- 頭條科研簡報：離子風技術在溫度控制領域中的應用2022-01-24 作者：張明 李丁晨 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語離子風是氣體放電產生的高能電子推動中性粒子運動，從而在宏觀上表現為流體的一種現象。由于離子風具有低噪聲、低功耗、響應速度快和無機械運動部件等優點，在過去的數十年中，離子風的研究和應用取得了很大發展。離子風的流動特點、攜帶帶電粒子等屬性，決定了其在不同領域的廣泛應用，主要有食品干燥、溫度控制、推進、助燃和空氣凈化等。離子風所具有的獨特優點使其應用前景光明，雖然離子風在很多領域還在實驗階段，并且一些關鍵問題還有待解決，但未來離子風的應用將會更加成熟。
隨著集成電路中電子器件集成化程度的提高，電子器件的散熱問題成為制約集成電路發展的關鍵之一。由于離子風的流體性質，近年來發展出了不少基于離子風的器件冷卻方法：一種是將離子風激勵器作為“空氣泵”直接冷卻器件；另外一種則是利用離子風產生局部湍流，通過調控邊界層流體形態，強化局部散熱效果。
近年來，離子風直接用于熱源冷卻的研究主要體現在冷卻加熱板、LED以及電子芯片，冷卻效果多以傳熱系數強化因子（定義為離子風下的傳熱系數與自然傳熱系數的比值）和最高溫度下降度數（溫度降）進行表征，見表1。此外，也有通過熱阻來表征傳熱效果的研究，如Ingyoun Chen等利用離子風冷卻LED時發現，熱阻值可從80℃/W降低到41℃/W。
表1 幾種典型結構冷卻研究匯總
利用離子風產生渦流源，進而強化局部冷卻效果的基本原理如圖1所示。當通道內存在外部氣流時，給電極施加電壓形成離子風，離子風的上游與下游會形成兩個不同的流動區域。在離子風的上游，離子風的方向與來流方向相反，形成渦流區。外部氣流無法通過該區域，形成邊界層與壁面分離。在離子風的下游，離子風產生的壁面射流將形成新的邊界層，該邊界層可由所加電壓進行調控。
圖1 離子風控制邊界層示意圖
需要指出的是，離子風協同低速來流時冷卻效果更好。D. H. Shin等基于線-板電極的研究發現，在低雷諾數（100~200）下，離子風和來流協同作用下的傳熱系數比僅有來流時提高了11%，但在高雷諾數（2500~3500）下，傳熱系數反而只有來流單獨作用時的73%。
不同高壓電極形式對傳熱系數的影響如圖2所示，張立等研究針電極、針-環電極、線電極下離子風與來流的協同冷卻效果時，發現針-環電極的局部換熱能力最強，表面傳熱系數可達68W/(m2?℃)，是自然表面傳熱系數的3.5~4.5倍，達到單獨使用離子風散熱的1.7倍以上，是單獨使用來流散熱的2.5倍。
圖2不同高壓電極形式對傳熱系數的影響
在溫度控制領域，離子風由于功耗低、響應快、噪聲小、散熱強等優點，比傳統機械式風扇更有優勢。通過優化電極結構，還可有望實現集成化冷卻。但離子風中的帶電粒子帶來的絕緣問題和電磁干擾問題會影響電子設備的使用，若要在未來實現離子風冷卻的集成化，還需解決以下兩個問題：
①離子風是由于氣體電離出的帶電粒子在電場的加速下產生的，因此離子風中會帶有大量的帶電粒子。當使用離子風冷卻時，部分帶電粒子會沉積在冷卻對象上，若冷卻對象為電子設備，會破壞設備的絕緣性能，因此需要消除帶電粒子的影響。針對這個問題，可以采取雙極性放電的形式，這種放電結構產生的帶電粒子可以自中和，大大削弱了離子風的帶電性。②優化電極，進一步提高風速。雙極性離子風發生器由于帶電粒子的中和，粒子受電場力的時間短，風速較弱。因此，可以在雙極性高壓電極之間加入電介質材料，延長帶電粒子的受力時間。也可以設置多級電極，對帶電粒子多次加速以提高離子風強度。
以上研究成果發表在2021年第13期《電工技術學報》，論文標題為“離子風的應用研究進展”，作者為張明、李丁晨 等。
