电子设备内部基于微通道传热特性的温度控制方法与流程

本发明涉及一种温度控制方法，具体涉及一种电子设备内部基于微通道传热特征的温度控制方法，属于电子设备领域。

背景技术：

近年来，随着微电子和微机电系统技术的迅速发展，电子元器件体积不断变小，性能、速度不断的提高，使电子设备趋向大功率、微型化发展。然而，电子设备的微型化和集成化，给电子设备的有效散热带来了巨大挑战。电子元件的能耗和发热功率越来越大，单位容积电子器件的发热量和热流密度大幅度增加。电子元器件在工作时对温度很敏感，温度过高会导致其性能显著下降，直接影响系统工作的稳定性和可靠性。研究显示，cpu芯片的发热功率已由几年前的100w增加到当前的200w以上，其透过散热器基板传导的热流密度高达105w/m²，并有逐年增加的趋势。一个半导体元件的温度每升高10℃，系统可靠性将降低50％。其中有超过55％的电子设备失效或损坏是由于温度过高引起的，当电子元器件工作时，在消耗功率的同时会使元件的温度迅速升高，如果热量不能及时的传递和扩散出去，就会使电子元器件内部的温度不断的增大，当温度上升到一定程度会导致电子元件工作的安全性和可靠性明显的降低，最后导致功能失效。如果不能及时的将所产生的热量排放到外界环境中会导致电子设备不能正常的工作。因此必须对集成化的电子设备进行热分析和热控制，合理寻找有效的散热方式，将设备内的热量传递到外界空间中，从而控制电子设备在工作时的温度不超过允许最高温度，以提高电子设备工作的稳定性和安全性的目的。

目前风扇冷却技术是用于电子设备冷却使用的最普遍的方式，即利用风扇将冷却空气压送至散热器件表面以将该处热量散走。随着电子设备的微型化和集成化，这种冷却方式确定也越来越明显。第一，随着电子设备的能耗和发热功率也越来越大，传统的风扇冷却的散热量有限，无法满足电子设备的高热流密度的散热要求。第二，风扇冷却效率与风扇速度成正比，因而高功率工作时会造成很大的噪音。第三，常规的提高风扇散热器冷却的方法有提高风扇的转速和增大翅片的尺寸等，但是这两种方法都不能无限地增加风扇散热器的散热能力，风冷技术已不能满足芯片日益增长的散热要求。

目前针对以上传统电子设备散热所存在的问题，提出一种新型的解决方案。其中液体因其单位热容比气体大，以之作为循环工质的冷却方式能达到比风冷更高的冷却效果。在液体冷却电子设备中，微通道结构也是一种强化换热结构，尺寸可以从数微米到数毫米，制作的材料有硅、铜、铝及其合金等，冷却介质选用电解质溶液，可以使微管道具有很高的传热系数。因而在电子设备冷却应用上，微加工技术易于操作和实现，其作为高效紧凑型换热器或冷却装置极具优势。为了保证在微通道内流体的稳定循环流动和传热，流体驱动方式一般分为以下两种：一是机械驱动方式，包括气动微泵、压电微泵、离心力微泵等，主要是利用自身的活动机械部件的运动驱动流体。这种驱动方式必须与单向阀配合使用，微阀会增加微泵结构的复杂性和加工难度。需要通过机械部件的高频振动驱动流体，因此要注意泵膜的使用寿命。结构复杂，集成化难度大，对微加工技术要求高，造价高。二是非机械驱动方式，包括压力驱动、电渗驱动等动电驱动，其特点是微泵系统本身没有活动的机械部件。但这种方式也具有一些局限性，电渗流的速度大小与微通道的横向尺寸无关，容易控制。压力驱动流的流动速度不仅与微通道横向尺寸有关，还与沿程的压力梯度相关，控制起来必须考虑两方面的因素。由于电渗驱动必须在产生双电层的基础上才有，所以管壁材料必须本身可以带上电荷或强烈吸附某些离子才能符合要求。驱动电渗流需要很高的电压，这将会带来安全问题，而且功耗大、体积大，不易微型化。

技术实现要素：

本发明为解决现有微通道内流体驱动方式结构复杂难以集成化，且功耗和体积较大，造价和加工技术要求较高的问题，进而提出电子设备内部基于微通道传热特征的温度控制方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述方法的具体步骤如下：

步骤一、将电源的正极和负极分别设置在微通道的两侧，在微通道的上表面和下表面分别各设置一个磁场；

步骤二、调节微通道两侧施加电极的电势；

步骤三、对微通道上表面和下表面施加磁场的大小进行调控；

步骤四、对微通道内部磁场方向角大小进行调控；

步骤五、通过步骤二至步骤三的调控实现对微通道内电解质溶液流动换热的调控。

本发明的有益效果是：1、实现微型化电子设备的高效散热：电子元器件体积小、性能和速度不断的提高，能耗和发热功率大等因素，造成电子设备在工作时温度过高，直接影响系统工作的稳定性和可靠性。本专利中利用微通道结构作为换热结构，换热比表面积很大，结构体积小并且紧凑，可以实现高效换热。以电解质溶液作为换热工质，热稳定性好，换热系数大，可以根据实际需要调剂换热工质的物理化学特性，满足电子设备对散热的需求，调控更加简单方便，可操作性强；

2、实现电子设备内部主动散热调控：目前电子设备冷却方式主要靠风扇冷却，这种方式散热量有限，工作时产生的噪声大，结构大，不能满足微型化电子设备对高热流密度散热的要求。本发明中在微通道外部施加电场和磁场来驱动电解质溶液流动，实现与壁面热量交换。通过改变电极两端电势的大小、磁场的大小和方向角就轻松的调控微通道换热量大小，改变微通道的换热能力，操作方便，容易控制电子设备内部的温度场。

3、节省电子设备内部空间：将本发明安装微型电子设备内部、节约占用的空间是实现有效降低设备工作温度的关键。微通道结构的尺寸是微米级尺度，结构轻小，可以实现集成化微通道结构，使结构紧凑，占据空间小，可以安装在所需要换热的电子元器件内而不影响其正常的工作，加工技术成熟、安装方便。并且提高了换热面积，对于大功率的电子设备效果更突出。

4、节约能量消耗：如果只有电场驱动液体流动想要达到相同的效果所需要电势差非常大，相对应的能量消耗很大，当需要散热的设备较大时能量的消耗更大。本发明中利用电场和磁场的相互作用下驱动电解质溶液实现换热，需要的电极电势可以到达只有电势驱动的十分之一，大大降低能量的消耗，使用寿命也相应的增大。

附图说明

图1是微通道三维模型示意图；

图2是微通道的主视图；

图3是微通道的侧视图；

图4是电解质溶液流速随磁场强度的变化示意图；

图5是nu数随流速的变化示意图；

图6是热流密度随磁场强度的变化示意图；

图7是改变磁场角度的微通道二维截面示意图，其中constan表示壁面温度为恒定值，hotwall表示微通道为热壁面，流体的温度低于壁面温度以实现与微通道壁面进行热量交换；

图8是电解质溶液流速随磁场方向角的变化示意图；

图9是nu数随流速的变化示意图；

图10是热流密度随磁场方向角的变化示意图；

图11是电解质溶液流速随施加电势大小的变化示意图；

图12是nu数随流速的变化示意图；

图13是热流密度随施加电势大小变化示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述电子设备内部基于微通道传热特征的温度控制方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、将电源1的正极和负极分别设置在微通道3的两侧，在微通道3的上表面和下表面分别各设置一个磁场2；

步骤二、调节微通道3两侧施加电极的电势；

步骤三、对微通道3上表面和下表面施加磁场的大小进行调控；

步骤四、对微通道3内部磁场方向角大小进行调控；

步骤五、通过步骤二至步骤三的调控实现对微通道3内电解质溶液流动换热的调控。

本实施方式对微通道2内部的磁场和电场的大小调控简单方便，容易实施，可以实现微通道内流动换热；通过这种调控方法改变磁场大小、方向和电势的大小，带电离子受到的洛伦兹力发生变化，改变溶液在微通道内的流速，当在高温壁面的微通道内的流动时达到了与壁面实现换热的目的，从而调控微通道2换热特性。

本实施方式中涉及到的控制方程有：

在电磁系统中利用poisson方程求解电场

公式(1)和公式(2)中，u表示流体的流动速度；v表示电势；b表示磁感应强度；

在流体东流系统中利用连续方程和navier-stokes方程求解速度场，速度u满足连续性方程：

采用粗体符号表示矢量，流动方程表示为：

公式(3)和公式(4)中ρ和μ分别表示流体的密度和粘度；t表示时间；j表示电流密度；p表示压力；b表示磁感应强度；假设液体的磁导率足够小，因此流体内部的磁场可以近似用b表示；电磁学中欧姆定律(ohm’slaw)表示为：

由上式提出了电流密度与电势v之间的关系；其中，σ是溶液的电导率；公式(5)中第二项表示导电离子在电场中运动所产生的感应电流；

nernst-plank方程描述离子扩散，nernst-plank(np)方程更能准确的描述每种离子物种的电流通量；i离子通量密度可以表示为：

公式(6)中ci表示i离子的摩尔浓度，di示i离子的扩散系数，zi示i离子的离子价；f表示法拉第常数，r表示通用气体常数，t表示电解质溶液的绝对温度，n表示电解质溶液中所含离子种类，u×b表示感应电场；

在稳态的条件下有：

电流密度表示为：

由于微通道的尺寸较大，当电解质溶液浓度为100mm时，双电层的厚度为0.97nm，非常小，；可以忽略双电层；在微通道中电解质溶液内部保持电中性，因此有：

公式(7)和(9)表示在绝缘壁面上每种离子是无通量，给定微通道内入口的离子溶液的浓度；描述了电化学输运现象，将流体运动方程与离子质量输运方程进行耦合，由于离子通量的存在影响流场质量输运；公式(6)中离子质量输运影响电流密度j；反过来，通过洛伦兹力影响流场j×b；因此，需要应用连续性和n-s方程、n-p方程和溶液的电中性来求解整个模型中电解质溶液的流场、离子物质浓度和电势分布；

能量方程描述温度场：

公式(10)中ρ表示流体的密度，j表示电流密度，t表示温度，t表示时间，cp示比热容，λ表示热导率。

结合图11至图13说明施加电势的大小对微通道3内电解质溶液传热特性的影响：

在实际的应用中，通常微通道的位置和几何形状固定，想要微通道换热性能达到需要大小，除了改变磁场的大小、方向角之外，调节电极两端电势差的大小是一个非常好的解决方法。这种方法操作简单，容易实施，安全可靠，对调控微通道换热具有重要意义。当磁场与电场相互垂直时，大小为值0.63246t，壁面温度323.15k时，微通道的传热特性随电势变化结果图；

如图11至13所示，电解质溶液流过微通道内的流速、nu数和热流密度随着施加的电势变化趋势。随着施加的电势v的增大，微通道的流速、nu数和热流密度增大。带电离子在电场的作用下所受到的电场力变大，在磁场的共同作用下带电离子所受的洛伦兹力就变大，因此，电解质溶液流过微通道内nu数随着电势的增大而变大。由于电解质溶液速度的大小和电极两端施加的电压成正比，流速越大换热量越高，因此通过改变电极两端的电压大小可以改变液体的流速从而实现微通道的换热性能大小的控制。

具体实施方式二：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述电子设备内部基于微通道传热特征的温度控制方法的步骤二中改变微通道左右两端施加电极的电势是通过以下两种方法实现的：

第一种、在电路中串联一个滑动变阻器，通过改变滑动变阻器的阻值的大小来改变施加微通道3两侧的电势；

第二种、通过增加或者减小电源中电池的数量来改变微通道两侧施加的电势大小。

具体实施方式三：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述电子设备内部基于微通道传热特征的温度控制方法的步骤三中对微通道3上表面和下表面施加磁场的大小进行调控是通过如下方法实现的：

在原有的微通道3上表面和下表面加装电磁铁，可以通过改变电流的大小和线圈的匝数来调节磁场的大小，也可以在电路中串联滑动变阻器通过改变电路中电阻值的大小来改变电流的大小实现对磁场大小的调控。

结合图4至图6说明磁场大小对微通道2传热特性的影响：

微通道3横截面高和宽的比为1:1，两侧的电势为0.1v，壁面温度为323.15k，磁场垂直条件下微通道3内电解质溶液的速度、nu、热流密度随磁场b变化；

微通道的nu数都随着磁场强度的增大而增大，这是因为磁场b的增大，带电离子所受到的洛伦兹力也会随之变大，从而使电解质溶液在微通道内的流速变大。在横截面积不变的情况下，有更多的电解质溶液与壁面进行热量交换，增强了电解质溶液与壁面的换热能力。因此，微通道的流速、nu数和热流密度都随着磁场的变大而增大。

具体实施方式四：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述电子设备内部基于微通道传热特征的温度控制方法的步骤四中通过改变磁场的位置实现对微通道3内部磁场方向角的调控。

结合图7至图10说明磁场方向角对微通道3传热特性的影响：

带电离子在相互垂直的磁场和电场作用下而产生洛伦兹力，使其沿着微通道内流动实现换热的目的；可以通过适当的调整磁场的大小和角度来改变洛伦兹力的大小和方向，从而影响电解质溶液与微通道的换热强度，即nu数的大小；当微通道的位置和几何形状固定，磁场的大小不变的情况下，想要达到我们所需要的nu数，改变磁场的方向角是一个非常好的解决方法；这种方法操作简单，容易实施，安全可靠，对调控微通道换热具有重要意义；

如图7所示，将磁场的方向做如下的改变，在上述的研究中磁场的方向是垂直于上下表面，接下来将磁场方向沿着微通道的轴向转动将会使带电离子所受到的洛伦兹力发生改变；因此，如何调整磁场的方向角对电解质溶液在微通道内的流动和传热性能的研究非常重要；

如图7所示，图中给定恒定壁面温度，在微通道的两个侧面任然施加一定的电势差，磁场与上下壁面的夹角为α称为磁场的方向角；带电离子在电场和磁场的作用下产生的洛伦兹力随着磁场角度的变化而改变。因此动量方程修正为：

(12)

公式(11)和公式(12)中，u＝j·uy+k·uz，fy和fz是磁场所诱导的磁场体积力。动量方程从左到右的五项顺序分别是非稳态项、对流项、源项、扩散项和洛伦兹力项；当磁场方向与y轴方向夹角为α时，fy和fz分别表示为：

fy＝σuy|bsinα|²(13)

fz＝σuz|bcosα|²(14)

以下是给定壁面恒定温度为323.15k，磁场大小0.94868，两端施加电势0.1v条件下微通道电解质溶液的速度、nu、热流密度随磁场方向角α分别为50°、60°、70°、80°和90°变化结果；

如图7至图10所示，在磁场大小和施加电势一定的条件下，随着磁场角度的增大，电解质溶液的流速、nu数和热流密度也会随之变大。这是因为由于磁场角度的增大，相当于增大了磁场的大小，使得磁场的作用效果更强，带电离子所受到的洛伦兹力变大，电解质溶液的流动的速度更大，与微通道壁面冲刷的强度更大。增大了磁场的角度也会使沿着速度方向的导热系数变大，从而使传热效率变大。因此，磁场的角度越大，电解质溶液与微通道的换热能力越强，nu数随之变大；综上所述，通过改变磁铁的强度和放置位置，可以调节施加磁场的大小和方向角，使带电离子所受到的洛伦兹力发生变化，也有效调控了电解质溶液在微通道内换热性能的大小。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。