的主要挑战之一,如何高效地散热、降温成为提升武器装备性能和寿命的关键[1-2]。传统的散热方式,如风扇和散热片结构,存在效率低、能耗大和噪音大的缺点[3]。研究结果表明:液冷散热系统的散热效率可超过传统风冷散热系统的20倍以上[4]。水冷和液态金属冷却是目前2种主要的液体冷却方法。在热流密度增大的情况下,水冷散热面临着许多困难。其中之一就是水的导热率相对较低。在热流密度较高的情况下,系统仍需使用小孔喷射或微通道来提高传热能力,这就导致了系统结构的复杂性。即使纳米流体等技术可以在某些方面提供帮助,情况也是如此。此外,水的沸点低,在高热流速率下容易发生沸腾相变[5],这对系统的稳定性构成了重大威胁。2014年,中科院理化所刘静等学者[6]将液态金属散热技术成功应用于芯片和光电器件的冷却。液态金属被用作电子器件散热的冷却液[7-8]。相较于传统金属,液态金属具有良好的流动性,相较于传统冷却液,液态金属具有更高的导热率[9-10]。液态金属利用高导热率可以制造温差,这为利用热电材料的新型发电方式(thermoelectric generator,TEG)提供了可能性,其具有无振动、无噪声、无污染、可靠性高等优点[11-13]。通过这种材料的开发给散热领域开辟了一种新的路径。李培培等[14]提出了一种基于液态金属虹吸效应的热能捕获装置可以利用温度梯度产生的虹吸流动,然后对于热能进行回收,其换热能力较差。马坤全等[15]提出热驱动液态金属芯片散热器利用电磁泵作为驱动源,需要提供大电流才能工作,期间会产生大量热能影响散热效率。目前主要对于散热的处理,都是以风冷和液冷进行散热,然而对于热量的管理系统研究较少。
目前,大功率器件散热技术的研究成果相当丰富,对于自驱动散热效率低的热管理研究较少,同时存在自冷却散热效率低。为满足大功率器件的散热需求,本工作研究优化了一种基于液态金属介质的新型自供应散热系统,该系统能够利用热电效应将工件工作过程中产生的废热转换为电能,进而通过电能驱动液态金属实现对工件散热,从而利用以热制热的方式实现更显著的散热效果。
1 实验系统
1.1 系统工作原理
在各高热工程领域中,大功率器件产生的热量已经严重影响到其性能,因此如何高效地对大功率器件散热成为一项重要的技术挑战[16]。为应对这一问题,本文中提出并设计了一种自供应散热系统,其工作原理如图1所示。该散热系统利用液态金属镓合金作为冷却剂,在系统中实现循环流动以对模拟热源进行冷却散热。本文设计的热电模块是由半导体温差发电在高温和低温之间产生电能的技术,其在微小型系统的高效率制造和能量转换效率的提升方面发挥重要作用。目前,热能发电的研究主要集中于热电模块的建模和材料方面[17]。TEG作为温差发电技术的核心部分,能够将部分废热转化为电能。然而,随着液态金属在系统中连续工作,热电转换模块的效率逐渐降低。为了提升热电转换的效率,可以增加水冷模块,通过对液态金属储存池进行降温,从而实现以热制热的效果。
图1 基于液态金属的自供应系统原理
Fig.1 Liquid metal based self-supply system flowchart
液态金属散热技术作为一种新颖的散热方式,对于解决工件散热问题具有显著的优势。与传统的水冷散热方式相比,液态金属散热技术具备更高的散热效率和更高的热导率。本文制作的镓合金掺杂了氢氧化钠溶液可以减少液态金属的氧化,增加其流动性。由于快速传导热量的特性以及其导热性能特点(表1),因此,在工件散热领域得到了广泛使用。
表1 液态镓合金物理参数
Table 1 Liquid gallium alloy physical parameters
参数值密度/(kg·m-3)6129比热容/(J·g-1·K-1)356导热系数/(W·m-1·K-1)27.6动态粘度/(Pa·s)1.97×10-3
1.2 试验数学模型
根据单个热电转换器件的电路模型和材料属性(表2),可以推导出TEG的开路电压和热与冷端温度差之间的函数关系,结合塞贝克效应电势差计算公式如下:
V=KTEG(TH-TD)
(1)
表2 温差发电材料参数
Table 2 Material parameters of thermoelectric generator sheets
参数值导热系数/(W·m-1·K-1)2.2密度/(kg·m-3)7740恒压热/(J·kg-1·K-1)154.4电导率/(S·m-1)1.1×105相对介电常数1塞贝克系数/(V·K-1)2×10-4
式(1)中:V为温差开路电压,TH为热端温度,TD为冷端温度,KTEG为塞贝克系数且KTEG在试验温度区间中不易随温度的变化而变化。各种热电变频转换单元可以按照串联、并接或者串并联相互结合的方式进行组合,从而构造出完整的热电变频转换单元模块。通过改进热电模块的拓扑连接[18],从而实现温差转化为电能增加的过程。
本系统采用的散热部分是通过固体-固体和固体-流体的传热过程。在整个系统的散热过程中,考虑三维散热其中涉及到热传导和能量守恒,假设引入工作过程的每项参数,可以推导出如下方程如式(2)—式(5):
(2)
式(2)中:α为热扩散率(m2/s),λ为热导率(W/(m·K)),C为定压比热容(J/(kg·K)), ρ为体积质量(kg/m3)。
(3)
式(3)中:T为温度(℃),t为时间(s),流体在系统中流动。
q=-hA(Tw-Tl)
(4)
式(4)中:q为热流密度(W/m2),h为传热系数(W/m2·K),A为传热面积(m2),Tw为冷却板温度(℃),Tl为镓合金温度(℃)。
能量守恒方程:
λ▽2T+ρCu·▽T-▽[hA(Tw-Tl)]=
Q+Qp+Qn+QZ
(5)
式(5)中:u为流体速度(m·s-1),Q为体积热源(J),Qp为压力功(J),Qn为流体粘性耗散(J),Qz热电模块转化为电能的热能(J)。
对于评判一个散热结构的优略,散热效率是一项关键指标,为了测试该系统结构的整体上散热速率,本文根据系统总的产热量对比各种散热途径推导出散热速率方程,如式(6)—式(7)。
散热速率:
QL=Cm(Tl-T0)
(6)
(7)
其中: QL为液态金属吸收热量(J),m为液态金属的质量(kg),T0为液态金属初始温度(℃),QH为外界自然散热
为系统散热速率(J/s)。
1.3 实验装置
为了验证该系统散热效率,搭建基于液态金属的自供能散热系统实验平台,该系统由模拟热源、驱动泵、液池、水冷模块、液态金属镓合金、液态金属吸热板、TEG单元组成。系统中,液态金属散热板内部设置有一个直径为6 mm的U型通道。驱动泵体固定位于冷却模块和温差发电模块之间,并由树脂材料制成的外壳进行固定。液池由尺寸为75 mm×80 mm×30 mm的铜材料制成。此外,该系统通过两根导线接在驱动泵的两极,为驱动泵提供电力。温差发电模块由TEG模块、液态金属吸热板和模拟热源组成。采用了恒功率加热板作为模拟源,由恒功率电源供电。尺寸为120 mm×120 mm×1.5 mm的铜板为温差发电片的热面提供热量。液态金属吸热板由铜材料制成,内部设有一个直径为6 mm的液态金属通道。液态金属吸热板的尺寸为120 mm×120 mm×12 mm。TEG模块位于液态金属吸热板和模拟热源之间,由四片型号TGM-336-1.4-1.5温差发电片串联组成,通过示波器观察和测量热电模块的电能变化。所有接触面均涂有导热硅脂。本文搭建的实验平台如图2所示,其中选用液态金属镓合金作为冷却液,其中含有 20%的氢氧化钠溶液,可以提高其的流动性并且防止其氧化。
图2 实验平台搭建
Fig.2 Schematic diagram of experimental platform construction
1.4 实验过程
为了提高评估系统的散热性能的准确度,分记录自驱动系统各个工件参数,如图3所示。
图3 自驱动散热系统评估流程
Fig.3 Flowchart for the evaluation of the self-driven heat dissipation system
对于模拟热源与散热板之间的温差实时监测并对温差进行记录,测量出不同温差下的热电模块的发电量便于评估热能转换电能的效率。通过热电模块为驱动泵供能,实时测量冷却板出口速度和温度,根据出口速度温度、液池温度和模拟热源温度的变化,可以清晰观察系统的散热效果。
2 结果与讨论
2.1 系统仿真分析
为了减小与实验装置的误差,本文根据自驱动散热系统原理,在COMSOL软件中构建了三维模型,模型参数的设定与实验装置的尺寸大小相匹配。在模型中,液态金属镓合金作为冷却流体,初始温度设为20 ℃,模拟热源设置了不同的温度和入口速度,入口速度根据试验测得,散热板材料选用铜质,且其中管道与试验管道一致呈M分布。图4为增加研究的精确度对自驱动模型进行细化网格化划分示意图。
1 散热板;2出口管道;3液池;4入口管道;5模拟热源;6热电模块
图4 自驱动散热模型网格划分
Fig.4 Self-driven heat dissipation model meshing
根据系统研究中研究模块的精度需求,其中对于冷却流体增加了网格的数量,提高了计算精度。根据网格的数量划分了5种不同的网格并进行了网格划分无关性验证,计算结果如图5所示。由图4可见,散热板和液池的温度发生细微变化,当网格数量到达170 000左右时,二者温度趋于不变。考虑对于研究数据的精确度,本文采用300 000个网格进行仿真计算。
图5 网格划分无关性验证
Fig.5 Verification of mesh division irrelevance
对相同持续热源温度为100 ℃和时间下,不同速度下液态金属在散热板和液池中的温度分布进行了分析。进入散热板的液态金属温度保持在20 ℃,而随着流速的不同,液态金属在散热板中的温度如图6所示。当流速为0 m/s时,液态金属在散热板的瞬间就已经达到了散热板温度,液池温度变化缓慢,散热效果呈现不明显。此流速会显著减小温差发电模块冷端和热端的温差,从而导致热电转换效率降低,散热效率也随之下降。相反地,在相同时间和温度下,当入口速度达到0.15 m/s时,液池温度达到最高点,随着流速的增加液池温度开始逐渐降低,表明液态金属冷却液的流速增加导致吸收热量小于系统自冷却散热效率,此外液态金属的低比热容也散热中起到关键作用。流速增加使得散热效果得到了显著的提升。由此可以得到,自供应散热系统能够解决大功率发热器件散热这种问题。随着温差的变化,发电功率时刻向驱动泵提供能量,从而形成了一个良性循环。
图6 不同速度液态金属在散热板中温度变化
Fig.6 Temperature changes of liquid metal at different speeds in the heat dissipation plate
分析相同时间不同温差下,液态金属温度的变化情况。当温差增大时,温差发电片的发电效率增大,对应着驱动泵的动力增强导致换热效率提高。模拟设置热源的热耗率为10 W,加热时间为55 min,结果如图7所示,在自然空气散热情况下,散热板的最高温度为80.7 ℃。在使用自供应散热时热源的温度大幅度下降,当温差为30 ℃,系统进入工作状态,此时的液态金属流速为0.03 m/s,随着热源温度持续升高,热电模块转化效率变高,可以使驱动泵输出最大流速为0.2 m/s,此时的散热板温度最高为27.6 ℃。随着流速的增加液池温度开始逐渐降低,其原因时流速的增加会导致液态金属流动过程中附近的空气对流加速,系统散热速率大于模拟热源产生的热能,此外液态金属的低比热容也散热中起到关键作用。
图7 各种流速情况散热板的温度变化
Fig.7 Temperature variations of the heat sink under natural and self actuation
2.2 实验分析
基于液态金属的自供应散热系统利用工件本身的废热产生的能量,并通过热电转换模块实现热电转换,同时具备散热效果。温差发电模块在室温为20 ℃的条件下,冷端初始温度为20 ℃时,在不同的热端温度下形成的温差可以转化为不同的转换效率,本实验热电转换模块测得数据是由串联四片温差发电组的方式测得,根据实验数据进行分析发现,当温差由30 ℃上升至90 ℃时,电压和电功率整体稳步上升,如图8所示。在30～ 90 ℃温差变化范围内,热电转换设备的开路电压值由1.64 V 增大至6.91 V,电功率值由0.12 W 增大至1.22 W,随着温差范围的变化,输出的开路电压热电转换设备的发电效率将有大幅提升。
图8 不同温差下热电转换参数变化
Fig.8 Changes in thermoelectric conversion parameters under different temperature differences
由图9结果可知:当温差大于30 ℃时,驱动泵开始工作并驱动液态金属在系统中循环。温差越大,流动速度也会增加。在出口流速随温差变化过程中,本文抽取7个样本点,并通过曲线拟合来准确预测数据。为了提高拟合数据的准确性,本文选择线性拟合。根据文献[19]所述,根据计算模型的符合管系数R2来判断模型是否合格。如果得到的R2小于0.9,表示该模型不合格;如果R2大于0.9,则表示该模型合格。由图9可知,该模型满足要求。
图9 不同温差下出口流速
Fig.9 Outlet flow velocity under different temperature differences
在液池中,液态金属的初始温度为20 ℃。根据图10的结果可知,相同的温差下,随着时间的推移,液池中的液态金属温度也在逐渐上升。当未引入自驱动系统时,驱动泵处于静止状态,器件散热过程主要是空气散热和冷却液热传递,其传递方式依靠静止状态下的液态金属热导率。当自驱动系统启动时,在温差处于30 ℃以下时,液池的温度变化程度很小,其原因是驱动镓合金溶液的泵动力不足,其传热效率较低。随着温差增加30 ℃以上,液池温度变化也越来越大。这是因为随着温差的增大,热电模块的发电功率提升,可以驱动镓合金溶液的流速增大,从而提高了换热效率。
图10 不同温差下液池温度随时间变化
Fig.10 Temperature variation of liquid pool with time under different temperature differences
通过表3可以看出,在相同的热源温度下,随着液态金属在散热板中的流速增加,液态金属散热板出口的温度会下降。因此可以说明通过增加流速可以使温差发电片的冷端和热端形成更大的温差,这将提高液态金属的换热效率,从而提升发电功率。
表3 不同速度散热板出口温度
Table 3 Outlet temperature of heat dissipation plates at different speeds
流速/(m·s-1)实验值/℃仿真值/℃0.0133.0534.660.0226.6527.480.0324.1425.010.0422.0023.770.0521.5523.020.121.4121.510.220.6820.760.320.4320.510.420.3420.380.520.2920.31
由图11可见,当模拟热源加热60 min时,在无外界供能情况下,热源表面平均温度最高可以到82.76 ℃,会严重影响电子器件的性能。通过引入自供应散热系统,热源温度会由高逐渐降低在27 min时,热源温度到达49.57 ℃,系统进入工作状态,热源和散热板在热电转化模块两端形成热端和冷端,形成温差产生电能,为驱动泵供能迫使液态金属流动进行散热。因为液态金属具有高导热率和低比热容可以进行热源的快速散热,温度最低可以降至36.24 ℃。
图11 热源表面平均温度变化
Fig.11 Variation of average surface temperature of heat source
3 结论
针对大功率电子器件散热问题,本文提出并设计了一种新型的热能回收自供应散热系统。该系统通过引入热电转换模块,利用发热电子器件产生温差,通过其产生的废热来驱动系统本身来散热,实现了显著的以热制热的效果。
1) 液态金属导热系数高,能够提高散热效率并且形成更大的温差,这样新型的散热系统能够有效利用热能转化为电能,为其散热供能,在具有节能环保的特点。
2) 该系统可以在无外界供能的情况下实现自驱动散热,可以根据器件的温度变化实现散热效率的控制,可以更加精确的进行器件的散热,提高电子器件的性能。
3) 在无外界供能情况下,大功率器件在自然空气对流情况下,温度最高达到82.76 ℃,在使用自驱动散热系统后,模拟器件最低温度可以降到36.24 ℃,对于提升大功率器件效率有着重要影响。
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