CN107846824A - 功率自适应的电晕风散热装置 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种功率自适应的电晕风散热装置，包括：散热器，所述散热器为金属材质，包含多个翅片和中心部分，翅片竖直环绕均布在中心部分周围；散热器底部通过界面导热材料固定发热元件，温度探头固定在发热元件的测温点上；集柱，所述集柱为细金属圆柱，竖直插入散热器翅片的间隙内，能够根据温度探头监测的发热元件温度调整其在散热器径向方向上的位置；以及针电极，所述针电极为金属材质，在集柱上对称均匀分布，各针电极的轴向均垂直于与之相对的翅片表面；高压电源，其高压输出端通过电线与集柱相连，接地端与散热器相连。根据发热元件的功率不同，自动调整电晕风速的大小，实现散热器散热能力与元件发热功率的自动匹配。
Description
技术领域
本公开涉及电晕风强化散热技术领域，尤其涉及一种功率自适应的电晕风散热装置。
背景技术
在电力电子行业中，元器件的散热一直是需要解决的问题。随着设备越来越趋向于集成化、紧凑化，电子元器件的尺寸越来越小，功率密度越来越大，这就给散热器的设计带来了很大的挑战。同时，很多情况中电子元器件工作在变工况下，发热功率随着工况的不同而发生变化，同时要求电子元件维持相对稳定的工作温度，这需要散热器对不同的发热功率具有自适应能力。
风扇作为一种可以增强空气对流换热的常用手段，因具有高速旋转部件，会导致整个散热系统产生持续的噪音污染，并且降低了系统的可靠性。而且风扇的风量也不易快速调整，风扇电机长时间工作在额定功率之外，会导致寿命大大降低。因此亟需高效、高可靠性、功率自适应的强化散热技术。
公开内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种功率自适应的电晕风散热装置，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种功率自适应的电晕风散热装置，包括：散热器，所述散热器为金属材质，包含多个翅片和中心部分，翅片竖直环绕均布在中心部分周围；散热器底部通过界面导热材料固定发热元件，温度探头固定在发热元件的测温点上；集柱，所述集柱为细金属圆柱，竖直插入散热器翅片的间隙内，能够根据温度探头监测的发热元件温度调整其在散热器径向方向上的位置，且不与散热器接触；以及针电极，所述针电极为金属材质，在集柱上对称均匀分布，各针电极的轴向均垂直于与之相对的翅片表面，且不与散热器接触；高压电源，其高压输出端通过电线与集柱相连，接地端与散热器相连。
在本公开一些实施例中，当温度探头所测的温度高于设定的警戒值时，集柱沿散热器径向从外向内移动；当温度探头所测得的温度变低，低于设定的警戒值时，将集柱沿径向推向外侧。
在本公开一些实施例中，还包括：传动盘，用绝缘螺丝固定在散热器的上方，使两者不接触且不导电，所述高压电源设置在传动盘上方；滑轨，所述滑轨为绝缘材质，水平环绕固定在传动盘的外圆周上，散热器的每个翅片间隙正上方均对应一个滑轨；滑槽，设置于滑轨上，所述滑槽的长度方向为散热器径向，集柱上端装配在滑轨的滑槽内，可沿滑槽移动；伺服电机，安装在传动盘上方中心处，通过传动盘将旋转运动变为径向直线运动，再通过传动部件带动集柱在滑槽内移动，改变针电极与散热器翅片间的相对距离；温度控制器，设置于传动盘上，通过接收温度探头的信号，与自身设定值作比较，然后向伺服电机发出信号，控制伺服电机的启停和正反转；其中，温度控制器为电子式，内置可编程的微芯片，根据发热元件功率变化的周期性规律，通过自学习算法，来主动控制伺服电机的周期性运动，所述可编程的微芯片用以执行以下操作：
当温度探头所测的温度高于温度控制器设定的警戒值时，温度控制器通过信号线开启伺服电机，伺服电机通过控制盘内部的传动机构，将电机的旋转运动变为径向直线运动，带动所有的集柱在滑槽内移动；随着集柱在滑槽内沿径向从外向内移动，针电极逐渐深入翅片的间隙，空间电场强度增强；
当发热元件的功率降低时，温度探头所测得的温度变低，温度信号传递给温度控制器之后，温度控制器可发出信号，控制伺服电机反向旋转，通过传动盘将集柱沿径向推向外侧，增大针电极和翅片间的距离，减弱空间电场强度。
在本公开一些实施例中，传动盘与散热器上表面保持距离在5mm到200mm之间。
在本公开一些实施例中，所述散热器翅片为导热系数较高的铜合金或铝合金；散热器的中心部分为实心金属型材或基于相变技术的热管结构；所述界面导热材料为导热硅脂或导热硅胶。
在本公开一些实施例中，所述集柱材料为铜或铝，直径在2mm到10mm之间。
在本公开一些实施例中，所述针电极为钨、钢或铜，尖端曲率半径在0.005mm到2mm之间。
在本公开一些实施例中，所述散热器翅片与中心部分通过挤压或冲压方式一体成型，或用焊接、胀接、铆接、粘接方式和中心部分连接在一起。
在本公开一些实施例中，所述散热器翅片的数量在2到100之间；每个所述集柱上针电极的数量为2到20个。
在本公开一些实施例中，所述的高压电源极性为正或负，输出电压值在0到50kV之间。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开至少具有以下有益效果其中之一：
(1)通过集柱带动针电极位置改变，根据发热元件的功率不同，自动调整电晕风速的大小，实现散热器散热能力与元件发热功率的自动匹配；
(2)通过功率自适应条件，将功率随时变化的发热元件稳定在某一指定的工作温度范围内，此时利用上述电晕风散热装置，可以在无人值守的情况下，通过快速自动调节电晕风的速度，改变散热器的散热能力，将发热元件的工作温度迅速调整到要求的范围内；
(3)通过温度控制器内置可编程的微芯片，可以根据发热元件功率变化的周期性规律，通过自学习算法，来主动控制伺服电机的周期性运动，以实现更迅速地信号反馈和更精确地温度调整；且温度控制器和伺服电机可以接入计算机，实现程序化远程控制，既可以手动操作，也可以按程序自动化操作，具有很大的灵活性。
附图说明
图1是本公开实施例功率自适应的电晕风散热装置的三维结构示意图。
图2是本公开实施例功率自适应的电晕风散热装置的仰视图。
图3是本公开实施例功率自适应的电晕风散热装置的左视图。
图4是本公开实施例功率自适应的电晕风散热装置中集柱的正视图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1、发热元件； 2、散热器
3、翅片； 4、集柱
5、针电极； 6、滑轨
7、滑槽； 8、传动盘
9、高压电源； 10、伺服电机
11、温度控制器； 12、温度探头
具体实施方式
本公开提供了一种功率自适应的电晕风散热装置。通过对针电极施加高电压，在针电极和散热器之间形成电场。针电极尖端曲率半径很小，其周围电场强度很大，可将附近空气电离成正离子和自由电子，带电空气受到电场力的作用，产生吹向散热器翅片的电晕风，以提高空气对流换热系数，强化散热器的散热能力。另外，根据发热元件的功率不同，自动调整电晕风速的大小，实现散热器散热能力与元件发热功率的自动匹配。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种功率自适应的电晕风散热装置。图1为本公开第一实施例功率自适应的电晕风散热装置的结构示意图。图2是本公开实施例功率自适应的电晕风散热装置的仰视图。图3是本公开实施例功率自适应的电晕风散热装置的左视图。如图1-3所示，本公开功率自适应的电晕风散热装置包括：发热元件1、散热器2、翅片3、集柱4、针电极5、滑轨6、滑槽7、传动盘8、高压电源9、伺服电机10、温度控制器11和温度探头12。
以下分别对本实施例功率自适应的电晕风散热装置的各个组成部分进行详细描述。
散热器2为金属材质，优选为导热系数较高的铜合金或铝合金。散热器2的中心部分可以是实心金属型材；也可以是基于相变技术的热管结构，这样可以提高散热器的导热能力。在本实施例中，散热器整体外观形状为太阳花形；在其他一些实施例中散热器还可以为多边形，散热器2包含翅片3，翅片3竖直环绕均布在中心部分周围，和中心部分可以是通过挤压或冲压等方式一体成型，也可以用焊接、胀接、铆接、粘接等方式和中心部分连接在一起，翅片3的数量在2到100之间。
发热元件1固定在散热器2底部，二者之间有一层界面导热材料，一般为导热硅脂或导热硅胶。温度探头12固定在发热元件1的测温点上。通电后，发热元件1工作并产生热量，热量以热传导的方式传递给散热器2并扩散到翅片3上，周围空气通过对流换热的方式将翅片3上的热量带走，完成散热过程。
传动盘8用绝缘螺丝固定在散热器2的上方，与散热器2上表面保持一定距离以保证不接触且不导电，距离大小在5mm到200mm之间。散热器2的每个翅片间隙正上方均对应一个滑轨6，滑轨6水平环绕固定在传动盘8的外圆周上；滑轨6为绝缘材质，优选为聚四氟乙烯材料。滑轨6上加工有滑槽7，滑槽7的长度方向为散热器径向。
集柱4竖直插入散热器翅片3的间隙内，数量为每个翅片3间隙内一个。集柱4为细金属圆柱，优选为电阻小的铜或铝，直径在2mm到10mm之间。集柱4上端装配在滑轨6的滑槽7内，可沿滑槽7移动。
集柱4上分散固定有多个针电极5，针电极为金属材质，优选为钨、钢、铜等，用金属焊料水平焊接在集柱上，保证针电极和集柱可导电；针电极5的尖端曲率半径很小，在0.005mm到2mm之间，数量为2到20个。图4是本公开实施例功率自适应的电晕风散热装置中集柱的正视图。如图4所示，针电极5在集柱4上对称均匀分布，各针电极5的轴向均垂直于与之相对的翅片3表面；各针电极随集柱移动过程中极始终不与散热器接触。
伺服电机10安装在传动盘8上方中心处，通过传动盘将旋转运动变为径向直线运动，再通过传动部件带动集柱在滑槽内移动；集柱连带针电极群移动时，改变了针电极与散热器翅片间的相对距离。
高压电源9和温度控制器11分别安装在传动盘8上方伺服电机10的两侧。所述的高压电源9的高压输出端通过电线与集柱4相连，接地端与散热器2相连。高压电源9的输出电压范围在0到50kV之间，极性可以为正极或负极。高压电源9通电后，针电极5的尖端具有很强的电压，由于尖端曲率半径很小，尖端附近产生很强的电场，将周围空气电离成正离子和自由电子，带电空气受到电场力的作用，在针电极5和翅片3之间流动，形成电晕风。电晕风增强了空气扰动，同时破坏了翅片3上的空气边界层，起到了强化对流换热的作用。
所述的温度控制器设置于传动盘8上，伺服电机的另一侧，通过接收温度探头的信号，与自身设定值作比较，然后向伺服电机发出信号，控制伺服电机的启停和正反转；所述的温度探头可以是热电偶或热电阻。优选地，温度控制器为电子式，可以内置可编程的微芯片，根据发热元件功率变化的周期性规律，通过自学习算法，来主动控制伺服电机的周期性运动，以实现更迅速地信号反馈和更精确地温度调整；温度控制器和伺服电机可以接入计算机，实现程序化远程控制，既可以手动操作，也可以按程序自动化操作，具有很大的灵活性。
具体地，固定在发热元件1的测温点上的温度探头12实时监测发热元件1的温度，并将温度信号传递给温度控制器11。温度控制器11根据温度探头12的温度值高低，通过内部继电器向伺服电机10发出通断信号。当温度探头12所测的温度高于温度控制器11设定的警戒值时，温度控制器11通过信号线开启伺服电机10，伺服电机10通过控制盘8内部的传动机构，将电机的旋转运动变为径向直线运动，带动所有的集柱4在滑槽7内移动。随着集柱4在滑槽7内沿径向从外向内移动，针电极5逐渐深入翅片3的间隙。针电极5与翅片3的距离越小，二者之间的电场强度越大，电晕风速就越高，散热器的散热能力就越强，可以应对更高的发热功率。在集柱4移动过程中，集柱4和针电极5始终不与散热器2的任何部分接触，以免发生短路。当发热元件1的功率降低时，温度探头12所测得的温度变低，温度信号传递给温度控制器11之后，温度控制器11可发出信号，控制伺服电机10反向旋转，通过传动盘8将集柱4沿径向推向外侧，增大针电极和翅片间的距离，减弱空间电场强度，降低了电晕风速，散热器2的散热能力相应减弱。通过上述控制方式，可以利用自动化机械传动改变电极的相对位置，增大或减小空间电场强度，逐步改变电晕风速的大小，起到了平滑调节散热功率的效果。
在有些应用领域，需要将功率随时变化的发热元件稳定在某一指定的工作温度范围内，此时利用上述电晕风散热装置，可以在无人值守的情况下，通过快速自动调节电晕风的速度，改变散热器的散热能力，将发热元件的工作温度迅速调整到要求的范围内。温度控制器可以内置可编程的微芯片，根据发热元件功率变化的周期性规律，通过自学习算法，来主动控制伺服电机的周期性运动，以实现更迅速地信号反馈和更精确地温度调整。温度控制器和伺服电机可以接入计算机，实现程序化远程控制，既可以手动操作，也可以按程序自动化操作，具有很大的灵活性。
至此，本公开第一实施例功率自适应的电晕风散热装置介绍完毕。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种功率自适应的电晕风散热装置，包括：
散热器，所述散热器为金属材质，包含多个翅片和中心部分，翅片竖直环绕均布在中心部分周围；散热器底部通过界面导热材料固定发热元件，温度探头固定在发热元件的测温点上；
集柱，所述集柱为细金属圆柱，竖直插入散热器翅片的间隙内，能够根据温度探头监测的发热元件温度调整其在散热器径向方向上的位置，且不与散热器接触；以及
针电极，所述针电极为金属材质，在集柱上对称均匀分布，各针电极的轴向均垂直于与之相对的翅片表面，且不与散热器接触；
高压电源，其高压输出端通过电线与集柱相连，接地端与散热器相连。
2.根据权利要求1所述的电晕风散热装置，其中，当温度探头所测的温度高于设定的警戒值时，集柱沿散热器径向从外向内移动；当温度探头所测得的温度变低，低于设定的警戒值时，将集柱沿径向推向外侧。
3.根据权利要求1所述的电晕风散热装置，还包括：
传动盘，用绝缘螺丝固定在散热器的上方，使两者不接触且不导电，所述高压电源设置在传动盘上方；
滑轨，所述滑轨为绝缘材质，水平环绕固定在传动盘的外圆周上，散热器的每个翅片间隙正上方均对应一个滑轨；
滑槽，设置于滑轨上，所述滑槽的长度方向为散热器径向，集柱上端装配在滑轨的滑槽内，可沿滑槽移动；
伺服电机，安装在传动盘上方中心处，通过传动盘将旋转运动变为径向直线运动，再通过传动部件带动集柱在滑槽内移动，改变针电极与散热器翅片间的相对距离；
温度控制器，设置于传动盘上，通过接收温度探头的信号，与自身设定值作比较，然后向伺服电机发出信号，控制伺服电机的启停和正反转；其中，温度控制器为电子式，内置可编程的微芯片，根据发热元件功率变化的周期性规律，通过自学习算法，来主动控制伺服电机的周期性运动，所述可编程的微芯片用以执行以下操作：
当温度探头所测的温度高于温度控制器设定的警戒值时，温度控制器通过信号线开启伺服电机，伺服电机通过控制盘内部的传动机构，将电机的旋转运动变为径向直线运动，带动所有的集柱在滑槽内移动；随着集柱在滑槽内沿径向从外向内移动，针电极逐渐深入翅片的间隙，空间电场强度增强；
当发热元件的功率降低时，温度探头所测得的温度变低，温度信号传递给温度控制器之后，温度控制器可发出信号，控制伺服电机反向旋转，通过传动盘将集柱沿径向推向外侧，增大针电极和翅片间的距离，减弱空间电场强度。
4.根据权利要求1所述的电晕风散热装置，其中，传动盘与散热器上表面保持距离在5mm到200mm之间。
5.根据权利要求1所述的电晕风散热装置，其中，
所述散热器翅片为导热系数较高的铜合金或铝合金；散热器的中心部分为实心金属型材或基于相变技术的热管结构；所述界面导热材料为导热硅脂或导热硅胶。
6.根据权利要求1所述的电晕风散热装置，其中，所述集柱材料为铜或铝，直径在2mm到10mm之间。
7.根据权利要求1所述的电晕风散热装置，其中，所述针电极为钨、钢或铜，尖端曲率半径在0.005mm到2mm之间。
8.根据权利要求1所述的电晕风散热装置，其中，所述散热器翅片与中心部分通过挤压或冲压方式一体成型，或用焊接、胀接、铆接、粘接方式和中心部分连接在一起。
9.根据权利要求1所述的电晕风散热装置，所述散热器翅片的数量在2到100之间；每个所述集柱上针电极的数量为2到20个。
10.根据权利要求1所述的电晕风散热装置，所述的高压电源极性为正或负，输出电压值在0到50kV之间。
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