离子风强化散热技术研究进展

王长宏， 蔡坚锋

(广东工业大学材料与能源学院， 广州 510006)

离子风(电晕风)是基于电晕放电原理，在高电压的作用下，带电粒子从尖端电极到集电极高速流动从而带动空气形成定向流动的现象[1]。历史上最早离子风现象的记录可以溯源到1709年，直到1899年离子风才首次被Chattock进行量化，随后Steutzer进一步研究发展形成了离子风效应的基本理论[2]。由于其节能静音、结构灵活多变以及无运动部件的工作特点，逐渐吸引广大研究学者关注，如在强化散热[3]、食品干燥[4-5]、消毒杀菌[6]、净化空气[7]、空间推进[8-9]等领域。时到今日，离子风技术已被实验证实在高热流密度电元器件散热、食品干燥等方面有着良好的性能，且已经有厂家对离子风技术相关产品进行商业化应用，但由于离子风散热能力有限、工作电压较高等问题，离真正走上大规模实际应用还需要一定的时间[10]。

随着电子产品集成度不断提高，散热的要求也越来越高[11]。传统强制对流散热的方法是利用机械风扇进行强制空冷，但因其工作噪音大、结构体积大等缺点使人们迫切需求寻找一种新型散热技术。因此离子风散热技术吸引了研究人员的关注，但目前工作多集中在离子风散热系统装置结构参数优化，俨然已达到了瓶颈。为进一步提高离子风散热效果，最近有学者提出采用与纳米材料相结合的方法来进一步增强离子风[12]。

现将对近些年中外离子风散热的研究进展进行分析述评，并对最近离子风发生器与纳米材料相结合进行强化散热的研究工作进行整理评析，总结目前研究的问题并提出建议。

1 离子风强化散热的研究进展

离子风的产生所需部件简单，且与普通的风不同的是离子风是一种带电且类似于射流的流体，激发了学者对其性能的挖掘。因其工作伴随着电荷的产生，使其应用在杀菌消毒、净化空气等领域，因其工作中能产生局部射流，其可应用在陀螺仪[13]、气动流体控制和推进、食品干燥、局部强制对流散热等领域，并且通过实验证明了其可行性。

虽然离子风技术新颖且潜力巨大，在不同的领域都有其发挥作用的地方。但目前而言，离子风技术的研究多集中在强化散热、探究离子风工作机理、降低离子风启动电压、进一步增强离子风、证明在不同应用场景下离子风散热的有效性。

1.1 离子风散热国外研究进展

目前，国外学者针对离子风的散热，做了多角度的实验、数值模拟研究，取得了一定的进展。

为了进一步增强离子风、降低离子风的启动电压，图1总结了常见的离子风发生装置的电极结构，研究人员一般都在此基础上进行结构优化设计。June等[14]利用“针-环”结构实现离子风的激发，发现最优集电极长度为14 mm。此外，正离子风的效率明显比负离子风高。Lakeh等[15]发现离子风的激发具有偏心效应，电极扩展角较低时，散热效果更显著，此发现对离子风在某些特定场合的应用具有重要作用。Kim等[16]对“线-半筒”式离子风发生装置进行测试，发现较小的电极直径能有效增强场强并降低离子风启动电压。Shin等[17]分析“针-平行板”式离子风装置特性，得知较小的电极间距能增强场强降低启动电压，最大换热系数为23 W/(m2·K)。

图1 常见的离子风发生装置电极结构Fig.1 Electrode structure of common ionic wind generators

整体而言，不同结构的离子风装置均表现出良好的散热效果，而离子风的产生会受到电极数量、曲率半径、极间距、极间角度、电极数量、电极布局等各方面综合影响。其中存在着一些具有共性的规律值得注意，如减小发射电极的曲率半径、减小电极间距离能有效增强场强降低启动电压，在不同的电极布局中，均各自存在着最优的结构参数，但这参数往往会受具体离子风装置的影响。

管道内的对流换热在换热系统中有重要作用，如被动冷却散热器、太阳能空气加热器等。离子风技术在管道内增强对流换热的可行性也得到了证实。Ayuttaya等[18]研究发现离子风能增强槽道内流体的扰动进而增强了换热效果，且电极位置对换热的影响占主导。

实验证明通过采用突出物或者是湍流器破坏空气边界层能有效增强离子风强制对流传热。如图2所示，Go等[19]发现离子风破坏边界层增强传热与无扰动边界层流动相比，局部传热系数提高50%左右。Go等[20]通过模拟进一步描述了流动边界层变形的能力并且发现离子风可使局部强化系数提高2倍。随后Go等[21]研究得知离子风换热性能主要是受流体作用影响，离子风在整条线电极都能产生有效的冷却效果。此外，还获得对流换热系数h与电流I1/4呈线性关系，这结论也被其他学者所证实[21]。

如表1所示，整理归纳了更多关于优化离子风结构参数的实验研究工作。

随着加工工艺的进步和电子器件散热要求的进一步提高，微尺度离子风技术被提出。Hsu等[26]通过微组装悬臂式“针-板”发生结构在电压约3 kV实现对离子风的激发并有效起到强化散热作用，功耗仅有165 mW。该实验结果证明了微组装离子风装置能降低启动电压，且微尺度离子风发生器的散热效果得到证实。随后Ong等[27]测试了微尺度离子风发生器对局部热点的定向散热性能，结果显示传热系数最高可达3 200 W/(m2·K)。进一步证明，微尺度离子风将是下一代半导体可行的热管理解决方案。

图2 离子风破坏空气边界层增强散热示意图[19]Fig.2 Schematic diagram of ionic wind destroying the air boundary layer to enhance heat dissipation[19]

表1 关于离子风结构参数的优化研究Table 1 Summary of experimental research on structural parameters of ionic wind

以往常通过翅片增强电子芯片散热。受此启发，Shin等[28]提出了翅片与离子风发生器一体化新结构，该结构冷却性能比自然对流提高了150%。Gallandat等[29]利用翅片阵列与集电极相结合的方法进行散热研究，结果与自然对流相比，冷板温度降低了18 ℃以上。Ramadhan等[30]探究了集电极与翅片一体化结构的离子风散热性能，指出了散热器的长宽高尺寸是一体化结构散热装置的主要影响因素，优化设计需对其各尺寸进行综合考虑。

由于离子风的形成涉及空气分子的电离，因此空气湿度会影响离子风产生。为了探明相对湿度对离子风散热性能的影响，Lee等[31]进行研究发现离子风的传热系数随相对湿度的增大而减小，且负离子风的强化散热效果更好。

综上所述，离子风被证实具有良好的散热性能。为了进一步提高离子风散热性能和降低离子风启动电压，研究多在以下方面进行：①优化结构参数或改进结构(如优化电极间距离，电极的曲率半径、电极布局、翅片与集电极一体化等)；②研究在管道内的离子风强化散热效果；③利用离子风破坏空气边界层来增强散热；④利用微尺度离子风散热装置减少启动电压。

已有研究取得了一些值得留意的普遍性规律。通过减小发射电极的曲率半径、减小电极间距可有效降低启动电压，离子风破坏空气边界层能有效增强散热，翅片与集电极一体化结构可以有效提高对流换热系数，微尺度离子风技术的出现为低功耗低电压微电子芯片有效定向散热提供了可行的解决方案。以上发现使离子风散热作用方式更加清晰，为离子风的优化设计指明了方向。

1.2 离子风散热国内研究进展

国内对离子风散热技术近些年发展越来越迅速，研究主要是以应用为导向而展开[32]。

如今节能环保高亮度的发光二极管(light emitting diode，LED)灯已应用在各行各业，但LED灯发光的同时也伴随着大量热量的生成，结温持续的升高会严重影响其光输出量以及寿命。寻找高效的LED热管理方案迫在眉睫[33]。

Chen等[34]利用离子风对LED进行散热性能研究，结构如图3所示。结果表明，装置热阻可降低50%以上，取向角对热阻影响不大，垂直间距比水平间距影响明显，网状接地电极的散热效果最好。进一步研究发现对于相同的网电极，电极构型对热阻影响很小，放电电极的曲率半径越大，工作电压范围减小[35]。

图3 离子风对LED散热装置示意图[34]Fig.3 Schematic diagram of ionic wind cooling device for LED[34]

李小华等[36]通过“针-网”式离子风系统对LED散热展开研究，研究发现负电晕能降低离子风启动电压，负离子风风速更快散热更好。王静等[37]和Wang等[38]利用不同阵列的“针-网”式离子风系统对LED进行散热性能研究，研究发现负离子风散热性能较好，1×11针阵列的离子风散热性能最好，芯片温度最低达52.3 ℃，但当功率提升时，由于焦耳热增多，散热将变差。李慧霞等[39]利用“线-网”式离子风系统对LED进行研究，实验得出芯片引脚最大温降为36 ℃，放电间距减小，散热效果越差，是因为间距过小离子风未得到充分加速所导致。李小华等[40]研究认为电极间距离存在着一个最优值，这也恰好能解释前面出现矛盾结论的原因。

过往研究多集中在稳定电场下离子风的散热研究，缺乏对振荡电场下离子风的散热研究。Sheu等[41]研究了在频率0.5～2 Hz的振荡电场下离子风对平板传热性能的影响，结果显示振荡电场下的离子风散热性能比稳态差。

离子风散热技术在管道内强化对流换热的研究工作上，国内研究学者也做了相关研究。针对矩形通道内水平分布离子风强化散热问题，Peng等[42]研究发现在矩形通道内，靠近入口处散热效果最好，但随着雷诺数增大，表面传热系数降低，最优电极数为7，电极均匀分布覆盖整个通道时能达到最优的散热性能，为通道内强化散热设计提供了参考标准。Wang等[43]对双壁面电极布置展开研究，发现传热水平明显提高，与无离子风相比，上壁面提高了166.4%，下壁面提高了242.7%。

Wang等[44]对“针-环”式离子风系统进行三维模拟。结果表明，传热系数随圆板半径r增加而减小，热通量小于2 000 W/m2时，板最低温度能降到70 ℃以下，且在滞止点区域的离子风冷却性能比均匀射流好。

Feng等[45]通过集电极与翅片一体化的“针-翼”与“针-网”电极结构研究，发现“针-翼”结构散热性能显著提高，温度从54.5 ℃降到39.1 ℃，功耗仅0.85 W，且建立了Nu-Re经验关系式，如式(1)～式(3)所示。发现离子风是一种边界层较薄、对流较强的流体，因此努塞尔数的实验值会比传统的空气外掠等温平板的换热经验关系式[式 (1)]的计算值高。证明了翅片集电极一体化结构的可行性，翅片散热技术与离子风技术结合将会是未来优选热管理解决方案。装置示意图如图4和图5所示。

(1)

1 000≤Rel≤4 500， 0<σ2<1

(2)

1 000≤Rel≤2 700，σ2≥1

(3)

式中：Nu为努塞尔数；Re为雷诺数；Pr为普朗特数；下标l为特征长度。

图4 针-网式离子风发生装置的结构示意图[45]Fig.4 Schematic diagram of the structure of the needle-mesh ionic wind generator[45]

图5 针-翅式离子风发生装置的结构示意图[45]Fig.5 Schematic diagram of the structure of the needle-fin ionic wind generator [45]

冯杰等[46]对针-平行板式离子风发生器进行热成像研究，结果显示电极的焦耳热发生在尖端而非接收电极，但周围空气温度仍然保持不变，证明尖端处的焦耳热对换热过程影响不大。

以往研究人员多对单级离子风散热系统进行优化设计。蔡坚锋等[47]另辟蹊径提出了一种新型多级针-网式离子风散热系统，研究发现多级比单级出风效果更好且最大风速可达2.6 m/s以上，证明了多级离子风发生装置结构的可行性。

为了寻求更好的微电子热管理方案，Ye等[48]研究发现小型针环离子风泵的性能对进口堵塞和电驱动方式都不敏感，且小型针环离子风泵有着较好的能效。Wang等[49]研究发现离子风能有效对封闭通道中的点热源进行散热，而传统的机械风扇即使在较大雷诺数下也无法实现。

为了解决离子风发生装置工作过程中产生臭氧的问题以及进一步增强离子风风速，Wang等[50]在离子风发生装置中添加了电磁场，结果发现，磁场能明显提升离子风风速，且能使臭氧浓度降低95%以上。

综上所述，国内对离子风散热研究取得了不错的进展与成果，尤其是针对LED芯片散热的离子风系统结构参数优化。此外，在通道内强化传热、集电极翅片一体化结构等方面研究也取得了一定进展。但同时，需要明确的是，除了证明离子风技术在各方面解决散热问题上的可行性以外，仍需要解决目前过高的离子风启动电压和离子风散热能力有限的问题，而且急需寻找新的研究突破点。

未来工作中，可以针对优化离子风启动电压、进一步增强离子风展开工作。目前对于该问题采取的方法多是对结构参数进行优化，但优化设计空间有限。现已有文献表明交流电可以降低启动电压[51]，环境湿度对启动电压也有所影响，另外还有研究报道在离子风系统上施加磁场可以有效增强离子风[52]，将来的工作可以从这些新颖的角度多方面进行切入研究。另外由于电子元件越趋微型化，微型离子风散热技术将是下一代电子热管理解决方案，所以应加快对微型离子风散热系统的优化研究。

2 纳米材料协同离子风强化散热

目前中外学者在对离子风散热系统的优化上，多局限于结构参数优化，俨然已经到达瓶颈，要进一步增强离子风性能急需寻求新的突破方向。从离子风产生机理可知，在高压电场下尖端电极对空气电离，带电粒子在电场作用下带动空气从放电电极往集电极运动形成离子风。所以增强离子风强度可从以下方面进行：①促进中性空气分子的电离，增加电场内带电粒子量；②加快带电粒子在电场下的运动；③使带电粒子在电场中进行更充分的碰撞电离。其中前两方面目前研究多从提高工作电压、优化结构参数进行，第三方面则可以在离子风系统中添加磁场所实现[53]。

最近，以石墨烯、碳纳米管、氧化锌(ZnO)为代表的纳米材料的出现引起了学者的关注。其高纵横比的特点能有效增强场强促进中性空气分子的电离且其良好的场发射特性有效增加了电场内带电粒子量非常适合于尖端放电，给离子风散热技术的研究带来了新的突破方向。

Bo等[52]利用碳纳米管作为放电电极，发现离子风能在较低的电压下启动且稳定工作，这得益于碳纳米管表面有效的电子场发射能力，并且更重要的是在放电过程中碳纳米管能显著降低离子风过程臭氧的生成。Bo等[54]利用垂直方向的石墨烯涂层金属丝用作放电电极，在2.5～3.5 kV的启动电压下即可实现离子风的激发且有更低的功耗。

此外，ZnO也同样具有高效率的场发射特点[55]。Fang等[56]采用电场辅助湿化学法在微电极上合成ZnO纳米线，发现不同长度和形状的ZnO纳米结构的离子风发生装置起始电场和场增强因子上有所差异，且叶状氧化锌纳米结构具有最低的起始电场和较高的场增强因子，最适合尖端放电。Yang等[57]在微电极上合成了ZnO纳米线，并且在其上沉积了一层钨薄膜提高放电性能。结果表明，ZnO纳米线能显著降低电晕起始电压到几百伏，最佳起始电压与钨薄膜的厚度有关。

Wu等[58]采用浸涂法将碳纳米管附着在放电电极上并对其性能进一步研究，发现碳纳米管不仅能降低启动电压、降低臭氧的发生，还可以增强风速、显著提高散热效率。其中启动电压与碳纳米管的高纵横比、电极表面粗糙度有关。

如图6所示，Wang等[59]采用浸涂法使石墨烯附着在放电电极和热沉上并研究了该离子风冷却系统的散热效果。结果表明，石墨烯能有效提高放电电流，在放电间隙为10 mm时，离子风最大风速提高41.3%，当针和散热器都涂有石墨烯时，能取得最佳的冷却性能，结温下降21%。蔡忆昔等[60]对碳纳米管、石墨烯、纳米三氧化二砷 (arsenic trioxide，ATO)三种不同材料对放电电极进行修饰并且研究其散热性能。发现经修饰的散热系统风速有效提高，总热阻降低，纳米ATO修饰的电极风速可达最高的2.78 m/s，碳纳米管对热沉修饰时可使LED温度从65 ℃降到36 ℃，三种材料中效果最佳。

图6 石墨烯修饰的针电极示意图Fig.6 Schematic diagram of graphene modified needle electrode

综上所述，近十年国内首先对纳米材料协同强化离子风展开研究，并且取得了不错的成果。其为离子风散热技术启动电压过高、放电过程臭氧产生的问题提供了新的解决方案。目前研究多集中在石墨烯、碳纳米管、ZnO三种纳米材料上，并且前两者多是通过浸涂法对放电电极进行修饰，而后者ZnO多通过电化学的方法在尖端电极上进行合成。经过整理分析发现，该三种材料强化离子风的原理均在于其高纵横比、良好的场发射特性，能有效促进中性空气分子的电离，增加电场内带电粒子量，且由于场强的增强有效加快了带电粒子在电场中的运动。

目前纳米材料协同强化离子风研究尚在起步阶段。虽然纳米材料已经证明了其良好的离子风强化效果，但仍存在很大的优化空间，需进一步对纳米材料的内部结构(如石墨烯的层数、不同的横向结构等)，不同场发射能力等许多因素对强化离子风的影响关系进行深入研究。此外，有许多良好场发射特性的纳米材料也具有良好的导电导热性能，纳米材料与离子风技术的结合将会是未来研究的方向。

3 结论

分类总结了近些年中外离子风散热技术研究情况，指出研究存在的问题，并指出未来研究趋向和可深入探究的方向。此外，对纳米材料协同增强离子风散热的研究进行整理分析，指出接下来研究仍要突破的问题与未来研究的方向。

目前国外对离子风散热技术主要是从特定发生结构的参数优化、管道中增强散热、破坏边界层增强散热、微尺度结构优化方面进行多角度研究。其中一些具有普遍性的结论值得注意，如减小发射电极曲率半径、极间距可以降低启动电压，集电极翅片一体化、离子风破坏空气边界层可以显著增强散热效果。但总体而言，研究多局限于对结构参数的优化上，急需寻找新的突破口。

国内离子风散热研究发展迅速，在离子风对LED散热、通道内散热、集电极翅片一体化散热研究上取得不错成果。

此外，为打破结构参数优化研究的局限，国内率先利用纳米材料(石墨烯、碳纳米管、ZnO)良好的场发射特性、高纵横比的特点通过浸涂法或电化学生成法使其与尖端电极结合的方法来增强离子风散热、降低启动电压和减少臭氧生成，取得了显著的成果，但仍有很大优化空间。

未来离子风散热研究中，应加深对散热机理、微尺度离子风散热的研究。此外已证实空气湿度、交流电和磁场等对离子风散热有所影响，这些方面的研究仍有深一步挖掘的空间。对于纳米材料协同离子风强化散热的研究需要对更多不同材料(如类石墨烯材料等)、相同材料的不同内部结构等方面进行多角度研究。