Book on Enhanced Heat Transfer

8/17/2019 Book on Enhanced Heat Transfer

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https://books.google.co.in/books?id=9E2T1WKKgo4Chttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0


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M E C H A N IE N G I N E E R

S E R I E SE n h a n c e dH e a tT r a n s f e r

V o l u m e1

S c i e n c eN e t w o r kO n l i n eO p e nA c c e s sP u b l i s h e r


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M E C H A N I C A LE N G I N E E R I N GS E R I E S– E n h a n c e dH e a tT r a n s f e rV o l u m e1

P u b l i s h e r :S c i e n c eN e t w o r kI S B N :9 7 8 - 0 - 9 8 6 9 5 4 4 - 5 - 7F i r s tp u b l i s h e di nJ a n u a r y ,2 0 1 2P r i n t e di nC a n a d a

Af r e eo n l i n ee d i t i o no ft h i sb o o ki sa v a i l a b l ea tw w w . s c i e n c e n e t w o r k . c aA d d i t i o n a lh a r dc o p i e sc a nb eo b t a i n e df r o mr e p r i n t @ s c i e n c e n e t w o r k . c a

C o p y r i g h t©2 0 1 2S c i e n c eN e t w o r kA l lB o o k sp u b l i s h e db yS c i e n c eN e t w o r ka r e l i c e n s e du n d e r aC r e a t i v eC o m m o n sA t t r i b u t i o n - N o n C o m m e r c i a l - N o D e r i v s3 . 0U n p o r t e dL i c e n s e .


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M E C H A N I C A LE N G I N E E R I N GS E R I E S

E n h a n c e dH e a tT r a n s f e rV o l u m e1

©S c i e n c eN e t w o r kO n l i n eO p e nA c c e s sP u b l i s h e r


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A U T H O R S


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H a i - Y a nL iK e yL a b o r a t o r yo f C r y o g e n i c s , T e c h n i c a lI n s t i t u t eo f

P h y s i c sa n dC h e m i s t r y ,C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s ,

B e j i n g1 0 0 1 9 0 ,C h i n a

H a i - Y a nL io b t a i n e dh e rB . E .d e g r e ei nT h e r m a lE n e r g y a n dP o w e rE n g i n e e r i n g

f r o mT i a n j i nU n i v e r s i t y o fC o m m e r c ei n2 0 0 7 ,a n dt h e nr e c e i v e dh e rM . E .d e g r e e

i n R e f r i g e r a t i o na n dC r y o g e n i cE n g i n e e r i n gf r o mU n i v e r s i t y o fS c i e n c ea n d

T e c h n o l o g yB e i j i n gi n2 0 1 0 .S h eh a sb e e ns t u d y i n gf o rh e rP h . D .d e g r e ei nt h eK e yL a b o r a t o r yo fC r y o g e n i c sf r o mT e c h n i c a lI n s t i t u t eo fP h y s i c sa n dC h e m i s t r y

o f t h eC h i n e s eA c a d e m yo f S c i e n c e ss i n c eS e p t e m b e ro f t h es a m ey e a r .H e r

r e s e a r c hi n t e r e s t sa r ef o c u s e do nr e f r i g e r a t i o na n dl o wt e m p e r a t u r ee n g i n e e r i n g ,

w a s t eh e a tr e c o v e r ya n du t i l i z a t i o n ,a sw e l la sn e we n e r g ya n de n e r g ye f f i c i e n t

t e c h n o l o g y .S h eh a sp u b l i s h e ds e v e r a lj o u r n a lp a p e r si nt h ea b o v ef i e l d s .


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J i n gL i uK e yL a b o r a t o r yo fC r y o g e n i c s , T e c h n i c a lI n s t i t u t eo f

P h y s i c sa n dC h e m i s t r y ,C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s ,

B e j i n g1 0 0 1 9 0 ,C h i n a ;D e p a r t m e n to f B i o m e d i c a l

E n g i n e e r i n g ,S c h o o lo fM e d i c i n e ,T s i n g h u aU n i v e r s i t y ,

B e i j i n g1 0 0 0 8 4 ,C h i n a

J i n gL i ui s a p r o f e s s o rw i t ht h eD e p a r t m e n to f B i o m e d i c a lE n g i n e e r i n go f

T s i n g h u aU n i v e r s i t y T H U )a n dt h eT e c h n i c a lI n s t i t u t eo fP h y s i c sa n dC h e m i s t r y ,

t h eC h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s( C A S ) .H es i m u l t a n e o u s l yr e c e i v e dh i sd o u b l ed e g r e e s( B . E .i nP o w e rE n g i n e e r i n ga n dC o n t r o la n dB . S .i nP h y s i c s )i n1 9 9 2 ,a n d

P h . D .i n T h e r m a lS c i e n c ew i t hs p e c i a l i t yo nb i o e n g i n e e r i n gi n 1 9 9 6 ,a l lf r o m

T H U .H et h e n s e r v e da s a s s i s t a n tp r o f e s s o rt h e r e ,a p o s t d o c t o r a l r e s e a r c ha s s o c i a t ea t P u r d u eU n i v e r s i t y ,a n da s e n i o rv i s i t i n gs c h o l a ra t M a s s a c h u s e t t s

I n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y .H eh a sb e e na p r o f e s s o ro fC A Ss i n c eJ u l y1 9 9 9a n dap r o f e s s o ro fT H Us i n c eA u g u s t2 0 0 8 .D r .L i u h a sa u t h o r e de i g h tp o p u l a rb o o k so nc u t t i n ge d g er e s e a r c hf r o n t i e r si n e n e r g ya n db i o e n g i n e e r i n ga r e a s( a m o n g

w h i c hM i c r o / N a n oS c a l eH e a tT r a n s f e rp u b l i s h e di n2 0 0 1h a sb e e nr e p r i n t e df i v e

t i m e s ,o v e rt e ni n v i t e db o o kc h a p t e r s ,a n do v e rt w oh u n d r e dp e e rr e v i e w e d

j o u r n a lp a p e r sa n dn u m e r i o u si n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c ep r e s e n t a t i o n s o ri n v i t e d

l e c t u r e s .D r .L i ua u t h o r e dm o r et h a n1 0 0p a t e n t s .H i st w ol a t e s tb o o k s

U n c o n v e n t i o n a lE n e r g yT e c h n o l o g i e sa n dA d v a n c e dT e c h n o l o g i e sf o rL o w - c o s tM e d i c i n e ,w h i c ha g a i nr e c e i v e di n t e n s ea t t e n t i o n s ,e s p e c i a l l ya d d r e s st h ee v e r

t o u g hi s s u e sf a c i n gt h ec u r r e n ts c i e n t i f i cs o c i e t y .

A m o n gh i sn u m e r o u sc o n t r i b u t i o n s , P r o f .L i ui n i t i a t e da n ds y s t e m a t i c a l l yd e v e l o p e da g r o u po f n o n - c o n v e n t i o n a lt e c h n o l o g i e st h r o u g hi n t r o d u c i n gt h e

r o o mt e m p e r a t u r el i q u i dm e t a l sa n dt h e i ra l l o y ,u s e dt ob en e g l e c t e db e f o r e ,i n t o

m o d e r nh i g h - t e c ha r e a s .T h i sl e dt om a n yn e wb r e a k t h r o u g hs o l u t i o n st o t a c k l e


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t h el a t e s ta n df u t u r ee n e r g yi s s u e ss u c ha sw a s t eh e a th a r v e s t i n g / t r a n s p o r ti n a

w i d er a n g eo ft e m p e r a t u r e s ,e l e c t r i c i t yg e n e r a t i o ni ne i t h e rs m a l lo rl a r g es i z ea n dp o w e r f u lt h e r m a lm a n a g e m e n tf o rm a n ya d v a n c e de l e c t r o n i co r o p t i c a lc h i p s .

E x c e p tf o r h i ss i g n i f i c a n tc o n t r i b u t i o n st oe n e r g yi s s u e s ,D r .L i u ’ sw o r ki s a l s of u l l yr e f l e c t e di nt h eb i o m e d i c a le n g i n e e r i n gf i e l d .H ed e f i n e da n dp r o p o s e dt h ec o n c e p to fn a n o - c r y o s u r g e r yw h i c hi n i t i a t e sa n e w“ g r e e n ”t u m o rt h e r a p y ,a n d

i n v e n t e dm a n ym e d i c a ld e v i c e se s p e c i a l l yt h eh y b r i dc r y o s u r g i c a l / h y p e r t h e r m is y s t e mf o rt a r g e t e dt u m o ra b l a t i o na n di n t e r v e n t i o n a lw h o l eb o d yh y p e r t h e r m i a

e q u i p m e n tf o rt r e a t i n gc a n c e rm e t a s t a s i s .H ec o n t r i b u t e ds i g n i f i c a n t l yt o t h eb i o h e a tt r a n s f e rs t u d yt h r o u g hs e v e r a lb o o kp u b l i c a t i o n sc o v e r i n gb o t hh i g h -a n d

l o w - t e m p e r a t u r em e d i c i n ea n di sa w o r l d - r e n o w n e de x p e r ti nt h ea r e a s .H i sl a t e s t

b o o ke n t i t l e d“ B i o m e d i c a lE n g i n e e r i n go n a M o b i l eP h o n e :P r i n c i p l ea n d

A p p l i c a t i o n ”i sd e d i c a t e dt o o u t l i n ea b r a n dn e wf r o n t i e r ,w h i c hi se x p e c t e dt ob e

a p e r v a s i v ew a yt o b e t t e rs o l v et h eg l o b a lh e a l t hi s s u e s .P r o f .L i ui s a r e c i p i e n to ft h eN a t i o n a lS c i e n c eF u n df o rD i s t i n g u i s h e dY o u n g

S c h o l a r so fC h i n a ,N a t i o n a lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yA w a r df o rC h i n e s eY o u n g

S c i e n t i s t ,M a oY i - S h e n gS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yA w a r d sf o rB e i j i n gY o u t h ,f i v eh i g h e s tt e a c h i n ga w a r d sf r o mC A S ,e t c .H i sc u r r e n tr e s e a r c hi n t e r e s t si n c l u d e

g r e e ne n e r g yt e c h n o l o g y ,t h e r m a lm a n a g e m e n t ,m i c r o / n a n of l u i d i c sa n ds y s t e m ,

b i o h e a tt r a n s f e r ,a n dm o b i l ee n e r g ya n db i o m e d i c a lt e c h n o l o g i e s .


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M a r y a m a l s a d a tL a j v a r d iA n w a rG a v i l iF a t e m e hZ a b i h iT a g h iD a l l a l iI s f a h a n iI r a jH a d iJ a m s h i dS a b b a g h z a d e h

N a t i o n a lC e n t e rf o rL a s e rS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ,T e h r a n ,I r a n


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T a b l eo fc o n t e n t s

C h a p t e r1 - E n h a n c e dH e a tT r a n s f e rb yR o o mT e m p e r a t u r eL i q u i dM e t a l

A b s t r a c t 1

I n t r o d u c t i o n 1

1 .B r i e fo nc o n v e n t i o n a le n h a n c e dh e a tt r a n s f e r 3

2 .E n h a n c e dh e a tt r a n s f e rb yl i q u i dm e t a l 6

2 . 1 .R e d u c i n gt h e r m a li n t e r f a c er e s i s t a n c e 6

2 . 2E n h a n c i n gc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r 9

3 .F u n d a m e n t a l si nr o o mt e m p e r a t u r el i q u i dm e t a lh e a tt r a n s f e r 9

4 .P r a c t i c a li s s u e sr e l a t e d t o l i q u i dm e t a lh e a te x c h a n g e r 1 4

5 .F u t u r ew o r k 1 7

C o n c l u s i o n 1 9

R e f e r e n c e s 2 0

C h a p t e r2 - E x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o n so nt h eh e a tt r a n s f e ro ff e r r o f l u i du n d e rm a g n e t i cf i e l d

A b s t r a c t 2 7

I n t r o d u c t i o n 2 7

1 . P r e p a r a t i o no ff e r r o f l u i d s 2 8

1 . 1 . S y n t h e s i s 2 9

1 . 2 . E x p e r i m e n t a l 3 0

1 . 2 . 1 .M a t e r i a la n df e r r o f l u i dp r e p a r a t i o n 3 0

1 . 2 . 2 .C h a r a c t e r i z a t i o n 3 1

2 . T h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ff e r r o f l u i d s 3 2


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2 . 1 . E x p e r i m e n t a ls e t u p

2 . 2 . E f f e c to fm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y

2 . 3 . E f f e c to ft e m p e r a t u r e

3 . H e a tt r a n s f e ro ff e r r o f l u i d s

3 . 1 . T h e o r y

3 . 2 . E x p e r i m e n t a ls e t u pa n dc a l i b r a t i o n

3 . 3 . E f f e c to fm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y

3 . 4 . E f f e c to f c o n c e n t r a t i o n

3 . 5 . E f f e c to ft h em a g n e t i cf i e l dp o s i t i o na n dd i f f e r e n th e a tf l u x e s

3 . 6 . H e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t

C o n c l u s i o n

R e f e r e n c e s

3 3

3 5

3 8

4 1

4 2

4 2

4 4

4 6

4 6

4 8

5 1

5 2


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E N H A N C E DH E A TT R A N S F E R

1

C h a p t e r

1

H

E n h a n c e dH e a tT r a n s f e rb yR o o mT e m p e r a t u r eL i q u i dM e t a l

H a i - Y a nL i ,a n dJ i n gL i u

K e yL a b o r a t o r yo fC r y o g e n i c s , T e c h n i c a lI n s t i t u t eo fP h y s i c sa n dC h e m i s t r y ,C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s ,B e j i n g1 0 0 1 9 0 ,C h i n a

E - m a i l: j l i u b m e @ m a i l . t s i n g h u a . e d u . c n

o p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sa n dp o w e rs y s t e m s .T h ec u r r e n t l y a v a i l a b l et h e r m a lm a n a g e m e n tm a ye n c o u n t e rt e c h n i c a ll i m i ti fn o ti n n o v a t e de n o u g h .A m o n gt h em a n ye f f o r t se v e rm a d et o f i n dn e ws o l u t i o n s ,t h el i q u i dm e t a l w i t h

m e l t i n gp o i n ta r o u n dr o o mt e m p e r a t u r ei s e m e r g i n ga sa no u t s t a n d i n g h e a tt r a n s f e rm e d i u mt o o v e r c o m et h e“ t h e r m a lb a r r i e r s ”c h a l l e n g i n gm a n yc o n v e n t i o n a lw a y s .T h i sc h a p t e ri sd e d i c a t e dt op r e s e n ta no v e r v i e wo nt h es c i e n c ea n da r to ft h ee n h a n c e dh e a tt r a n s f e re n a b l e db yr o o mt e m p e r a t u r el i q u i dm e t a l .P a r t i c u l a r l y ,t w om a j o rd i r e c t i o n s w i l lb ed i s c u s s e d :1 . R e d u c i n gh e a tc o n d u c t i o nr e s i s t a n c eb e t w e e nt w oc o n t a c t i n go b j e c t su s i n gl i q u i dm e t a la s t h e r m a li n t e r f a c e m a t e r i a l ;2 . E n h a n c i n gc o n v e c t i v eh e a tt r a n s p o r tt h r o u g ht h ef l o wo fl i q u i dm e t a l .T h eb a s i cf e a t u r e s f o rt h ee n h a n c e dh e a tt r a n s f e rb yl i q u i dm e t a lw i l lb eo u t l i n e d .I m p o r t a n tf u n d a m e n t a la n dp r a c t i c a li s s u e sw i l lb es u m m a r i z e d .S o m em e c h a n i s m sb e h i n d s u c hh e a tt r a n s f e rm o d a l i t yw i l lb ei n t e r p r e t e d .F u t u r ed i r e c t i o n sw o r t ho fp u r s u i n gw i l lb es u g g e s t e d .

e a tt r a n s p o r te n h a n c e m e n tp l a y sa ne v e ri n c r e a s i n gr o l ei nm a n ya d v a n c e d

I n t r o d u c t i o n

I t i s e v i d e n tt h a ti n t h ep a s tf e wd e c a d e sh e a tg e n e r a t i o ni n i n d i v i d u a lp o w e r

d e v i c e s ,i n t e g r a t e dc i r c u i t sa n de v e nc o m p l e t ee l e c t r o n i cs y s t e m sa r e i n c r e a s i n g

d r a m a t i c a l l y ,w h i c hh a sp r o m p t e dt h eu r g e n tn e e dt o i m p r o v eh e a tt r a n s f e r

p e r f o r m a n c e .T h e s ed e v i s e ,s u c ha se l e c t r o n i cc o m p o n e n t s ,c o m p u t e r sa n db a s e


14/68


s t a t i o n s ,u s u a l l yp r o d u c eh i g hh e a tf l u xo f1 0 0 – 1 , 0 0 0W / c m 2[ 1 ] .T h e r e f o r e ,a n

e f f e c t i v et h e r m a lm a n a g e m e n ti se s s e n t i a lt om a i n t a i nt h e i rt e m p e r a t u r e su n d e ra na p p r o p r i a t ev a l u e s oa st oe n s u r eo p t i m u mp e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y .O v e rt h ep a s tf e wy e a r s ,s i g n i f i c a n ta d v a n c e sh a v eb e e nm a d ei nt h ee n h a n c e m e n to f h e a t

t r a n s f e r t om a n a g ei n c r e a s e d h e a tf l u x e s .H o w e v e r , m o s to f t h ec u r r e n t l ya v a i l a b l e

t h e r m a lm a n a g e m e n tt e c h n i q u e sa r eg e n e r a l l ye n c o u n t e r i n gb o t t l e n e c kw i t ht h e

e v e ri n c r e a s i n gp o w e rd e n s i t yo fe l e c t r o n i cc o m p o n e n ta n dt h em o r ec o m p a c t

p a c k a g et e c h n o l o g yi n p o w e rs y s t e m s ,l e a d i n gt o t h ee x t r e m e l yh i g hp o w e ri n

m a n ye l e c t r o n i cd e v i c e s ,a sp r e s e n t e di nF i g u r e1 .

F i g u r e1 H e a tf l u xa n dp o w e ro fe l e c t r o n i cp r o d u c t sa n dd e v i c e s

I ng e n e r a l ,t h ee n h a n c e m e n to f h e a tt r a n s f e rm e a n sa ni n c r e a s ei nh e a tt r a n s f e r

c o e f f i c i e n t[ 2 ] .C o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a la i r - c o o l e ds c h e m e ,t h e l i q u i d - c o o l e d

a p p r o a c hw o u l dd i s p l a ym u c hb e t t e rp e r f o r m a n c ef o re l e c t r o n i cc o m p o n e n t s ,o f f e r i n gs i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n t si nc i r c u i td e n s i t ya n dh e a tr e m o v a lc a p a b i l i t y

[ 3 ] .D i r e c t o ri n d i r e c tl i q u i dc o o l i n gb yu s eo fd i e l e c t r i cl i q u i d s ,i n c l u d i n gw a t e r

2


15/68


a n ds e v e r a lo r g a n i cl i q u i d s ,h a sl o n gb e e nc o n s i d e r e da s p r o m i s i n gc o o l i n g

s c h e m e s[ 4 ] .H o w e v e r ,t h ec o n t i n u o u si n c r e a s ei np o w e rf o re l e c t r o n i cd e v i c e sh a sb r o u g h ta b o u tt o u g hc h a l l e n g e sf o rt h et h e r m a lm a n a g e m e n to f e l e c t r o n i c

p a c k a g i n g ,l e a d i n gt o t h en e c e s s i t yf o rf i n d i n gn e wc o o l a n t sw i t ht h eh i g h e r

t h e r m a lc o n d u c t i v i t y ,w h i c hi s e x p e c t e dt o r e s u l ti n s u p e r i o rh e a tt r a n s f e r

c o e f f i c i e n t s .

T h i sc h a p t e rw i l lc o n c e n t r a t eo ni l l u s t r a t i n ga n e w l ye m e r g i n gm e t h o dl e a d i n gt o

h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n to f e l e c t r o n i c ,o p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sa n dp o w e r

s y s t e m st h a ta r e o fs p e c i a li n t e r e s tw i t ht h ef l u i d - c o o l e ds c h e m e .T h er o o m

t e m p e r a t u r el i q u i dm e t a l w i t h h i g h t h e r m a lc o n d u c t i v i t yi s p r e s e n t e dt or e p l a c e

d i e l e c t r i cl i q u i d s i no r d e rt oe n h a n c eh e a tt r a n s f e ra n dt h u sb e t t e rs e r v ef o rt h e

n e e do fm a n yh i g h - t e c ha r e a s .

1 -B r i e fo nc o n v e n t i o n a le n h a n c e dh e a tt r a n s f e r

A i m i n gt op r o v i d ea b a c k g r o u n df o rt h er e a d e r st oc o m p a r ea n dd i g e s tt h en e w

m e t h o d ,w ef i r s tb r i e f l yr e v i e wi nt h i ss e c t i o n t h es t a t eo f t h ea r to fc o n v e n t i o n a le n h a n c e dh e a tt r a n s f e ri n e l e c t r o n i c s i n d u s t r y ,w h i c hc a nb em a i n l yc l a s s i f i e di n t o

t w oc a t e g o r i e s :e n h a n c e dh e a tc o n d u c t i o na n de n h a n c e dh e a tc o n v e c t i o n .A m o n g

t h em a n yh e a tt r a n s f e rs t r a t e g i e se v e rd e v e l o p e d ,a h e a tp i p eo rh e a tp i ni n v e n t e d

i n6 0 t ho fl a s tc e n t u r yi sa d e v i c et h a tc a nq u i c k l yt r a n s f e rh e a tf r o m o n ep o i n tt o

a n o t h e r .

I t sw o r k i n gf l u i d sg e n e r a l l y i n c l u d ew a t e r ,e t h a n o l ,a c e t o n e ,s o d i u m ,o rm e r c u r y ,

w h i c ha r ec h o s e nd e p e n d i n go nt h ew o r k i n gc o n d i t i o n so f t h et h e r m a l l ym a n a g e ds y s t e m .A tt h eh o ti n t e r f a c ew i t h i na h e a tp i p e ,w h i c hi s t y p i c a l l ya ta v e r yl o w

p r e s s u r e ,a l i q u i d i nc o n t a c tw i t ht h et h e r m a l l yc o n d u c t i v es o l i ds u r f a c et u r n si n t o

v a p o rb ya b s o r b i n gh e a tt h e r e .T h ev a p o rc o n d e n s e sb a c ki n t ol i q u i da tt h ec o l d

i n t e r f a c e ,r e l e a s i n gt h el a t e n th e a t .T h el i q u i dt h e nr e t u r n s t ot h eh o ti n t e r f a c e

t h r o u g he i t h e rc a p i l l a r yf o r c eo rg r a v i t y a c t i o nw h e r ei t e v a p o r a t e so n c em o r ea n d

r e p e a t st h ec y c l e[ 5 ] ,a ss h o w ni nF i g u r e2 .H e a tp i p e sa r e o f t e nr e f e r r e d t oa st h e

3


16/68


s u p e r c o n d u c t o r so f h e a ta st h e y p o s s e s sa ne x t r a o r d i n a r yh e a tt r a n s f e rc a p a c i t y

a n dr a t ew i t h a l m o s tn oh e a tl o s s .T h e yh a v eb e e n ,a n da r ec u r r e n t l yb e i n g ,s t u d i e df o ra v a r i e t yo fa p p l i c a t i o n s[ 6 ] ,i n c l u d i n ga l m o s tt h ee n t i r es p e c t r u mo f

t e m p e r a t u r e se n c o u n t e r e di n h e a tt r a n s f e r a r e a s ,s u c ha s s p a c ec r a f t s ,a i r

c o n d i t i o n e r s ,r e f r i g e r a t o r s ,h e a te x c h a n g e r s ,t r a n s i s t o r s ,c a p a c i t o r sa n d c o m p u t e r

s y s t e m s ,e t c .

F i g u r e2 P r i n c i p l eo ft h e h e a tp i p et h e r m a lc y c l e( M o d i f i e df r o mR e f .[ 5 ]

H e a tt r a n s f e rb e t w e e ns o l i di n t e r f a c e sc a nb em o r ec o m p l i c a t e d ,w h e r ei t i s

d e s i r e dt oh a v ea m i n i m a lt h e r m a lr e s i s t a n c eb e t w e e nt h et w os u r f a c e si nc o n t a c t[ 7 – 9 ] .T h et h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c e v a r i e sc o n s i d e r a b l yd e p e n d i n go n t h e

i n t e r f a c eg e o m e t r y[ 1 0 ] .U s u a l l y ,o n l ya s m a l la r e aw o u l dh a v ea c t u a lm e c h a n i c a l

c o n t a c tb e t w e e nt h et w os u r f a c e sa tt h ei n t e r f a c ed u et oe x i s t e n c eo fw a v i n e s sa n d

r o u g h n e s s ,w h i c hw i l lh a v es i g n i f i c a n ti m p a c to nt h eh e a tc o n d u c t i o na c r o s st h e

i n t e r f a c e ,a st h e r ew i l lb eg a p sf i l l e dw i t hl o wt h e r m a lc o n d u c t i v i t ya i r .I no r d e rt o

m i n i m i s et h et h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c e ,f i l l e rm a t e r i a l sa r e t h e r e f o r eo f t e n

r e q u i r e dt oe n h a n c et h ec o n t a c tb e t w e e nt h em a t i n gs u r f a c e s .T h e s em a t e r i a l sa r e

w e l lk n o w na st h e r m a li n t e r f a c em a t e r i a l s( T I M ) ,a ss h o w ni nF i g u r e3 .

4


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S o l i d1

S o l i d2 T I M

F i g u r e3 T I Mf i l l i n gg a p sb e t w e e ns o l i di n t e r f a c e s

T h ep e r f o r m a n c eo fa t h e r m a li n t e r f a c em a t e r i a ld e p e n d so ni t sc o n f o r m a b i l i t y ,

t h e r m a lc o n d u c t i v i t y ,a n dt h i c k n e s s[ 1 1 ] .C u r r e n t l ya v a i l a b l eT I M si n c l u d et h e r m a lg r e a s e sa n dg e l s ,e l a s t o m e r i c p a d s ,t h e r m a lt a p e s ,p h a s ec h a n g em a t e r i a l s ,

t h e r m a l l yc o n d u c t i v ea d h e s i v e sa n ds o f tm e t a l s[ 1 2 , 1 3 ] .M o s tT I M s ,e x c e p tp u r e

m e t a l s , a r ec o m p o s e do fa p o l y m e rm a t r i x t h em o s tc o m m o nm a t r i xi ss i l i c o n ef i l l e dw i t ht h e r m a l l yc o n d u c t i v ep a r t i c l e s[ 1 4 ] .S u c hm a t e r i a l sp r o v i d ea r e l a t i v e l yh i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t y ,b u tn o n eo ft h e mi sa b l et oa t t a i nt h et h e o r e t i c a ll i m i t

o fc o n d u c t i v i t yt h a tt h ef i l l e r sp o s s e s s ,p r i m a r i l yb e c a u s eo f t h eh i g hi n t e r f a c i a l

t h e r m a lr e s i s t a n c eb e t w e e nt h ep a r t i c l e sa n dt h ep o l y m e rm a t r i xi n t h e

h e t e r o g e n e o u sm i x t u r e .A sa r e s u l t ,t h eb u l k t h e r m a lr e s i s t a n c ed u et o h e a tc o n d u c t i o nw i t h i nt h em a t e r i a lb e c o m e sa b o t t l e n e c ka s i n t e r f a c et h i c k n e s s

i n c r e a s e s[ 1 5 , 1 6 ] .S of a r ,r e s e a r c ho nT I M sh a s f o c u s e do ni m p r o v e dg e l s[ 1 7 ] ,

t h eu s eo f m o r ea d v a n c e df i l l e r ss u c ha s g r a p h i t e n a n o p l a t e l e t s[ 1 8 ] ,a n dt h e

f a b r i c a t i o no fT I M su s i n gc a r b o n n a n o t u b ea r r a y s( C N T s )[ 1 9 – 2 1 ] .A t h e r m a li n t e r f a c er e s i s t a n c ea sl o wa s1 9 . 8m m 2 K W - 1h a sb e e nr e p o r t e d[ 2 0 ] .T h et h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c ec a nb er e d u c e db yc o a t i n gt h et i p so f t h eC N T sw i t hm e t a l s[ 2 2 ] ,o rb yu s i n gt h e r m o c o m p r e s s i o nb o n d i n go fC N T s[ 2 3 ] .T h eh e a tc o n v e c t i o nt e c h n i q u e sa r e t h em o s tc o m m o ne n h a n c e m e n tw a y si n

v a r i o u s h e a tt r a n s f e ra p p l i c a t i o n ,w h i c hc a nb ed i v i d e di n t ot w oc a t e g o r i e sa c c o r d i n gt o B e r g l e s[ 2 4 ] :n a m e l ya c t i v ea n dp a s s i v et e c h n i q u e s .T h ea c t i v e

t e c h n i q u e sr e q u i r e e x t e r n a lf o r c e s ,w h i l et h ep a s s i v eo n e sn e e dn o d i r e c t

a p p l i c a t i o no fe x t e r n a lp o w e r .T a b l e1 l i s t e dm o s to ft h e c u r r e n t l y a v a i l a b l ea c t i v e

a n dp a s s i v et e c h n i q u e s .O v e r a l l ,t h e i re f f e c t i v e n e s si s s t r o n g l yd e p e n d e n to nt h e

m o d eo fh e a tt r a n s f e r .

5


18/68


T a b l el A c t i v ea n dp a s s i v et e c h n i q u e s[ 2 5 - 2 7 ]

A c t i v et e c h n i q u e s P a s s i v et e c h n i q u e sm e c h a n i c a la i d s t r e a t e ds u r f a c e s ( c o a t i n g sa n d

p r o m o t e r s )

s u r f a c ev i b r a t i o n r o u g hs u r f a c e s

f l u i dv i b r a t i o n( i n c l u d i n gu l t r a s o u n d )e x t e n d e ds u r f a c e s

e l e c t r o s t a t i c f i e l d s d i s p l a c e de n h a n c e m e n td e v i c e s

o t h e re l e c t r i c a lm e t h o d s s w i r lf l o wd e v i c e s

m a g n e t i cf i e l d s s u r f a c et e n s i o nd e v i c e s

a c o u s t i cf i e l d s p o r o u ss t r u c t u r e s

s u c t i o no ri n j e c t i o n a d d i t i v e s f o rg a s e sa n dl i q u i d s

j e ti m p i n g e m e n t c o i l e dt u b e s

R o t a t i o n s u r f a c ec a t a l y s i s

i n d u c e df l o wi n s t a b i l i t i e s e . g .p u l s e s )g r o o v e sa n dr i v u l e t s

C u r r e n t l y , t h e a p p l i c a t i o n o fa c t i v et e c h n i q u e si s l i m i t e db y h i g hp o w e r

c o n s u m p t i o na n di n c o n v e n i e n tu n d e rc o m p a c ts i t u a t i o n s ,a sw e l la sc o s t ,n o i s e ,

s a f e t yo r r e l i a b i l i t ya s s o c i a t e dw i t ht h ee n h a n c e m e n td e v i c e[ 2 8 ] .F o rp a s s i v e

t e c h n i q u e s ,t h e i ri n h e r e n tl i m i t a t i o nl i e si nt h er e l a t i v e l yl o wt h e r m a lc o n d u c t i v i t y

o fh e a tt r a n s f e r f l u i d s[ 2 6 ] .T h e r e f o r e ,t w oo rm o r eo ft h ea b o v et e c h n i q u e sm a y

b e u t i l i z e ds i m u l t a n e o u s l yt o p r o d u c ea n e n h a n c e m e n ta n dd i m i n i s ht h e

l i m i t a t i o n ss h o w nw h e nt h e i n d i v i d u a lt e c h n i q u e sa r ea p p l i e ds e p a r a t e l y ,i . e .c o m p o u n de n h a n c e m e n t[ 2 9 ] ,w h i c hi s c a l l e d‘ ‘ t h i r dg e n e r a t i o n ’ ’h e a tt r a n s f e r

t e c h n o l o g y[ 3 0 ] .

2 -E n h a n c e dh e a tt r a n s f e rb yl i q u i dm e t a l

2 - 1 -R e d u c i n gt h e r m a li n t e r f a c e r e s i s t a n c e

T h ee f f e c t i v et o t a lt h e r m a li n t e r f a c er e s i s t a n c eb e t w e e nt w om a t e r i a l si sa s u mo ft h er e s i s t a n c ed u et o t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f t h eT I Ma n dc o n t a c tr e s i s t a n c eb e t w e e nT I Ma n dt h et w oc o n t a c t i n gs u r f a c e s . t i sg e n e r a l l ye x p r e s s e da s[ 1 2 ] :

6


19/68


B L TRe f f e c t i v e

1 2cR+ 1T I MA

w h e r e ,B L Ta n dk T I Ma r e t h eb o n dl i n et h i c k n e s sa n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft h ei n t e r f a c em a t e r i a l r e s p e c t i v e l ya n dA i s t h ea r e a ;R c 1a n dR c 2 a r ec o n t a c tr e s i s t a n c e so f t h eT I Ma tt h eb o u n d a r yw i t ht h et w os u r f a c e s .T h ev a l u eo fR e f f e c t i v ec a nb em i n i m i s e db yr e d u c i n gt h eb o n dl i n et h i c k n e s sa n d e m p l o y i n ga T I Mw i t ht h eh i g h e s tp o s s i b l et h e r m a lc o n d u c t i v i t y , a sw e l la sr e d u c i n gs u r f a c er o u g h n e s s

a n da p p l y i n gp r e s s u r et or e d u c ec o n t a c tr e s i s t a n c e[ 3 1 ] .T h es u r f a c er o u g h n e s so f

c o n t a c t i n gs u r f a c e sd e p e n d so nt h et e c h n i c a ll e v e lo f t h em a n u f a c t u r e ,w h i c hi s

d i f f i c u l ti n t h es h o r tr u nt o i m p r o v e .T h e r e f o r , t h ec h o i c eo fa T I Mw i t hh i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t yi sc r u c i a l .

L i q u i d sh a v el o wi n t e r f a c i a lr e s i s t a n c eb e c a u s et h e yw e ta s u r f a c ef o r m i n ga

c o n t i n u o u sc o n t a c tw i t ha l a r g ea r e a .M o s tl i q u i d s ,e s p e c i a l l yc o n v e c t i o n a lh e a t

t r a n s f e rf l u i d s ,s u c ha sw a t e r ,o i la n de t h y l e n eg l y c o ld on o t ,h o w e v e r ,h a v ev e r y

h i g hc o n d u c t i v i t y .S o l i d s ,a n di np a r t i c u l a rm e t a l s ,h a v ev e r y h i g hc o n d u c t i v i t y

b u th i g hi n t e r f a c i a lr e s i s t a n c e[ 3 2 ] .T h el i q u i dm e t a la n di t sa l l o yw i t h al o w

m e l t i n gt e m p e r a t u r e ,p o t e n t i a l l yo f f e r i n gb o t hl o wi n t e r f a c i a lr e s i s t a n c ea n dh i g h

c o n d u c t i v i t y ,c a nb ea v e r yp r o m i s i n gt h e r m a li n t e r f a c e s o l u t i o n .I t c a nr e d u c e

t h e r m a li n t e r f a c er e s i s t a n c eo f a m e t a l - t o - m e t a lj o i n tb ya f a c t o ro f 1 0[ 3 3 ] .

T h e r m a lp e r f o r m a n c eo fs u c ha ni n t e r f a c ec o u l db e c o m em o r et h a no n eo r d e ro f

m a g n i t u d eg r e a t e rt h a nm a n ya d h e s i v e st y p i c a l l yi nu s e[ 3 2 ] .C o m m o nc a n d i d a t e sf o rs u c hm e t a l si n c l u d eg a l l i u m ,g a l l i u m - b a s e da l l o y s ,m e r c u r y a n dp o t a s s i u m

s o d i u ma l l o y ,e t c .I n g e n e r a l ,a l l o y sc o m p r i s e do f t h ef e w e s tn u m b e ro f

c o n s t i t u e n t sp o s s e s st h eh i g h e s tt h e r m a lc o n d u c t i v i t i e s ,t h ec o m p o s i t i o no fw h i c hi s c h o s e nf o ra d e s i r e dm e l t i n gp o i n t .S u c hm e t a l sm e l tb e l o wt h eo p e r a t i n g

t e m p e r a t u r eo ft h ed e v i c ea n dr e m a i na t l i q u i ds t a t es oa s t o f l o wi n t oa l lt h e

s u r f a c ea s p e r i t i e so f t h ei n t e r f a c e .F i g u r e4 s h o w st h ee v o l u t i o no fc o m m o nT I Mm a t e r i a l sa n dt h ep o t e n t i a lf o rl i q u i dm e t a la l l o y s L M A s )t o s a t i s f yt h e

c o n t i n u o u s l ys h r i n k i n gt h e r m a l b u d g e t so f t h en e x tg e n e r a t i o no f e l e c t r o n i c s

=

c o m p o n e n t s .

7


20/68


F i g u r e4 E v o l u t i o no fc o m m o nT I Mm a t e r i a l s( M o d i f i e df r o mR e f .[ 3 4 ] )

S i n c el i q u i dm e t a l sa r el i q u i da t t h ec r i t i c a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n ,l o wc o n t a c tp r e s s u r ei s r e q u i r e dt of o r c e t h el i q u i dm e t a l si n t ot h ei n t e r s t i t i a lv o i d s .A n o t h e r

a d v a n t a g el i e si ni t se a s ei nd i s a s s e m b l yo ft h ej o i n ta f t e rc o o ld o w ns i n c em a n y

l i q u i dm e t a l sd on o ta d h e r et os u r f a c e su n l e s st h e ya r ec l e a na n df r e eo fo x i d a t i o n

[ 3 3 ] .f u r t h e r m o r e ,s i n c et h e yc o n t a i nn oo r g a n i cm a t e r i a l s ,t h e yd on o tr e q u i r ec u r i n gd u r i n ga p p l i c a t i o n[ 3 1 ] .

L i q u i d m e t a l sh o w e v e rh a v et h e i rd r a w b a c k s .D r i p - o u tc a nb e a p r o b l e m

p a r t i c u l a r l y i nv e r t i c a l l yo r i e n t e di n t e r f a c e s[ 3 2 ] .T h e r m a lc y c l i n gh a sb e e ns h o w n

t o l e a dt o c r e a t i o no fv o i d si n t h ei n t e r f a c e .I n t e r m e t a l l i cg r o w t h ,o x i d a t i o n/

c o r r o s i o na l s ol e a dt o t h eg r a d u a ld e c r e a s ei n p e r f o r m a n c ea n dt h ee v e n t u a l

t h e r m a lf a i l u r e[ 3 2 ] .C o r r o s i o nm a yh o w e v e rb em i n i m i s e db yu s i n ga n e a rh e r m e t i cs e a lb e t w e e nt h ep a c k a g el i da n dp a c k a g es u b s t r a t e .

S of a r ,s e v e r a ll i q u i dm e t a lT I Mp r o d u c t sh a v e b e e nm a r k e t e d ,t a r g e t i n gt h eC P Ua p p l i c a t i o n sw i t ht h e i rm e l t i n gp o i n t sa p p r o x i m a t e l y2 0 ° Cb e l o wt h em a x i m u mo p e r a t i n gt e m p e r a t u r e so ft y p i c a lm i c r o p r o c e s s o r s :E n e r d y n eS o l u t i o n sI n d i g o T M[ 3 5 ]a n dT h e r m a xH i F l u x[ 3 6 ]a r et w oe x a m p l e so fs u c hp r o d u c t s .

8


21/68


2 - 2 -E n h a n c i n gc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r

T h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d st oe n h a n c ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc o u l di n c r e a s e t h ec o o l i n gr a t et os o m ee x t e n t .H o w e v e r ,t h ei n h e r e n t l yp o o rt h e r m a lp r o p e r t i e so f

t r a d i t i o n a lh e a tt r a n s f e r f l u i d ss u c ha s w a t e r ,e t h y l e n eg l y c o lo re n g i n eo i lg r e a t l y

l i m i tt h ec o o l i n gp e r f o r m a n c eo f t h et h e r m a lm a n a g e m e n ts y s t e m .T h u s ,t h e s e

c o n v e n t i o n a l c o o l i n gt e c h n i q u e sa r eg e n e r a l l yn o ts u i t a b l et om e e tt h ec o o l i n g

d e m a n do fm a n yh i g h - t e c hi n d u s t r i e s[ 3 7 ] .I t i s w e l lk n o w nt h a tm e t a lp o s s e s s

o r d e r - o f - m a g n i t u d el a r g e rt h e r m a lc o n d u c t i v i t yt h a nn o n m e t a l , s oo n em i g h t

a n t i c i p a t et h a tl i q u i dm e t a l sc a nb eu s e dt o d ot h ec o o l i n gt a s k .F o re x a m p l e

g a l l i u mh a ss u p e r i o rt h e r m a lf e a t u r e st h a tr e n d e ri t t o b ee x c e l l e n tf o rs u c h ap u r p o s e[ 3 8 ] .

T h ec o n v e c t i v ec o e f f i c i e n to fl i q u i dm e t a li sm u c hh i g h e rt h a nt h a to fw a t e ra n d

c a nb eo v e r1 ×1 0 5W / m 2 · ° Cd u et o i t sh i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t y[ 3 9 ] .T h e

i n c r e a s ei nt h ec o n v e c t i v ec o e f f i c i e n tw o u l dc o n s i s to f :

a T h er e d u c t i o ni n t h e s u r f a c es i z eo ft h eh e a t i n ge l e m e n t sf o rg i v e nr a t i n g s ,

w h i c hi sb e n e f i c i a l f o rc o m p a c tp a c k a g e . b T h ei n c r e a s ei nh e a te m i s s i o nr a t e st h r o u g ha g i v e ns i z eo f h e a t i n ge l e m e n t st o

p r e v e n t o v e r h e a t i n go f t h ed e v i c e s .

M o r e o v e r ,t h ee l e c t r i c a l l yc o n d u c t i v ef e a t u r eo f l i q u i dm e t a l sa l l o w si t t o b e

d r i v e nb ye l e c t r i c a lo rm a g n e t i cm e t h o d s .T h u s ,h i g h e rd r i v i n ge f f i c i e n c ya n d

a b s o l u t e l ys i l e n to p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i cc a nb ea c h i e v e dd u et on om o v i n gp a r t s .

E x c e p tf o rm e c h a n i c a lf o r c e[ 4 0 ] ,t h ee l e c t r i c a lo rm a g n e t i cf i e l d s[ 4 1 ,4 2 ] ,o t h e r

h e a tc o n v e c t i o ne n h a n c e m e n tt e c h n i q u e sa sm e n t i o n e di n t h el a s ts e c t i o nc o u l d

a l s ob e u t i l i z e di n l i q u i dm e t a lc o o l i n gc a s es o a s t o f u r t h e rp r o d u c ea np e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t .

3 -F u n d a m e n t a l si nr o o mt e m p e r a t u r el i q u i dm e t a lh e a tt r a n s f e rC o m p a r e dt o c o n v e n t i o n a lh e a tt r a n s f e rf l u i d s ,l i q u i dm e t a l sw i t hl o wm e l t i n gp o i n ta r ee s p e c i a l l yd e s i r a b l ef o rt h e r m a lm a n a g e m e n to f h i g hp o w e rd e n s i t y

d e v i c e sd u et o t h e i rh i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y ,l o w

9


22/68


v a p o rp r e s s u r e ,l o wd i s s o l u t i o ni n w a t e ra n de x t e n s i v et e m p e r a t u r er a n g eo v e r

w h i c ht h e yr e m a i ni nt h el i q u i dp h a s e[ 3 8 ] .T h e r m a lc o n d u c t i v i t i e so fw a t e r( 0 . 6 0 7 W / m K )a n de n g i n eo i l( 0 . 1 4 5 W / m K )a r e

a b o u t5 0t i m e sa n d2 0 0t i m e s ,r e s p e c t i v e l ys m a l l e rt h a nt h a to fl i q u i dm e t a l s e . g .9 . 4W / m Kf o rg a l l i u m ) ,w h i c ha c c o u n t sf o rh i g hh e a tt r a n s f e rr a t e so f l i q u i d

m e t a l s .T h eh e a tt r a n s f e r t ol i q u i dm e t a l ss i g n i f i c a n t l yd i f f e r sf r o mt h e h e a t

t r a n s f e rt ow a t e r .T h em a i nr e a s o nf o rs u c hd i f f e r e n c ei st h a tl i q u i dm e t a l sh a v ea

v e r yl o wP r a n d t ln u m b e r P r ,e . g . r a t i oo ft h ev i s c o s i t y t ot h e r m a ld i f f u s i v i t y[ 4 3 ] ,w h i c hi so fl o wo r d e r o f1 0 - 2t o1 0 - 3c o m p a r e dt ow a t e r( P r= 6 . 8 ,d u et ot h e

v e r yh i g ht h e r m a ld i f f u s i v i t ya n dv e r yl o wk i n e m a t i cv i s c o s i t yo fl i q u i dm e t a l s .I n

o t h e rw o r d s ,t h e c o n t r i b u t i o nt o t h et o t a lh e a tt r a n s f e rf r o mt h et h e r m a l

c o n d u c t i v i t y( c o m p a r e dt ot h e c o n t r i b u t i o nf r o mt h ec o n v e c t i o n )i s m u c hh i g h e r

f o rl i q u i dm e t a lc o m p a r e dt ow a t e r[ 4 3 ] .

F u r t h e r m o r e ,h i g he l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ye n a b l e sl i q u i dm e t a l st o b ep u m p e d

e f f i c i e n t l yw i t hc o m p a c tm a g n e t o - f l u i dd y n a m i c M F D )p u m p s ,w h i c ha r ec h a r a c t e r i z e db ys i l e n t ,v i b r a t i o n - f r e e ,a n dl o we n e r g yc o n s u m p t i o nr a t e s[ 4 4 ,4 5 ]

b e c a u s eo ft h ea b s e n c eo fm o v i n gc o m p o n e n t s .L i q u i d m e t a lc a ne v e nr e a l i z eh i g h

e f f i c i e n c ys e l f - d r i v i n gt h r o u g hi t s t h e r m o s y p h o ne f f e c ta n dw i l lo f f e rb e t t e r

c o o l i n gc a p a b i l i t yt h a nt h a to fw a t e ru n d e rt h es a m es i t u a t i o n s[ 4 6 , 4 7 ] .

A l s o ,t h en o r m a lb o i l i n gp o i n t so fl i q u i dm e t a l sa r eg e n e r a l l yh i g h ,a n dh e n c et h e

l i q u i dm e t a ls y s t e m sc a nb eo p e r a t e da t n e a ra t m o s p h e r i cp r e s s u r e s ,a n dl i q u i d

m e t a l sc a nr e m a i ni n l i q u i ds t a t ea th i g h e rt e m p e r a t u r ec o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a l

f l u i d sl i k ew a t e ra n dv a r i o u so r g a n i cc o o l a n t sw h i c hm a k e st h ed e s i g no f a

c o m p a c th e a te x c h a n g e rp o s s i b l e .T h ek e ya d v a n t a g e so fu s i n gl i q u i dm e t a la s t h ec o o l a n ti s t h a tt h e yd on o tr e q u i r eo p e r a t i o na th i g hp r e s s u r ei no r d e rt oo b t a i n

h i g ht e m p e r a t u r e sa n du s u a l l y ,t h em e l t i n gt e m p e r a t u r e sa r el o we n o u g hs u c ht h a t

t h e yc a nb eu s e da s c o o l a n t si nt h e r m a ld e v i c e s ,s u c ha sc o m p a c th e a te x c h a n g e

s y s t e m s .A sa r e s u l t ,t h e i ru s eu s u a l l yi n v o l v e sp r e s s u r ew h i c hi ss m a l lc o m p a r e d

t ot h e r m o d y n a m i cc r i t i c a lp r e s s u r e o ft h ef l u i d[ 4 8 ] .

1 0


23/68


S i n c ec o n v e n t i o n a lf l u i d sh a v er e l a t i v e l ys m a l lv i s c o s i t i e s ,t h e i ra p p l i c a t i o na s

c o o l a n t so rh e a te x c h a n g ef l u i d sa l m o s ta l w a y si n v o l v e st u r b u l e n tf l o w .W h e nt h ef l o wi st u r b u l e n t ,m o l e c u l a ra n dt u r b u l e n td i f f u s i o no fh e a ti nt h ed i r e c t i o no ft h e

d u c ta x i s a r e n e g l e c t e d .W i t ht h el a m i n a rf l o wo fl i q u i dm e t a l s ,h o w e v e r ,t h e

a s s u m p t i o ni s n o tj u s t i f i e d .B e c a u s eP e c l e tn u m b e r s i . e . ,t h ep r o d u c to f t h e

P r a n d t la n dd u c tR e y n o l d sn u m b e r )a r el e s st h a nu n i t y ,c o n v e c t i v et r a n s p o r ti s

s m a l lr e l a t i v et o m o l e c u l a rd i f f u s i o na n da x i a lh e a tc o n d u c t i o nm a yp l a y

i m p o r t a n tr o l e[ 4 9 , 5 0 ] .T h ei m p o r t a n td i f f e r e n c eb e t w e e nl i q u i dm e t a l sa n d

n o n m e t a l l i cf l u i d si nt u r b u l e n tf l o w si s t h a tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n si nt h el a t t e r

a r er e l a t i v e l yi n s e n s i t i v e t o l o c a lc h a n g e sa tt h ed u c tw a l l sa n dt h u st ob o u n d a r y

c o n d i t i o n sa n dt od u c ts h a p e .L i q u i d m e t a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n sh o w e v e rc a n

b eq u i t e s e n s i t i v et ob o u n d a r yc o n d i t i o n s[ 4 8 ] .

A m o n gv a r i o u sk i n d so fl i q u i dm e t a l s ,m e r c u r yh a sb e e nu s e di ns o m ee a r l i e rv e r s i o n so ff a s tb r e e d e rr e a c t o r s . t w a so f t e na d o p t e da sa t h e r m a lw o r k i n gf l u i d

i nm a c r os c a l es y s t e m sf o rm a n yy e a r s ,b e f o r ei t sd a n g e r sw e r ew e l l u n d e r s t o o d .T h ed e t a i l s r e f e rt oR e f[ 5 1 ] .

S o d i u ma n dp o t a s s i u ma r ea l s ov e r yg o o dc o o l i n gf l u i d s ,a n dN a K s o d i u mp o t a s s i u ma l l o yh a sb e e nw i d e l yu s e di n f a s tb r e e d e rr e a c t o r s .S o d i u mi s a

n o r m a lc o o l a n tu s e di nl a r g ep o w e rs t a t i o n s ,a n db o t hl e a da n dN a Kh a v eb e e nu s e ds u c c e s s f u l l yf o rs m a l l e r g e n e r a t i n gr i g s .H o w e v e r ,t h e ya r e q u i t er e a c t i v et o

a i ra n dw a t e r ,a n da r et h e r e f o r ec o n s i d e r e df i r eh a z a r d s .

R e c e n t l y ,g a l l i u ma n di t sa l l o y sh a v e b e e np r o v e nt ob ep e r f e c tw o r k i n gf l u i d sf o r

r o o m - t e m p e r a t u r ea p p l i a n c e se s p e c i a l l yc o m p u t e rc h i p ,L E Dl a m pe t c .[ 3 8 ,4 2 ,

4 4 ,5 2 ] .G a l l i u m( G a )b e l o n g st oG r o u pI I Io f t h e p e r i o d i cs y s t e ma n df a l l si nt h ec a t e g o r yo fn a t u r a l l y s c a t t e r e de l e m e n t s .I t sc o n t e n ti nt h ee a r t hc r u s ti s 1 5g / t .

G a l l i u mc a nb ee x t r a c t e df r o mt h ea l u m i n u m - c o n t a i n i n gm i n e r a l ,p r o d u c t so f

l e a d – z i n cp r o d u c t i o n , c o a lc o m b u s t i o np r o d u c t s ,e t c .Y e t ,t h em a i ns o u r c eo f

g a l l i u mp r o d u c t i o ni s p r o v i d e db ya l k a l is o l u t i o n si n t h ep r o d u c t i o no fa l u m i n a[ 5 3 ] .I th a sa h i g hs p e c i f i ch e a t c a p a c i t yp e ru n i tv o l u m e ,a l o wv a p o rp r e s s u r ea t

r o o mt e m p e r a t u r e ,a l e s sr e a c t i v en a t u r ew h e ne x p o s e dt oo x y g e na n dw a t e r ,a n da

1 1


24/68


h i g hs u r f a c et e n s i o nw h i c hi m p e d e sl e a k a g e ,a n dt h e s ef e a t u r e sw a r r a n tt h ef u t u r e

a p p l i c a t i o n so fg a l l i u mi nt h et h e r m a lm a n a g e m e n to fh i g hh e a tf l u xd e n s i t ya r e a .G a l l i u m f o r m sa l l o y sc h a r a c t e r i z e db ys p e c i f i cp r o p e r t i e sw i t ht h em a j o r i t yo f

m e t a l sa n dm e t a l l o i d s .M a n yo f t h eg a l l i u m - b a s e da l l o y sa r el o w - m e l t i n g ;t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs o m em e t a l sa r ee n h a n c e dw h e ns e e d e d

w i t hg a l l i u m[ 5 3 ] .G a l l i u m - b a s e da l l o y sm a i n l yc o n s i s to f g a l l i u m ,i n d i u m ,a n d

t i n ,o rt w oo f t h e t h r e et y p e s .G a l l i u ma n di t sa l l o y sa r eu s e da sa r e p l a c e m e n tf o r

m a n ya p p l i c a t i o n st h a tp r e v i o u s l ye m p l o y e dt o x i cl i q u i dm e r c u r yo rr e a c t i v eN a Kb e c a u s eo ft h e i rl o wt o x i c i t ya n dt h el o wr e a c t i v i t yo fi t sc o m p o n e n tm e t a l s .

F u r t h e r m o r e ,a l ll i q u i dm e t a l sd on o tb e h a v es i m i l a r l y f o rf o r c e dc o n v e c t i o nc a s e[ 5 4 ] .A l t h o u g h a na m a l g a mo fm a g n e s i u ma n dm e r c u r yw a sp r o v e dt oc o n f o r mt o

t h es a m el a w sa s t h e b o i l i n go fn o n m e t a l l i cl i q u i d s[ 5 5 ] ,t h ei n d i c a t i o n sa r en o t

c l e a r f o rg a l l i u m[ 5 1 ] .G a l l i u mh a sm u c hh i g h e r e v a p o r a t i o np o i n tc o m p a r e dt o

m e r c u r ya n dw a t e r( 2 2 0 4 . 8 ° Cf o rg a l l i u m ,3 5 6 . 6 5 ° Cf o rm e r c u r y ,a n d1 0 0 ° Cf o r

w a t e r .T h e r e f o r e ,i tc a nr e m a i ni na s i n g l el i q u i dp h a s ew i t h i na w i d et e m p e r a t u r e

r a n g e ,w h i c hm a k e si t p o s s i b l et ob r e a kt h er e s t r i c t i o no f t h ec r i t i c a lh e a tf l u xa n d

t h u se f f e c t i v e l yp r e v e n td e v i c e sf r o mb u r n i n go u t[ 5 1 ] .

L i q u i d m e t a l w i t hl o wm e l t i n gp o i n t ,a sa n o v e le n h a n c e dh e a tt r a n s f e rf l u i d ,c a n

a l s oc o m b i n et h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tt e c h n i q u e su t i l i z e db yc o n v e n t i o n a l

f l u i d st of u r t h e rm a g n i f yt h ec o n d u c t i v i t y .A d d i n gn a n op a r t i c l e sw i t hs u p e r i o r

c o n d u c t i v i t yt ot h el i q u i dm e t a lo ri t sa l l o yi sa ne x a m p l e[ 5 6 , 5 7 ] .A l t h o u g ht h e

s o l i dn a n o p a r t i c l e sw i t ht y p i c a ll e n g t hs c a l e so f1 – 1 0 0n mw i t hh i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t yh a v eb e e ns h o w nt oe n h a n c ee f f e c t i v et h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dt h e

c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f t h eb a s ef l u i d[ 5 8 ] ,t h ee n h a n c e dr a t e sa r el i m i t e db yt h er e l a t i v e l yp o o rt h e r m a lc o n d u c t i v i t y o fc o n v e n t i o n a lb a s ef l u i d s

e . g .w a t e ra n de t h y l e n eg l y c o l )a n dt h el o wp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o na l l o w a b l ef o rs u s p e n s i o n .W i t ha n e x t r e m e l yh i g hc o n d u c t i v i t yh o w e v e rr e l a t i v e l ys m a l l

v i s c o s i t y ,t h el i q u i dm e t a l c o u l ds e r v ea sa ni d e a l i s t i cb a s es o l u t i o nf o rm a k i n g

h i g h l yc o n d u c t i v en a n of l u i d[ 5 1 ,5 6 ]( T a b l e2 .T h i sn a n of l u i ds h o w sa v e r y

1 2


25/68


p r o m i s i n gf u t u r e f o rt h et h e r m a lm a n a g e m e n ta p p l i c a t i o ni n s u p e r - C P Uc h i p

c o o l i n go rt h es i t u a t i o n sr e q u e s t i n gs e r i o u s l yh i g hh e a tf l u xr e m o v a l .L i q u i d m e t a l sh a v es u p e r i o rt h e r m a lp r o p e r t i e sc o m p a r e dt o c o n v e n t i o n a lh e a t

t r a n s f e rf l u i d s ,w h i c hc a nf u r t h e ri n t e n s i f yt h et r a d i t i o n a le n h a n c e m e n tm e a s u r e s ,

s u c ha s t u r b u l e n c e ,v o r t i c e s , v i b r a t i o n ,a n dh e a tp i p e[ 5 2 ] .T h ea u t h o r sb e l i e v e

t h a t ,t h ei n t e g r a t i o no fl i q u i dm e t a la n dt r a d i t i o n a le n h a n c e m e n tm e a s u r e sw o u l d

f u r t h e rp r o d u c ea n e wc o m p o u n de n h a n c e m e n t ,w h i c hm a yb ec a l l e d “ f o r t hg e n e r a t i o n ’ ’h e a tt r a n s f e rt e c h n o l o g y .

A sa p r o m i s i n gh e a tt r a n s f e rf l u i d ,t h e r es t i l le x i s ts o m ec o n t r o v e r s i a li s s u e sa b o u t

l i q u i dm e t a l s ,w h i c hn e e df u r t h e rr e s e a r c h .F o re x a m p l e ,a nu n d e r l y i n gu n i v e r s a l

a s s u m p t i o ni n m o s tp a s te x p e r i m e n t a le f f o r t sh a db e e nt h a tt h el i q u i dm e t a l

s y s t e m se x h i b i ta N e w t o n i a nf l o wb e h a v i o r ,w h i c ha s s u m e st h a ta t a n yg i v e n

t e m p e r a t u r et h e r ee x i s t sa l i n e a rd e p e n d e n c yo f t h ea p p l i e d s h e a rs t r e s st o t h e

s h e a rr a t ee x p e r i e n c e db yt h el i q u i da n dt h es l o p eo f t h i sd e p e n d e n c yw o u l d

r e p r e s e n tt h ec o n s t a n t s h e a rv i s c o s i t y[ 5 9 , 6 0 ] .H o w e v e r ,r e c e n te f f o r t[ 6 1 ]h a s

s u g g e s t e dt h a tc e r t a i nl i q u i dm e t a ls y s t e m ss h o wt e n d e n c i e so fn o n - N e w t o n i a n

f l o wb e h a v i o r .A n o t h e ri n s t a n c ei s a b o u tt h ee f f e c to f m a g n e t i cf i e l do n

e n h a n c e m e n to fh e a tt r a n s f e r .I t i sg e n e r a l l ya c c e p t e dt h a tt h ef l o wo fl i q u i dm e t a l

i ss u p p r e s s e db yt h eL o r e n t zf o r c eu n d e r am a g n e t i cf i e l d .H o w e v e r ,e n h a n c e m e n t

o fh e a tt r a n s f e rr a t eu n d e r aw e a km a g n e t i cf i e l dh a sa l s ob e e nr e p o r t e d .

1 3


26/68


T a b l e2 T h e r m a lc o n d u c t i v i t i e so fv a r i o u ss o l i d sa n dl i q u i d s[ 5 1 ,5 6 ]

S o l i d s / l i q u i d sM a t e r i a l T h e r m a lc o n d u c t i v i t y W / mK )M e t a l l i cs o l i d s S i l v e r 4 2 9

C o p p e r 4 0 1l u m i n u m 2 3 7

N o n m e t a l l i cs o l i d sD i a m o n d 3 3 0 0

C a r b o nn a n o t u b e s3 0 0 0

S i l i c o n 1 4 8

A l u m i n a( A l 2 O 3 )4 0

M e t a l l i cl i q u i d s M e r c u r y 8 . 3 4 a )

T i n 1 5 . 0 8 b )

I n d i u m 3 6 . 4 c )

S o d i u m 8 6 . 9 d )

G a l l i u m 2 9 . 4 m )

P o t a s s i u m 5 4 . 0n )

N o n m e t a l l i cl i q u i d sW a t e r 0 . 6 1 3

E t h y l e n eg l y c o l( E G )0 . 2 5 3

E n g i n eo i l( E O ) 0 . 1 4 5

N o t e s :a 2 9 8 K ;b )4 7 3 K ;c 4 3 3 K ;d )3 7 3 K ;m )3 2 3 K ;n )a tm e l t i n gp o i n t .

4 -P r a c t i c a li s s u e sr e l a t e dt ol i q u i dm e t a lh e a te x c h a n g e r

L i q u i d m e t a lh e a te x c h a n g e r sa r en o tn e wi ns o m ev e r ys p e c i a ls i t u a t i o n s .L i q u i d

m e t a l sh a v e b e e nu s e da s c o o l a n t si nn u c l e a rr e a c t o r sf o rm a n yd e c a d e sd u et ot h e i ri d e a lh e a tt r a n s p o r t p r o p e r t i e s[ 6 2 ] .T h ep o t e n t i a lu s eo f l i q u i dm e t a l sa s

w o r k i n gf l u i d si nt h ep o w e rp l a n t sf o rs p a c ea p p l i c a t i o na l s ol e dt oq u i t e i n t e n s i v e

r e s e a r c hr e l a t e dt o t h ev a p o r i z a t i o no fl i q u i dm e t a l ss u c ha sm e r c u r y[ 4 8 ] .B u t

m o s to f t h ef o r m e rt r i a l sa r ef o c u s e do ne i t h e rh i g hm e l t i n gp o i n ta l l o ys u c ha s

N a ,K o r m e r c u r yw h i c hi s h o w e v e rh i g h l yt o x i c .F o rm o s tn e w l ye m e r g i n gi n d u s t r i a lf i e l d ss u c ha sh i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t e r ,d a t ac e n t e r ,L E Dl i g h t i n g ,

1 4


27/68


h e a tr e c o v e r ya n dr e m o v a li n a d v a n c e dp o w e ra n de n e r g ys y s t e m s ,

i m p l e m e n t a t i o no f l i q u i dm e t a lh e a tt r a n s f e ra p p e a r sr a t h e ra p p e a l i n ga n di n n o v a t i v ei ne i t h e rt h e o r e t i c a lo rt e c h n i c a lc o n c e p t sa n do p e n st r e m e n d o u sn e w

o p p o r t u n i t i e st ot a c k l i n gt h ee v e rt o u g ht h e r m a lm a n a g e m e n ti s s u e s r a i s e d i ns u c h

a r e a s . t i s s o m ew h a ta s u r p r i s et o n o t i c et h a t ,i n v e s t i g a t i o n so nt h er o o m

t e m p e r a t u r el i q u i dm e t a ls u c ha sg a l l i u mo ri t sa l l o ya n di n n o v a t i n gt h e i rr o l e s i n

m a n yd a i l yl i f ea p p l i a n c e sa s o u t l i n e da b o v er e s e r v e dt o b es i l e n tu n t i lr e c e n t

y e a r s[ 3 8 ] .T h eu n i q u ef e a t u r e so fs u c hm e t a lf l u i d s ,e s p e c i a l l yf a c i n gt h eh i g h

f l u xh e a tt r a n s f e r ,a r ec o m p e l l i n ge n o u g ht og u a r a n t e et h e i ru s a g ea s t h ec o o l a n t s

f o rt h eh e a te x c h a n g e ri nm a n yi m p o r t a n tf i e l d s ,e s p e c i a l l ye l e c t r o n i ca n dp o w e r

e n g i n e e r i n g[ 5 1 ] .

A st h ec o m p l e x i t ya n dp o w e rl e v e li nt h ee l e c t r o n i cd e v i c e s c o n t i n u e st og r o w ,

i m p r o v e dt e c h n o l o g i e sa r ei n t e n s e l yr e q u i r e dt o e f f e c t i v e l yr e m o v et h eh e a t

g e n e r a t e d[ 5 7 ] .I n o r d e rt o m a n a g et h i se s c a l a t e dn e e df o rh e a td i s s i p a t i o n ,

e l e c t r o n i cp a c k a g e sh a v es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dt h e r m a l l ya n dh e a t s i n k i n g

d e v i c e sh a v eg r o w nl a r g e ra n dm o r ee f f i c i e n t .H o w e v e r ,i m p r o v e m e n t si n

i n t e r f a c et h e r m a lr e s i s t a n c ef a i l e dt o k e e p p a c ew i t hi n n o v a t i o n si n o t h e r

p a c k a g i n gc o m p o n e n t s[ 1 6 ] .T h e d e m a n df o rc o m m e r c i a lp a c k a g i n gs o l u t i o n s

w h i c hf u r t h e rr e d u c ei n t e r f a c et h e r m a lr e s i s t a n c eh a sb e e ni d e n t i f i e db yb o t ht h e

I n t e r n a t i o n a lT e c h n o l o g yR o a d m a pf o rS e m i c o n d u c t o r s[ 6 3 ]a n dN a t i o n a l

E l e c t r o n i c sM a n u f a c t u r i n gI n i t i a t i v e[ 6 4 ]a s o n eo f t h ek e yf a c t o r s i nt h e

c o n t i n u i n gp u s hb y t h ee l e c t r o n i c si n d u s t r yf o rs y s t e mm i n i a t u r i s a t i o na n d

p e r f o r m a n c eg a i n s .H e r e i n ,o n ek e yl o n g - s t a n d i n gi s s u et oa t t a i na g o o dt h e r m a l

c o n t a c ti s t o f i n da t h e r m a li n t e r f a c em a t e r i a lw i t hh i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t y .P r e s e n tT I M st y p i c a l l yh a v er e l a t i v e l yl o w e rt h e r m a lc o n d u c t i v i t y ,a p p r o x i m a t e l y

3 – 7W / m Kf o rv e r ys p e c i a l i z e dm a t e r i a l s[ 1 6 ] .L i q u i dm e t a l s ,b yc o n t r a s t ,w i t ham u c hh i g h e rt h e r m a lc o n d u c t i v i t y e . g .2 9 . 4W / m Kf o rg a l l i u m ) ,m a yb er e g a r da sa n e x c e l l e n ts o l u t i o n .T h e yp r o v i d eg o o dt h e r m a lc o n t a c tb e t w e e nt h et w o

s u r f a c e s( s u c ha s t h e s u r f a c e o fa h e a t s i n ka n dt h e s u r f a c e o fa p r i n t e dc i r c u i tb o a r d )a n dm u c hh i g h e rt h e r m a lc o n d u c t i v i t y . I nt h i sr e s p e c t ,I B Ms e t sa n

1 5


28/68


e x a m p l ei np h o t o v o l t a i ct e c h n o l o g y[ 6 5 ] .Av e r yt h i n l a y e ro fa l i q u i dm e t a lm a d e

o fa g a l l i u ma n di n d i u mc o m p o u n di sa p p l i e db e t w e e na c h i pa n da c o o l i n gb l o c k .S u c hl a y e r ,c a l l e dt h e r m a li n t e r f a c el a y e r ,f i l l st h eg a pb e t w e e nt h et w oc o n t a c t i n g

i n t e r f a c e s .T h el a y e rr e d u c e s t h e r m a lr e s i s t a n c ei nt h ea r e a ,t h e r e b yr e s u l t i n gi n

f u r t h e rm a i n t e n a n c eo ft h ec h i pa tl o w e rt e m p e r a t u r e s .F u r t h e r m o r e ,M aa n dL i up r o p o s e dt h ec o n c e p to f n a n ol i q u i d - m e t a lf l u i d ,w h i c hm a yl e a dt o t h ed e v e l o p m e n to f a f u r t h e rc o n d u c t i v ep a s t ew i t ht h e h i g h e s tc o n d u c t i v i t ya s a

l i q u i di n n a r u r e[ 5 6 ] . t s h o u l db e n o t e dt h a tl i q u i dm e t a l sa r ee l e c t r i c a l l y

c o n d u c t i v e .T h e r e f o r et h e yc a nb eu s e df o rc o n d u c t i n gh e a ta n d / o re l e c t r i c i t y

b e t w e e nn o n - m e t a l l i ca n dm e t a l l i cs u r f a c e s .F o rt h ec a s ew h i c hn e e d st oa v o i d

e l e c t r i c i t yc o n d u c t i o n , t h e ya l s oc a nb eu s e ds u b j e c tt oa na p p r o p r i a t ei n s u l a t i n g

t r e a t m e n t .

A l t h o u g hl i q u i dm e t a lc o o l i n gh a sb e e np r o p o s e df o rm a n yd e c a d e s ,a n dp r o v e n

t ob e a ne f f e c t i v eh e a td i s s i p a t i o nm e t h o d ,p r a c t i c a l l i q u i dm e t a lh e a te x c h a n g e r s

o rh e a ts i n k s a r er a r e l ya p p l i e di nc o m m e r c i a la p p l i c a t i o nu pt on o w .T h i sm a y

p a r t i a l l yb ea t t r i b u t e dt o t h er e l a t i v e l yh i g hp r i c eo f l i q u i dm e t a l sa n dl a r g e

a m o u n to fc o o l a n tc h a r g ei nc o n v e n t i o n a l s y s t e m .T os o l v et h i si s s u e ,D e n ga n dL i u p r o p o s e d an o v e ls o l u t i o n ,i . e .h y b r i dl i q u i dm e t a l – w a t e rc o o l i n gs y s t e m ,

w h i c hu t i l i z ea l i q u i dm e t a l‘ ‘ h e a ts p r e a d e r ’ ’i nf r o n to ft h ew a t e rc o o l i n gm o d u l e

t o f a b r i c a t ea t w os t a g ec o m p o u n dc o o l i n gs y s t e m .I nt h i sw a y ,t h es y s t e mn o to n l yh a s h i g hc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti n t h ec o l dp l a t e ,b u ta l s o

r e d u c e st h ec o s tt o b ea c c e p t a b l e[ 1 ] .B e s i d e sw a t e r , o t h e rc o o l a n t ss u c ha s

e t h y l e n eg l y c o lc a na l s ob ec o m b i n e dw i t hl i q u i dm e t a l st o c o n s t i t u t ea h y b r i d

s y s t e m .T h eo t h e ro b s t a c l eb l o c k i n gl a r g e s c a l ec o m m e r c i a l i z a t i o na n du t i l i z a t i o no f l i q u i dm e t a lh e a te x c h a n g e r si s t h es t r o n gl a c ko f t h ef u n d a m e n t a ld e s i g n

t h e o r ya n dt h ee c o n o m i cf e a s i b i l i t y[ 5 1 , 5 2 ] ,w h i c ha r e o fg r e a tc o n c e r nt og u i d e

t h e d e v i c e , d e s i g n ,a n dd e t e r m i n et h ec o m m e r c i a lp r o s p e c to fl i q u i dm e t a lc o o l i n g

p r o d u c t s .A sd e m o n s t r a t i o n ,t h e a u t h o r s ’g r o u ph a df i l l e dt h ev a c u u mb yd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f a f e wp r a c t i c a ll i q u i dm e t a lc o o l i n g d e v i c e sf o rh e a t

d i s s i p a t i o no fh i g hp e r f o r m a n c eC P U s ,p a r to fw h i c ha r es h o w ni nF i g u r e5 .

1 6


29/68


F i g u r e5 T w ow o r k i n gs a m p l e sd e v e l o p e di nt h ea u t h o r s ’ l a bf o rl i q u i dm e t a lc h i pc o o l i n g

A l t h o u g ht h el i q u i dm e t a lh e a te x c h a n g e rc a n n o tb er e g a r d e da s t h e b e s ts o l u t i o n

t o r e p l a c ea l lt h ec o n v e n t i o n a lh e a te x c h a n g e r si n t h em a r k e t ,i t d o e so p e n sa

h i g h l yp r o m i s i n go p t i o nf o rm a n ya d v a n c e di n d u s t r i a la r e a s[ 5 1 ] .

I n t h ee x t r e m e l yh i g hh e a tf l u xa p p l i c a t i o n s ,s u c ha sl a r g ep o w e rl a s e r s ,h i g hp r o f i l ec h i p sa n dh i g h

b r i g h t n e s sL E D ,t h el i q u i dm e t a lh e a te x c h a n g e r sa r ee x p e c t e dt o s h o wm o r e

a p p a r e n ta d v a n t a g e sa n d ,t h u s ,a r em o r ep r a c t i c a l .

5 -F u t u r ew o r kA l t h o u g ht h er e s e a r c hr e l a t e dt o t h eu t i l i z a t i o no fl i q u i dm e t a la sh e a tt r a n s f e r

m e d i ah a sb e g u ns i n c e n e a r l yh a l fa c e n t u r ya g o ,t e c h n o l o g i c a li n t e r e s t sd e r i v e s

m a i n l yf r o mt h ep o t e n t i a lu s eo fl i q u i dm e t a l sa sw o r k i n gf l u i d s i nt h en u c l e a r

r e a c t o r s .W i t h i na ne x t r e m e l yl o n gp e r i o do ft i m e ,r e s e a r c h e sb a s i c a l l ya r el i m i t e d

t ot h o s es p e c i f i cl i q u i dl i k es o d i u m ,p o t a s s i u mo rt h e i ra l l o y ,a n dm e r c u r y ,w h i c h

h a v ee i t h e rh i g hm e l t i n gt e m p e r a t u r eo r a r ej u s tt o x i ca n dd a n g e o u s .E x t e n s i v e l y

a p p l y i n gt h er o o mt e m p e r a t u r el i q u i dm e t a l se s p e c i a l l yg a l l i u ma n di t sa l l o ya s

t h en e wc o o l a n ta n dh e a tt r a n s f e rm e d i u mf o rt h et h e r m a lm a n a g e m e n to fc o m p u t e rc h i ph a v eb e e nl o n go v e r l o o k e du n t i lp r o p o s e db yL i ua n dh i sc o l l e a g u e

1 7


30/68


i n2 0 0 2[ 3 8 ] .W i t ht r e m e n d o u se f f o r t sa n dc o n t i n u o u sr e s e a r c h e sm a d eb yt h i s

g r o u pa n dm o r es c i e n t i s t so v e rt h ew o r l d[ 3 9 ,6 6 - 7 2 ] ,i t i sn o wv e r yc l e a rt h a t ,t h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tb yl i q u i dm e t a l s ,a sa n e w l ye m e r g i n gt e c h n o l o g yi n

t h ee l e c t r o n i ca n do t h e rh i g hh e a tf l u xf i e l d s ,p r o v i d e sm a n y n e ws c i e n t i f i ca n d

t e c h n i c a lo p p o r t u n i t i e sw o r t ho fp u r s u i n gi nt h ec o m i n gt i m e .

F i r s t l y ,t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa v a i l a b l ef o rt h e r m a lp h y s i c a lp r o p e r t i e sa n df l o w

b e h a v i o ro fl i q u i dm e t a l sw i t hm e l tp o i n to fr o o mt e m p e r a t u r ea r er a t h e rl i m i t e d

a n di n s u f f i c i e n tt og u i d et h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n .C u r r e n tt h e o r i e sa n dm o d e l s

m a i n l yr e l a t et o l i q u i dm e t a l sw i t hh i g hm e l t i n gt e m p e r a t u r e e . g .s o d i u ma n d

p o t a s s i u m )o rt h et o x i cm e r c u r yw i t hv e r yl o wm e l t i n gp o i n t ,w h i c hm a yn o tb ea p p l i e dt or o o mt e m p e r a t u r el i q u i dm e t a l s .T h e r e f o r e ,f u r t h e rm e a s u r e m e n t so n

b a s i cp r o p e r t i e so f s u c hl i q u i dm e t a l s ,a n dm o r et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l

i n v e s t i g a t i o n sa l o n gt h i sd i r e c t i o na r eh i g h l yn e e d e di no r d e rt oc l e a r l yu n d e r s t a n d

a n da c c u r a t e l yp r e d i c tt h e i rh y d r o d y n a m i ca n dt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c s .

S e c o n d l y ,d r i v i n gp e r f o r m a n c eo f l i q u i dm e t a li s v e r yd i f f e r e n tf r o mt h e

c o n v e n t i o n a lc o o l a n t sd u et oh i g he l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y .B e s i d e st h em e c h a n i c a l

p u m p sw h i c ha r em o s tf r e q u e n t l yu s e di nw a t e r - c o o l i n gh e a te x c h a n g e rs y s t e m s ,M H Dp u m p s ,p e r i s t a l t i ca n de l e c t r o - w e t t i n gp u m p sc a na l s ob eu s e d .M o r em e c h a n i s m sa n dn e ww a y st od r i v el i q u i dm e t a l sa r ew o r t ho f e x p l o r i n g .T h i r d l y ,e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y ,o nt h e o t h e rh a n d ,l i m i t st h e a p p l i c a t i o n o fl i q u i d

m e t a l sf o rT I M .A tt h eo c c a s i o nw h e r ee l e c t r i c a lc o n t a c to f t w os u r f a c e si s

f o r b i d d e n ,l i q u i dm e t a l sc a nn o tb e d i r e c t l yf i l l e db e t w e e nt h e ma s T I M .

T h e r e f o r e ,d e v e l o p m e n to fi n s u l a t e dl i q u i dm e t a l si so fg r e a ti m p o r t a n c e .

F i n a l l y ,t h em a t c h i n go f l i q u i dm e t a l sa n de x i s t i n gh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tt e c h n i q u e s ,d e v e l o p e di n v i e wo f t h ec h a r a c t e r i s t i c so f w a t e r ,s t i l lr e m a i n su n p r o v e d .T h u s ,t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e sa r e n e e d e dt o

c o m p r e h e n s i v e l yu n d e r s t a n dt h ee n h a n c e m e n te f f e c tw h e na p p l y i n gc u r r e n t

e n h a n c e m e n tt e c h n i q u e st ol i q u i dm e t a l s ,f r o mw h i c h ,t h e u n i v e r s a ll a w sw i l lb e

d r a w nt o e v o l v em o r en e wh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t m e t h o d ss p e c i f i ct oa p p l i c a t i o n s .

1 8


31/68


C o n c l u s i o n

T h i sc h a p t e rh a sp r e s e n t e da n o v e r v i e wo fe n h a n c e dh e a tt r a n s f e rt e c h n o l o g y .L i q u i dm e t a l se x h i b i to u t s t a n d i n gh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c sc o m p a r e dt o t h e

c o n v e n t i o n a lf l u i d s ,w h i c ha c c e l e r a t et h ee n e r g ye x c h a n g ep r o c e s s .T h e r e f o r e ,

t h e ya r ev e r ys u i t a b l ea n dp r a c t i c a l t od e a lw i t hh i g hh e a tf l u xr e q u i r e m e n t so f

o p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sa n dp o w e rs y s t e m s . t i s e x p e c t e dt h a ta n e wt h e r m a l

s c i e n c ef r o n t i e ri s e m e r g i n ga n da l o to fn e wb a s i ca p p l i c a t i o n sw i l lb eb r o u g h t

a b o u t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl i q u i dm e t a le n h a n c e dh e a tt r a n s f e rt e c h n o l o g y ,

m a n yo fw h i c hd e s e r v ef u r t h e rr e s e a r c h .C o n s e q u e n t l y ,a g r e a tm a n yo b v i o u se c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t sw i l lb ea c h i e v e di f l i q u i dm e t a le n h a n c e dh e a t

t r a n s f e rt e c h n o l o g yc a nb ep e r f e c t l ya n db r o a d l yu t i l i z e d .

1 9


32/68


R e f e r e n c e s

[ 1 ]D e n gY G ,L i uJ ( 2 0 1 0 ) ,H y b r i dl i q u i dm e t a l - w a t e rc o o l i n gs y s t e mf o rh e a td i s s i p a t i o no fh i g hp o w e rd e n s i t ym i c r o d e v i c e s ,H e a tM a s sT r a n s f e r4 6 ,1 1 - 1 2 ,

1 3 2 7 - 1 3 3 4 .

[ 2 ]B e r g l e sA E ,W e b bR L ( 1 9 8 5 ) ,A g u i d et ot h el i t e r a t r eo nc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ra u g m e n t a t i o n ,A d v a n c e si nE n h a n c e dH e a tT r a n s f e r4 3 ,8 1 - 8 9 .[ 3 ]B a r - C o h e nA ( 1 9 8 7 ) ,T h e r m a lm a n a g e m e n to f a i r -a n dl i q u i d - c o o l e dm u l t i c h i pm o d u l e s ,I E E ET r a n s a c t i o n so n C o m p o n e n t s ,H y b r i d s ,a n d

M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y ,2 ,1 5 9 - 1 7 5 .

[ 4 ]L i uJ ( 2 0 0 8 ) ,T h e r m a lM i c r o - S y s t e m T e c h n o l o g y i nC h i n e s e ) ,B e i j i n g :

S c i e n c eP r e s s .

[ 5 ] H e a t p i p e , f r o m W i k i p e d i a ,t h e f r e e e n c y c l o p e d i a ,

h t t p : / / e n . w i k i p e d i a . o r g / w i k i / H e a t _ p i p e .

[ 6 ]F a g h r iA ( 1 9 9 5 ) ,H e a tP i p eS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ,W a s h i n g t o n ,D C :T a y l o r F r a n c i s .[ 7 ]W h a l e nS ,T h o m p s o nM ,B a h rD ,R i c h a r d sC ,R i c h a r d sR ( 2 0 0 3 ) ,D e s i g n ,f a b r i c a t i o na n dt e s t i n go f t h eP 3m i c r o h e a te n g i n e ,S e n s o r sa n dA c t u a t o r sA :P h y s i c a l1 0 4 ,3 ,2 9 0 - 2 9 8 .

[ 8 ]G h o s h a lU ,G h o s h a lS ,M c D o w e l lC ,S h iL ,C o r d e sS ,F a r i n e l l iM( 2 0 0 2 ) ,E n h a n c e dt h e r m o e l e c t r i cc o o l i n ga t c o l dj u n c t i o ni n t e r f a c e s ,A p p l i e dP h y s i c s

L e t t e r s8 0 , 1 6 ,3 0 0 6 - 3 0 0 8 .

[ 9 ]C h aG ,J u Y S ( 2 0 1 0 ) ,L i q u i d - m e d i a t e dr e v e r s i b l et h e r m a li n t e r f a c e f o rs a t e l l i t et h e r m a lm a n a g e m e n t ,A S M E2 0 0 9I n t e r n a t i o n a lM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g

C o n g r e s sa n dE x p o s i t i o n( I M E C E 2 0 0 9 ) ,L a k eB u e n aV i s t a , F l o r i d a ,U S A ,N o v e m b e r1 3 - 1 9 ,2 0 0 9 .[ 1 0 ]S a r t r eV ,L a l l e m a n dM( 2 0 0 1 ) ,E n h a n c e m e n to ft h e r m a lc o n t a c tc o n d u c t a n c ef o re l e c t r o n i cs y s t e m s ,A p p l i e dT h e r m a lE n g i n e e r i n g2 1 ,2 ,2 2 1 - 2 3 5 .[ 1 1 ]H o w eT A ,L e o n gC K ,C h u n gD DL ( 2 0 0 6 ) ,C o m p a r a t i v ee v a l u a t i o no ft h e r m a li n t e r f a c em a t e r i a l sf o ri m p r o v i n gt h et h e r m a lc o n t a c tb e t w e e n a n

2 0


33/68


o p e r a t i n gc o m p u t e rm i c r o p r o c e s s o ra n di t s h e a ts i n k ,J o u r n a lo f E l e c t r o n i c

M a t e r i a l s3 5 ,8 ,1 6 2 8 - 1 6 3 5 .[ 1 2 ]B l a z e jD ( 2 0 0 3 ) ,T h e r m a li n t e r f a c e m a t e r i a l s ,E l e c t r o n i c sC o o l i n g9 , 4 ,1 42 0 .

[ 1 3 ]G w i n nJ P ,W e b bR L ( 2 0 0 3 ) ,P e r f o r m a n c ea n dt e s t i n go ft h e r m a li n t e r f a c em a t e r i a l s ,M i c r o e l e c t r o nJ o u r n a l3 4 ,3 ,2 1 5 - 2 2 2 .

[ 1 4 ]V i s w a n a t hR , W a k h a r k a rV ,W a t w eA ,L e b o n h e u rV ( 2 0 0 0 ) ,T h e r m a lp e r f o r m a n c ec h a l l e n g e sf r o ms i l i c o n t os y s t e m s ,I n t e lT e c h n o l o g yJ o u r n a l ,Q 3 .

[ 1 5 ]B a l i a nC ,B e r g e r s o nS E ,C u r r i e rG C ( 2 0 0 6 ) ,T h e r m a li n t e r f a c em a t e r i a lw i t hl o wm e l t i n ga l l o y ,U SP a t e n t7 1 4 7 3 6 7 B 2 .

[ 1 6 ]D e a nN ,P i n t e rM( 1 9 9 9 ) ,N o v e lt h e r m a li n t e r f a c em a t e r i a lw i t ha l i g n e dc o n d u c t i v ef i b e r s ,P r o c e e d i n g so fA n n u a lm e e t i n g ,I n t e r n a t i o n a lM i c r o e l e c t r o n i c s

a n dP a c k a g i n gS o c i e t y( I M A P S ) ,C h i c a g o ,I L ,O c t o b e r2 6 - 2 8 ,1 9 9 9 .

[ 1 7 ]P r a s h e rR S ,M a t a y a b a sJ C J r( 2 0 0 4 ) ,T h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c eo fc u r e dg e lp o l y m e r i ct h e r m a li n t e r f a c e m a t e r i a l ,I E E ET r a n s a c t i o n so n C o m p o n e n t sa n d

P a c k a g i n gT e c h n o l o g i e s2 7 ,4 ,7 0 2 - 7 0 9 .

[ 1 8 ]Y uA ,R a m e s hP , I t k i sME ,B e k y a r o v aE ,H a d d o nR C( 2 0 0 7 ) ,G r a p h i t en a n o p l a t e l e t - e p o x yc o m p o s i t et h e r m a li n t e r f a c e m a t e r i a l s ,J o u r n a lo f P h y s i c a l

C h e m i s t r yC 1 1 1 ,2 1 ,7 5 6 5 - 7 5 6 9 .[ 1 9 ]W uY ,L i uC H ,H u a n gH ,F a nS S( 2 0 0 5 ) ,E f f e c t so f s u r f a c em e t a ll a y e ro nt h et h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c eo fc a r b o nn a n o t u b ea r r a y s ,A p p l i e dP h y s i c sL e t t e r s

8 7 , 2 1 ,3 1 0 8 - 3 1 1 0 .

[ 2 0 ]C o l aB A ,X uX ,F i s h e rT S ( 2 0 0 7 ) ,I n c r e a s e dr e a lc o n t a c ti n t h e r m a li n t e r f a c e s :A c a r b o nn a n o t u b e / f o i lm a t e r i a l ,A p p l i e dP h y s i c sL e t t e r s9 0 ,9 ,3 5 1 33 5 1 5 .

[ 2 1 ]C o l aB A ,X uJ , C h e n gC ,X uX ,F i s h e rT S ,H uH ( 2 0 0 7 ) ,P h o t o a c o u s t i cc h a r a c t e r i z a t i o no fc a r b o nn a n o t u b ea r r a yt h e r m a li n t e r f a c e s ,J o u r n a lo fA p p l i e d

P h y s i c s1 0 1 ,5 ,4 3 1 3 - 4 3 2 1 .

2 1


34/68


[ 2 2 ]C h u a n gHF ,C o o p e rS M ,M e y y a p p a nM ,C r u d e nBA ( 2 0 0 4 ) ,I m p r o v e m e n t

o f t h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c eb yc a r b o n n a n o t u b e sa n dn a n o f i b e r s ,J o u r n a lo fN a n o s c i e n c ea n dN a n o t e c h n o l o g y4 , 8 ,9 6 4 - 9 6 7 .[ 2 3 ]H a m d a nA ,C h oJ , J o h n s o nR ,J i a oJ , B a h rD ,R i c h a r d sR ,R i c h a r d sC( 2 0 1 0 ) ,E v a l u a t i o no f a t h e r m a li n t e r f a c em a t e r i a lf a b r i c a t e du s i n g

t h e r m o c o m p r e s s i o nb o n d i n go f c a r b o nn a n o t u b et u r f ,N a n o t e c h n o l o g y2 1 ,1 ,

5 7 0 2 - 5 7 1 0 .

[ 2 4 ]B e r g l e sA E ( 1 9 8 9 ) ,T h ec h a l l e n g eo fe n h a n c e dh e a tt r a n s f e rw i t hp h a s ec h a n g e ,I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fH e a ta n d T e c h n o l o g y7 ,3 - 4 ,1 - 1 2 .[ 2 5 ]R e a yD A( 1 9 9 1 ) ,H e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t - - Ar e v i e wo ft e c h n i q u e sa n dt h e i rp o s s i b l ei m p a c to ne n e r g ye f f i c i e n c yi nt h eU . K . ,H e a tR e c o v e r yS y s t e m s C H P 1 1 , 1 , 1 - 4 0 .

[ 2 6 ]W e nDS ,L i nGP ,V a f a e iS ,Z h a n gK( 2 0 0 9 ) ,R e v i e wo fn a n o f l u i d sf o rh e a tt r a n s f e ra p p l i c a t i o n s ,P a r t i c u o l o g y7 ,2 ,1 4 1 - 1 5 0 .

[ 2 7 ]J a c o b iA M ,S h a hR K ( 1 9 9 5 ) ,H e a tt r a n s f e rs u r f a c ee n h a n c e m e n tt h r o u g ht h eu s eo f l o n g i t u d i n a lv o r t i c e s :A r e v i e wo f r e c e n tp r o g r e s s ,E x p e r i m e n t a lT h e r m a la n dF l u i dS c i e n c e1 1 ,3 ,2 9 5 - 3 0 9 .[ 2 8 ]W e b bR L ( 1 9 9 4 ) ,A d v a n c e si nm o d e l l i n ge n h a n c e dh e a tt r a n s f e rs u r f a c e s ,P r o c e e d i n g so f1 0 t hI n t e r n a t i o n a lH e a tT r a n s f e rC o n f e r e n c e ,B r i g h t o n ,U K ,1 9 9 4 .[ 2 9 ]L i e b e n b e r gL , B e r g l e sA E ,M e y e rJ P ( 2 0 0 1 ) ,A r e v i e wo f r e f r i g e r a n tc o n d e n s a t i o ni nh o r i z o n t a lm i c r o - f i nt u b e s ,P r o c e e d i n g so ft h eA S M Ea d v a n c e de n e r g y s y s t e m sd i v i s i o n ,O r l a n d o ,U S A ,N o v e m b e r5 - 1 0 ,2 0 0 0 .[ 3 0 ]B e r g l e sA E ( 1 9 9 6 ) ,T h ee n c o u r a g e m e n ta n da c c o m m o d a t i o no fh i g hh e a t

f l u x e s ,H e a ta n dT e c h n o l o g y 1 4 ,2 ,3 - 1 1 .[ 3 1 ]S a r v a rF ,W h a l l e yDC ,C o n w a yP P( 2 0 0 6 ) ,T h e r m a li n t e r f a c em a t e r i a l s- Ar e v i e wo f t h es t a t eo f t h ea r t ,P r o c e e d i n g so f t h e1 s tI E E EE l e c t r o n i c

S y s t e m i n t e g r a t i o nT e c h n o l o g yC o n f e r e n c e ,D r e s d e n ,S e p t e m b e r5 - 7 ,2 0 0 6 .[ 3 2 ]M a c r i sC G ,S a n d e r s o nT R ,E b e lR G ,L e y e r l eC B( 2 0 0 4 ) ,P e r f o r m a n c e ,r e l i a b i l i t y ,a n da p p r o a c h e su s i n ga l o wm e l ta l l o ya sa t h e r m a li n t e r f a c e m a t e r i a l ,

2 2


35/68


I M A P S2 0 0 4 ,3 7 t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nM i c r o e l e c t r o n i c s ,L o n gB e a c h ,

C a l i f o r n i aU S A ,N o v e m b e r1 4 - 1 8 ,2 0 0 4 .[ 3 3 ]C o o kR S ,T o k e nK H ,C a l k i n sR L ( 1 9 8 4 ) ,A n o v e l c o n c e p tf o rr e d u c i n gt h e r m a lr e s i s t a n c e ,J o u r n a lo fS p a c e c r a f ta n dR o c k e t s2 1 ,1 ,1 2 2 - 1 2 4 .[ 3 4 ]L e eS ,C h e nP ( 2 0 0 1 ) ,D e v e l o p m e n to fh i g hp e r f o r m a n c et h e r m a li n t e r f a c e

m a t e r i a l ,I n t e lT e c h n o l o g yS y m p o s i u m ,S e a t t l e ,W a s h i n g t o n ,S e t e m p e r ,2 0 0 1 .[ 3 5 ]h t t p : / / w w w . e n e r d y n e s o l u t i o n s . c o m / p r o d _ i n d i g o . h t m

[ 3 6 ]h t t p : / / w w w . t h e r m a x k o r e a . c o m / p r o d u c t s / p _ i n t r o . h t m

[ 3 7 ]M u r s h e dS MS ,C a s t r oCAN ,L o u r e n ç oMJ V ,L o p e sML M ,S a n t o sF J V( 2 0 1 1 ) ,A r e v i e wo f b o i l i n ga n dc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rw i t hn a n o f l u i d s ,R e n e w a b l ea n dS u s t a i n a b l eE n e r g yR e v i e w s1 5 ,5 ,2 3 4 2 - 2 3 5 4 .

[ 3 8 ]L i uJ , Z h o uY X( 2 0 0 2 ) ,A c o m p u t e rc h i p c o o l i n gm e t h o dw h i c hu s e sl o wm e l t i n gp o i n tm e t a la n di t sa l l o y sa st h ec o o l i n gf l u i d ,C h i n aP a t e n t0 2 1 3 1 4 1 9 . 5 .

[ 3 9 ]S i l v e r m a nI , Y a r i nA L ,R e z n i kS N ,A r e n s h t a mA ,K i j e tD ,N a g l e rA( 2 0 0 6 ) ,H i g hh e a t - f l u xa c c e l e r a t o rt a r g e t s :C o o l i n gw i t hl i q u i dm e t a lj e t

i m p i n g e m e n t ,I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fH e a t a n dM a s sT r a n s f e r4 9 ,1 7 - 1 8 ,2 7 8 2

2 7 9 2 .[ 4 0 ] L iT , L vY - G ,L i uJ , Z h o uY - X( 2 0 0 6 ) ,A p o w e r f u lw a yo f c o o l i n gc o m p u t e rc h i pu s i n gl i q u i dm e t a lw i t hl o wm e l t i n gp o i n ta st h ec o o l i n gf l u i d ,

F o r s c h u n gi mI n g e n i e u r w e s e n7 0 ,2 4 3 – 2 5 1 .[ 4 1 ]T a g a w aT ,O z o eH ( 1 9 9 7 ) ,E n h a n c e m e n to fh e a tt r a n s f e rr a t eb ya p p l i c a t i o no fa s t a t i cm a g n e t i cf i e l dd u r i n gn a t u r a lc o n v e c t i o no f l i q u i dm e t a li n a c u b e ,

J o u r n a lo fH e a tT r a n s f e r1 1 9 ,2 ,2 6 5 - 2 7 1 .

[ 4 2 ]D e n gY ,L i uJ ( 2 0 1 0 ) ,A l i q u i dm e t a lc o o l i n gs y s t e mf o rt h et h e r m a lm a n a g e m e n to fh i g hp o w e rL E D s ,I n t e r n a t i o n a lC o m m u n i c a t i o n si n H e a t a n d

M a s sT r a n s f e r3 7 ,7 8 8 – 7 9 1 .[ 4 3 ] M i k i t y u kK ( 2 0 0 9 ) ,H e a tt r a n s f e r t ol i q u i dm e t a l :R e v i e wo fd a t aa n dc o r r e l a t i o n s f o rt u b eb u n d l e s ,N u c l e a rE n g i n e e r i n ga n dD e s i g n2 3 9 ,4 ,6 8 0 - 6 8 7 .

2 3


36/68


[ 4 4 ]D e n gYG ,L i uJ ( 2 0 1 0 ) ,D e s i g no fa p r a c t i c a ll i q u i dm e t a lc o o l i n gd e v i c ef o r

h e a td i s s i p a t i o no f h i g hp e r f o r m a n c eC P U s ,A S M EJ o u r n a lo f E l e c t r o n i cP a c k a g i n g ,1 3 2 ( 3 ) : 3 1 0 0 9 - 3 1 0 1 4

[ 4 5 ] M aK Q ,L i uJ ( 2 0 0 7 ) ,H e a t - d r i v e nl i q u i dm e t a lc o o l i n gd e v i c ef o rt h et h e r m a lm a n a g e m e n to fa c o m p u t e rc h i p ,J .P h y s .D :A p p l .P h y s .4 0 ,4 7 2 2 – 4 7 2 9 .[ 4 6 ] L iP P ,L i uJ ( 2 0 1 1 ) ,H a r v e s t i n gl o wg r a d eh e a tt og e n e r a t ee l e c t r i c i t yw i t ht h e r m o s y p h o ne f f e c to fr o o mt e m p e r a t u r el i q u i dm e t a l ,A p p l i e dP h y s i c sL e t t e r s9 9 ,0 9 4 1 0 6 .

[ 4 7 ] L i P P , L i uJ ( 2 0 1 1 ) ,S e l f - d r i v e ne l e c t r o n i cc o o l i n gb a s e do nt h e r m o s y p h o ne f f e c to f r o o mt e m p e r a t u r el i q u i dm e t a l ,A S M EJ o u r n a lo fE l e c t r o n i cP a c k a g i n g ,1 3 3 ,i np r e s s .

[ 4 8 ]S a b h a r w a l lP ,P a t t e r s o nM ,U t g i k a rV ,G u n n e r s o nF ( 2 0 0 8 ) ,N G N Pp r o c e s sh e a tu t i l i z a t i o n :l i q u i dm e t a lp h a s ec h a n g eh e a te x c h a n g e r ,A S M E4 t hI n t e r n a t i o n a lT o p i c a lM e e t i n go n H i g hT e m p e r a t u r eR e a c t o rT e c h n o l o g y ,

W a s h i n g t o nD C ,U S A ,S e p t e m b e r 2 8 – O c t o b e r1 ,2 0 0 8 .[ 4 9 ]S t e i nR P ( 1 9 6 6 ) ,L i q u i dm e t a lh e a tt r a n s f e r ,A d v a n c e si nH e a tT r a n s f e r3 ,1 0 1 - 1 7 4 .[ 5 0 ] M aKQ ,L i uJ ,X i a n gS H ,X i eKW ,Z h o uY X( 2 0 0 9 ) ,S t u d yo ft h a w i n gb e h a v i o ro fl i q u i dm e t a lu s e da sc o m p u t e rc h i pc o o l a n t ,I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f

T h e r m a lS c i e n c e s4 8 ( 5 ) ,9 6 4 - 9 7 4 .

[ 5 1 ]L iHY ,L i uJ ( 2 0 1 1 ) ,R e v o l u t i o n i z i n gh e a tt r a n s p o r te n h a n c e m e n tw i t hl i q u i dm e t a l s :P r o p o s a lo fa n e wi n d u s t r yo fw a t e r - f r e eh e a te x c h a n g e r s ,F r o n t i e r si nE n e r g y5 ,1 ,2 0 - 4 2 .

[ 5 2 ]M aK Q ,L i uJ ( 2 0 0 7 ) ,L i q u i dm e t a lc o o l i n gi n t h e r m a lm a n a g e m e n to fc o m p u t e rc h i p s ,F r o n t i e r s o fE n e r g ya n dP o w e rE n g i n e e r i n gi nC h i n a1 ,4 ,3 8 4

4 0 2 .

[ 5 3 ]P r o k h o r e n k oV Y a ,R o s h c h u p k i nV V ,P o k r a s i nMA ,P r o k h o r e n k oS V ,K o t o vV V( 2 0 0 0 ) ,L i q u i dg a l l i u m :P o t e n t i a lu s e sa sa h e a t - t r a n s f e ra g e n t ,H i g hT e m p e r a t u r e3 8 ,6 ,9 5 4 - 9 6 8 .

2 4


37/68


[ 5 4 ]A r g y r o p o u l o sS A ,M i k r o v a sAC ( 1 9 9 6 ) ,A ne x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no n

n a t u r a la n df o r c e dc o n v e c t i o ni nl i q u i dm e t a l s ,I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o fH e a ta n dM a s sT r a n s f e r3 9 ,3 ,5 4 7 - 5 6 1 .[ 5 5 ]K u t a t e l a d z eS S ,B o r i s h a n s k i iV M ,N o v i k o vI I ( 1 9 5 8 ) ,H e a tt r a n s f e r i nl i q u i dm e t a l s ,A t o m i cE n e r g y4 , 5 ,5 5 5 - 5 7 1 .[ 5 6 ]M aK Q ,L i uJ ( 2 0 0 7 ) ,N a n ol i q u i d - m e t a lf l u i da su l t i m a t ec o o l a n t ,P h y s i c sL e t t e r sA3 6 1 ,3 ,2 5 2 - 2 5 6 .[ 5 7 ] L i uJ ( 2 0 0 1 ) ,M i c r o / N a n oS c a l eH e a tT r a n s f e r i nC h i n e s e ) ,B e i j i n g :

S c i e n c eP r e s s .

[ 5 8 ]K a k aS , P r a m u a n j a r o e n k i jA ( 2 0 0 9 ) ,R e v i e wo f c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tw i t hn a n o f l u i d s ,I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o fH e a ta n dM a s sT r a n s f e r5 2 ,

1 3 - 1 4 ,3 1 8 7 - 3 1 9 6 .

[ 5 9 ]A s s a e lMJ ,K a k o s i m o sK ,B a n i s hR M ,B r i l l oJ ,E g r yI , B r o o k sR ,Q u e s t e dP N ,M i l l sKC ,N a g a s h i m aA ,S a t oY ,W a k e h a mWA( 2 0 0 6 ) ,R e f e r e n c ed a t af o rt h e d e n s i t ya n dv i s c o s i t yo fl i q u i da l u m i n u ma n dl i q u i di r o n ,J o u r n a l o f P h y s i c a l

a n dC h e m i c a lR e f e r e n c eD a t a3 5 ,1 ,2 8 5 - 3 0 0 .

[ 6 0 ]Q iY ,C a g i nT ,K i m u r aY ,G o d d a r dWA ( 2 0 0 1 ) ,V i s c o s i t i e so fl i q u i dm e t a la l l o y sf r o mn o n e q u i l i b r i u mm o l e c u l a rd y n a m i c s ,J o u r n a lo f C o m p u t e r - A i d e d

M a t e r i a l sD e s i g n8 ,2 - 3 ,2 3 3 - 2 4 3 .[ 6 1 ]J e y a k u m a rM ,H a m e dM ,S h a n k a rS ( 2 0 1 1 ) ,R h e o l o g yo fl i q u i dm e t a l sa n d

a l l o y s ,J o u r n a lo fN o n - N e w t o n i a nF l u i dM e c h a n i c s1 6 6 ,1 4 - 1 5 ,8 3 1 - 8 3 8 .[ 6 2 ]Z r o d n i k o vA V ,E f a n o vA D ,O r l o vY I , M a r t y n o vP N ,T r o y a n o vV M ,R u s a n o vA E ( 2 0 0 4 ) ,H e a v yl i q u i dm e t a lc o o l a n t :L e a d - b i s m u t ha n dl e a d

t e c h n o l o g y ,A t o m i cE n e r g y9 7 ,2 ,5 3 4 - 5 3 7 .[ 6 3 ]I n t e r n a t i o n a lS E M A T E C H( 2 0 0 3 ) ,I n t e r n a t i o n a lT e c h n o l o g yR o a d m a pf o rS e m i c o n d u c t o r s .

[ 6 4 ]N a t i o n a lE l e c t r o n i c sM a n u f a c t u r i n gI n i t i a t i v e( 2 0 0 2 ) , N E M I )T e c h n o l o g y

R o a d m a p .

2 5


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[ 6 5 ]A r m o n kN Y( 2 0 0 8 ) ,“ L i q u i dm e t a l ”a t t h ec e n t e ro fI B Mi n n o v a t i o nt o

s i g n i f i c a n t l yr e d u c ec o s to fc o n c e n t r a t o r p h o t o v o l t a i cc e l l s ,h t t p : / / w w w . n a n o t e c hn o w . c o m / n e w s . c g i ? s t o r y _ i d= 2 9 3 4 1 .[ 6 6 ] L iT ,L vY G ,L i uJ , Z h o uY X( 2 0 0 4 ) ,C o m p u t e rc h i pc o o l i n gm e t h o du s i n gl o wm e l t i n gp o i n tl i q u i dm e t a lo ri t sa l l o ya st h ec o o l i n gf l u i d i nC h i n e s e ) .

I n :A n n u a lH e a t a n dM a s sT r a n s f e rC o n f e r e n c eo f t h eC h i n e s eS o c i e t yo f

E n g i n e e r i n gT h e r m o p h y s i c s .J i l i n ,C h i n a :A s s o c i a t i o no f E n g i n e e r i n g

T h e r m o p h y s i c s ,1 1 1 5 – 1 1 1 8 .

[ 6 7 ] M i n e rA ,G h o s h a lU ( 2 0 0 4 ) ,C o o l i n go fh i g h - p o w e r - d e n s i t ym i c r o d e v i c e su s i n gl i q u i dm e t a lc o o l a n t s .A p p l i e dP h y s i c sL e t t e r s8 5 ( 3 ) :5 0 6 – 5 0 8 .

[ 6 8 ] L i uJ , Z h o uY X ,L vY G ,L iT ( 2 0 0 5 ) ,L i q u i d - m e t a l - b a s e dm i n i a t u r i z e dc h i p - c o o l i n gd e v i c ed r i v e nb y e l e c t r o m a g n e t i cp u m p .I n : A S M E2 0 0 5I n t e r n a t i o n a lM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n gC o n g r e s sa n dE x p o s i t i o n ,O r l a n d o ,F l o r i d a ,

U S A :A S M E ,5 0 1 – 5 1 0 .[ 6 9 ] M o h s e n iK ( 2 0 0 5 ) ,E f f e c t i v ec o o l i n go f i n t e g r a t e dc i r c u i t su s i n gl i q u i da l l o y e l e c t r o w e t t i n g .I n :P r o c e e d i n g so f t h e2 1 t hI E E ES e m i c o n d u c t o rT h e r m a l

M e a s u r e m e n ta n dM a n a g e m e n tS y m p o s i u m ,S a nJ o s e ,U S A :I E E E ,2 0 – 2 5 .[ 7 0 ] D e n gY G ,L i uJ , Z h o uY X( 2 0 0 9 ) ,L i q u i dm e t a lb a s e dm i n i / m i c r oc h a n n e lc o o l i n gd e v i c e s , P r o c .7 t h I n t e r n a t i o n a lA S M EC o n f e r e n c eo nN a n o c h a n n e l s , M i c r o c h a n n e l sa n dM i n i c h a n n e l s ,A S M E ,J u n e2 2 - 2 4 ,P o h a n g ,K o r e a .

[ 7 1 ] D e n gY G ,L i uJ , Z h o uY X( 2 0 1 0 ) .S t u d yo nl i q u i dm e t a lc o o l i n go fp h o t o v o l t a i cc e l l .I n :P r o c e e d i n g so ft h eI n a u g u r a lU S - E U - C h i n aT h e r m o p h y s i c s

C o n f e r e n c e ,A S M E ,M a y2 8 - 3 0 ,B e i j i n g ,C h i n a ,1 – 7 .[ 7 2 ] T a w kM ,A v e n a sY ,K e d o u s - L e b o u cA ,P e t i tM( 2 0 1 0 ) ,N u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n so nm i n ic h a n n e ll i q u i dm e t a lc o o l e r sf o rp o w e r

s e m i c o n d u c t o rd e v i c e s ,A S M E2 0 1 0I n t .M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n gC o n g r e s s E x p o s i t i o n ,N o v .1 2 - 1 8 ,A S M EV a n c o u v e r , C a n a d a .

2 6


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C h a p t e r

2E x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o n so nt h eh e a tt r a n s f e ro ff e r r o f l u i du n d e rm a g n e t i cf i e l dM a r y a m a l s a d a tL a j v a r d i ,A n w a rG a v i l i ,F a t e m e hZ a b i h i ,T a g h iD a l l a l i I s f a h a n i ,I r a jH a d i ,J a m s h i dS a b b a g h z a d e h

N a t i o n a lC e n t e rf o rL a s e rS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y , T e h r

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