CN113163678B

CN113163678B - 一种基于离子风的耦合冷却装置及其应用方法

Info

Publication number: CN113163678B
Application number: CN202110325607.7A
Authority: CN
Inventors: 董晓真; 徐周云; 刘桂志; 李顺; 焦寿杰; 刘娣
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2041-03-26
Also published as: CN113163678A

Abstract

一种基于离子风的耦合冷却装置及其应用方法，壳体的底部设置有与热源接触的均温板基底，均温板基底上垂直间隔设置有若干条金属散热翅片，相邻金属散热翅片间形成流道；壳体的内部底侧填充有冷却液，冷却液均布在流道内；壳体的前部设置有离子风发生器，离子风发生器包括有高压电源、电极和电极支架；电极设置有若干个，若干个电极等间距固定在电极支架上，且若干个电极电性连接于高压电源；壳体的后部设置有不锈钢丝网材料制成的接收极，接收极附着在壳体后部的侧壁上。本发明创造性的提出了将电流体动力学与相变换热相结合的新型换热器，实现了金属散热翅片内部增大对流换热、金属散热翅片3根部相变换热的两种换热方式的有机耦合。

Description

一种基于离子风的耦合冷却装置及其应用方法

技术领域

本发明涉及电子元器件散热技术领域，尤其是一种基于离子风的耦合冷却装置及其应用方法。

背景技术

随着电子行业的高速发展，顺应摩尔定律趋势，电子设备越来越向大容量，大功率，高集成度方向发展，系统的热耗密度越来越大，环境适应性要求越来越高，而体积却越来越小，电子设备的散热问题已经逐渐成为遏制电子行业发展的瓶颈。

电子设备的散热系统通常分为主动式散热与被动式散热两种。主动式散热通常采用强制风冷或者水冷系统。水冷系统结构复杂、兼容性较差，且有漏液等风险；风冷系统采用风扇强制对流，噪声大，运动部件易引起振动，生命周期短，也会增大系统整体尺寸。此外，主动式散热系统虽然散热效果显著，但其能耗较高，不符合国家的节能减排政策。被动式散热指采用自然冷却，利用自然冷源对电子设备进行散热。被动式散热具有低能耗，无噪声，可靠性高，生命周期长，易维护等优点。但是受到散热技术和散热方式限制，市面上大多采用的自然冷却系统无法满足电子设备日益增长的热耗需求。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于离子风的耦合冷却装置及其应用方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于离子风的耦合冷却装置，包括有呈一密闭腔体、采用金属材料制作的壳体1，壳体1的底部设置有与热源10接触的、采用铝或铜金属材料制作的均温板基底2，均温板基底2上垂直间隔设置有若干条采用铝或铜金属材料制作的金属散热翅片3，相邻金属散热翅片3间形成流道；壳体1的内部底侧填充有冷却液4，冷却液4均布在流道内。

壳体1的前部设置有离子风发生器5，所述离子风发生器5包括有高压电源6、电极7和采用绝缘材料制成的电极支架8；电极7设置有若干个，若干个电极7等间距固定在所述电极支架8上，且若干个电极7电性连接于高压电源6。

壳体1的后部设置有不锈钢丝网材料制成的接收极9，接收极9附着在壳体1后部的侧壁上。

一种基于离子风的耦合冷却方法，包括有以下步骤：

步骤1：将均温板基底2安装于均温板基底2，将若干条金属散热翅片3垂直间隔安装于均温板基底2上，将离子风发生器5设置于壳体1的前部，将接收极9设置于壳体1后部，壳体1内部填充有冷却液4后进行整体密闭封装，均温板基底2和热源10填充有导热硅胶。

步骤2：启动高压电源6，在高曲率电晕电极和低端曲率集电极之间施加高强度电场时，靠近高曲率电晕电极区域的气体分子被电离；电离后的气体分子在电场力的作用下向低端曲率集电极运动，并与中性空气分子碰撞；当高曲率电晕电极和低端曲率集电极之间的电场强度很高时，电子与分子外层电子碰撞将会逐渐达到Townson阈值，即此时电子会从高曲率电晕电极的近场获得充足的能量，致使初始电子轰击分子外围电子层之后仍旧保持高能态，进而发生并维持电子“雪崩”，从而实现稳定电晕放电；剥离电子之后的带电粒子在强电场力的作用下向与其极性相反的低端曲率集电极移动，与中性气体分子碰撞和交换动能，进而在两极板之间形成宏观尺度所谓的“离子风”。

步骤3：形成的离子风吹扫过带有金属散热翅片3的均温板基底2，使得均温板基底2表面冷却液4的液膜迅速蒸发，带走底部热源10的热量，这部分含有水汽的离子风吹扫到不锈钢丝网材料制成的接收极9；空气继续流动，但所携带的水汽在碰撞到接收极9后迅速滞止，水汽在碰撞到接收极9迅速滞止的过程中释放出热量，这部分热量通过壳体1的侧壁传递至外部大气中，完成换热降温；迅速滞止形成的液滴落到底部带有倾角的均温板基底2中；在重力作用下，继续补充到基板金属散热翅片3中再次生成液膜。

一种基于离子风的耦合冷却装置的应用，所述耦合冷却装置作为单独的换热单元，与CPU或GPU直接封装，对CPU或GPU进行降温散热。

本发明和现有技术相比，其优点在于：

优点1、本发明创造性的提出了将电流体动力学与相变换热相结合的新型换热器，实现了金属散热翅片3内部增大对流换热、金属散热翅片3根部相变换热的两种换热方式的有机耦合。

优点2、对比于热管单独依赖于内部气液靠纯自然对流实现循环，本发明充分借助EHD强化传热传质的特性，使得这种循环频次得到了强化，为新型热管的设计提供了新思路。

优点3、本发明用于目前电子设备的热管理当中，尤其是芯片散热。该基于离子风的耦合冷却装置高度集成和模块化，能够实现板块的直接安装和应用，可根据不同的PCB印刷电路板进行匹配安装，强化换热的过程主要包含气流循环和冷却液循环两个过程。通过EHD实现内部气流加速，增大近壁面对流换热系数，流速作用下提升液膜蒸发速度，加快相变换热，继而实现相变换热。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的基于离子风的耦合冷却装置结构示意图；

图2为本发明的基于离子风的耦合冷却装置强化传热传质流程图；

图3为本发明的离子风产生示意图；

图4为本发明的多物理场耦合作用关系示意图；

图5为本发明的EHD液膜基于离子风的耦合冷却装置三维结构图；

图6为本发明的简化模型示意图；

图7为本发明的EHD作用下的流速分布；

图8为本发明的流线图；

图9为本发明的温度分布图；

图10为本发明的相对湿度分布图；

图11为本发明的热流密度为120W/cm²时温度分布图。

附图标记说明：壳体1；均温板基底2；金属散热翅片3；冷却液4；离子风发生器5；高压电源6、电极7；电极支架8；接收极9；热源10；除液膜11。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施例，这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。虽然附图中显示了本发明公开的示例性实施例，然而应当理解，本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。

一种基于离子风的耦合冷却装置，如图1所示，包括有呈一密闭腔体、采用金属材料制作的壳体1，壳体1的底部设置有与热源10接触的、采用铝或铜金属材料制作的均温板基底2，所述均温板基底2和热源10填充有导热硅胶。

均温板基底2上垂直间隔设置有若干条采用铝或铜金属材料制作的金属散热翅片3，相邻金属散热翅片3间形成流道；壳体1的内部底侧填充有冷却液4，冷却液4均布在流道内。

壳体1的前部设置有离子风发生器5，所述离子风发生器5包括有高压电源6、电极7和采用绝缘材料制成的电极支架8；所述电极7包括有高曲率电晕电极和低端曲率集电极。电极7设置有若干个，若干个电极7等间距固定在所述电极支架8上，且若干个电极7电性连接于高压电源6。

壳体1的后部设置有不锈钢丝网材料制成的接收极9，接收极9附着在壳体1后部的侧壁上。接收极9前面设置有带导流槽的除液膜11，主要目的是为了将加速后的气流中的液滴高效分离出来，防止极性液滴在电场作用下黏附在接收极上，继而提升循环效率。

所述离子风发生器5可设置有若干个，对应的所述接收极9也可设置有若干个。

一种基于离子风的耦合冷却方法，包括有以下步骤：

基于离子风的耦合冷却方法还包括有离子风的相关参数计算方法：

在带电粒子运动过程当中，相当于在电场作用拖动流场中的空气，这种现象通常叫做离子曳力现象。在连续性尺度上，如果不考虑离子碰撞转运的微观过程，离子曳力现象可以由流体动力学的物理方程进行表征。

离子在电场中的定向迁移过程会产生电流，因此离子运输过程可以用控制容积积分的方式进行宏观表征。由于电流为无源场，其散度为零，电荷的输运方程如下式所示：

其中式(2-1)第一项为导电项，σ_c为流体的电导率，

为电场强度。

对于室温下的一般情况而言，D_e∈(2.5271×10^-6,10.1084×10^-6)；在空气中，电导率极低1.61×10^-23Ω^-1·m^-1，并且随着温度的增加而减小)，因此电导项可以忽略。

第二项为离子漂移项，ρ_c为电荷密度(C/m³)，表征在电场的作用下带电粒子的运动和碰撞的宏观特征，带电粒子的迁移速率μ_p∈(1.0×10^-4,4.0×10^-4)m²/(V·s)。

第三项为对流项，即带电粒子随主流方向所造成了迁移量。粒子在强电场下的迁移速度远大于带电粒子在主流作用下的迁移量，故该项可以忽略。

第四项为扩散项，即带电粒子由于密度的影响所造成的粒子扩散，D为扩散系数(比如空气中的氧气，它的扩散系数约为2×10^-5m²/s，对于电场中质量相同的

大致相同)。

电场强度

是由电势场V所控制的，在空间范围内，电势场满足泊松方程：

ε＝ε₀ε_r(2.5)。

右边的项是电荷屏蔽或空间电荷项，它是在小体积内过量的相似带电粒子之间的库仑排斥使势场线发生畸变时产生的。式(2.2)与式(2.3)方程中都含有电场强度

电荷密度q。对动量方程的影响相当于施加了源项

定义如下：

等式右边三项分别表示库仑力、介电电泳力和电致伸缩力。

介电电泳力是由于介电常数的梯度产生，该力在相变介质中作用比较明显。空气中的介电常数梯度基本上可以忽略，在1000K的波动范围内，ε的变化量小于0.1％。电致伸缩力是由电场强度分布不均，介电常数随密度变化导致的。在本研究中着重考虑的时带正电的弱等离子体，负离子质量极小的电子；此外空气的流动速度远低于音速，故在本研究中将其视为不可压缩流体。综合上述，动量方程中力的源项主要为库仑力。

基于离子风的耦合冷却方法还包括有液膜蒸发冷却的相关参数计算方法：

对于槽道内的流体考虑为不可压缩流体，可以参考N-S方程描述蒸发过程中的冷却液(4)压力变化：

饱和冷却液(4)与蒸汽之间的交界面可以看做饱和温度，在蒸发过程发生时，可以看做饱和蒸汽与饱和水之间发生热传导，其能量方程为：

对此，采用相场法进行数值计算，基于Cahn-Hilliard和Ginzburg-Landau方程的改进数值方法，其采用相场参数描述：

基于离子风的耦合冷却方法的模型理论基础分析：

对上述基于离子风的耦合冷却方法的过程进行分解，包含离子风、液膜蒸发、热质传递，主要由气体循环和冷却液循环两个主要内容。为了说明该基于离子风的耦合冷却装置的原理，借助空气中电极放电举例，说明该基于离子风的耦合冷却装置的运行过程，但该基于离子风的耦合冷却装置中包含的气体放电并不仅限于填充空气一种介质。

通过泊松方程、电荷密度方程、连续性方程、动量方程、能量方程，这五个方程相互耦合求解变量V，

ρ_c，

以及T，这五个变量的关系都属于强耦合，因此直接用数学解析求解无法完成，用数值计算的方法也比较困难。

因此，需要对上述方程的关联形式进行假设。基于电流体动力学的由流场、电场、温度场以及带电粒子场构成，如图3所示，其中实线表示强相互作用，虚线表示弱相互作用。可见，基于电流体动力学的流动传热问题，主要关注的是几何特性变化对流场和电场的影响、电场对流场强相互作用、电场作用下的流场对温度场的控制三个方面。

综合来看，该基于离子风的耦合冷却装置包含气体和冷却液4两个循环，能够实现仅消耗几个微瓦的电能就可以实现10-15倍的强化换热效果。这种组合型换热器与类似于热管的对流换热，但由于增强了气液循环的效率，相比之下能够实现更好的换热效果。

没有热流影响时，冷却液4在表面张力的作用下，在位于多孔介质上方散热器的金属散热翅片3之间分布着一定高度的冷却液4。下底面热流密度为q时，位于多孔介质上方金属散热翅片3中的冷却液4吸热，蒸发为气态，此时在高压电极的作用下含水蒸气在气相空间定向迁移，以一定的速度冲向接收极9，此时气相中的水分子运动速度瞬间滞止在接收极9前端的导流壁面形成大液滴，在重力的作用下流向底部倾角为α的多孔介质，随后沿着斜壁面流向左侧，完成冷却液循环。

三维模型如图5所示，为了进一步强化腔体内部流动，金属散热翅片3数目和离子风发生器5数量均可以按照实际需求适度增加。可以减少金属散热翅片3壁厚，从而加密金属散热翅片3，增大底面换热面积；可以适度增加金属散热翅片3长度，继而增大润湿长度；可以改变冷却液4性质，使得冷却液4与壁面接触角进一步增大，提升换热性能；可以增大气体空间或者结合实际需要对腔体内部进行增压或抽负压。使得该耦合冷却装置充分适应于强化换热的应用领域，尤其是高热流密度、微尺寸的换热环境，尤其是芯片散热过程，可以集成封装于CPU、GPU当中，亦可作为模组直接集成在PCB上冷却其他电子零部件。

实施例

(1)模型简述

为了方便实施数值模拟，对上述EHD强化基于离子风的耦合冷却装置做了进一步简化，物理模型如图6所示，壳体1腔体左侧为速度入口，壳体1腔体右侧为压力出口，研究区域内布置有离子风发生器5和接收极9，在热沉下底面有一热流密度q的恒定热流，在热沉金属散热翅片3之间存在液面高度为h的填充冷却液4。假定入口流速为u、温度为293.15K、相对湿度为0的干燥气体，离子风发生器5电压为V₀，在EHD效应下热沉上方气流加速，由于干气体快速吹扫吸收了一定冷却液4的金属散热翅片3间隙，在冷却液4与上方干燥气体间就会发生剧烈的热质交换过程。在底部热流密度的影响下，冷却液4蒸发冲破冷却液4表面张力，进入到干燥气体中，完成蒸发换热。

(2)模拟结果

对此，实施例分别研究了入口速度为0.1m/s-1.3m/s情况下，研究区域内的速度分布、温度分布、含水量分布，并结合模拟结果给出了对流换热系数的参考值，与一定初速度状态下纯蒸发冷却的对流换热系数进行对比。由图7可见，在EHD作用下，区域内的流速明显增大，在热沉上方形成明显的加速效果，此外，从流线图8可以看到，在热沉水面上方出现明显涡流，热质传递速度逐渐增大；随着入口流速的增大，涡逐渐融合到主流当中形成较为稳定的流场。此时换热效果增加不再明显，可以判断整体换热基本达到稳定。

正如表1所示，放电电压为8KV时，在EHD效应作用于低流速下会明显出现气流加速效果，在这个过程中，热质交换将会被逐步加强。在0.1m/s时流速增大为原来的3.6倍，整个流动区域内部流速增大为原来的2.13倍。当然，为了进一步强化传热流动效果，为了实现更大的换热效果，可以在不超过气体击穿电压的允许范围内适度增大放电电压，继而实现更加高效的换热效果。

表1-8KV电压下流速对比分析

入口速度

EHD平均流速

ζ

EHD最大流速

无EHD最大流速

η

0.1

22.94％

10.71％

214.17％

0.77

0.21

366.67％

0.4

43.92％

42.98％

102.19％

1.06

0.81

130.86％

0.7

76.17％

75.29％

101.17％

1.48

1.20

123.33％

1.0

108.92％

107.62％

101.21％

2.01

1.94

103.61％

1.3

141.83％

140.05％

101.27％

2.57

2.51

102.39％

(3)换热能力分析

如图9、图10所示，在EHD作用下，流速增大的同时能够明显提升强化换热效果。在高流速的作用下，金属散热翅片3间隙的腔体内蒸发冷却速率得到了明显的提升，直接表现在相对湿度的变化当中。当入口流速为0.1m/s时，区域内部的最大温度为306K；当流速扩大至1.0m/s时已不再有明显的变化，表明此时换热已经基本达到稳定。为了探究所发明的基于离子风的耦合冷却装置的性能，在COMSOL中进行了进一步的模拟，将边界的热流密度提升至120W/cm²，如图11所示。可见区域内的最高温度为350K，仍旧低于芯片稳定运行的最高温度353.15K。为了进一步提升强化换热能力，可以考虑更换换热能力更强的工质，如有机大分子的液态烃类等等；还可以进一步提升放电电压，以至于提升EHD效应，继而加速腔体内的气液循环，从而实现更大的强化换热系数。对于当下一般地主流芯片，该耦合冷却装置在1cm²安装范围内即可实现高热流密度换热，有效地适应了当下电子设备轻薄、微型化、高性能的趋势。

(4)延伸表述

为了进一步实现强化换热，该基于离子风的耦合冷却装置亦可进行多级串联，内部EHD放电电极并联，通过多级放电进一步增大其气液循环速度，继而提升换热能力，亦可与水冷设备、热电制冷设备共同串联。对此，所述发明专利重点在于EHD诱导气流耦合液膜冷却，所涉及的耦合冷却装置都应该在保护范围内。总之，所发明的毫米级基于离子风的耦合冷却装置具有广泛的应用范围和优异的冷却性能，应用极具潜力。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，上面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以上对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims

1.一种基于离子风的耦合冷却装置，其特征在于，包括有呈一密闭腔体的壳体(1)，壳体(1)的底部设置有与热源(10)接触的均温板基底(2)，均温板基底(2)上垂直间隔设置有若干条金属散热翅片(3)，相邻金属散热翅片(3)间形成流道；壳体(1)的内部底侧填充有冷却液(4)，冷却液(4)均布在流道内；

所述壳体(1)的前部设置有离子风发生器(5)，所述离子风发生器(5)包括有高压电源(6)、电极(7)和电极支架(8)；电极(7)设置有若干个，若干个电极(7)等间距固定在所述电极支架(8)上，且若干个电极(7)电性连接于高压电源(6)；所述电极(7)包括有高曲率电晕电极和低端曲率集电极；

所述壳体(1)的后部设置有接收极(9)，接收极(9)附着在壳体(1)后部的侧壁上；所述接收极(9)前面设置有带导流槽的除液膜(11)；

所述均温板基底(2)和所述热源(10)填充有导热硅胶；

耦合冷却装置的耦合冷却方法，包括有以下步骤：

步骤1：将均温板基底(2)安装于均温板基底(2)，将若干条金属散热翅片(3)垂直间隔安装于均温板基底(2)上，将离子风发生器(5)设置于壳体(1)的前部，将接收极(9)设置于壳体(1)后部，壳体(1)内部填充有冷却液(4)后进行整体密闭封装，均温板基底(2)和热源(10)填充有导热硅胶；

步骤2：启动高压电源(6)，在高曲率电晕电极和低端曲率集电极之间施加高强度电场时，靠近高曲率电晕电极区域的气体分子被电离；电离后的气体分子在电场力的作用下向低端曲率集电极运动，并与中性空气分子碰撞；当高曲率电晕电极和低端曲率集电极之间的电场强度很高时，电子与分子外层电子碰撞将会逐渐达到Townson阈值，即此时电子会从高曲率电晕电极的近场获得充足的能量，致使初始电子轰击分子外围电子层之后仍旧保持高能态，进而发生并维持电子雪崩，从而实现稳定电晕放电；剥离电子之后的带电粒子在强电场力的作用下向与其极性相反的低端曲率集电极移动，与中性气体分子碰撞和交换动能，进而在两极板之间形成宏观尺度的离子风；

步骤3：形成的离子风吹扫过带有金属散热翅片(3)的均温板基底(2)，使得均温板基底(2)表面冷却液(4)的液膜迅速蒸发，带走底部热源(10)的热量，这部分含有水汽的离子风吹扫到不锈钢丝网材料制成的接收极(9)；空气继续流动，但所携带的水汽在碰撞到接收极(9)后迅速滞止，水汽在碰撞到接收极(9)迅速滞止的过程中释放出热量，这部分热量通过壳体(1)的侧壁传递至外部大气中，完成换热降温；迅速滞止形成的液滴落到底部带有倾角的均温板基底(2)中，在重力作用下，继续补充到基板金属散热翅片(3)中再次生成液膜。

2.根据权利要求1所述的一种基于离子风的耦合冷却装置，其特征在于：所述离子风发生器(5)设置有若干个，对应的所述接收极(9)设置有若干个。

3.一种基于离子风的耦合冷却装置的应用方法，其特征在于：利用如权利要求1所述的耦合冷却装置作为单独的换热单元，与CPU或GPU直接封装，对CPU或GPU进行降温散热。