分布电场驱动的液态金属与水复合流体的定向流动现象

芯片冷却中较常遇到的传统液体工质为水，其运行一般采用机械泵驱动，然而水的导热率较低，因此使得散热效果并不理想。作为水的替代散热工质，近年来出现的液态金属受到广泛关注，其可以实现较高功率密度的散热。笔者实验室的研究发现，处于水溶液环境中的液态金属如镓基合金流体，易于在纯电场的作用下实现定向驱动，这可用于发展体积上十分紧凑且厚度较薄的散热器。

Tan等为此展示了一种双流体芯片散热器［12］，其同时集液态金属高导热性与水溶液高热容性优势于一体，只需极低电压即可驱动液态金属及周边水溶液循环往复地流动，由此将发热对象表面热量由近及远输送出去，功耗极低。比如，该器件在3 W/cm2热流密度下可有效维持热源温度低于55℃，驱动功率仅需0.8W。图7.18中展示了Tan等［12］设计的散热机构，其中在一个有机玻璃中雕刻有一个一个环形朝上的开口流道，截面宽度和深度为5 mm×5 mm。将0.5 M的NaOH溶液灌注到环形流道中，流道中放置一滴液态金属液滴。将流道的右段部分直接截取掉，用一个带有翅片的铜流道结构替代，作为远端散热器。在铜翅片结构底部设置两个小风扇使得翅片上为强制对流换热，而在流道的左侧底部用一个50 mm×10 mm×2 mm的铜片替代流道底部，铜片下部贴有一个电阻加热片。电阻加热片电阻值为35.4Ω，用来模拟发热源。由于铜片直接与散热流体接触，所以热量更容易被传走散热到远端。在流道上部分覆盖一个有机玻璃片并用705硅胶粘连。这里液态金属选用GaIn20。

图7.18　电极阵列控制下的液态金属水溶液双流体芯片冷却器［12］(www.xing528.com)

a.原理图；b.实物图。

为了使得一个液态金属液滴在流道中持续形成环形运动，在这里沿着环形流道两侧设置了两对石墨电极。A1（阳极）/Cl（阴极）为一对，A2（阳极）/C2（阴极）是另外一对，如图7.18a所示（其中①、②为流道中两个特殊位置）。此外这里还设置了一个定时转换开关，开关的转换频率应当与液滴圆周运动的频率一致，从而保证液滴能够一直在流道中逆时针运动，若无这一开关，液滴的运动将会变得混乱无序。

当液滴运动到位置①时，开关电压加载到U1上，从而电路1工作，驱动液滴从位置①向着位置②运动（逆时针），到达位置②后，电路1关闭，电压加载到U2上，从而液滴向着位置①运动。由此周而复始，液滴在流道中可形成环形运动，从而将电阻加热板处的热量持续不断地传输到远端散热器，最后释放到空气中。

这种纯电控驱动的流体冷却器（图7.18b）在无需外部机械泵甚至磁体的情况下，就实现了双重流体的同时高效泵送，结构相当紧凑，此类技术可在笔记本电脑、手机、LED、激光等光电器件冷却乃至更多能量转换与利用场合发挥作用。