CN113035803B - 一种磁场与碳纳米管协同提升离子风强度的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁场与碳纳米管协同提升离子风强度的装置，包括离子风发生单元和金属散热装置；待散热的LED芯片固定于金属散热装置下端面；离子风发生单元通过固定支架设置在金属散热装置的上部，由离子风发生单元产生离子风，利用离子风对金属散热装置进行对流换热，进而实现对LED芯片的强化散热。本发明公开的装置中安装永磁铁提供磁场环境来提升离子风速度，应用于大功率LED芯片热管理时，相同放电电压下的电晕电流显著降低，减少了能量消耗；同时针尖上涂覆的碳纳米管抑制了电晕放电中臭氧的产生，装置整体结构简单、功耗低、工作可靠、绿色环保。
Description
技术领域
本发明属于电子器件强化散热技术领域，尤其涉及一种磁场与碳纳米管协同提升离子风强度的装置。
背景技术
电子器件高性能化、集成化和小型化的发展趋势使得其内部热量过度集聚，热流密度越来越大。堆积在较小空间内的热量若不能及时散出，会导致电子器件的工作温度持续升高；当温度超过极限温度时，其工作性能下降、使用寿命缩短，严重时会导致器件损坏，甚至对人体安全造成伤害。因此，亟需寻求高效的冷却措施。
传统的散热方式存在或多或少的缺陷，离子风散热具有能耗低、无运动部件、控制方便和可集成度高等优点。而磁场和碳纳米管协同作用可以大幅度提升离子风的风速，实现对大功率LED芯片的强化散热。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明提出了一种磁场与碳纳米管协同提升离子风强度的装置，具有结构简单、可靠性高、功耗低、排放低、散热效率大幅度提升等效果。
本发明所采用的技术方案如下：
一种磁场与碳纳米管协同提升离子风强度的装置，包括离子风发生单元和金属散热装置；待散热的LED芯片固定于金属散热装置下端面；离子风发生单元通过固定支架设置在金属散热装置的上部，由离子风发生单元产生离子风，利用离子风对金属散热装置进行散热，进而实现对LED芯片的强化散热。
进一步，离子风发生单元包括导流腔、磁场发生单元、针电极和网状电极；导流腔为环形结构，在导流腔的顶部装有盖板，在盖板的中心位置装有针电极，针电极为发射端；且在针电极两侧形成磁场；在导流腔的底部安装有网状电极为接收端，针电极上施加2～6kV的直流高压，网状电极通过导线接地。
进一步，金属散热装置包括金属基座和金属翅片；在金属基座上表面安装有多个金属翅片，金属翅片的一端面贴合圆环表面阵列布置。
进一步，金属散热装置外部罩有固定支架，通过固定支架将离子风发生装置固定在金属散热装置的正上方。
进一步，在针电极的针尖处涂覆碳纳米管，以提升电晕放电过程中的电子发射率并抑制臭氧生成。
进一步，在盖板的针电极两侧对称装有永磁铁块，两个永磁铁块厚度方向充磁且相对两个面的极性相反，故两个永磁铁块能给放电针提供恒定磁场；
进一步，永磁铁块的磁通密度最大为200mT，两永磁铁块之间的间距取16mm、18mm、20mm或22mm。
进一步，，针电极到网状电极的距离应在5～10mm之间调节，防止电子雪崩产生的带电粒子因放电间距过大而过早湮灭，造成离子风速度降低。
进一步，针电极由钨钢制成，钨钢材料具有较高机械强度，耐高温、耐腐蚀，有效使用时间较长，网状电极由不锈钢制成，金属散热装置由铝合金材料制成，导热性能好，固定支架、盖板以及连接件均为亚克力，具有极佳的耐候性、较高的表面硬度以及较好的高温性能，提升了装置可靠性，同时还具有绝缘性能，确保使用安全。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过针电极和网电极组成离子风发生器，当施加于针电极和网电极之间的直流高压达到一定强度时，离子风发生器内部产生电晕放电现象，以针电极尖端为中心向网电极方向辐射离子风。安装于金属散热装置下端面的LED芯片工作时产生的热量大部分以热传导的方式传递至金属散热装置的翅片处，装置产生的离子风进入金属翅片间隙内，进行强制对流换热，完成对于LED芯片的强化散热。本发明结构简单，产生离子风的电晕电压为几千伏，电流为毫安级，系统功耗较低通常不超过0.6W，相比于传统轴流式风扇散热降低了35％左右。
(2)本发明中针电极两侧对称安装了永磁铁，提供的磁场可以增加电场驱动力，针尖处涂覆碳纳米材料可以降低起晕电压，在磁场以及碳纳米材料的共同作用下增强了电晕放电强度，相比于电场单独作用，该装置使离子风风速增强了26％左右，针尖处涂覆的碳纳米管可抑制电晕放电过程中臭氧的生成，其浓度降低了70％以上，起到节能减排的效果。该装置应用大功率LED芯片散热时，芯片结温最高可降低38℃，冷却效果显著。
附图说明
图1为本发明磁场与碳纳米管协同提升离子风速度装置示意图。
图2为本发明装置的爆炸图。
图3为本发明装置的发生装置的结构示意图。
图4为本发明装置的金属散热装置模块示意图。
图5为本发明装置的连接装置固定支架示意图。
图中，10-离子风发生单元；11-针电极；12-盖板；13-碳纳米管；14-支架；15-永磁铁；16-导流腔；17-网状电极；18-导线；20-金属散热装置；21-金属翅片；22-金属基座；30-固定支架；40-待散热的LED芯片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1，根据本发明实施例的一种磁场与碳纳米管协同提升离子风强度的装置，包括离子风发生单元10和金属散热装置20；待散热的LED芯片40固定于于金属散热装置20下端面；离子风发生单元10通过固定支架30设置在金属散热装置20的上部，由离子风发生单元10产生离子风，利用离子风对金属散热装置20进行散热，进而实现对LED芯片40的强化散热。
如图2、3，离子风发生装置10包括导流腔16、磁场发生单元、针电极11和网状电极17；导流腔16为环形结构，在导流腔16的顶部装有盖板12，在盖板12的中心位置装有针电极11，在针电极11的针尖处涂覆碳纳米管13，碳纳米管具有较优的导电性能和场发射性能，可以增强针尖处放电粒子的产生和传播，提高电晕放电产生的离子风风速。针电极11为发射端；且分别在针电极11两侧对称装有支架14，在每个支架14上用绝缘胶固定装有永磁铁块15，两个永磁铁块15厚度方向充磁且相对两个面的极性相反，两个永磁铁块15之间可形成恒定磁场。在导流腔16的底部安装有网状电极17为接收端，网状电极17连接导线18，在工作时，针电极11的针尖到盖板12下端面的距离为22mm，针电极11连接直流高电压，网状电极17通过导线18接地，针电极11的针尖指向网状电极17，网状电极17与针电极11的针尖的距离取值需要适中，取值范围为5～10mm之间，不宜过大，防止电子雪崩产生的带电粒子因放电间距过大而过早湮灭，造成离子风速度降低，本装置取为5mm。
在本实施例中，盖板12、导流腔17和固定支架30选用绝缘、耐高温材料制成，具体如亚克力板或者玻璃等材料。如图2、4、5，金属散热装置20包括金属基座22和金属翅片21；在金属基座22上表面安装有多个金属翅片21，金属翅片21的一端面贴合圆环表面阵列布置。在工作时，将LED芯片40置于金属基座22上，通过导热胶和紧固螺栓连接便于LED芯片40的热量传递。在金属散热装置20外部罩有固定支架30，通过固定支架30将离子风发生装置10固定在金属散热装置20的正上方，使离子风发生装置10与金属散热装置20的上表面保持一定间距，便于产生的离子风对金属散热装置20进行散热，固定支架30的四周开孔有利于热量的导出。
所述针电极11的总长度为40mm，针尖长度为7mm，为了使产生离子风的效果更好，同时本发明的尺寸达到最小，经过优化设计计算，如图3所示，针电极11的针尖处到网状电极17之间最佳间距即有效放电间距为5mm。永磁铁15的长度为15mm，宽度为5mm，厚度为2mm，两磁铁间的距离16mm。盖板12的半径为30mm，厚度为2mm。金属散热装置20的外直径为50mm，高度为25mm，金属翅片21的厚度为2mm，相邻两翅片夹角为10°，导流腔16和固定支架30的外半径均为26.5mm，厚度为2mm。
本发明主要将磁场与碳纳米管协同作用，以提升离子风强度，针电极两侧对称安装了永磁铁，提供的磁场可以增加电场驱动力，在针尖处涂覆碳纳米材料可以降低起晕电压。当在发射极处施加2～6kV的直流高电压，接收端导线接地，在磁场和碳纳米管的协同作用下，发射电极尖端会产生较高的场强，进而通过放电形成离子风，产生的离子风进入金属散热装置的翅片间隙内，形成强制对流换热，进而完成对LED芯片40的强化散热，其风速相对于现有的发射极有显著的增强，该装置产生离子风的电晕电压为几千伏，电流为毫安级，系统功耗较低通常不超过0.6W，相比于传统轴流式风扇散热降低了35％左右。本发明装置使得离子风的速度得到了显著的提高，相比于电场单独作用该装置使离子风的风速增强了26％左右，并且所施加的电压明显降低，减少了能量的消耗，针尖处涂覆的碳纳米管可抑制电晕放电过程中臭氧的生成，其浓度降低了70％以上，起到节能减排的效果。该装置应用大功率LED芯片散热时，芯片结温最高可降低38℃，冷却效果显著。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种磁场与碳纳米管协同提升离子风强度的装置，其特征在于，包括离子风发生单元(10)和金属散热装置(20)；待散热的LED芯片(40)固定于金属散热装置(20)下端面；离子风发生单元(10)通过固定支架(30)设置在金属散热装置(20)的上部，由离子风发生单元(10)产生离子风，利用离子风对金属散热装置(20)进行散热，进而实现对LED芯片(40)的强化散热；
离子风发生单元(10)包括导流腔(16)、磁场发生单元、针电极(11)和网状电极(17)；导流腔(16)为环形结构，在导流腔(16)的顶部装有盖板(12)，在盖板(12)的中心位置装有针电极(11)，针电极(11)为发射端；且在针电极(11)两侧形成磁场；在导流腔(16)的底部安装有网状电极(17)为接收端；针电极(11)上施加2～6kV的直流高压，网状电极(17)通过导线(18)接地；在针电极(11)的针尖处涂覆碳纳米管(13)，以提升电晕放电过程中的电子发射率并抑制臭氧生成；
在盖板(12)的针电极(11)两侧对称装有永磁铁块(15)，两个永磁铁块(15)厚度方向充磁，相对两个面的极性相反，给针电极(11)提供恒定磁场。
2.根据权利要求1所述的一种磁场与碳纳米管协同提升离子风强度的装置，其特征在于，金属散热装置(20)包括金属基座(22)和金属翅片(21)；在金属基座(22)上表面安装有多个金属翅片(21)，金属翅片(21)的一端面贴合圆环表面阵列布置。
3.根据权利要求2所述的一种磁场与碳纳米管协同提升离子风强度的装置，其特征在于，金属散热装置(20)外部罩有固定支架(30)，通过固定支架(30)将离子风发生单元(10)固定在金属散热装置(20)的正上方。
4.根据权利要求1所述的一种磁场与碳纳米管协同提升离子风强度的装置，其特征在于，永磁铁块(15)的磁通密度最大为200mT，两永磁铁块(15)之间的间距取16mm、18mm、20mm或22mm。
5.根据权利要求1所述的一种磁场与碳纳米管协同提升离子风强度的装置，其特征在于，针电极(11)到网状电极(17)的距离应在5～10mm之间调节，防止电子雪崩产生的带电粒子因放电间距过大而过早湮灭，造成离子风速度降低。
6.根据权利要求1、4-5中任意一项权利要求所述的一种磁场与碳纳米管协同提升离子风强度的装置，其特征在于，针电极(11)由钨钢制成，钨钢材料具有较高机械强度，耐高温、耐腐蚀，有效使用时间较长，网状电极(17)由不锈钢制成，金属散热装置(20)由铝合金材料制成，导热性能好，固定支架(30)、盖板(12)以及连接件均为亚克力，具有极佳的耐候性、较高的表面硬度以及较好的高温性能，提升了装置可靠性，同时还具有绝缘性能，确保使用安全。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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