半導(dǎo)體元器件是當(dāng)今電子信息時(shí)代的硬件基礎(chǔ),可靠性至關(guān)重要;但隨著工作溫度的升高,其故障率幾乎呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。在元器件的散熱過(guò)程中,空氣側(cè)熱阻一般是所有熱阻中最大的一環(huán),對(duì)流換熱亟需強(qiáng)化�；陔娏黧w動(dòng)力學(xué)（EHD）效應(yīng)的電暈風(fēng)技術(shù)可以大幅提高對(duì)流換熱系數(shù),同時(shí)又規(guī)避了傳統(tǒng)風(fēng)扇的一些缺點(diǎn),因此得到了廣泛的研究。它的基本原理是利用曲率半徑很小的發(fā)射極和尺寸較大的集電極組成一個(gè)EHD裝置;當(dāng)發(fā)射極上施加足夠高的電壓時(shí),其周圍空氣被電離,并在電場(chǎng)力的作用下形成吹向集電極的電暈風(fēng)。本文依托國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,為滿足高效高可靠的散熱需求,依次開展了電暈風(fēng)強(qiáng)化對(duì)流換熱的機(jī)理研究、實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用研究。在機(jī)理研究中,通過(guò)數(shù)值模擬得到了線-板式電極結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)、速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)�；趯�(duì)流換熱的場(chǎng)協(xié)同理論,在不同條件下量化分析了速度和溫度梯度兩個(gè)矢量間的夾角,又稱協(xié)同角。熱沉壁面溫度分布由空氣流速和協(xié)同角共同制約。提高流速或減小協(xié)同角均可以強(qiáng)化對(duì)流換熱;當(dāng)流速很低時(shí),協(xié)同角對(duì)換熱性能起著決定性的作用。在實(shí)驗(yàn)研究中,發(fā)射極采用線電極,集電極為一個(gè)漸擴(kuò)的雙肋片熱沉,這也是一種線-板式電極結(jié)構(gòu)。變量參數(shù)為:電極電壓、電壓... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所)北京市

【文章頁(yè)數(shù)】：157 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

(a)LED光源及(b

基于EHD效應(yīng)的電暈風(fēng)強(qiáng)化對(duì)流換熱研究2統(tǒng)燈具的替代過(guò)程尚在進(jìn)行之中，可以預(yù)測(cè)未來(lái)LED燈具的功率將越來(lái)越高，面臨的散熱問(wèn)題會(huì)越來(lái)越嚴(yán)峻。(a)(b)圖1.1(a)LED光源及(b)LED壽命隨結(jié)溫的變化Fig.1.1(a)LEDlightsourceand(b)dependenceofLEDlifetimeonjunctiontemperature電子元器件受尺寸和安裝條件限制，除非功率很低，一般難以僅憑自身實(shí)現(xiàn)完全散熱。常用的散熱方案為利用熱沉擴(kuò)展表面積，再將熱量散至周圍環(huán)境。一個(gè)典型的散熱過(guò)程包含了傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射：熱量首先以傳導(dǎo)的方式從元器件傳遞到與之緊密貼合的熱沉，再通過(guò)對(duì)流和輻射從熱沉表面?zhèn)鬟f至環(huán)境。傳導(dǎo)過(guò)程中的導(dǎo)熱熱阻相對(duì)較小，因?yàn)闊岢炼嘤蓪?dǎo)熱系數(shù)高的金屬制成，使用最廣泛是銅或鋁的合金。以6系鋁合金為例，其導(dǎo)熱系數(shù)在200Wm-1K-1左右。另外，相變技術(shù)常用于高熱流密度的工作條件，如微槽群復(fù)合相變結(jié)構(gòu)可在小溫差下應(yīng)對(duì)106Wm-2的熱流密度[8]。由于半導(dǎo)體元器件的工作溫度普遍不高，熱沉與環(huán)境的溫差不大，輻射換熱量相比對(duì)流占比很校而且為了在有限空間內(nèi)盡可能擴(kuò)大散熱面積，緊湊的布置（如陣列式肋片）也導(dǎo)致角系數(shù)較校因此，從熱沉到環(huán)境的散熱主要依靠對(duì)流來(lái)完成。對(duì)流換熱是流體流過(guò)固體表面時(shí)，導(dǎo)熱和對(duì)流共同作用下的熱量傳遞過(guò)程。其本質(zhì)上是具有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱，流體的運(yùn)動(dòng)起著當(dāng)量熱源的作用[9]。常物性、無(wú)內(nèi)熱源的對(duì)流換熱能量微分方程（1.1）在流速為零時(shí)就退化為導(dǎo)熱微分方程（1.2）其中T為溫度，t為時(shí)間，u流體速度，a為熱擴(kuò)散率。電子元器件的對(duì)流換熱中，流體介質(zhì)以空氣居多，常溫常壓下空氣的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.026Wm-1K-1，比鋁合金小了4個(gè)數(shù)量級(jí)。如果沒(méi)有流動(dòng)，僅靠空氣導(dǎo)熱很難將熱量及時(shí)帶走。即便在有流動(dòng)的情況下，空?

基于EHD效應(yīng)的電暈風(fēng)強(qiáng)化對(duì)流換熱研究4圖1.2用于800WLED光源的太陽(yáng)花散熱器Fig.1.2Sunflowerheatsinkusedfor800WLEDlightsource采用強(qiáng)制對(duì)流來(lái)強(qiáng)化換熱可以同時(shí)利用主動(dòng)和被動(dòng)兩種手段。一方面外加驅(qū)動(dòng)力以提高氣體流速；另一方面擴(kuò)展散熱面積，還可在散熱表面加工一些特定結(jié)構(gòu)以影響氣體流動(dòng)和擾動(dòng)邊界層[13]。以氣體為介質(zhì)的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)一般可達(dá)20~100Wm-2K-1。當(dāng)前最常用的主動(dòng)式強(qiáng)化手段是在熱沉上安裝風(fēng)扇，如軸流風(fēng)扇廣泛應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)中CPU和GPU的散熱。離心或軸流風(fēng)扇依靠扇葉的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)提高風(fēng)速，必然引起噪音污染，長(zhǎng)時(shí)間高速旋轉(zhuǎn)也帶來(lái)了故障隱患。在LED照明行業(yè)中風(fēng)扇并不常用，如LED燈光誘魚的使用場(chǎng)景，風(fēng)扇噪音會(huì)影響魚群的運(yùn)動(dòng)，給捕魚產(chǎn)業(yè)帶來(lái)不確定性，容易造成經(jīng)濟(jì)上的損失。利用壓電技術(shù)制造的壓電風(fēng)扇也是強(qiáng)制對(duì)流的手段之一。通過(guò)施加一定頻率的交變電壓，壓電材料會(huì)發(fā)生周期性彎曲，安裝在壓電材料上的彈性薄片隨之產(chǎn)生諧振，起到對(duì)周圍流體加速的作用[14]。壓電風(fēng)扇雖然沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件，但振動(dòng)部件依然存在噪音和可靠性的問(wèn)題，而且成本也居高不下。這些依靠機(jī)械運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化對(duì)流換熱的方式在應(yīng)用中具有很大的局限性。在LED燈具散熱領(lǐng)域，風(fēng)扇的市場(chǎng)占有率持續(xù)下降[16,15]。基于電流體動(dòng)力學(xué)（electrohydrodynamics,EHD）的原理，可將電能直接轉(zhuǎn)化為流體的動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)對(duì)流強(qiáng)化。在空氣流道內(nèi)安裝小曲率半徑的電極，通過(guò)對(duì)電極施加高電壓，使電極和接地極之間形成非均勻的強(qiáng)電場(chǎng)，可造成空氣局部電離，引發(fā)電暈放電。電離產(chǎn)生的帶電粒子在電場(chǎng)力的作用下，帶動(dòng)空氣中性粒子運(yùn)動(dòng)，形成吹向熱沉的電暈風(fēng)。電暈放電產(chǎn)生的風(fēng)和風(fēng)扇吹出的風(fēng)并無(wú)本質(zhì)不同，區(qū)別在于風(fēng)扇是由電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能再轉(zhuǎn)化

【參考文獻(xiàn)】：
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