CN108551079B - 一种离子风高效散热器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种离子风高效散热器，包括绝缘导热板、第一套电晕电极、第二套电晕电极、用于支撑第二套电晕电极的支架和网状集电极；绝缘导热板另一侧为受热安装面，直接接触需散热的微电子元件。第一套电晕电极、第二套电晕电极和网状集电极均与绝缘导热板呈一定倾角，非垂直安装。第一套电晕电极、第二套电晕电极和网状集电极分别接入电压源两端，在电晕电极和网状集电极之间形成离子风。本发明具有的优势：散热效率高、能耗低、结构简单、可集成化、无噪音等。在此基础上，倾斜安装电晕电极和网状集电极，可减少离子风运动阻力，增大离子风气流运动空间，进一步提高散热效率；且结构灵活可控，可节约散热能耗。
Description
技术领域
本发明涉及电子设备散热技术领域，具体涉及一种基于电流体动力学原理的离子风高效散热器。
背景技术
近年来，微电子元件发展迅猛，随着其应用领域的不断扩大，电子产品逐渐向超微型化、高集成化方向发展，使得微电子元件的功率密度越来越高，形成热量堆积，严重影响其工作稳定性及使用寿命。因此，如何高效散热，合理控制工作温度，是目前亟待解决的关键问题。针对微电子元件在工作过程中发热量大的问题，传统的散热方式包括：机械风扇散热、液冷、热电制冷、合成射流散热。其中，机械风扇散热方式应用较多，散热效率较高，但工作过程中噪音大、工作稳定性欠佳，另外需要较大的安装空间，难以满足电子元件微型化的要求。液冷常用水和乙醇作为冷却介质，受工艺水平限制，密封成为液冷的最大难题。因此，这种散热方式对工作环境要求较高，震动或温度过高都易引起液体泄漏，一旦出现泄漏，将直接导致电子元件的损坏。热电制冷又称半导体制冷，采用闭环温控电路，制冷效率及制冷温度可控，但是制作成本高昂，且较高的额外功耗是目前热电制冷技术难以步入商业化的主要原因。合成射流散热技术采用类似振动膜的元件对压缩腔内的空气进行一定频率的振动，形成高速湍流脉冲射流来实现冷却，冷却效果显著，但是这种散热方式结构复杂，运行成本较高，可靠性较差。
离子风散热是一种基于电流体动力学（Electrohydrodynamics，EHD）原理的散热方式，是在高压电场作用于流体介质后，引起流体介质有源运动，从而影响温度场的一种强化散热方式。离子风散热器结构简单，仅需要高压电源和若干电极即可完成。其中，电晕结构利用尖端放电原理，集电极可采用平板式或网格式，在电晕电极和集电极之间施加高电压，在电晕电极针尖附近形成较强的电场，将空气电离成电子和正离子，即电晕区。带电离子在电场作用下运动，由于带电离子本身带有较大的动能，在运动过程中进一步电离中性分子，造成“电子雪崩”。离子的运动形成离子风，作用于发热物体表面，可使得表面传热系数提高数倍。虽然其工作电压高达千伏，但其工作电流仅为微安级，因此，其所消耗功率远小于传统机械风扇散热。根据文献调查，离子风散热具有较高的散热效率（Yabe A. ActiveHeat Transfer Enhancement by Utilizing Electric Fields[J]. Ann.rev.heatTransf, 1991, 4； E. Moreau, G. Touchard, Enhancing the mechanical efficiencyof electric wind in corona discharges, J. Electrostat. 66 (1) (2008) 39–44.），且工作无噪音、热流与温度易于控制，稳定性高，同时能够满足微电子散热微小化、集成化的要求，具有广阔的应用前景。
根据电晕电极的形状，离子风散热结构主要分为针板式、线板式和线线式，集电极可为平板式或网格式，其中针板式和线板式散热效率较高。针状电极尖端产生的电晕气流沿电晕电极方向完全向下，线状电极产生的电晕气流在电晕电极四周分布向外辐射。有相关研究改变集电极的布置方式，与电晕电极形成倾角，增大了气流的扩散空间，减少气流运动阻力，获得了较大的散热效率(Kalman H, Sher E. Enhancement of heat transfer bymeans of a corona wind created by a wire electrode and confined wingsassembly[J]. Applied Thermal Engineering, 2001, 21(3):265-282.)。为了进一步提高离子风的散热效率，相关研究在散热翅片的结构基础上，采用串联的方式，将单一的离子风散热结构串联在一起，获得更高的气流速度和散热效率。如：Ramadhan等采用线板式串联（Ramadhan A A, Kapur N, Summers J L, et al. Numerical Development of EHDCooling Systems for Laptop Applications[J]. Applied Thermal Engineering,2018.），王长宏等人采用针板式串联的形式提高散热效率（如中国专利CN201711145509.5公开的一种散热结构；中国专利CN201711339031.X公开的一种离子风散热单体、离子风散热系统和离子风散热温控系统）。但是这种离子风串联散热系统的主要问题在于，微小型电子元件相邻散热翅片之间通道较窄，易形成热气流堆积，且离子风运动阻力较大，降低了散热效率，相邻的散热翅片会相互干涉，按照离子风的运动方向，比如第一个翅片的热量会带给第二个翅片，第二个带给第三个，相互影响，这样的影响会导致部分热量堆积，不能及时扩散。
综上所述，为微电子元件提供一种散热效率高、无噪声、功率低、可集成化的散热器，是本领域技术人员急需解决的问题，如何在现有离子风散热结构原型的基础上，进一步提高散热效率，是目前离子风散热能够实用化的关键问题。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种新的离子风散热器，可有效解决现有串联离子风散热结构散热翅片相互影响，通道内热量堆积的问题，提高散热效率，满足微电子元件散热结构微型化、集成化、低能耗、超静音的技术需求。
本发明的技术方案是：一种离子风高效散热器，其包括绝缘导热板，所述绝缘导热板的一面为受热安装面，另一面为支承面，所述支承面的两侧分别设有第一套电晕电极，沿所述支承面的轴向中心线固定设置第二套电晕电极 ，沿轴向中心线的两侧对称设有网状集电极，所述网状集电极分别置于第一套电晕电极与第二套电晕电极之间，所述第一套电晕电极、第二套电晕电极以及网状集电极分别与电压源的两端连接，且在第一套电晕电极、第二套电晕电极以及网状集电极之间形成离子风，所述第一套电晕电极、第二套电晕电极以及网状集电极均与绝缘导热板非垂直安装。
所述第二套电晕电极的数量为2N-1个，所述网状集电极的数量为2N个。
所述网状集电极的通电数量n可控，n≤2N。
所述绝缘导热板的支承面一侧设有若干轴向设置的卡槽，且所述卡槽的开口朝向非垂直设置，所述第一套电晕电极、第二套电晕电极以及网状集电极可倾斜插装在所述卡槽内。
所述第一套电晕电极包括与绝缘导热板倾斜设置的翅板以及若干阵列设置在翅板上的针状电晕电极。
所述翅板与绝缘导热板的倾斜角度α：60°≤α＜90°之间。
所述针状电晕电极的尺寸为0.025~1.5mm，锥度小于1:7。
所述第二套电晕电极为线状电晕电极，直径范围为0.025~1.3mm，且通过支架固定设置在绝缘导热板的支承面上。
所述网状集电极与绝缘导热板的倾斜角度β：60°≤β＜90°。
所述网状集电极内设有若干矩形通孔。
本发明的有益效果：
1、能耗低、结构简单、可集成化、无噪音等。
2、同时采用针状和线状电晕电极，且电晕电极、集电极与绝缘导热板之间呈一倾角（非垂直放置），一方面避免形成的离子风气流与翅片（集电极）垂直碰撞，可减少离子风运动阻力，集电极为网状结构，可增大离子风气流运动空间，避免将热气流限定在狭窄的翅板通道内，同时可进一步减小阻力；
3、电晕电极、集电极倾斜放置，离子风运动方向朝外，更有利于离子风将热量送出；
4、根据所需散热电子元件实际工作功率、热源温度、环境温度，选择第二套电晕电极（线状电极）接通电源的数量，以起到节约能耗的作用。
附图说明
图1为本发明所述新型离子风散热器的俯视图。
图2为本发明所述新型离子风散热器的主视图。
图3为现有离子风散热结构的俯视图。
图4为现有离子风散热结构的主视图。
图5为本发明所述新型离子风散热结构中离子风运动方向示意图，箭头方向为离子风运动方向。
图6为现有离子风散热结构中离子风运动方向示意图，箭头方向为离子风运动方向。
图2中，1-绝缘导热板，2-翅板，3-针状电晕电极，4-网状集电极，5-支架，6-第二套电晕电极。
具体实施方式
下面针对附图对本发明的实施例作进一步说明：
如图所示， 本发明提供一种离子风高效散热器，其包括：
绝缘导热板1，所述的绝缘导热板采用绝缘导热材料制得，如导热硅胶板、高纯氮化铝、氮化硼陶瓷等，其一面为受热安装面，另一面为支承面，其中受热安装面，直接接触需散热的微电子元件。所述支承面一侧设置有卡槽，第一套电晕电极倾斜插装在绝缘导热板的左右边缘两侧卡槽内，所述的第二套电晕电极和网状集电极倾斜插装在绝缘导热板的中间卡槽内。
第一套电晕电极，所述的第一套电晕电极为针状凸起电晕电极，其由翅板2以及若干阵列设置在翅板上的针状电晕电极3组成，翅板材料为导热金属材料，针状电极为金属材料，如钨钢、铜等，尺寸为0.025~1.5mm，锥度小于1:7，针状金属电极阵列焊接在翅片上。第一套电晕电极与绝缘导热板之间形成的倾角为α，且60°≤α＜90°。
第二套电晕电极6，所述的第二套电晕电极为线状电晕电极，由导电金属材料制成，直径范围为0.025~1.3mm。
用于支撑第二套电晕电极的支架5，所述的支架5为绝缘材料，如陶瓷等，支架安装在绝缘导热板1一侧，用于固定第二套电晕电极6。
网状集电极4，材质为导热金属材料，或由金属化表层覆盖的介电材料，由导电金属覆盖的介电材料可减轻散热装置重量同时提高耐腐蚀性。网状集电极内为若干个矩形通孔，其网状栅形结构有利于整体散热结构内气流的扩散运动，提高散热效率。网状集电极与绝缘导热板之间形成的倾角为β，且60°≤β＜90°。
如图1和图2所示，所述的绝缘导热板1一侧开槽嵌入安装第一套电晕电极、网状集电极和支架，支架支撑安装第二套电晕电极，即在所述支承面的两侧分别设有第一套电晕电极，沿所述支承面的轴向中心线固定设置第二套电晕电极，沿轴向中心线的两侧对称设有网状集电极，所述网状集电极分别置于第一套电晕电极与第二套电晕电极之间，所述第一套电晕电极、第二套电晕电极以及网状集电极分别与电压源的两端连接，且在第一套电晕电极、第二套电晕电极以及网状集电极之间形成离子风，所述第一套电晕电极、第二套电晕电极以及网状集电极均与绝缘导热板非垂直安装。其中通过调节电源电压，可控制散热装置的气流大小。
其绝缘导热板一侧需至少安装两个第一套电晕电极放置于左右两边，中间部分可根据所需散热热源的温度及环境温度，选装2N（N≥1）个集电极，2N-1个第二套电晕电极。另外，根据所需散热电子元件实际工作功率、热源的温度及环境温度，第二套电晕电极接通电源的数量n可选择（n≤2N-1），以节约能耗。
现有的离子风散热装置如图3和图4所示，相邻翅板间离子风运动方向示意图如图6所示，而本发明中相邻翅板间离子风运动方向示意图如5所示。
从空间上，增大了气流运动空间，易于散热；另外本发明改变了气流的运动方向，气流有向上的运动分量，本来较热的空气自身向上运动，再给一个强制向上的运动气流速度分量，加速扩散，是热气流运动不仅局限于相邻翅片间的传递运动，可减少翅板间的相互影响。
而气流运动空间的增大，向上运动分量的增加，都是可以增加散热效率。
实施例
用于为LED芯片散热，其中绝缘导热板1材料为导热硅胶板，尺寸为50×25mm，一侧与LED芯片接触，另一侧开四个槽，左右两边槽分别安装翅板2，翅板高度为8mm，中间两槽安装两个网状集电极4，中心位置安装支架5，支架5材料为陶瓷，支架5上支撑固定第二套电晕电极6。网状集电极4高度为8mm，内侧开2.5×6mm通孔3×3个，翅板2、网状集电极4与绝缘导热板1所构成的较小的倾角为70°。翅板2上焊接针状电晕电极3，针状电晕电极3材料为钨钢，直径为1mm，锥度1:7，针状电晕电极3阵列为5×3阵列。第二套电晕电极6材料为钨钢，直径为1mm。将针状电晕电极3和第二套电晕电极6接高压直流电源正极，网状集电极4接电源负极，压差为3.5kV。初始热源温度105℃，室温工作环境，应用本发明所述的新型离子风散热结构样机，可实现热源温度稳定在68℃。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1. 一种离子风散热器，其特征在于：其包括绝缘导热板，所述绝缘导热板的一面为受热安装面，另一面为支承面，所述支承面的两侧分别设有第一套电晕电极，沿所述支承面的轴向中心线固定设置第二套电晕电极 ，沿轴向中心线的两侧对称设有网状集电极，所述网状集电极分别置于第一套电晕电极与第二套电晕电极之间，所述第一套电晕电极、第二套电晕电极以及网状集电极分别与电压源的两端连接，且在第一套电晕电极、第二套电晕电极以及网状集电极之间形成离子风，所述第一套电晕电极以及网状集电极均与绝缘导热板非垂直安装，所述第一套电晕电极包括与绝缘导热板倾斜设置的翅板以及若干阵列设置在翅板上的针状电晕电极，所述翅板与绝缘导热板的倾斜角度α：60°≤α＜90°，所述第二套电晕电极为线状电晕电极，直径范围为0.025~1.3mm，且通过支架固定设置在绝缘导热板的支承面上，所述网状集电极与绝缘导热板的倾斜角度β：60°≤β＜90°。
2.根据权利要求1所述的离子风散热器，其特征在于：所述第二套电晕电极的数量为2N-1个，所述网状集电极的数量为2N个。
3.根据权利要求2所述的离子风散热器，其特征在于：所述网状集电极的通电数量n可控，n≤2N。
4.根据权利要求1所述的离子风散热器，其特征在于：所述绝缘导热板的支承面一侧设有若干轴向设置的卡槽，且所述卡槽的开口朝向非垂直设置，所述第一套电晕电极以及网状集电极倾斜插装在所述卡槽内。
5.根据权利要求1所述的离子风散热器，其特征在于：所述网状集电极内设有若干矩形通孔。
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| WO1994012282A1 (en) * | 1992-11-25 | 1994-06-09 | Spectrex Inc. | Cooling method and apparatus |
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| CN105514063A (zh) * | 2016-01-15 | 2016-04-20 | 广东工业大学 | 一种等离子风冷却装置 |
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| CN208272361U (zh) * | 2018-06-22 | 2018-12-21 | 嘉兴学院 | 一种离子风高效散热器 |
-
2018
- 2018-06-22 CN CN201810650606.8A patent/CN108551079B/zh active Active
Patent Citations (5)
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