CN109104102A - 高压直流阀堆液态金属循环冷却***电场击穿的解决方法 - Google Patents

高压直流阀堆液态金属循环冷却***电场击穿的解决方法 Download PDF

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张朋
郑重
段赛飞
李现兵
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Global Energy Interconnection Research Institute
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North China Electric Power University
Global Energy Interconnection Research Institute
State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明公开了属于高压直流阀堆散热技术领域的一种高压直流阀堆液态金属循环冷却***电场击穿的解决方法。采用多个管路并联(电压串联)，并采用聚合物薄膜覆盖液流管道内外壁的方法，既得到每段管路之间电位分离，又达到金属散热片、金属管道、液态金属散热媒质三者之间的电位隔离，达到优化方案的目的，以此解决了高压直流阀堆液态金属循环冷却***电场击穿的问题。本发明提供的解决高压直流阀堆液态金属循环冷却***电场击穿问题的优化方案，能有效解决液态金属散热器受电场影响的问题。

Description

高压直流阀堆液态金属循环冷却***电场击穿的解决方法
技术领域
本发明属于高压直流阀堆散热技术领域，特别涉及一种高压直流阀堆液态金属循环冷却***电场击穿的解决方法
背景技术
随着芯片散热技术的发展，其发热量逐渐增加，传统的散热方式已经远不能满足芯片的散热需求，效率更高的散热方式—液态金属散热应运而生。液态金属具有远高于水、空气及许多非金属介质的导热率，工作温度高(可高于100℃)及不易蒸发泄漏，安全无毒等优点。以液态金属为传热介质的新型循环散热***，由于其较高导热系数、低粘度和稳定的物理性质，相对于传统风冷散热***和液冷散热***，具有更好的散热能力，更安全的结构和材料性质以及更高效的循环***。另外液态金属的高电导属性使其可采用无任何运动部件的电磁泵驱动，驱动效率高，能耗低，而且没有任何噪音，使用寿命更长。
液态金属散热技术拥有众多优于传统散热方式的性能，因此得到了广泛的使用，但液态金属散热亦有其缺点。高压直流阀堆由若干片晶闸管或IGBT串联构成，在芯片模块间加装散热片以达到散热目的，目前通用的是去离子水流(基本是电绝缘体)散热的技术。该***在金属散热片中开凿水流管道，将冷却后的去离子水通过管道注入散热片，水流将热量带走到体外进行冷却。采用液态金属代替水介质散热时，由于液态金属是导电的，而散热片都在不同电位，会直接导致电场击穿，所以液态金属散热的性能会受到影响。因此，液态金属循环散热技术一直没能在高压直流阀中得到应用。本申请提出的解决办法包括体内隔离与体外隔离的两种手段的综合运用，经实验验证，可以达到防止电场击穿的目的。
体外隔离的手段是利用导热不导电的薄膜材料来包裹液态金属流通的管道，通过控制材料击穿电场与厚度，可以实现电气上防止电场击穿的目的。同时不影响散热性能。但当电位差较大时，电绝缘层要求较厚，导热受影响。
体内隔离的手段是电场击穿是由于液态金属导电，而散热片处在不同的电位，所以会直接导致电场击穿，若将液态金属管置于相同的电位，则其中的液态金属也处于相同的电位，则不会导致击穿。由于液态金属散热装置采用非接触式的电磁泵驱动液态金属流动散热，因此可以采用多个管路并联的方法，每个管路处在同一电位，管路之间绝缘，电压串联，从而达到电位分离的效果。但当电位差较大时，管路要求较多，不经济。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压直流阀堆液态金属循环冷却***电场击穿的解决方法，其特征在于，由于高压直流阀堆由若干片晶闸管或IGBT串联构成，在芯片模块间加装散热片以达到散热目的。常规采用水循环方式，水流从散热片中通过带走热量；现采用液态金属代替水介质散热。但由于液态金属是良好的导电体，使散热片都处在不同电位，会直接导致电场击穿；本发明通过体内隔离与体外隔离两种手段的综合运用，以达到解决***击穿的问题；具体包括：
(1)体内隔离手段是利用导热不导电的材料包裹液态金属管。由于固体材料导电是电子流动，而导热是声子传播，自然界存在大量导热不导电的材料，利用这类材料作为电绝缘层包裹液态金属管，达到电位隔离的目的；但当电位差较大时，为达到电气隔离的效果，则要求增加绝缘层厚度，使导热受影响；其中导热不导电的材料选取聚合物薄膜或其它导热不导电的材料；
(2)体外隔离手段是采用分级绝缘的方法，液态金属散热装置采用非接触式的电磁泵驱动液态金属流动散热，因此采用多个管路并联，管路之间绝缘，电压串联的方法，从而达到电位分离的效果，每一段管路都处于不同电位，电位差由外部绝缘承担。但当电位差较大时，管路要求较多，体积增加，不经济；
(3)综合利用以上两种方法，采用多个管路并联(电压串联)，并采用聚合物薄膜覆盖液流管道内外壁的方法，既得到每段管路之间电位分离，又达到金属散热片、金属管道、液态金属散热媒质三者之间的电位隔离，达到优化方案的目的以此解决了高压直流阀堆液态金属循环冷却***电场击穿的问题。
本发明的有益效果是用液态金属散热代替常规水循环散热时，虽然散热性能远优越于传统的散热方式，但由于液态金属本身导电，会造成电场击穿。本发明提供了解决高压直流阀堆液态金属循环冷却***电场击穿问题的优化方案，能有效解决液态金属散热器受电场影响的问题。
具体实施方式
本发明提供一种高压直流阀堆液态金属循环冷却***电场击穿的解决方法，由于高压直流阀堆由若干片晶闸管或IGBT串联构成，在芯片模块间加装散热片以达到散热目的。常规采用水循环方式，水流从散热片中通过带走热量；现采用液态金属代替水介质散热。但由于液态金属是良好的导电体，使散热片都处在不同电位，会直接导致电场击穿；本发明通过体内隔离与体外隔离两种手段的综合运用，以达到解决***击穿的问题；具体包括：
(1)根据高压直流***电压大小与阀体串联级数来综合设计液态金属循环散热***的级数(外部隔离的并联管道数，也即电压串联级数)与单级绝缘强度(内部隔离击穿电压)。
(2)根据单级绝缘强度与内部隔离薄膜材料的击穿电场来设计包裹层的厚度，再将薄膜材料加工到循环管道的内壁与外壁。注意包裹层必须在管道的内壁与外壁上覆盖两层，以保证从金属散热片到金属管道的隔离，以及从金属管道到液态金属媒质的隔离。这样一来，管道形成一个独立电位的法拉第笼，能够有效的保护内部液态金属，不受外部电场干扰。这一点对于液态金属循环***电磁泵的正常运行是非常必要的。
(3)单级液态金属循环散热***设计完工后，将多级***串联起来，级与级之间用绝缘支撑，以保证不会发生级间击穿。

Claims (1)

1.一种高压直流阀堆液态金属循环冷却***电场击穿的解决方法，其特征在于，由于高压直流阀堆由若干片晶闸管或IGBT串联构成，在芯片模块间加装散热片以达到散热目的,常规采用水循环方式，水流从散热片中通过带走热量；现采用液态金属代替水介质散热,但由于液态金属是良好的导电体，而散热片都处在不同电位，会直接导致电场击穿；本发明通过体内隔离与体外隔离两种手段的综合运用，以达到解决***击穿的问题；具体包括：
(1)体内隔离手段是利用导热不导电的材料包裹液态金属管。由于固体材料导电是电子流动，而导热是声子传播，自然界存在大量导热不导电的材料，利用这类材料作为电绝缘层包裹液态金属管，达到电位隔离的目的；但当电位差较大时，为达到电气隔离的效果，则要求增加绝缘层厚度，使导热受影响；其中导热不导电的材料选取聚合物薄膜或其它导热不导电的材料；
(2)体外隔离手段是采用分级绝缘的方法，液态金属散热装置采用非接触式的电磁泵驱动液态金属流动散热，因此采用多个管路并联，管路之间绝缘，电压串联的方法，从而达到电位分离的效果，每一段管路都处于不同电位，电位差由外部绝缘承担,但当电位差较大时，管路要求较多，体积增加，不经济；
(3)综合利用以上两种方法，采用多个管路并联(电压串联)，并采用聚合物薄膜覆盖液流管道内外壁的方法，既得到每段管路之间电位分离，又达到金属散热片、金属管道、液态金属散热媒质三者之间的电位隔离，达到优化方案的目的以此解决了高压直流阀堆液态金属循环冷却***电场击穿的问题。
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