纳电极阵液体冷媒放电中的热传过程及其冷却效应研究

Heat dissipation is crucial for the applications of many micro devices under MEMS and nano-technology disciplines. We propose an investigation into the nature of the heat transfer process of the one-dimensional nanoelectrodes array (ONA)'s discharges in liquids, and the cooling effects therein.Through a deep understanding of the coupled effects of fluid flow, bubble formation, and plasma processes, a totally new liquid flow cooling methodology functioned by a simutaneous EMF-controlled liquid-convection and liquid-gas-phase-transition process may be realized, where the heat dissipation capability and the system efficiency could be very competative regarding the physical fundamentals among the counterparts technologies, even among the most state-of-the-art. The proposal includes: 1) A thorough scrutiny into the nature of the intrface, phase transition, fluid flow, charge seperation and heat transfer processes in this novel physical scenario of ONA discharges in liquids, which bring new fundamental issues into the heat transfer science in the structures of micro/nano scale; 2) The studies of the controll methodlogy of the heat flow in the ONA discharges in liquids, which could be considerd as a study of a novel cooling princple; 3) The developments of the instrumentation technology based on the micro-lithography MEMS fabrication processes, aiming to a new miniaturized cooling device of high efficicency under MEMS discipline, but without any solid components of mechanical movements. The proposal would lead to a new understanding and theoretical description of the novel scenario of liquid-plasma heat transfer physics in low dimensional structures; and a new liquid-cooling principle under MEMS and nanotechnology discipline.

散热问题是长期困扰微纳器件应用的瓶颈问题，本项目提出研究纳电极阵液态冷媒放电热传过程及其冷却效应，通过纳电极阵在固液界面处独特的力学效应、热学效应和电学效应，在更低的加载电压下实现液态冷媒的对流、发泡和电离过程，从而实现一种新型的对流-相变耦合的冷却方式，大幅提高液冷系统的散热效率。研究纳电极阵在液态冷媒放电中的界面过程、相变过程、流体过程、电离过程所决定的独特热传现象，在微纳尺度传热研究中提出了新的科学问题；研究液态冷媒中利用纳电极阵放电驱动的可控对流和发泡效应实现"对流-相变"耦合散热，拓展和丰富了微纳冷却技术的研究领域；研究利用微纳加工技术实现纳电极阵液态冷媒放电冷却系统的集成制造，有望形成一种高效能、无微机械运动部件的新型MEMS液冷器件。本项目的研究能够在理论上明确纳电极阵液体放电过程中的热传机制及其冷却效能的描述和控制方法，为验证和实现一种新型的MEMS冷却技术提供理论基础。

本项目研究工作从理论和实验研究两个方面，表征和解析液体中由荷电纳米线与液体相互作用导致的相变过程和电离过程，进而探索其中的热传与冷却效应。在理论上，基于对连续介质相变和等离子化过程的描述，提出观点认为：在荷电纳米结构的作用下，当纳米结构尺度条件满足空泡化临界条件要求，液态冷媒将在单个量子线纳米结构电场作用下产生介观尺度的空泡，对于满足这一理论条件的纳米结构的宏观体（纳电极阵），这一过程将导致超空泡的形成或介观尺度空泡群簇的形成。宏观空泡化过程的总通量和尺度分布特征与电压的时变特性有关，具备一定的可控性。空泡在形成过程中，低压区气体放电在确定条件下可形成单极性准等离子体状态，等离子化空泡在外电场和压强梯度共同作用下，能够有力促进液态冷媒热致密度梯度驱动的自然对流效应。此外，单根量子线在介质中产生的极化作用和放电过程，作为作用于气体和液体的普遍性过程，将进一步强化自然对流散热的效率。基于此，推导建立起以自然对流为基础理论框架的液态冷媒中荷电纳电极阵跨态相变热传模型，经过简化，对无空泡化过程的气体中的热传过程同样适用。在理论研究的指导下，开展了大量的实验研究工作。在关键实验技术上，针对两大瓶颈问题：纳电极阵实验样品的可重现性问题和液态冷媒的电导控制问题，开展了技术攻关，完成了基本现象的表征。为验证理论预期，在无空泡气体中验证了荷电纳电极阵强化散热过程的基本机理，与传统荷电流体系统相比，相同工况下效率可提高5~10倍，最低功耗优于10-5W/cm2，可在准电中性条件下工作。该项目研究所呈现的物理现象十分新颖有趣，根据理论预期，荷电纳电极阵等离子化空泡驱动下的液态冷媒散热能够在10-6W/cm2功耗下达到优于10-3oC/W的热阻率水平，并且系统体积微小、工作回路全封闭，应用前景广泛。限于条件和认识水平，对这一复杂过程实验系统误差的辨识尚不充分，并且缺乏技术手段直接观察介观尺度空泡的形成和运动，相关研究工作在结题后还将持续深入进行。