WUBo文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园20）03原园121原园3DrivingPrincipleofMicro-pumpandItsApplicationinThermalManagementofElectronicEquipment(AVICXianAeronauticalComputingTechniqueResearchInstitute,Xian710068,China)Abstract:Tomeettherequirementofmicro-channelliquidcoolingdeviceinportableandreliableelectronicequipment,theirapplicationsinthermalmanagementofelectronicequipment,whichcanprovideusefulguidelinesforengineeringdesigners.
Keywords:electronicequipment;thermalmanagement;micro-pump;drivingprinciple
thispaperintroducesthetypesanddrivingprinciplesofdifferentkindsofmicro-pumpcomprehensively,andillustrates
0引言
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
网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com圆园20年第3期121机械工程师MECHANICALENGINEER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。
压电静电机械位移式微型泵电磁隔膜泵热气动蠕动铁磁流体流体泵相变气体边界性。
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。
3微型泵在芯片热管理中的应用
电磁动力微型泵电浸润泵磁动力泵静电力泵电液力泵感应式注入式极化式直流式交流式图2机械位移式微型泵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耀1000滋m。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
芯片微泵芯片微通道散热器芯片微泵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
图1机械位移式微型泵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
外部换热器图3外部微型泵微通道冷却系统集成微通道散热器外部换热器本文对各类微图4集成式微型泵微通道冷却系统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。
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122圆园20年第3期网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com机械工程师MECHANICALENGINEER米铝镁质+CSA铝镁质高效保温+防水涂料对上述蒸汽管消耗材料的统计规律变化进行计算，计算公式为驻S2=道进行在线保温技术改造。驻Q·M·D-R=驻D·M-R。其中：M为消耗材料的价格；驻D为
与传统保温改造相比，该保温技术改造方案主要有年减少的消耗燃料；R为项目的实施费用。以下几个方面的优点：1)可进行在线施工，整个施工过程以热电厂厂房内1-2#炉主蒸汽管为例计算：管道外不影响装置的正常运行。2)采用CAS-AO纳米铝镁质与表面积为140伊3.14伊(273+130)衣1000=177.16m2；节约热CSA铝镁质高效复合保温结构，兼顾保温效果和良好的流密度为572.16-180.3=391.9W/m2；节约热耗量为391.9伊性价比。3)保温施工完成后表面涂刷防水隔热体的防水177.16衣1000=69.43kW；年节约热耗量为69.43伊3600伊涂料，保证了保温结构的整体性，避免了雨水进入保温8400衣1000=2099563.2MJ。其余管线均按此方法计算，层，延长了保温使用寿命。4)该保温方案能够极好地解决结果如表3所示。所有蒸汽管线共计年节约热耗量为甲醇厂普通金属管托大面积暴露、散热能耗高的问题，保61122902.4MJ。温结构绝热性能优越，外护层不需表3改造前后数据对比计算表要铝皮，外表美观，使用寿命长达热流密度/节约热蒸汽管线管线保温厂年节约10a以上，节能环保。5)导热率很(W·m-2）管线名称温度/长度/直径/厚度/耗量/热耗量/MJ低。常温导热系数突破性地达到名益mmmmm改造前改造后kW0.025~0.030W/（m·K），且随着温度厂房内1-2#炉主蒸汽管430140273130572.2180.369.432099563厂房内3-4#炉主蒸汽管43090426130426.8173.339.831204459的升高，导热系数升高缓慢，说明
热厂房内1#减温减压器及出口管线3155050890578.0175.637.81143072该产品热稳定性较好。CAS-A0纳
电厂房内2#减温减压器及出口管线3152550890380.3179.19.4284256米铝镁质保温隔热毡导热系数方厂房内除氧器低压蒸汽母管3157527390554.3174.532.5982800厂程为姿约0.028+0.00006Tm，W/（m·新1#中压蒸汽管线（纳米保温）427880325130664.1183.8603.918261936新1#中压蒸汽管线（普通保温）42750325160664.1419.818.6562464K）。6）耐高温。有机物含量低，材料
中压蒸汽管线（纳米保温）435210032590664.1227.91193.736097488完全达到不燃A级材料的要求，长期甲醇使用温度为600益,最高使用温度可中压蒸汽管线（普通保温）43550325160664.1452.416.1486864厂达到1000益。7）吸湿率低。CAS铝镁
合计61122902质保温材料是封闭口网状结构，内部
查3.5MPa、435益的过热蒸汽焓值为3304.04kJ/kg。孔隙微小均匀，闭孔率达
钢管CAS纳米铝镁质镀锌铁丝捆扎点轴向搭缝环向搭缝图1结构示意图到90%以上。封闭孔网状结构能有效阻止水汽进入材料内部，吸湿率小于2.0%，仅为普通保温材料的1/2~1/3。
4改造前后效果测试
折合年节约蒸汽量为61122902.4伊1000衣3304.04衣1000=
18499.44t。年节约成本费用为18499.44伊95=175.75万元。此项目投入的材料费为194+285.5=479.5万元，施工费为47+80.3=127.2万元，合计R=606.7万元。所以根据公式驻S2=驻D·M-R=175.75-606.7伊0.95/12=127.72万元。综合上述计算，年经济效益为127.72万元。6
结语
对比
如表2所示，保温修复后散热损失超标率降至-9%，
可以看出效果非常显著。
表2管道保温修复前后数据对比表面温表面温对比项修复前修复后度实测度换算值/益35.823.7值/益61.943.5热流密度/405.6192.1-2
综上所述，通过对现有基础数据的分析、计算，项目技术改造完成后年节约热耗量61122902.4MJ，折合蒸汽约18499.44t/a。年节约成本175.75万元。本项目投资费用为606.7万元。根据5%的年折旧率计算得出的年经济效益为127.72万元。投资回收期为4.5a。项目投资内部收益率28.9%。项目实施改造后，获得了较好的节能效果和经济效益。
（责任编辑邵明涛）热流密度允许值/-2
超标散热量/GJ17959.0-1808.6散热损失超标率/%91-9(W·m）(W·m）2122125经济效益分析
本项目根据节能节约类中减少材料、燃料消耗类，按（上接第122页）
[1]STEVANOVICLD,BEAUPRERA,GOWDAAV,etal.Integralmicro-channelliquidcoolingforpowerelectronics[C]//2010.AppliedPowerElectronicsConference&Exposition.IEEE,[2]IVERSONBD,GARIMELLASV.RecentadvancesinMicrofluidics&Nanofluidics,2008,5(2):145-174.microscalepumpingtechnologies:areviewandevaluation[J].作者简介:赵辉（1976—），本科，工程师，从事机械设计工作。收稿日期：2019-10-31[3]SINGHALV,GARIMELLASV,RAMANA.MicroscaleAppliedMechanicsReviews,2004,57(1):191.[参考文献]
pumpingtechnologiesformicrochannelcoolingsystems[J].（责任编辑马忠臣）作者简介：吴波（1990—），男，硕士，工程师，主要从事机载计算机结构设计、热设计工作。收稿日期：2019-08-09124圆园20年第3期网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com
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