基于EHD效应的电晕风强化对流换热研究
发布时间：2021-12-17 17:41
半导体元器件是当今电子信息时代的硬件基础,可靠性至关重要;但随着工作温度的升高,其故障率几乎呈指数级增长。在元器件的散热过程中,空气侧热阻一般是所有热阻中最大的一环,对流换热亟需强化。基于电流体动力学（EHD）效应的电晕风技术可以大幅提高对流换热系数,同时又规避了传统风扇的一些缺点,因此得到了广泛的研究。它的基本原理是利用曲率半径很小的发射极和尺寸较大的集电极组成一个EHD装置;当发射极上施加足够高的电压时,其周围空气被电离,并在电场力的作用下形成吹向集电极的电晕风。本文依托国家重点研发计划,为满足高效高可靠的散热需求,依次开展了电晕风强化对流换热的机理研究、实验研究和应用研究。在机理研究中,通过数值模拟得到了线-板式电极结构中的电场、速度场和温度场。基于对流换热的场协同理论,在不同条件下量化分析了速度和温度梯度两个矢量间的夹角,又称协同角。热沉壁面温度分布由空气流速和协同角共同制约。提高流速或减小协同角均可以强化对流换热;当流速很低时,协同角对换热性能起着决定性的作用。在实验研究中,发射极采用线电极,集电极为一个渐扩的双肋片热沉,这也是一种线-板式电极结构。变量参数为:电极电压、电压...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：157 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
(a)LED光源及(b
基于EHD效应的电晕风强化对流换热研究2统灯具的替代过程尚在进行之中，可以预测未来LED灯具的功率将越来越高，面临的散热问题会越来越严峻。(a)(b)图1.1(a)LED光源及(b)LED寿命随结温的变化Fig.1.1(a)LEDlightsourceand(b)dependenceofLEDlifetimeonjunctiontemperature电子元器件受尺寸和安装条件限制，除非功率很低，一般难以仅凭自身实现完全散热。常用的散热方案为利用热沉扩展表面积，再将热量散至周围环境。一个典型的散热过程包含了传导、对流和辐射：热量首先以传导的方式从元器件传递到与之紧密贴合的热沉，再通过对流和辐射从热沉表面传递至环境。传导过程中的导热热阻相对较小，因为热沉多由导热系数高的金属制成，使用最广泛是铜或铝的合金。以6系铝合金为例，其导热系数在200Wm-1K-1左右。另外，相变技术常用于高热流密度的工作条件，如微槽群复合相变结构可在小温差下应对106Wm-2的热流密度[8]。由于半导体元器件的工作温度普遍不高，热沉与环境的温差不大，辐射换热量相比对流占比很校而且为了在有限空间内尽可能扩大散热面积，紧凑的布置（如阵列式肋片）也导致角系数较校因此，从热沉到环境的散热主要依靠对流来完成。对流换热是流体流过固体表面时，导热和对流共同作用下的热量传递过程。其本质上是具有内热源的导热，流体的运动起着当量热源的作用[9]。常物性、无内热源的对流换热能量微分方程（1.1）在流速为零时就退化为导热微分方程（1.2）其中T为温度，t为时间，u流体速度，a为热扩散率。电子元器件的对流换热中，流体介质以空气居多，常温常压下空气的导热系数仅为0.026Wm-1K-1，比铝合金小了4个数量级。如果没有流动，仅靠空气导热很难将热量及时带走。即便在有流动的情况下，空?
基于EHD效应的电晕风强化对流换热研究4图1.2用于800WLED光源的太阳花散热器Fig.1.2Sunflowerheatsinkusedfor800WLEDlightsource采用强制对流来强化换热可以同时利用主动和被动两种手段。一方面外加驱动力以提高气体流速；另一方面扩展散热面积，还可在散热表面加工一些特定结构以影响气体流动和扰动边界层[13]。以气体为介质的强制对流换热系数一般可达20~100Wm-2K-1。当前最常用的主动式强化手段是在热沉上安装风扇，如轴流风扇广泛应用于个人计算机中CPU和GPU的散热。离心或轴流风扇依靠扇叶的旋转运动来提高风速，必然引起噪音污染，长时间高速旋转也带来了故障隐患。在LED照明行业中风扇并不常用，如LED灯光诱鱼的使用场景，风扇噪音会影响鱼群的运动，给捕鱼产业带来不确定性，容易造成经济上的损失。利用压电技术制造的压电风扇也是强制对流的手段之一。通过施加一定频率的交变电压，压电材料会发生周期性弯曲，安装在压电材料上的弹性薄片随之产生谐振，起到对周围流体加速的作用[14]。压电风扇虽然没有旋转部件，但振动部件依然存在噪音和可靠性的问题，而且成本也居高不下。这些依靠机械运动强化对流换热的方式在应用中具有很大的局限性。在LED灯具散热领域，风扇的市场占有率持续下降[16,15]。基于电流体动力学（electrohydrodynamics,EHD）的原理，可将电能直接转化为流体的动能，实现对流强化。在空气流道内安装小曲率半径的电极，通过对电极施加高电压，使电极和接地极之间形成非均匀的强电场，可造成空气局部电离，引发电晕放电。电离产生的带电粒子在电场力的作用下，带动空气中性粒子运动，形成吹向热沉的电晕风。电晕放电产生的风和风扇吹出的风并无本质不同，区别在于风扇是由电能转化为机械能，机械能再转化
【参考文献】：
期刊论文
[1]大功率LED散热器自然对流方向效应实验[J]. 单龙,胡学功,王际辉,田红. 发光学报. 2019(06)
[2]LED散热器三角槽扩展表面散热性能[J]. 田红,胡学功,王际辉. 光学学报. 2018(12)
[3]半导体元器件及制造方法[J]. 赵学阳. 电子技术与软件工程. 2017(15)
[4]多孔微通道扁管发展段流动换热特性实验研究[J]. 赵耀华,孙钦,刁彦华,唐晟. 北京工业大学学报. 2017(05)
[5]离子风激励器对平板型热源强化对流散热特性的实验研究[J]. 林岑,王维,杨兰均,庄伟春,马江波,陈雅欣. 中国电机工程学报. 2017(08)
[6]针-板电极正负电晕放电离子风的对比研究[J]. 缪劲松,陈阳,张宇,靳振刚. 北京理工大学学报. 2017(01)
[7]结温对高压白光LED光谱特性的影响[J]. 李松宇,郭伟玲,孙捷,陈艳芳,雷珺. 光谱学与光谱分析. 2017(01)
[8]散热用微型风扇新技术的研究与应用[J]. 翁建华,石梦琦,崔晓钰. 新技术新工艺. 2016(12)
[9]基于电流体动力学的LED前照灯散热[J]. 李小华,包伟伟,王静,李慧霞,蔡忆昔. 浙江大学学报(工学版). 2016(07)
[10]集成芯片LED场地照明灯新型叠片散热器热分析[J]. 何凡,陈清华,刘娟芳,刘娇,柴伟伟. 发光学报. 2014(06)
本文编号：3540614
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：157 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
(a)LED光源及(b
基于EHD效应的电晕风强化对流换热研究2统灯具的替代过程尚在进行之中，可以预测未来LED灯具的功率将越来越高，面临的散热问题会越来越严峻。(a)(b)图1.1(a)LED光源及(b)LED寿命随结温的变化Fig.1.1(a)LEDlightsourceand(b)dependenceofLEDlifetimeonjunctiontemperature电子元器件受尺寸和安装条件限制，除非功率很低，一般难以仅凭自身实现完全散热。常用的散热方案为利用热沉扩展表面积，再将热量散至周围环境。一个典型的散热过程包含了传导、对流和辐射：热量首先以传导的方式从元器件传递到与之紧密贴合的热沉，再通过对流和辐射从热沉表面传递至环境。传导过程中的导热热阻相对较小，因为热沉多由导热系数高的金属制成，使用最广泛是铜或铝的合金。以6系铝合金为例，其导热系数在200Wm-1K-1左右。另外，相变技术常用于高热流密度的工作条件，如微槽群复合相变结构可在小温差下应对106Wm-2的热流密度[8]。由于半导体元器件的工作温度普遍不高，热沉与环境的温差不大，辐射换热量相比对流占比很校而且为了在有限空间内尽可能扩大散热面积，紧凑的布置（如阵列式肋片）也导致角系数较校因此，从热沉到环境的散热主要依靠对流来完成。对流换热是流体流过固体表面时，导热和对流共同作用下的热量传递过程。其本质上是具有内热源的导热，流体的运动起着当量热源的作用[9]。常物性、无内热源的对流换热能量微分方程（1.1）在流速为零时就退化为导热微分方程（1.2）其中T为温度，t为时间，u流体速度，a为热扩散率。电子元器件的对流换热中，流体介质以空气居多，常温常压下空气的导热系数仅为0.026Wm-1K-1，比铝合金小了4个数量级。如果没有流动，仅靠空气导热很难将热量及时带走。即便在有流动的情况下，空?
基于EHD效应的电晕风强化对流换热研究4图1.2用于800WLED光源的太阳花散热器Fig.1.2Sunflowerheatsinkusedfor800WLEDlightsource采用强制对流来强化换热可以同时利用主动和被动两种手段。一方面外加驱动力以提高气体流速；另一方面扩展散热面积，还可在散热表面加工一些特定结构以影响气体流动和扰动边界层[13]。以气体为介质的强制对流换热系数一般可达20~100Wm-2K-1。当前最常用的主动式强化手段是在热沉上安装风扇，如轴流风扇广泛应用于个人计算机中CPU和GPU的散热。离心或轴流风扇依靠扇叶的旋转运动来提高风速，必然引起噪音污染，长时间高速旋转也带来了故障隐患。在LED照明行业中风扇并不常用，如LED灯光诱鱼的使用场景，风扇噪音会影响鱼群的运动，给捕鱼产业带来不确定性，容易造成经济上的损失。利用压电技术制造的压电风扇也是强制对流的手段之一。通过施加一定频率的交变电压，压电材料会发生周期性弯曲，安装在压电材料上的弹性薄片随之产生谐振，起到对周围流体加速的作用[14]。压电风扇虽然没有旋转部件，但振动部件依然存在噪音和可靠性的问题，而且成本也居高不下。这些依靠机械运动强化对流换热的方式在应用中具有很大的局限性。在LED灯具散热领域，风扇的市场占有率持续下降[16,15]。基于电流体动力学（electrohydrodynamics,EHD）的原理，可将电能直接转化为流体的动能，实现对流强化。在空气流道内安装小曲率半径的电极，通过对电极施加高电压，使电极和接地极之间形成非均匀的强电场，可造成空气局部电离，引发电晕放电。电离产生的带电粒子在电场力的作用下，带动空气中性粒子运动，形成吹向热沉的电晕风。电晕放电产生的风和风扇吹出的风并无本质不同，区别在于风扇是由电能转化为机械能，机械能再转化
【参考文献】：
期刊论文
[1]大功率LED散热器自然对流方向效应实验[J]. 单龙,胡学功,王际辉,田红. 发光学报. 2019(06)
[2]LED散热器三角槽扩展表面散热性能[J]. 田红,胡学功,王际辉. 光学学报. 2018(12)
[3]半导体元器件及制造方法[J]. 赵学阳. 电子技术与软件工程. 2017(15)
[4]多孔微通道扁管发展段流动换热特性实验研究[J]. 赵耀华,孙钦,刁彦华,唐晟. 北京工业大学学报. 2017(05)
[5]离子风激励器对平板型热源强化对流散热特性的实验研究[J]. 林岑,王维,杨兰均,庄伟春,马江波,陈雅欣. 中国电机工程学报. 2017(08)
[6]针-板电极正负电晕放电离子风的对比研究[J]. 缪劲松,陈阳,张宇,靳振刚. 北京理工大学学报. 2017(01)
[7]结温对高压白光LED光谱特性的影响[J]. 李松宇,郭伟玲,孙捷,陈艳芳,雷珺. 光谱学与光谱分析. 2017(01)
[8]散热用微型风扇新技术的研究与应用[J]. 翁建华,石梦琦,崔晓钰. 新技术新工艺. 2016(12)
[9]基于电流体动力学的LED前照灯散热[J]. 李小华,包伟伟,王静,李慧霞,蔡忆昔. 浙江大学学报(工学版). 2016(07)
[10]集成芯片LED场地照明灯新型叠片散热器热分析[J]. 何凡,陈清华,刘娟芳,刘娇,柴伟伟. 发光学报. 2014(06)
本文编号：3540614
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