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原文传递离子风强度调控强化对流换热的机理及应用研究

论文题名：	离子风强度调控强化对流换热的机理及应用研究
关键词：	汽车电子器件;离子风散热;强度调控;纳米材料;磁场作用;发光二极管;芯片热管理;光输出特性
摘要：	第四次工业革命后，汽车智能化已是大势所趋，驾驶辅助是汽车智能化中的关键技术，该技术促使车内电子器件向小型化和高功能化的方向发展。这就导致电子器件的局部热流密度不断增加，产生热量堆积，由此加速电子器件的老化，其性能也大打折扣。若不采取有效的散热措施，电子器件甚至会发生损坏。因此，亟需寻求一种简单且高效的散热技术来解决电子器件工作温度过高的问题。离子风散热是一种基于电晕放电和电流体动力学原理的新型散热技术，与传统散热技术相比，它具有能耗低、可靠性好、无旋转部件等优点，是近年来研究的热点。但是常规方案下形成的离子风强度较弱，且会生成O3和NOx等副产物，易对电子器件造成损害。纳米材料和磁场均可以通过增加带电粒子的受力提高离子风强度，因此研究中选择了这两种方案作为离子风强度调控手段，通过数值计算和试验研究相结合的方法对强度调控后离子风散热系统的工作性能进行了研究，并将离子风散热系统用于大功率发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）芯片热管理，探究芯片的光输出特性的变化。研究中的具体工作如下：　　（1）为探究磁场强化离子风强度的机理，在COMSOL软件中建立了固态风扇（Solid-State Fan，SSF）的物理模型，对引入磁场前后的离子风流动分布，SSF内部的体积力以及电子移动轨迹的变化进行了仿真计算。结果表明，引入磁场后离子风的最大风速点会向X轴负方向发生偏移，且最大偏移量可达4.5mm，SSF产生的最大离子风速度也会相应提高，相较于无磁场作用时其最大风速增幅可达30.1%。SSF出口处的平均离子风速度的增幅可达171.4%。放电空间内体积力会向X轴负方向发生偏转，迁移区内体积力的X轴和Z轴分量的分布会发生较大变化，但Y轴方向的分量未发生明显变化。磁场作用下的带电粒子运动会发生偏转，移动距离增加，且有部分电子无法抵达集电极。永磁体附近的电子还会发生拉莫尔旋进，且“N”极附近的旋转现象更为明显。　　（2）为探究强度调控对离子风散热系统工作性能的影响，建立了离子风散热系统综合性能测试平台。对强度调控后离子风散热系统的电学性能、离子风分布特性、离子风最大风速、离子风驱动力的变化进行了研究。将离子风散热系统用于LED的热管理，探究LED芯片引脚温度、系统总热阻以及系统平均换热系数的变化。对强度调控后离子风散热系统产生的O3浓度变化规律进行了研究。试验结果表明，当永磁体包覆电离区，永磁体间距为18mm时，离子风速度最大，因此选用该种永磁体位形布置方案和磁铁间距。碳纳米管修饰后离子风速度高于石墨烯修饰的系统，因此选用碳纳米管作为试验所用的纳米材料。引入磁场后SSF产生的电晕电流减小，而碳纳米管修饰后SSF产生的电晕电流会增加。两种强度调控手段均能降低电晕放电的起晕电压。采取两种强度调控手段均会提高最大离子风速度，且磁场强化后的离子风速度更高，最大风速可达2.54m/s。同时使用磁场强化和碳纳米管修饰时，LED芯片引脚温度可从48℃降至34.3℃，且散热效率更高，此时离子风散热系统热阻仅为21.4K/W，而平均换热系数可达75.8W/（m2·K）。同时采用碳纳米管修饰和磁场强化时其产生的O3浓度最小，相较于未强化的离子风散热系统下降了约62%。　　（3）为探究离子风散热系统作用下LED的光输出特性，搭建了LED光输出特性测试系统。研究了环境温度和LED驱动电流对其输出性能的影响规律，将强度调控后的离子风散热系统应用于LED芯片热管理，探寻LED光学性能的变化以及离子风散热系统引入后LED色度特性的变化机制。研究结果表明，当环境温度为24.9℃，驱动电流为700mA时，LED的输出光通量最大。当碳纳米管和磁场协同作用于离子风散热系统时，LED芯片的光通量的降幅最小，持续工作到稳定状态后的降幅仅有1%；光强的衰减幅度减小，衰减时间缩短，光强降幅仅有0.9%；LED芯片的色度坐标向白光区域发生偏移且色温偏离度最低，对人眼最为友好。　　研究结果表明，强度调控后的离子风散热系统的工作性能得到了显著改善，应用该散热系统后LED芯片的光输出特性更优。
作者：	朱涛
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	王静
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022