CN107660103B - 一种针-环式离子风翅片散热装置 - Google Patents

一种针-环式离子风翅片散热装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电子设备散热技术领域，特指一种针‑环式离子风翅片散热装置。这种装置具有结构简单、体积小、无噪音、无运动部件、低功耗等优点，适用于强化电子设备的空气侧散热。该装置在电子设备的散热翅片通道中安装针‑环式离子风发生器，当离子风发生器通电工作时，会产生气流对翅片进行散热，有效的提高翅片散热效率。此外，在散热翅片上涂覆有绝缘层，防止针直接对翅片放电，确保电子设备的绝缘性要求。同时，在散热翅片上，还涂覆有催化剂层，用以消除离子风发生器电离空气时生成的臭氧。

Description

一种针-环式离子风翅片散热装置
技术领域
本发明涉及一种电子设备散热装置，特别涉及一种结构紧凑、与翅片相结合的针-环式离子风翅片散热装置。
背景技术
随着电子器件的排放的热流密度的增大，一些采用自然对流散热电子设备的散热能力已经无法满足散热需求，若热量无法及时排出，会对电子器件的寿命和工作效率产生影响。而若采用风扇进行强制对流散热，为满足散热需求，风扇的尺寸不断增加，造成散热装置的整体体积过大，且风扇在运行过程中会产生噪音、震动等问题，甚至发生运动部件损坏，导致散热装置不能正常工作。
基于电晕放电的离子风技术具有无噪音、体积小、功耗低、稳定性好等优点，其工作原理是在强电场作用下，电晕电极周围空气被电离成带电粒子，带电粒子在电场作用下向接地电极运动，在运动过程中与中性分子碰撞，产生电荷和动能的转移和传递，对周围流体流动产生强烈的扰动，从而形成宏观的气体运动，即离子风。
针对用离子风技术进行散热，有很多不同的实施方案，如专利CN101146430A和US20080060794A1的离子风散热装置，其结构包括金属本体和金属接地体，本体上设置有多个尖锐结构作为放电极，通过尖锐结构对接地体放电产生离子风，接地体同时作为散热片，这种结构放电电极和接地电极分为两个部分，紧凑度不高，未考虑接地极同时作为散热片时防止击穿的绝缘保护，也未考虑装置工作过程中的臭氧问题。专利CN101662120B离子风散热装置公开了一种由导电线彼此交叉形成的网状离子风装置，将该装置用于一种激光器的冷却，该装置本身仅是产生离子风的离子风扇，需要安装到散热片上实现散热的目的，未考虑与散热片的一体化设计，结构不够紧凑。CN101998804B和US 20110139401 A1的离子风散热装置，将针电极布置在金属线上，低电极由多个导电片组成，导电片同时也形成流动通道，该类装置的离子风发生部件与散热部件相互独立，并未集成。专利US 20110116206 A1中的离子风散热装置，离子风发生部件和散热片采用了垂直的布置方式，离子风发生部件从顶部对散热片进行吹扫，装置对垂直方向的高度有一定要求。专利CN102159055 B一种离子风散热装置，采用了不同的离子风结构(线板、针板、针孔)对热源进行散热，还对离子风装置产生的臭氧用催化剂进行消除，设计中离子发生器与散热器未考虑集成化。专利CN104485315A离子风散热装置，将多个针环结构的离子风发生器安装在一个桶状的壳体内，利用该装置产生的离子风对热源或散热片进行散热，其本质仍是一种基于离子风的风扇，未与散热片合成。专利CN105283046 A一种离子风散热装置，采用离子风对热源散热，其离子风的接收极与热源接触，既作为一个离子风的接收极，也作为导热的翅片，装置结构相对小巧，但其离子风垂直于热源进行吹风，装置垂直高度较大。
以上专利的离子风装置大多将离子风作为一个外置的风扇来对热源或散热器进行吹扫，是一个附加的结构，会增大散热器的体积，紧凑度和集成化程度不高，且安装使用时还需进行相应的设计，可能会改变原有电子设备的内部结构布置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构紧凑、简单的针-环式离子风翅片散热装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括散热翅片以及安装在相邻翅片间的由针电极与环电极组成的若干级离子风装置，所述针电极由安装在散热翅片上的电极板和与电极板相连的若干个置于相邻翅片间的钨针组成，所述的环电极由安装在散热翅片上的导电条和与导电条相连的若干置于相邻翅片间的金属环组成，所述针电极的钨针针尖正对所述金属环的中心。
所述环电极的金属环的直径小于相邻翅片的间距。
所述散热翅片的翅片间距为10～25mm。
使所述离子风装置达到最大风速的针电极的钨针的针尖到环电极的金属环中心的距离L与环电极直径D的比值为0.2～0.3。
所述离子风装置的工作电压为-6～-13kV。
所述离子风装置的上一级的环电极的末端到下一级针电极的电极板之间的距离不小于钨针针尖与环电极的金属环中心的距离L。
所述散热翅片与离子风装置相结合区域的散热翅片上涂覆有绝缘层。
所述离子风装置出风口区域的散热翅片上涂覆有去除离子风发生装置在电晕放电中产生臭氧的催化剂层。
本发明所提供的针-环式离子风散热装置有效的与翅片相结合，即将离子风发生装置安装在散热翅片的每个翅片之间，尽可能的减小装置的体积，整体体积小巧，结构简单，对于原来采用翅片进行自然对流散热或采用风扇加翅片结构的电子器件，只要改装离子风装置与电源就可形成离子风散热装置。本装置所采用的离子风装置工作时无机械运动部件，不会产生噪音，工作稳定性好。
进一步的钨针的针尖正对金属环的中心，以便于环上形成稳定的离子风。
进一步钨针针尖到环电极中心的距离L与环电极直径D的比值应为0.2～0.3，在此距离下能产生较大风速的离子风，并且装置整体结构较为紧凑。
离子风装置的工作电压为-6～-13kV，在此电压范围内，离子风装置产生的臭氧与氮化物浓度较少，电压高于一定值时，生成的臭氧与氮化物浓度成指数形式增加。
离子风装置的上一级的环电极末端到下一级针电极板之间的距离不小于针电极针尖到环电极中心的距离L，在距离太近时，下一级的针电极板会对上一级的环电极放电，产生反向的离子风降低风速，甚至会导致在两者之间产生火花放电，产生噪音，增大装置的功耗，影响装置的工作效率。
涂覆的绝缘层能够防止针电极对翅片放电，产生击穿，降低离子风效果。
涂覆的催化层用于去除离子风发生器在电晕放电中产生的臭氧。
数值模拟研究表明：相比于自然对流翅片散热器，本发明可将翅片表面传热系数提高2-5倍，大幅提升了翅片的换热性能。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的绝缘层催化剂层区域示意图与装置电路图。
图3是本发明针电极示意图。
图4是本发明环电极示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参图1、3、4，本发明包括散热翅片1以及安装在相邻翅片间的由针电极2与环电极3组成的若干级工作电压为-6～-13kV的离子风装置，散热翅片1的翅片间距为10～25mm，所述针电极2由安装在散热翅片1上的电极板6和与电极板6相连的若干个置于相邻翅片间的钨针7组成，所述的环电极3由安装在散热翅片1上的导电条8和与导电条8相连的若干置于相邻翅片间的金属环9组成，所述针电极2的钨针7针尖正对所述金属环9的中心，所述离子风装置的上一级的环电极3的末端到下一级针电极2的电极板6之间的距离不小于钨针7针尖与环电极3的金属环9中心的距离L。环电极3的金属环9的直径小于相邻翅片的间距。
本发明的离子风装置达到最大风速的针电极2的钨针7的针尖到环电极3的金属环9中心的距离L与环电极直径D的比值为0.2～0.3
参见图2，本发明的散热翅片1与离子风装置相结合区域的散热翅片1上涂覆有绝缘层，离子风装置出风口区域的散热翅片1上涂覆有去除离子风发生装置在电晕放电中产生臭氧的催化剂层。
针电极1与环电极2组成了针环式离子风发生装置，其工作原理是以电晕放电产生离子风，如图2，在针电极1上加负高压，在环电极2上接地，就会在针环之间产生离子风。其中离子风发生装置合适的工作电压为-6～-13kV，在低于这个电压区间，离子风发生器的风速较小，强化换热的能力较低，在高于一定值时，离子风发生器产生的臭氧和氮化物浓度较高，对人体和环境造成影响。其中离子风发生装置的针电极2由针尖曲率较小的钨针7(针尖曲率在50～100μm左右)和钻有小孔的电极板6通过焊接、粘结和过盈配合等连接方式构成，见图3。环电极2则由薄壁金属环9与导电条8焊接构成，见图4，金属环在材料的选择上应采用不锈钢等不易被氧化的材料，防止被臭氧氧化。
散热翅片1为普通的平直翅片，其片间距范围为10～25mm，以便于在翅片间隙中安装离子风发生器。离子风发生器的两个组成部针电极与环电极安装在所述散热翅片的每个翅片之间，使翅片的每个流道都被离子风冷却，提高翅片散热效率。环电极的直径D应略小于翅片间距，以便于安装。
其中离子风发生器的针电极的针尖到环电极中心的距离L与环电极直径D的比值应为0.2～0.3，在此距离下能产生较大风速的离子风，并且装置整体结构较为紧凑。在单级针环结构的离子风发生器提供的散热能力不足时，可以采用多级针环结构的离子风发生器，此时每级的针电极接直流电源的负高压端，每级的环电极接电源的接地端，上一级的环电极末端到下一级针电极板之间的距离不小于针电极到环电极的距离L，其余参数与上述的保持一致。在该环电极到针电极板距离太近时，下一级的针电极板会对上一级的环电极放电，产生反向的离子风降低风速，甚至会导致在两者之间产生火花放电，产生噪音，增大装置的功耗，影响装置的工作效率；在该距离太大时，对装置的整体造成影响。
由于散热翅片1是金属的，会将针电极与环电极导通，在针尖施加高压时，会使针尖直接对翅片放电，使离子风发生器不能正常工作。因此，在散热翅片上的区域4(见图2)喷涂绝缘材料，用于绝缘。
催化剂层4涂覆在散热翅片1的表面，离子风流经的区域。当带有臭氧的离子风流过翅片，其中的臭氧将被催化剂还原，从而去除臭氧。
本发明使用时，要将翅片与发热器件紧密贴合，然后用负极性的高压直流电源对针电极和环电极供电，产生沿着翅片方向的离子风，带走翅片上的热量，以达到散热的目的。由于翅片上涂抹有臭氧催化剂，当离子风流经时，气流中的臭氧将被还原，以降低臭氧的浓度。
数值模拟研究表明：本发明的翅片表面对流传热系数相比于自然对流翅片散热器，可提高2-5倍，大幅提升了翅片的换热性能。

Claims (7)

1.一种针-环式离子风翅片散热装置，其特征在于，包括散热翅片(1)以及安装在相邻翅片间的由针电极(2)与环电极(3)组成的若干级离子风装置，所述针电极(2)由安装在散热翅片(1)上的电极板(6)和与电极板(6)相连的若干个置于相邻翅片间的钨针(7)组成，所述的环电极(3)由安装在散热翅片(1)上的导电条(8)和与导电条(8)相连的若干置于相邻翅片间的金属环(9)组成，所述针电极(2)的钨针(7)针尖正对所述金属环(9)的中心，其中与离子风装置相结合区域的散热翅片(1)上涂覆有绝缘层(4)。
2.根据权利要求1所述的针-环式离子风翅片散热装置，其特征在于，所述环电极(3)的金属环(9)的直径小于相邻翅片的间距。
3.根据权利要求1所述的针-环式离子风翅片散热装置，其特征在于，所述散热翅片(1)的翅片间距为10～25mm。
4.根据权利要求1所述的针-环式离子风翅片散热装置，其特征在于，使所述离子风装置达到最大风速的针电极(2)的钨针(7)的针尖到环电极(3)的金属环(9)中心的距离与环电极直径的比值为0.2～0.3。
5.根据权利要求1所述的针-环式离子风翅片散热装置，其特征在于，所述离子风装置的工作电压为-6～-13kV。
6.根据权利要求1所述的针-环式离子风翅片散热装置，其特征在于，所述离子风装置的上一级的环电极(3)的末端到下一级针电极(2)的电极板(6)之间的距离不小于钨针(7)针尖与环电极(3)的金属环(9)中心的距离。
7.根据权利要求1所述的针-环式离子风翅片散热装置，其特征在于，所述离子风装置出风口区域的散热翅片(1)上涂覆有去除离子风发生装置在电晕放电中产生臭氧的催化剂层(5)。
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