Page 50 - 电力与能源2024年第一期

44 王德辉，等：应用液态金属的电力电子器件散热器设计

［3］
却流动工质的计算机芯片散热方法 。这一新理 的仿真模型。通过对相同条件下传统水冷冷板与
念在芯片热管理领域引起了关注。刘静等还在基 采用液态金属技术的冷却系统分别进行仿真分析，
液中添加纳米颗粒，形成纳米金属流体，以提高导 选出散热系统的最优方案，为提高系统散热性能提
热效率 。谢开旺等则提出并实现了采用蠕动泵 供参考。
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或电磁泵等驱动的室温金属流体散热循环冷却系 系统的仿真分为两部分：使用原有冷板结构，

［5］
统，并将其应用于高性能计算机芯片的冷却 。 配合不同冷却工质（水、液态金属）、不同冷板材料
在国外的相关研究中，尚未有在换流阀或其他电 （铜、铝）的仿真分析（结构 1），如图 1（a）所示，对比
力电子系统上应用液态金属散热器的报道，但对 分析不同的冷却工质和冷板材料对散热系统散热
其他民用液态金属材料和散热器应用上已经开展 性能的影响；使用液态金属冷却系统，配合优化的
了一些研究。德国 Coolaboratory Inc. 公司，开发 冷板结构的仿真分析（结构 2），如图 1（b）所示，与

了熔点为 10 ℃的液态金属导热膏和熔点为 58 ℃ 传统水冷进行对比，证明液态金属冷却系统散热
的液态金属导热片，显示出比传统硅脂材料更为 性能的优越性。
优越的导热性能。2005 年，美国的 Nanocooler 公
司开发了一款基于镓基液态金属的循环散热器，
声称其散热效率达到 100 W·cm ，传热效率达到
－2
－1
－2
了 20 W·K ·cm 。2008 年，知名显卡生产厂商
Sapphire 公司在电子产品展会上展示了一款采用
液态金属散热的图像显示卡，充分证实了此项技
术的现实可行性和实用价值 。以色列理工大学
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为其电子加速器制造了一台镓铟基液态金属（熔
点 15 ℃）散热器 。美国伊利诺伊大学的研究人
［7］
员在微流芯片上实现了一种新型的镓基液态金属

微 流 散 热 器 ，将 液 态 金 属 散 热 推 广 到 了 微 米
［8］
级别 。
液态金属散热器应用于电力电子器件时，由
于液态金属的流体物理性质较为特殊，其结构比
较复杂。因此，如何构建准确的理论模型，选择合
适的物理参数进行散热器系统的理论模拟，是成
功实践液态金属散热器的难点，需要对诸如散热

器的材质、入口和出口的位置、壁面等条件进行合
理的选择。本文针对现有的传统水冷散热系统模
图 1 散热系统的仿真模型
型，利用数值模拟分析技术，替换两者的散热工质
分别为去离子水和液态金属，对比分析其散热效 在图 1 中，结构 1 中的系统模型由发热元件、
果，从而给出散热系统的最优方案。通过对比分 液冷冷板和冷却剂组成；结构 2 的系统模型由发

析发现，液态金属冷却系统的散热性能要远远好 热元件、液冷冷板、液态金属循环系统和换热器组
于传统水冷系统。 成。液态金属在经过换热器被冷却后，通过电磁
泵送入冷板（中间埋有管道的金属块），发热元件
1 散热系统计算模型
安装在冷板上，发出的热量被流动的液态金属带
本文构建一种适用于电力电子器件散热系统 走。被加热的液态金属再次进入换热器，通过管