微型泵驅動原理及其在電子設備熱管理中的應用

吳波

（航空工業(yè)西安航空計算技術研究所，西安710068）

0 引 言

隨著微處理器的晶體管的密度和速度持續(xù)提升，使得芯片上產生的熱量急劇增加，為了保證芯片工作在允許的溫度，電子設備所需要疏散的熱流密度同樣急劇增加。傳統(tǒng)的風冷散熱器的散熱能力已經達到了個人電腦和中、小型服務器的處理器散熱需求的極限。為了解決這個問題，出現(xiàn)了很多新型的冷卻方式，例如噴霧冷卻、熱電冷卻、微射流冷卻、薄膜蒸發(fā)冷卻及微通道液體冷卻等。微通道液體冷卻是一種非常有前景的冷卻方案[1]。

用來驅動冷卻劑在微通道熱沉中流動的泵，需要使得流體產生高流量以便能及時疏散芯片上的高熱流。另外，這種泵還必須具有高壓頭，以便克服流體流經微通道的阻力。除此之外，這種泵還必須具有體積小、質量輕、噪聲低、功耗低、成本低，以及可靠性高的特點。傳統(tǒng)的泵不僅僅在體積和成本上達不到要求，還有噪聲高的問題。

微型泵則是一種非常具有吸引力的選擇。微型泵相比傳統(tǒng)流體泵在提供相同流量的時候體積卻小了一個數量級。不僅如此，微型泵還具有價格低、噪聲低、可靠性高的優(yōu)點。

在便攜型和可靠型電子設備的發(fā)展過程中，電子元件的熱管理越來越引起關注。一方面電子設備的功能越來越強大，另一方面要求其總體的質量和體積越來越小，這樣的需求在近年來引起了越來越多的關注。在電子系統(tǒng)中可供選擇的熱管理的策略中，微通道中的液體冷卻這種方式，具有很強的散熱能力，同時又能具有較小的體積。將微通道直接集成到芯片的背面，這種方式可以減小接觸熱阻和導熱熱阻[2]。同時，通過液冷循環(huán)，產熱元件和散熱元件可以相互獨立，解除了終端散熱元件與環(huán)境的對流換熱面積受微處理器面積的限制。驅動液體流動需要的大型泵和大功率泵限制了微通道散熱在空間受限電子設備中的應用。因而，新型的微型泵解決方案對于推進液體冷卻方式在電子設備中的廣泛應用是非常關鍵的[3]。

1 機械位移式微型泵

機械位移微型泵定義為通過運動的固-液邊界或液-液邊界在流體工質表面施加振動或旋轉作用的泵。它利用固體或液體的運動產生的壓差來驅動液體。機械位移微型泵可分為隔膜位移泵和流體位移泵。

其中隔膜泵的運用最為普遍，并且可以采用多種不同的激勵原理來激勵隔膜產生運動。這種泵還可以結合一些閥門裝置來校正流體運動方式。

隔膜位移泵由泵腔體連接校正流體的進口出口閥門組成。在擴張階段，由于隔膜的彎曲導致泵腔體內的壓力相應地下降。當進口的壓力比腔體內的壓力高時，進口的閥門就會打開，流體就會充滿膨脹的腔體內。在壓縮階段，隨著隔膜的運動腔體的體積減小，引起腔體內壓力升高，這樣液體通過出口閥排出。

有很多的激勵原理可以使隔膜產生振動，如壓電原理、靜電原理、電磁原理、氣動原理及熱聚合物原理是最普遍的方式。

壓電原理驅動隔膜是利用壓電材料在施加電壓的情況下可以產生內生機械壓力，反之亦然。這個原理在激勵隔膜式微型泵中運用得最為廣泛。壓電材料附著、沉積，或嵌入在隔膜中用于激勵，施加交變電壓來驅動擴張和壓縮沖程。這種激勵方式的優(yōu)點在于可獲得較大的位移量值和作用力。不同的壓電材料，不同的腔體幾何形狀、閥門的類型等可組合成不同的壓電式微型泵。

靜電原理是利用電極間產生的靜電力來驅動隔膜的運動。當在一個反電極和隔膜之間施加電壓時，它們組成一個可變電容，靜電力可引起隔膜進出反電極。從而使泵腔體內壓力降低，流體進入腔體。當去除電壓時，隔膜彈回，壓力增大，流體排出。

電磁原理和磁原理是通過電場力或洛倫茲力來驅動隔膜。熱原理是利用熱聚合材料和記憶金屬材料的特性來驅動隔膜。氣動原理是通過氣體壓力的變化來驅動隔膜。

蠕動泵通過對泵的彈性輸送軟管交替進行擠壓和釋放來泵送流體。就像用手指擠壓一根充滿流體的軟管，隨著手指向前滑動，管內流體也隨之向前移動。

流體位移泵的特點是工質液體直接被另一種二次流體控制，而不使用隔膜。驅動流體與工質流體是直接接觸的，因而它們應該是不相溶的。在液體驅動液體的例子中，鐵磁流體廣泛用于激勵的機制中；在氣體驅動液體的例子中，激勵原理包括相變和氣體邊界。

鐵磁流體機制通過外部永磁體的線性周期運動使鐵磁流體形成鐵磁流體活塞，從而直接驅動液體。

相變微型泵利用相變時的體積變化來驅動流體。通常采用的相變方式為液體蒸發(fā)相變，因為這個過程中體積會急劇增加。氣泡泵和電化學泵都屬于這一類。氣泡泵是靠熱能驅動產生的蒸汽泡的升力在系統(tǒng)中產生流體流的熱輸送裝置。

2 電磁動力微型泵

這種泵定義為直接提供能量傳遞來驅動液體，并由于作用力在體積上的連續(xù)性而產生穩(wěn)定的流動。

電磁動力的微型泵直接將電磁形式的能量轉換成流體的運動。由于這種形式的驅動過程呈現(xiàn)連續(xù)作用方式，驅動產生的流動通常比較穩(wěn)定。電動力泵通常利用電場推動泵通道中的離子，進而通過黏性力帶動整個流體實現(xiàn)動量傳遞。磁動力泵通常利用施加在整個流體上的洛倫茲力來驅動通道中的流體。

電液力泵（EHD）是利用作用在電介質液體上的靜電力產生流動，根據電荷產生原理的不同可以分為感應式電液力泵、注入式電液力泵和極化式電液力泵三種類型。感應式電液力泵要求工質具有電導率或電容率的梯度。這種梯度可以通過各向異性流體的加熱或物性的不連續(xù)獲得。物性的不連續(xù)可出現(xiàn)在分層流體混合、粒子懸浮流體等。在流體通道邊界的電極上施加有交變電流，電壓隨時間變化，將產生在工質流體中產生移動電場波，這種移動電場波將在電導率或電容率出現(xiàn)梯度的地方感應出電荷，電荷隨空間和時間變化感生或消散，同時由于黏性力帶動整個流體運動。顧名思義，注入式電液力泵和極化式電液力泵分別靠外部注入電荷和極化產生電荷來產生靜電力。

電滲泵是利用電解質溶液在外加電場作用下的電滲現(xiàn)象驅動液體。對于硅基的通道而言，當電解質流對通道壁面時，將產生電荷的重新分配?？煞譃橹绷餍秃徒涣餍浴?/p>

磁流體動力泵利用電流在磁場中受到洛倫茲力作為驅動工質的動力。電浸潤泵應用在特殊場合，其原理為溶液中液態(tài)金屬在電壓作用下表面張力改變，利用表面張力作為動力。

3 微型泵在芯片熱管理中的應用

當微型泵用在電子設備的熱管理場合中，通常需要泵提供較大的流量來適應高熱流密度。由于翅片和微通道用于增大可用的換熱面積，因而在這種場合中，要求泵能克服較高的壓降。要設計出同時滿足這兩個要求的泵是一個極大的挑戰(zhàn)。同時，在這種場合中，泵需要有較長的使用壽命。

液冷微通道散熱器是一項新興的有效冷卻技術。微通道散熱器熱沉包含了平行的矩形、梯形或三角形通道。水力直徑一般為100～1000 μm。在微通道散熱器中可以利用單相流動對流換熱將熱量帶走，也可以利用液氣相變過程中的汽化潛熱帶走熱量。相比其他方式具有噪聲低、效率高和成本低的優(yōu)勢。

用在微通道散熱器驅動冷卻劑的微型泵需要提供較高的流量和壓頭。同時需要泵體積較小，質量較輕，無噪聲，節(jié)能，低成本和高可靠性。傳統(tǒng)的旋轉機械泵無法滿足這些要求。

微型泵在這種微通道散熱器散熱器中有兩種應用方式：一種為外部式，另一種為集成式。外部微型泵的微通道冷卻系統(tǒng)的原理如圖3所示，其缺點在于單獨一個泵不能同時提供所需的較大流量和較大壓頭，往往需要多個泵串聯(lián)起來，這種設計增大了泵的體積。

集成式微型泵的微通道冷卻系統(tǒng)的原理如圖4所示，微型泵集成在微通道里面，占用同一部分空間。泵和通道可采用壓電原理泵和電磁原理泵構建局部結構。這種一體式的設計使得系統(tǒng)結構更加緊湊，且驅動效果更為理想。

4 結語

本文對各類微型泵的原理進行了介紹，并對各種微型泵在微型電子設備中的適用性進行了可行性分析。同時介紹了微型泵在電子設備熱管理中的應用情況。