基于电流体动力学（EHD）漏斗形冷却装置的研究

发布时间：2019-07-12 11:59

【摘要】：随着技术进步,电子产品元器件集成度日益增高,单位面积上功率逐渐增大,对散热要求进一步提高。当前液体冷却、机械式风扇等传统冷却方式的缺点已经不能完全满足电子产品对散热的要求,基于电流体动力学(EHD)原理的新型冷却方式逐渐获得重视,各国科研人员都已经开始研究设计新型冷却装置。本文提出了一种漏斗形离子风扇,并从不同角度探讨了影响冷却效果的因素。本文介绍了实验中设计的几种不同结构EHD电晕装置。其中以针板作为电晕电极,散热片作为集电极的电晕装置是最常见的一种结构,通过分析实验数据发现,EHD原理产生的离子风用于散热时降温幅度达50℃左右,效果很明显,而且消耗的功率很低,在0.5W左右。这两个结果表明了EHD电晕装置用于散热具有重要意义。离子风从电晕电极吹向集电极时,垂直碰撞会有能量损失,为了降低能量损失设计了一种盒式电晕装置,这种装置与散热片呈一定角度安装,减少碰撞过程中的能量损失,提高离子风速。此外,在传统机械式风扇基础上改装了EHD离子风扇。由于风扇的叶片具有一定的弧形,扇叶转动的时候,风可以沿着扇叶表面的圆弧定向的流出,根据扇叶的形状制作一个与之匹配的针状电晕电极；在扇叶表面贴上铝箔作为集电极,并且固定扇叶,这样电晕电极和集电极之间施加高电压时产生的电晕离子风将会沿着扇叶表面定向流动。这种电晕风扇的优势在于可以将分散的离子风聚集,能够提高风速,增强散热效果。通过前期的不断探索最后设计出了网式漏斗形集电极电晕装置。实验探究了影响散热效果的主要因素,例如针状电极密度、针状电极直径、漏斗小端直径以及电极间距的影响。实验中分别制作了8针、12针和24针的针状电极,通过实验数据分析发现随着电极密度增加,相邻间电极互相影响降低了离子风速、提高了能耗；密度低离子风速低,综合考虑选择12针最佳。针状电极曲率对电极周围电场具有重要影响,电场的强弱决定了空气的电离程度,实验中分别使用直径0.3mm、0.6mm、0.9mm和1.75mm镀镍钢针制作12针的针状电极,通过数据分析表明0.3mm和0.6mm时离子风速最大,但是0.3mm钢针在制作电极板过程中容易断掉,制作过程不方便,实验选用0.6mm钢针。作为集电极的漏斗,出风口小端直径同时影响到风速与作用面积。实验中制作了10mm、20mm、25mm、30mm、35mm六种口径的集电极,在综合分析出风口离子风速和作用面积发现,作用面积比风速对散热效果的影响更大,因此选择30mm和35mm两种集电极最佳。最后研究了电晕电极和集电极之间距离的影响。两电极之间间距对工作电压和离子风速都有重要作用,实验研究了间距为5mm、10mm、15mm和20mm时的效果,通过比较工作电压、离子风速和能耗等因素,当电极间距在10mm时能够获得最佳综合效果。文章还探讨了将EHD用于LED时影响散热的因素。实验中将4个功率为3W的LED灯珠贴在鳍片式和针式散热片上,保证其他因素完全一致的情况下比较实验结果发现针式散热片效果更好。虽然与鳍片式散热片相比,散热面积小,但是针式散热片对流更充分,因此散热效果更好。此外实验还探究了散热片安装角度的影响。散热片安装角度有0°、30°、60°和90°四种,温度曲线表明散热片倾斜小角度时,冷却装置和散热片的作用面积基本没变,小角度时电晕离子风从一端向另一端流动,比垂直吹向散热片时能量损失小。角度太大时,冷却装置和散热片的作用面积减小,虽然离子风吹向散热片时能量损失更小,但比起散热面积减小带来的不利因素,散热作用相比更小。最后研究了冷却装置两端工作电压的作用,电压太高时EHD冷却装置消耗的功率增大,产生大量臭氧；电压太低时离子风速低,散热效果不明显,综合分析发现本实验中电压在9KV～10KV之间效果最好。
文内图片：热管冷却原理图

图片说明：热管是一种具有极高导热性、优良等温性、环境适应性等优点，可以满足电子设备对散热装置紧凑、可靠、灵活控制、高散热效率的要求[2"^]。它的工作原理如图1.3。工质在蒸发段受热，工质迅速蒸发在微小的压力下流向另一端，冷凝释放出热量，，循环到蒸发段。4
文内图片：

图片说明：第一章绪论后来的离子风产生机理提供了理论基础，自此越来越多的研宄被用质量传输的作用，以及用来研究新型的静电吹风机。2008年，届半导体热力学测量、建模和年会上，ThorrnMicro公司的两名VishalSinghal展示了他们的最新成果——RSD5固态风扇，它的/s，超过普通的机械式散热风扇[3i],如下图1.4[32], RSD5作为市应用的电晕气流风扇，给电流体动力学用于散热领域带来了希望，散热真正的从理论走向了现实，电流体动力学（EHD)的研究也期。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN607

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