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有关电子设备热管理中微型泵驱动原理的应用研究

2020-04-27 260 上传者：管理员

摘要：为了弥补传统风冷散热器的不足，提升便携型和可靠型电子设备的微通道液冷装置的性能，基于对新型微型泵的种类和驱动原理的介绍，对其在电子设备热管理中的应用方式进行了探究，以期为工程设计人员有所启发。

关键词：
微型泵
热管理
电子设备
驱动原理
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随着微处理器的晶体管的密度和速度持续提升，使得芯片上产生的热量急剧增加，为了保证芯片工作在允许的温度，电子设备所需要疏散的热流密度同样急剧增加。传统的风冷散热器的散热能力已经达到了个人电脑和中、小型服务器的处理器散热需求的极限。为了解决这个问题，出现了很多新型的冷却方式，例如喷雾冷却、热电冷却、微射流冷却、薄膜蒸发冷却及微通道液体冷却等。微通道液体冷却是一种非常有前景的冷却方案[1]。

用来驱动冷却剂在微通道热沉中流动的泵，需要使得流体产生高流量以便能及时疏散芯片上的高热流。另外，这种泵还必须具有高压头，以便克服流体流经微通道的阻力。除此之外，这种泵还必须具有体积小、质量轻、噪声低、功耗低、成本低，以及可靠性高的特点。传统的泵不仅仅在体积和成本上达不到要求，还有噪声高的问题。微型泵则是一种非常具有吸引力的选择。微型泵相比传统流体泵在提供相同流量的时候体积却小了一个数量级。不仅如此，微型泵还具有价格低、噪声低、可靠性高的优点。

在便携型和可靠型电子设备的发展过程中，电子元件的热管理越来越引起关注。一方面电子设备的功能越来越强大，另一方面要求其总体的质量和体积越来越小，这样的需求在近年来引起了越来越多的关注。在电子系统中可供选择的热管理的策略中，微通道中的液体冷却这种方式，具有很强的散热能力，同时又能具有较小的体积。将微通道直接集成到芯片的背面，这种方式可以减小接触热阻和导热热阻[2]。同时，通过液冷循环，产热元件和散热元件可以相互独立，解除了终端散热元件与环境的对流换热面积受微处理器面积的限制。驱动液体流动需要的大型泵和大功率泵限制了微通道散热在空间受限电子设备中的应用。因而，新型的微型泵解决方案对于推进液体冷却方式在电子设备中的广泛应用是非常关键的[3]。

1、机械位移式微型泵

机械位移微型泵定义为通过运动的固-液边界或液-液边界在流体工质表面施加振动或旋转作用的泵。它利用固体或液体的运动产生的压差来驱动液体。机械位移微型泵可分为隔膜位移泵和流体位移泵。其中隔膜泵的运用最为普遍，并且可以采用多种不同的激励原理来激励隔膜产生运动。这种泵还可以结合一些阀门装置来校正流体运动方式。隔膜位移泵由泵腔体连接校正流体的进口出口阀门组成。在扩张阶段，由于隔膜的弯曲导致泵腔体内的压力相应地下降。当进口的压力比腔体内的压力高时，进口的阀门就会打开，流体就会充满膨胀的腔体内。在压缩阶段，随着隔膜的运动腔体的体积减小，引起腔体内压力升高，这样液体通过出口阀排出。有很多的激励原理可以使隔膜产生振动，如压电原理、静电原理、电磁原理、气动原理及热聚合物原理是最普遍的方式。

压电原理驱动隔膜是利用压电材料在施加电压的情况下可以产生内生机械压力，反之亦然。这个原理在激励隔膜式微型泵中运用得最为广泛。压电材料附着、沉积，或嵌入在隔膜中用于激励，施加交变电压来驱动扩张和压缩冲程。这种激励方式的优点在于可获得较大的位移量值和作用力。不同的压电材料，不同的腔体几何形状、阀门的类型等可组合成不同的压电式微型泵。静电原理是利用电极间产生的静电力来驱动隔膜的运动。当在一个反电极和隔膜之间施加电压时，它们组成一个可变电容，静电力可引起隔膜进出反电极。从而使泵腔体内压力降低，流体进入腔体。当去除电压时，隔膜弹回，压力增大，流体排出。电磁原理和磁原理是通过电场力或洛伦兹力来驱动隔膜。热原理是利用热聚合材料和记忆金属材料的特性来驱动隔膜。气动原理是通过气体压力的变化来驱动隔膜。蠕动泵通过对泵的弹性输送软管交替进行挤压和释放来泵送流体。就像用手指挤压一根充满流体的软管，随着手指向前滑动，管内流体也随之向前移动。流体位移泵的特点是工质液体直接被另一种二次流体控制，而不使用隔膜。驱动流体与工质流体是直接接触的，因而它们应该是不相溶的。在液体驱动液体的例子中，铁磁流体广泛用于激励的机制中；在气体驱动液体的例子中，激励原理包括相变和气体边界。铁磁流体机制通过外部永磁体的线性周期运动使铁磁流体形成铁磁流体活塞，从而直接驱动液体。相变微型泵利用相变时的体积变化来驱动流体。通常采用的相变方式为液体蒸发相变，因为这个过程中体积会急剧增加。气泡泵和电化学泵都属于这一类。气泡泵是靠热能驱动产生的蒸汽泡的升力在系统中产生流体流的热输送装置。

2、电磁动力微型泵

这种泵定义为直接提供能量传递来驱动液体，并由于作用力在体积上的连续性而产生稳定的流动。电磁动力的微型泵直接将电磁形式的能量转换成流体的运动。由于这种形式的驱动过程呈现连续作用方式，驱动产生的流动通常比较稳定。电动力泵通常利用电场推动泵通道中的离子，进而通过黏性力带动整个流体实现动量传递。磁动力泵通常利用施加在整个流体上的洛伦兹力来驱动通道中的流体。

电液力泵（EHD）是利用作用在电介质液体上的静电力产生流动，根据电荷产生原理的不同可以分为感应式电液力泵、注入式电液力泵和极化式电液力泵三种类型。感应式电液力泵要求工质具有电导率或电容率的梯度。这种梯度可以通过各向异性流体的加热或物性的不连续获得。物性的不连续可出现在分层流体混合、粒子悬浮流体等。在流体通道边界的电极上施加有交变电流，电压随时间变化，将产生在工质流体中产生移动电场波，这种移动电场波将在电导率或电容率出现梯度的地方感应出电荷，电荷随空间和时间变化感生或消散，同时由于黏性力带动整个流体运动。顾名思义，注入式电液力泵和极化式电液力泵分别靠外部注入电荷和极化产生电荷来产生静电力。电渗泵是利用电解质溶液在外加电场作用下的电渗现象驱动液体。对于硅基的通道而言，当电解质流对通道壁面时，将产生电荷的重新分配。可分为直流型和交流性。

磁流体动力泵利用电流在磁场中受到洛伦兹力作为驱动工质的动力。电浸润泵应用在特殊场合，其原理为溶液中液态金属在电压作用下表面张力改变，利用表面张力作为动力。

图1机械位移式微型泵;图2机械位移式微型泵;图3集成式微型泵微通道冷却系统

3、微型泵在芯片热管理中的应用

当微型泵用在电子设备的热管理场合中，通常需要泵提供较大的流量来适应高热流密度。由于翅片和微通道用于增大可用的换热面积，因而在这种场合中，要求泵能克服较高的压降。要设计出同时满足这两个要求的泵是一个极大的挑战。同时，在这种场合中，泵需要有较长的使用寿命。液冷微通道散热器是一项新兴的有效冷却技术。微通道散热器热沉包含了平行的矩形、梯形或三角形通道。水力直径一般为100~1000um。在微通道散热器中可以利用单相流动对流换热将热量带走，也可以利用液气相变过程中的汽化潜热带走热量。相比其他方式具有噪声低、效率高和成本低的优势。

用在微通道散热器驱动冷却剂的微型泵需要提供较高的流量和压头。同时需要泵体积较小，质量较轻，无噪声，节能，低成本和高可靠性。传统的旋转机械泵无法满足这些要求。

微型泵在这种微通道散热器散热器中有两种应用方式：一种为外部式，另一种为集成式。外部微型泵的微通道冷却系统的原理如图3所示，其缺点在于单独一个泵不能同时提供所需的较大流量和较大压头，往往需要多个泵串联起来，这种设计增大了泵的体积。

集成式微型泵的微通道冷却系统的原理如图4所示，微型泵集成在微通道里面，占用同一部分空间。泵和通道可采用压电原理泵和电磁原理泵构建局部结构。这种一体式的设计使得系统结构更加紧凑，且驱动效果更为理想。

4、结语

本文对各类微型泵的原理进行了介绍，并对各种微型泵在微型电子设备中的适用性进行了可行性分析。同时介绍了微型泵在电子设备热管理中的应用情况。

吴波.微型泵驱动原理及其在电子设备热管理中的应用[J].机械工程师,2020(3):121-122.