应用于冷却系统的多孔介质电渗泵研究

　　随着微机电系统( MEMS)技术的蓬勃发展, 许多电子产品在尺寸上都大幅缩小, 使得各种电子芯片均朝体积小、重量轻、低功耗的方向发展。而与此同时芯片功率不断提高, 这样在微芯片( M icro-Chip)上就存在着较大功率带来的热量如何散去的问题。目前所使用的散热方式基本上是利用风扇加上散热鳍片的传统方式, 一般传统的散热方式需要较大的空间, 但由于目前电子产品尺寸缩小使得散热装置所能占有的空间有所限制, 而且风扇与散热鳍片的尺寸缩小其散热量也非常有限, 因此传统的散热方式已经满足不了微芯片的散热问题[ 1] 。以电渗流微泵( EOF M icro-Pump)作为流体驱动装置的微通道冷却系统(M icro-Channel Coo ling System )具有非常理想的散热效率, 系统的最大散热功率超过200W, 完全能够满足微芯片的散热需求[ 2] 。

　　最早的多孔介质电渗泵是利用毛细管内塞入细小硅颗粒作为电渗泵的多孔介质, 但由于毛细管尺寸的限制使得电渗泵的流率不高, 以致运用在冷却系统的散热效率不高[ 3] 。P. Prakash等人[ 4] 为了使多孔介质膜电渗泵获得超过1MPa的高输出压力, 串联10个单级多孔介质膜电渗泵, 制作了一个多级高压力输出电渗泵。在370V 的驱动电压下, 获得了高达1. 6MPa的压力输出。Yao等人[ 5] 将驱动电渗泵的多孔介质改变为直接用烧结的成型硅颗粒填充到毛细管内的方式,大大增加了多孔介质的截面积, 从而提高了电渗泵的流率, 最终提高了冷却系统的散热效率。Jiang等人在2002[ 2]年将电渗泵、热交换器与冷凝器结合成一闭回路电子组件冷却系统, 其散热功率可达到38W。

　　1 数学模型

　　1. 1 双电层模型( EDL)

　　根据界面化学可知, 固体材料和极性介质相接触, 会在在固相表面形成如图1所示的双电层结构。在扩散层一侧靠近斯特恩层的剪切面上的电势被称为zeta电势或F电势[ 6- 7 ] 。

　　1. 2 电渗流( EOF)的控制方程

　　电渗流的控制方程包括用于描述外加电场电势分布的Laplace方程, 描述双电层分布的Po isson-Boltzmann方程以及流场的N av ier-Stokes方程。外加电场和zeta电势产生的电场是相互垂直的[ 8] 。

　　1. 2. 1 Lap lace方程

　　由于电渗流在微通道内主要是通过外加电场与壁面附近离子交互作用来驱动流体, 因此管道内的流场将受电场分布的影响, 外加电场电位U的分布由Laplace方程确定[ 6] :

　　1. 2. 2 Po isson-Boltzmann方程

　　在扩散层中电荷不呈电中性, 电势和单位体积内的静电荷密度( Net ChargeD ensity) Qe 之间的关系可用Po isson方程描述[ 9- 10]:

　　1. 2. 3 Nav ier-S tokes方程