研究亮点
本文开发了一种基于高性能感应电磁泵作为驱动源的液态金属小通道冷却技术，用于高热通量电子器件热管理。研究发现：
1）旋转永磁体驱动的高性能感应电磁泵最大可以产生160 kPa压头和3.24 L/min流量，为液态金属小通道散热器提供了足够的驱动力；
2）在热源温升保持在50°C以下的条件下，液态金属冷却系统可以实现高达242 W/cm2的散热需求，并且通过提升电磁泵转速的方式可以显著提高热管理系统的冷却性能；
3）接触热阻是影响高热流密度热管理散热能力的重要因素。与传统导热硅脂相比，液态金属热界面材料可以降低接触热阻（约18.4%）。
中文摘要
本文开发了一种用于冷却高热流密度电子设备的液态金属小通道散热方法。设计了一种由旋转永磁体驱动的高性能感应电磁泵，压头为160 kPa，流量为3.24 L/min，可以满足液态金属小通道散热需求。
为了研究其泵送能力和冷却性能，建立了基于液态金属小通道热管理的实验测试系统。结果表明，在热源温升保持在50°C以下的条件下，液态金属冷却系统可以实现高达242 W/cm2散热需求。通过提高永磁体转速可以显著提升热管理系统的冷却性能。此外，接触热阻对散热能力起着至关重要的作用。引入液态金属热界面材料可降低接触热阻（约18.4%）。
这项工作为大热功率和高热通量的电气设备热管理提供了可行的冷却策略。
研究背景及意义
随着电子设备向高功率密度和小型化方向迅速发展，废热作为不可避免的副产物对电子设备产生重大影响，甚至导致电子器件故障和退化。在有限空间内为大功率器件开发一种有效的热管理方法是一项重大挑战。
基于微/小通道冷却技术被认为是一种很有前途的高热流密度电子器件热管理技术，这主要得益于其优异的换热系数和较大的对流换热面积。然而，传统冷却剂固有的热物理性质严重限制了微/小通道散热器的冷却性能。
近年来，具有卓越热导率、高沸点和低粘度的室温镓基液态金属被认为是一种优异的热管理冷却工质。高电导率的液态金属还可以通过电磁技术驱动。但是，由于直流电磁泵（DC-EMP）在大电流的条件下存在电流扩散效应以及液态金属与电极之间的电化学反应，这将极大限制基于液态金属的微/小通道冷却系统的散热能力。与DC-EMP相比，带有旋转永磁体的感应电磁泵（PM-EMP）可以提供较高的驱动能力。
本文开发了一种基于高性能PM-EMP的液态金属小通道散热技术，用于高热流密度电子器件的热管理。此外，还对液态金属小通道散热系统的传热和驱动性能进行了详细研究。通过本研究，可为大热功率和高热通量的电气设备热管理系统提供可行的冷却策略。
研究内容及主要结论
基于高性能感应电磁泵（PM-EMP），开发了一种用于高热流密度热管理的小通道散热技术。采用泵体与支撑结构轭铁一体化设计，研制出一种高性能PM-EMP。通过原理实验，验证了PM-EMP的驱动性能。该泵在400 r/min时，最大可以提供160 kPa的压头和3.24 L/min的流量，这意味着PM-EMP完全能够充分驱动小通道散热器中的液态金属。研究还发现，增大转速可以显著提高PM-EMP驱动性能。此外，值得注意的是，压头随流量平稳下降，使PM-EMP运行更加平稳。
为了研究传热和流体动力学特性，建立了液态金属小通道热管理的实验测试系统。结果表明，当热源温升（ΔTh）低于50 °C时，冷却系统可实现242 W/cm2的散热需求。值得注意的是，提高转速n（特别是在n从100 r/min变化到200 r/min时）可以显著提升液态金属小通道散热能力。接触热阻是影响高热流密度热管理散热能力的重要因素。与传统导热硅脂相比，导热优良的液态金属热界面材料能更有效地降低接触热阻（约18.4%），这将显著降低热源的温升（当n = 100 r/min, q = 165 W/cm2时，ΔTh 降低了7.4 °C）。因此，以高性能感应电磁泵为驱动源的液态金属小通道冷却技术在大热功率及高热流密度电子器件的热管理方面具有广阔的应用前景。
原文信息
High heat flux thermal management through liquid metal driven with electromagnetic induction pump
Chuanke LIU, Zhizhu HE
作者单位：
Department of Vehicle Engineering, College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China
Abstract：
In this paper, a novel liquid metal-based minichannel heat dissipation method was developed for cooling electric devices with high heat flux. A high-performance electromagnetic induction pump driven by rotating permanent magnets is designed to achieve a pressure head of 160 kPa and a flow rate of 3.24 L/min, which could enable the liquid metal to remove the waste heat quickly. The liquid metal-based minichannel thermal management system was established and tested experimentally to investigate the pumping capacity and cooling performance. The results show that the liquid metal cooling system can dissipate heat flux up to 242 W/cm2 with keeping the temperature rise of the heat source below 50 °C. It could remarkably enhance the cooling performance by increasing the rotating speed of permanent magnets. Moreover, thermal contact resistance has a critical importance for the heat dissipation capacity. The liquid metal thermal grease is introduced to efficiently reduce the thermal contact resistance (a decrease of about 7.77 × 10−3 °C/W). This paper provides a powerful cooling strategy for thermal management of electric devices with large heat power and high heat flux.
Keywords:
high heat flux, liquid metal, electromagnetic pump, minichannel heat sink, thermal interface material
Cite this article
Chuanke LIU, Zhizhu HE. High heat flux thermal management through liquid metal driven with electromagnetic induction pump. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-022-0825-9
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