基于液态金属的高热流密度电力设备冷却尝试研究 一、 引言 跟着电力工业的成长,大功率电力设备的热办理已成为影响电力设备集约紧凑性的关键难题之一。今朝典型的大功率电力设备( 如高端换流阀和IGBT 器件), 其热流密度正逐渐冲破百瓦/ 平方厘米,对散热系统机能要求十分苛刻[1,2]。作为今朝主流的散热技能,水冷在向更高热流密度迈进时面对诸多坚苦。主要原因在于: 一方面, 水的热导率低,虽然纳米流体等技能能对此举行必然的改善,但在高热流密度时仍需要小孔喷射或微通道来晋升换热能力,系统布局庞大,对驱动泵要求高;另一方面, 水沸点低,在高热流时容易产生沸腾相变,带来严重的系统不变性问题[3⁃5]。

因此, 跟着电力设备集成度的连续提高,市场火急需要更高端散热技能的呈现。液态金属作为近些年新兴的高端散热技能,学术界对其举行了系列摸索,但液态金属散热在电力范畴的应用今朝尚未有涉及[6,7]。

A.Miner 等开展了液态金属冷却高功率密度芯片的研究,其成果表白液态金属可到达 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到达 8kPa 的最高压头[8]。U.Ghoshal 等在此基础上研究了具有更高机能的液态金属散热系统,其尝试中功率密度到达冲破通例的200W /cm2 ,对流换热系数可到达 20W /( cm2·K)[9]。

H.S.Park 等接纳二氧化硅包覆的方法将铁磁颗粒分离到液态金属镓中,首次实现了液态金属磁功效性流体。运用此功效流体,液态金属可直接接纳非打仗式磁驱动、零噪音、无运动部件, 越发宁静靠得住[10]。别的,质料相容性方面, P.R.Luebbers和 O.K.Chopra对液态金属对各类布局质料的腐化环境举行了研究,并指出铁、镍、铬与金属镓反映快,而Nb⁃5Mo⁃1Zr 对镓基合金有较好的抗腐化性[11]。

K. A.Narh等研究了液态金属对 P⁃V⁃T 压力容器质料的腐化状况,并得出液态金属对316L 不锈钢有轻微腐化,而对典型的四种热塑料没有影响[12]。总体而言,今朝电力设备冷却范畴存眷的重点在于三方面:①更高机能的冷却方式;②系统节能降耗;③如何使系统运行越发不变靠得住[13⁃16]。

针对上述需求,液态金属散热技能具有天然的优势。首先, 液态金属热导率远高于水, 因此散热机能更优; 其次,液态金属可接纳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,外貌张力大,饱和蒸汽压低,相对水冷更不易呈现沸腾、泄漏和蒸发的问题,越发宁静不变[17⁃20]。

基于上述长处,本文成立了基于液态金属的高热流密度电力设备冷却尝试平台。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质料强化传热能力。综合这两方面的优势, 液态金属散热系统在沟通工况条件下可得到远超传统水冷的散热机能。二、尝试质料和平台 今朝,典型的液态金属质料是常温下出现液态的低熔点镓基合金,其具有优异的导热/ 导电性,并且性质不变、不易挥发、宁静无毒。

本尝试中,接纳Ga61 In25 Sn13 Zn1 合金作为液态金属冷却介质( 质量分数 Ga 61% , In 25% , Sn 13% , Zn 1% ),其实际测试的热物理机能参数如表 1 所示。个中热导率接纳 Setaram Mathis TCi 热阐发仪测试, 熔点接纳NETZSCH DSC 扫描量热仪测试。尝试发明,镓基合金出现明明的过冷度,过冷度巨细与液体体积、杂质环境相关,本尝试中可到达 5 ~ 10℃ ,因此当情况温度低于 0℃ 时合金仍然可出现液体状态,显著的过冷度也是液态金属散热系统在低温下不变运行的有力包管。

从现有对镓铟锡和镓铟锡锌合金的研究来看,尚未发明镓基合金对人体造成毒性伤害的案例。在尝试室操作历程中,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明危险性[6, 21]。在电力工程应用时,可通过适当的封装处置惩罚制止液态金属泄漏至外界情况。镓对铝质质料有较强的腐化性,但对大部门不锈钢和铜合金没有腐化性,相容性杰出[22]。

别的,通例的塑料、陶瓷等质料均不与镓产生腐化反映[12]。因此,在电力工程应用时,选择与其相容的布局质料,便可以包管液态金属冷却系统的宁静性、靠得住性和使用寿命。展开全文 本尝试中,基于液态金属的电力设备冷却尝试平台如图 1 所示。

该平台由电源、功率计、温度收罗系统、热源、小冷板、蠕动泵、储液箱、大冷板、远端散热器及保温质料构成。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/ 远端散热器端通过电扇强制对流释放热量。通过温度收罗模块收罗小冷板温度、液态金属进出口温度以及发烧功率等参数,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机能,在小冷板和热源间涂覆了一层液态金属以降低两者间打仗热阻。液态金属的热导率远高于传统硅油基热界面质料,应用于热源和小冷板打仗面时能显著晋升界面热量通报效率,降低热源温度。尝试平台中,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,非散热面以保温质料包裹以减少漏热损失。

小冷板接纳 T2 铜材质以降低导热热阻, 其与热源的联合面涂抹液态金属质料以晋升打仗面传热机能,小冷板内换热面积 240cm2。远端散热器接纳翅片风冷布局,散热面积 2 6m2 ,并配以 12V 低功率电扇强化空气对流。为利便与水介质的成果对比,冷却介质均接纳蠕动泵驱动以实现恒流量运行,蠕动泵最大流量 10L / min。

系统中共配置五处测温点, 别离为小冷板入口、小冷板出口、热源外貌、小冷板底板及情况温度。温度收罗系统为Agilent 34972A, 测温传感器为 T 型热电偶。

三、尝试成果 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液态金属热界面质料具有比传统导热膏更高的热导率,能极大降低界面打仗热阻。本文针对这两个方面别离开展了尝试测试。3-1 液态金属和水对流换热机能尝试 图 2 为系统运行时,别离以液态金属和水作为冷却介质时热源外貌温度随时间的变化关系。个中,热源加热功率为 1000W, 液态金属和水流量均为 6L / min,情况温度为 25℃。

为精确查核液态金属对流相对水系统的优势,本尝试中液态金属和水系统具有沟通的布局和运行工况,同时小冷板和热源间涂抹沟通的传统导热膏质料。此时,液态金属系统和水系统的机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,在沟通的热负荷和事情介质流量环境下, 水系统到达热均衡时热源温度为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明。按照系统热阻界说,可计较出在 1000W 发烧量,情况温度 25℃ 环境下,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,在沟通的布局和运行工况下,仅仅接纳液态金属替换水作为液冷工质, 系统的散热机能即可得到显著晋升。进一步研究液态金属的对流换热系数可以发明,在本尝试换热面积为 240cm2 环境下,液态金属对流换热系数可到达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 液态金属热界面质料传热机能尝试 液态金属涂覆于热源与小冷板间能显著降低界面处打仗热阻。

针对图 1 的液态金属流动散热系统,图 3 给出了沟通的布局和工况环境下,在热源和小冷板间涂覆液态金属相对传统导热膏打仗热阻和系统热阻的变化环境。从图 3 可以看出,针对几何布局确定的液冷系统,不改变任何布局,仅仅用液态金属替代热源与小冷板间的传统热界面质料,即可大幅度降低界面打仗热阻和系统热阻。替换后,界面打仗热阻由本来的 0007K / W 降低至 0002K / W, 同时系统热阻由本来的 0019K / W 降低至 0014K / W。

可以明明看出:一方面,接纳液态金属作为界面质料,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,热源和小冷板间的打仗热阻占系统总热阻的比例约 1 / 3。因此,一旦打仗热阻可以或许大幅度降低,则系统总热阻也可以或许显著降低。

在部门高热流密度电力系统中,打仗热阻占系统总热阻的比例甚至可以到达 1 / 2,显著的打仗热阻已成为高功率密度电力设备的传热瓶颈。传统技能受到质料和工艺的局限,而液态金属技能的呈现可以高效地解决此瓶颈问题,意义显著。

四、 理论阐发 图 1 液态金属冷却系统热阻主要由热源处打仗热阻、小冷板内对流热阻以及远端散热器热阻构成, 即 Rsys = RTIM + Rconv + Rradiator (1) 式中,Rsys 为系统热阻;RTIM 为热源处打仗热阻;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,因此瓶颈主要在于打仗热阻和对流热阻。打仗热阻可界说为: RTIM = ( Ra + t / K + Rb ) / S (2) 式中,Ra 和 Rb 别离为热界面质料别离与上下打仗界面的打仗热阻系数;t 为热界面质料厚度;K 为热界面质料热导率;S 为打仗面积。液态金属热导率远高于传统导热膏,因此涂覆液态金属后打仗热阻能显著降低。

同时,液态金属耐高温,持久使用无有机物挥发,不会呈现传统导热膏发干失效的问题,越发不变靠得住。对流热阻可以界说为: 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布局的限制很难增加,因此提高工质对流换热系数是最直接有效的措施。传统主流方法包括微通道和喷射冷却,其都可以得到较高的对流换热系数,可是系统布局庞大,难于解决高压、堵塞等宁静性问题。而液态金属具有天然的高热导率特征, 不需要高压大流量环境下即可有效地解决上述问题。

别的,液态金属沸点高,无毒,不易挥发泄漏,可回收反复操纵,因此很是适互助为大功率密度电力设备冷却系统的事情介质。远端散热器热阻可界说为: Rradiator = f( Afin ,Qair ) (4) 式中,Afin 为散热器翅单方面积;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。

从上述阐发可以看出,液态金属技能可以有效解决高热流密度电力设备散热瓶颈,其焦点优势就在于其超高的对流换热能力和界面热传导能力。五、结论 本文成立了基于液态金属的高热流密度电力设备冷却尝试平台,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丈量。通过液态金属和水的对比尝试表白,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质料,则散热系统热阻可降低至 0014K / W。

比拟于水介质, 液态金属具有优异的对流换热能力和导热能力。固然,液态金属应用于电力范畴不仅需思量热物理机能,还要思量其导电性、腐化性和宁静性。对于既需导电又需冷却的应用对象,液态金属很是契合;对于有绝缘要求的应用对象,在使用前必需举行有效绝缘或断绝的专门化设计。

液态金属将来可在高热流密度电力设备冷却技能中推广应用。参考文献 (References): [ 1 ]朱皆悦( Zhu Jieyue). 高压直流输电阀水冷系统的对比阐发( Comparative analysis of HVDC valve cooling system)[ D] 北京:华北电力大学 ( Beijing: North C hina Electric Power University), 2014. [ 2 ] 许根富, 尚立新 ( Xu Genfu, Shang Lixin). 高压晶闸管换流阀外水冷系统阐发 ( Research on outside cooling system for high voltage thyristor valves) [ J]. 中国电力( Electric Power), 2009, 42 (12): 42⁃44. [ 3 ] Qu W L, Mudawar I. Experimental and numerical study of pressure drop and heat transfer in a single⁃phase micro⁃ channel heat sink [ J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2002, 45 (12): 2549⁃2565.等等返回，检察更多。

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