面向芯片、器件与系统的先进液态金属冷却

Chapter 1Introduction1

1.1Increasing Challenges in Advanced Cooling2

1.2Water Cooling and New Alternatives4

1.3Basic Features of Conventional Heat Exchangers6

1.3.1Heat Exchanger Classification by Geometry and

Structure7

1.3.2Heat Exchange Enhancement Techniques12

1.4Limitations of Waterbased Heat Exchanger13

1.4.1Overall Properties of Water13

1.4.2Adhesion and Cohesion14

1.4.3Surface Tension14

1.4.4Specific Heat14

1.4.5Conductivity15

1.5Liquid Metal Coolant for Chip Cooling15

1.6Some Facts about Liquid Metal17

1.7Revisit of Traditional Liquid Metal Cooling19

1.8Liquid Metal Enabled Innovation on Conventional

Heat Exchanger22

1.9Potential Application Areas of Liquid Metal Thermal

Management 23

1.9.1Chip Cooling23

1.9.2Heat Recovery25

1.9.3Energy System27

1.9.4Heat Transfer Process Engineering28

1.9.5Aerospace Exploration28

1.9.6Appliances in Large Power Systems29

1.9.7Thermal Interface Material29

1.9.8More New Conceptual Applications31

1.10Technical and Scientific Challenges in Liquid Metal

Heat Transfer 32

1.11Conclusion35

References36

Chapter 2Typical Liquid Metal Medium and Properties for Advanced

Cooling44

2.1Typical Properties of Liquid Metals45

2.1.1Low Melting Point45

2.1.2Thermal Conductivity45

2.1.3Surface Tension48

2.1.4Heat Capacity49

2.1.5Boiling Temperature50

2.1.6Subcooling Point50

2.1.7Viscosity51

2.1.8Electrical Properties52

2.1.9Magnetic Properties52

2.1.10Chemical Properties52

2.2Alloy Candidates with Low Melting Point53

2.2.1Overview53

2.2.2GaIn Alloy53

2.2.3NaK Alloy55

2.2.4Woods Metal55

2.3Nano Liquid Metal as More Conductive Coolant or Grease55

2.3.1Technical Concept of Nano Liquid Metal55

2.3.2Performance of Typical Nano Liquid Metals56

2.4Liquid Metal Genome towards New Material Discovery61

2.4.1About Liquid Metal Material Genome61

2.4.2Urgent Needs on New Liquid Metals62

2.4.3Category of Room Temperature Liquid Metal Genome62

2.5Fundamental Routes toward Finding New Liquid Metal Materials64

2.5.1Alloying Strategy from Single Metal Element64

2.5.2Making Composite from Binary Liquid Alloys65

2.5.3Realizing Composite from Multicomponent Liquid Alloys66

2.5.4Nano Technological Strategies66

2.5.5Additional Physical Approaches66

2.5.6Chemical Strategies67

2.6Fundamental Theories for Material Discovery68

2.6.1Calculation of Phase Diagram （CALPHAD）68

2.6.2First Principle Prediction69

2.6.3Molecular Dynamics Simulation69

2.6.4Other Theoretical Methods70

2.7Experimental Ways for Material Discovery70

2.8Theoretical and Technical Challenges71

2.9Conclusion73

References73Chapter 3Fabrications and Characterizations of Liquid Metal Cooling

Materials80

3.1Preparation Methods81

3.1.1Alloying81

3.1.2Oxidizing81

3.1.3Fabrication of Liquid Metal Droplets82

3.1.4Preparation of Liquid Metal Nano Particles83

3.1.5Coating of Liquid Metal Surface84

3.1.6Loading with Nano Materials86

3.1.7Compositing with Other Materials87

3.2Characterizations of Functional Liquid Metal Materials87

3.2.1Regulation of Thermal Properties88

3.2.2Regulation of Electrical Properties88

3.2.3Regulation of Magnetic Properties89

3.2.4Regulation of Fluidic Properties89

3.2.5Regulation of Chemical Properties89

3.3Liquid Metal as Energy Harvesting or Conversion Medium90

3.4Low Temperature Liquid Metal Used in Harsh Environment91

3.4.1Working of Liquid Metal under Cryogenic Situation91

3.4.2Basics about Cryogenic Cooling92

3.5Potential Metal Candidates with Melting Point below Zero

Centigrade 94

...........................

...........................

...........................

Flow487

11.4.3Convection Coefficient under Different Coolant Volume

Flow488

11.4.4Thermal Resistance under Different Pump Power489

11.4.5Flow Pattern Discrimination490

11.4.6Flow Resistance Comparison491

11.4.7Convective Heat Transfer Coefficient Comparison492

11.4.8Other Flowing Issues493

11.4.9Liquid Metal Alloybased Mini Channel Heat

Exchanger494

11.5Hybrid Mini/micro Channel Heat Sink Based on Liquid Metal and

Water494

11.5.1Hybrid Mini/micro Channel Heat Sink495

11.5.2Materials496

11.5.3Test Platform497

11.5.4Cooling Capability Comparison with Pure Water Cooling

System 498

11.6Flow and Thermal Modeling and Optimization of Micro/

mini Channel Heat Sink502

11.6.1About Micro/mini Channel Heat Sink502

11.6.2Flow and Thermal Model503

11.6.3Optimization of Micro/mini Channel Heat Sink505

11.6.4Micro Channel Water Cooling505

11.6.5Channel Aspect Ratio506

11.6.6Channel Number and Width Ratio507

11.6.7Velocity508

11.6.8Base Thickness509

11.6.9Structural Material510

11.6.10Mini Channel Liquid Metal Cooling510

11.6.11Mini Channel Water Cooling513

11.7Conclusion514

References515Chapter 12Hybrid Cooling via Liquid Metal and Aqueous Solution517

12.1Electrically Driven Hybrid Cooling via Liquid Metal and

Aqueous Solution518

12.1.1Coolants and Driving Strategy518

12.1.2System Designing519

12.1.3Continuous Actuation of Liquid Metal Spheres Circular

Motion 519

12.1.4Heat Transfer Performance520

12.1.5Thermal Resistance Components521

12.1.6Heat Transfer Capacity under Different Driving Voltages522

12.1.7Electrical Driving of Liquid Metal Droplet523

12.1.8Liquid Metal Droplets Periodic Circular Motion in

Different Conditions 524

12.1.9More Potential Coolants with Improved Performances525

12.2Alternating Electric Field Actuated Liquid Metal Cooling526

12.2.1Liquid Metal as Water Driving Pump526

12.2.2Performance of the Liquid Metal Droplet Driven Flow527

12.3Selfdriving Thermopneumatic Liquid Metal Cooling or

Energy Harvesting535

12.3.1Hybrid Coolants towards Automatic Heating Driving535

12.3.2Running of Thermopneumatic Liquid Metal Energy

Harvester536

12.4Hybrid Liquid Metalwater Cooling System for Heat Dissipation541

12.4.1Combined Liquid Metal Heat Transport and Water

Cooling541

12.4.2Working Performances of Combined Liquid Metal and

Water Cooling542

12.4.3Theoretical Analysis on Combined Liquid Metal and

Water Cooling547

12.5Electromagnetic Driving Rotation of Hybrid Liquid Metal and

Solution Pool551

12.5.1Electromagnetic Driving Rotation of Hybrid Fluids551

12.5.2Rotational Motion of Liquid Metal in Electromagnetic

Field552

12.5.3Controlling the Rotating Motion of Liquid Metal Pool555

12.5.4Liquid Metal Patterns Induced by Electric Capillary

Force559

12.6Dynamic Interactions of Leidenfrost Droplets on Liquid Metal

Surface566

12.7Conclusion574

References575Chapter 13Liquid Metal for the Harvesting of Heat and Energy577

13.1Direct Harvesting of Solar Thermal Power or Lowgrade Heat580

13.2Liquid Metalbased Thermoelectric Generation581

13.3Thermionic Technology587

13.4Liquid Metalbased MHD Power Generation589

13.5Alkali Metalbased Thermoelectric Conversion Technology590

13.6Direct Solar Thermoelectric Power Generation591

13.7Liquid Metal Cooled Photovoltaic Cell596

13.7.1Thermal Management for Optical Concentration Solar

Cells596

13.7.2Experimental System597

13.7.3Performance Evaluation598

13.7.4Theoretical Evaluation on Thermal Resistance601

13.8Solar Thermionic Power Generation605

13.9MHD and AMTEC Technology609

13.10Cascade System612

13.11Remarks and Future Developments614

13.12Harvesting Heat to Generate Electricity via Liquid Metal

Thermosyphon Effect616

13.13Liquid Metal Thermal Joint619

13.14Conclusion626

References626Chapter 14Combinatorial Liquid Metal Heat Transfer towards Extreme

Cooling630

14.1Proposition of Combinatorial Liquid Metal Heat Transfer630

14.2Basic Cooling System633

14.2.1Abstract Division of A Cooling System633

14.2.2Heat Acquisition Segment635

14.2.3Heat Rejection Segment637

14.2.4Heat Transport Segment637

14.3LMPM PCM Combined Cooling System639

14.3.1LMPM PCM Cooling639

14.3.2LMPM PCM Against Thermal Shock642

14.4Liquid Metal Convectionbased Cooling Systems642

14.5All Liquid Metal Combined Cooling System645

14.6Other Alternative Combinations645

14.7Conclusion646

References647Appendix653

Index656