CN115313157B - 一种离子风散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种离子风散热装置，包括离子风发生器、直流高压电源，离子风发生器固定在外壳的内部，离子风发生器包括至少一个离子风发生单元，每个离子风发生单元包括发射电极和接收电极，发射电极包括多根针状电极，接收电极为带有网孔的网状电极。针状电极与网状电极所在平面相互垂直且网状电极在针状电极针尖前方，本发明提供的离子风发生装置，通过电晕放电技术，达到简单、低能耗、无噪声散热。并且本发明在提升散热效果的同时考虑了荷电灰尘积累和电极易腐蚀的问题，设有静电除尘器以收集荷电灰尘并采用紫外灯照射以及在针尖表面涂覆光催化剂提升散热效果同时保护电极不易受腐蚀。

Description

一种离子风散热装置

技术领域

本发明属于散热领域，涉及一种离子风散热装置。

背景技术

目前用于LED芯片散热的技术主要分为两大类，被动散热和主动散热。被动散热是依靠自然对流进行散热，一般是散热片与不同形式的热管、均热板等组合而成，以热传导为主要散热途径，但其散热效率较低，仅有50%左右，故仅适用于小功率型器件散热。大功率型LED芯片一般采用散热效率较高的主动散热，这类散热方式依靠外界能量进行强制传热，能够产生相对较强的制冷效果、应用范围较广。传统的主动散热方式有风扇冷却、液冷以及半导体制冷等。现有技术中，主要是通过风扇进行对流散热，然而，风扇属于旋转部件，这增加了散热系统的复杂性，降低了电子器件的工作稳定性，并且会在工作时产生很大的机械噪音。其次，普通风扇的风速在0.7~1.7 m/s，散热效率难以进一步提高，并且还存在功耗高、体积大的问题。液冷是通过水、乙二醇等比热容较大的液体在泵的带动下强制循环带走热量散热的一种方式，液冷一般成本较高且对工作环境要求较高。半导体制冷是利用一种特制的半导体制冷片在通电时产生温差来制冷，它效率低，功耗和成本都较高。

近年来，离子风散热技术逐渐成为各领域的研究热点，因其结构简单(不需要任何运动部件，只需电极和变压器)、成本低、功耗低、噪声小，相比传统散热具有不可比拟的稳定性和散热性，具有广阔的发展前景。离子风由电晕放电产生，电晕放电是一种在尖端电极和钝电极之间施加强电场时，尖端电极附近气体的部分电离和激发引起的自持放电现象。曲率半径较小的电极附近的气体在高电压的作用下发生碰撞电离产生带电粒子，带电粒子在电场作用下加速，并与空气分子碰撞引起的动量交换，在宏观上表现为流体运动，称为“离子风”。由于离子风具有无机械运动部件、噪声低、功耗低等优点，所以，离子风的研究和应用不断深入和拓展，离子风的实际应用主要集中在食品干燥、温度控制、推进、助燃、空气净化等诸多领域。温度控制是离子风科研探索和实践应用的重要方向，利用离子风的流体性质可以带走热源周围的热量，强化电子设备和元器件的空气对流散热。一方面，离子风散热具有低噪声、低功耗、响应速度快和成本低等优点。另一方面，可以通过优化调控离子风发生器的参数，达到高散热效率下的较佳散热效果。

针对电子芯片的散热需求，研发人员已经提出多种技术方案。

1专利CN 109246987 A公开了一种“一种离子风散热装置”，该技术方案使用针-环和针-板放电方式产生离子风。在散热板上设环状集电极，散热板之间形成波浪形流道，设计紧凑，可以解决小型电子设备的散热问题。但离子风风速难以提高，散热效果难以提升，且针-环结构效率较低。

2专利CN 201910570963.8公开了一种“一种离子风散热装置”，该技术方案使用针-环放电方式产生离子风。该散热装置由若干单级针-环离子风发生单元叠加组成，能够根据散热要求及空间条件灵活调节离子风散热装置的风速及出风量。但此装置采用的电极结构散热效率较低且设计不紧凑。

3专利CN 107946700 A公开了一种“离子风散热单体、离子风散热系统和离子风散热温控系统”，该技术方案使用针-网放电方式产生离子风。采用三级针网结构，该离子风散热单体将离子风的发射极和接收极结合在一起，形成一体式结构，有效解决了离子风散热单体占用空间较大的问题。但此装置没有考虑荷电灰尘及电极易腐蚀的问题。

4专利CN 102159055 A公开了一种“一种离子风散热装置”，该技术方案使用针-环和针-板放电方式产生离子风。散热装置采用两级串联，第一级离子风发生器为针孔式，第二级离子风发生器为针板式。在离子风发生器和热源之间设有芒刺-板式静电集尘器，提供了一种具有净化消除灰尘的离子风散热装置。但此装置设计复杂，结构不紧凑，散热效率较低。

发明内容

1.所要解决的技术问题：

现有的离子风散装置，结构复杂，散热效率低。

2.技术方案：

为了解决以上问题，本发明提供了一种离子风散热装置，包括离子风发生器、直流高压电源，所述离子风发生器固定在外壳的内部，所述外壳一端设有进气口，另一端设有出气口，所述离子风发生器包括至少一个离子风发生单元，每个所述离子风发生单元包括发射电极和接收电极，所述发射电极包括多根针状电极，第一级发射电极中的针状电极设置在三角形不锈钢板上，采用金字塔排列方式，针状电极之间相互平行，所述接收电极为带有网孔的网装电极。所述针状电极与所述网状电极所在平面相互垂直且所述网状电极在所述针状电极针尖前方，所述不锈钢板与所述接收电极均靠绝缘支撑固定在外壳内，在绝缘支撑上开孔洞，使所述发射电极接高压直流电源，接收电极接地。

在多个离子风发生单元的情况下，所有所述发射电极的发射源朝向一致，每一级发射电极中针状电极的排列方式相同，从第2个离子风单元开始，所述发射电极中的针状电极通过绝缘套固定在前一级的网状电极上。

还包括是静电集尘器，所述静电集尘器固定在外壳内，与离子风发生器相邻，所述离子发生器靠近进气口，所述静电集尘器靠近出气口，所述静电集尘器包括两个平行设置的极板和金属导线，所述金属导线与极板平行，两个所述极板与金属导线均通过绝缘支撑固定在外壳上，在绝缘支撑上设有一个孔洞，使极板接地，金属导线与高压直流电源相接。

所述极板的材质为铝合金或不锈钢，所述极板被绝缘套包裹，通过圆筒状绝缘支撑固定在外壳上。

所述针状电极在针尖表面涂覆光催化剂。

所述外壳内固定有多个紫外灯，所述紫外灯产生的紫外线照射针状电极的针尖上。

所述的三角形为以外壳圆心为中心的等边三角形，针状电极设置在三角形的顶点和边长中点。

所述边长为29-31mm。

所述针状电极为金属针，所述金属针的长为9-11mm，尖端曲率半径为0.45-0.5mm，金属针之间的间距为14.5-15mm。

所述网状电极为金属丝网，直径为37-45mm，所述针状电极与网状电极所在平面相互垂直且网状电极在针状电极的针尖前方9-11mm处。

3.有益效果：

本发明提供的离子风发生装置，通过电晕放电技术，达到简单、低能耗、无噪声散热。并且本发明在提升散热效果的同时考虑了荷电灰尘积累和电极易腐蚀的问题，设有静电除尘器以收集荷电灰尘并采用紫外灯照射以及在针尖表面涂覆光催化剂提升散热效果同时保护电极不易受腐蚀。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是离子风发生单元结构示意图。

图3是二个离子风发生单元结构示意图。

图4是静电集尘器结构示意图。

附图标记说明：1.离子风发生器；2.静电集尘器；3.直流高压电源；4.外壳；15.进气口；16.出气口；21.发射电极；22.接收电极；41.极板；42.金属导线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

一种离子风散热装置，包括离子风发生器1、直流高压电源3所述离子风发生器1固定在外壳4的内部，所述外壳4一端设有进气口15，另一端设有出气口16，所述离子风发生器1包括至少一个离子风发生单元。在一个实施例中，所述装置为圆筒状，直径3.8至4.6cm。

每个所述离子风发生单元包括发射电极21和接收电极22，如图2所示，所述发射电极21包括多根针状电极，第一级发射电极21中的针状电极设置在三角形不锈钢板上，采用金字塔排列方式，针状电极之间相互平行。

在一个实施例中，所述针状电极为金属针，所述金属针的长为9-11mm，尖端曲率半径为0.45-0.5mm，金属针之间的间距为14.5-15mm。针状电极一共6个，分布于以外壳圆心为中心的三角形的顶点和边长中点。所述网状电极为金属丝网，直径为37-45mm，所述针状电极与网状电极所在平面相互垂直且网状电极在针状电极的针尖前方9-11mm处。

在一个实施例中，为了避免尖端放电，三角形顶点处设为圆形倒角。

所述接收电极22为带有网孔的网装电极。所述针状电极与所述网状电极所在平面相互垂直且所述网状电极在所述针状电极针尖前方，所述不锈钢板与所述接收电极22均靠绝缘支撑固定在外壳4内，在绝缘支撑上开孔洞，使所述发射电极21接高压直流电源3，接收电极22接地。

在一个实施例中，直流高压电源3可以提供12-15kV的电压。

针状电极和网状电极在外加高电压作用下，由于电极形状的不同，在曲率半径较小的尖端电极附近将产生很强的电场，在一个实施例中，尖端曲率半径为0.45-0.5mm。

当这一电场随外部电压的增加而增大至空气的电离场强时，该区域就会产生局部放电，空气分子因而被电离为离子和电子。如果外加高电压始终高于放电的阈值电压，则空气分子将被持续电离，从而使放电极尖端产生大量的离子和电子，这一现象被称为“电子雪崩”。电离产生的带电离子和电子由于极性不同向相反的电极运动，其中电子向放电电极移动，带电离子则向另一端电极移动，运动过程中通过和空气分子之间的碰撞将运动惯量传递给空气分子，从而导致空气分子形成高速流动运动，形成离子风。离子风破坏物体原本的热对流边界层，达到强制对流，强化传热效果，高效散热。

在多个离子风发生单元的情况下，所有所述发射电极21的发射源朝向一致，每一级发射电极21中针状电极的排列方式相同，从第2个离子风单元开始，所述发射电极21中的针状电极通过绝缘套固定在前一级的网状电极上。

本发明可根据使用场所适当调节离子风发生单元数量。如图3所示，在一个实施例中，有2个离子风发生单元，离子风发生器采用二级针网一体化结构。每级所述电极对均包括发射电极和固定在其前方的接收电极。下一电极对的发射电极设置于前一电极对的接收电极上，发射源相对于所述接收电极朝向外侧；所述电极对按预定间隔依次排列，且发射源朝向一致，产生由所述发射电极到下一电极对的接收电极的离子风。第一级针固定在厚度为0.8-1mm的不锈钢板上，不锈钢板是边长为29-31mm的等边三角形，通过绝缘支撑固定在外壳上。第二级针状电极采用绝缘套固定在第一级网状电极上。该离子风发生器将离子风的发射电极和接收电极结合在一起，形成一体式结构，此结构不仅设计紧凑，而且能提高最大风速和散热性能，是利用多级离子风装置强化换热的结构。

在一个实施例中，壳体上固定多个紫外灯23，用紫外线照射针状电极的针尖，为了增强电晕放电并且提高电极的抗腐蚀性，在针尖表面涂覆光催化剂，电晕放电是一种自持放电现象。电场的气隙击穿条件与阴极的二次电子发射系数有关，可以推广到气隙中所有途径产生的“种子”电子，即放电开始前气隙中的电子。在针尖上涂覆光催化剂(如石墨烯、二氧化钛、氧化锌等，本装置采用石墨烯)，并用紫外线照射针尖附近的气隙，紫外线是一种高能射线，照射到光催化剂表面时，对催化剂表面进行辐射，催化剂表面上的电子吸收光能后被激发产生激发态电子，增加种子电子数量。而且电子激发后在催化剂表面形成空穴，可以与吸附在催化剂表面的O₂和H₂O反应形成强氧化性自由基，再促进其他的化学反应的发生，增强电晕放电强度。另外，在针尖上涂覆光催化剂，催化剂在针尖表面形成纳米薄膜，可以改变表面粗糙度，增加有效放电面积，增强电晕放电强度。两种方式均可增加离子风风速，增强对流传热，改善散热效果，提高散热效率。另外，石墨烯不仅有良好的光催化活性，而且其基本结构是稳定的六边形碳原子结构，这种六角碳原子结构，使电极难以被氧化，延长电极寿命。

在一个实施例中，如图1所示，还包括是静电集尘器2，所述静电集尘器2固定在外壳4内，与离子风发生器1相邻，所述离子发生器2靠近进气口12，所述静电集尘器2靠近出气口16，所述静电集尘器2包括两个平行设置的极板41和金属导线42，所述金属导线与极板41平行，两个所述极板41与金属导线42均通过绝缘支撑固定在外壳4上，在绝缘支撑上设有一个孔洞，使极板41接地，金属导线42与高压直流电源相接。

功率型LED长时间暴露在户外环境中风吹、日晒，即使室内LED长时间工作，也会积累较多的灰尘，会影响其散热。静电除尘器是利用线-板放电电离周边空气，形成自由移动的离子，灰尘在流经静电除尘器放电电极时会进一步增加灰尘的荷电量，荷电灰尘在电场力的作用下沿电力线方向向收尘极运动，线-板电极电晕放电产生的离子风也会促进粉尘向收尘板运动。最终，灰尘被收尘板捕获收集。

如图4所示，静电集尘器结构示意图，集尘器边缘距离子风装置二级网电极10-11mm。集尘器为静电集尘器，包括两个平行设置的极板41和金属导线42，板厚0.8-1mm、长33-35mm、宽18-20mm，两板相距19-20mm，集尘器的极板41采用铝合金或不锈钢冲压而成。金属导线直径为0.15-0.25mm，长为18-20mm。金属导线与两板相距均为9-10mm且与两极板平行。两板与金属导线均靠绝缘支撑固定在外壳上，为了保证较大的通风量，金属板采用状的绝缘支撑，先用绝缘套包裹金属板，再采用圆筒状绝缘支撑使其固定在外壳上。在绝缘支撑上开一个孔洞，使金属板接地，金属导线与高压直流电源相接。这样两极板41和金属导线42之间就形成电场，可以吸附离子风吹过时的荷电灰尘。

本发明离子风散热装置采用采用了两级针网一体化结构进行电晕放电，设计紧凑，散热效果与散热效率较高，可适用于小型化的LED芯片。

Claims (1)

1.一种离子风散热装置，包括离子风发生器（1）、直流高压电源（3）所述离子风发生器（1）固定在外壳（4）的内部，所述外壳（4）一端设有进气口（15），另一端设有出气口（16），其特征在于：所述离子风发生器（1）包括至少一个离子风发生单元，每个所述离子风发生单元包括发射电极（21）和接收电极（22），所述发射电极（21）包括多根针状电极，第一级发射电极（21）中的针状电极设置在三角形不锈钢板上，采用金字塔排列方式，针状电极之间相互平行，所述接收电极（22）为带有网孔的网状电极，所述针状电极与所述网状电极所在平面相互垂直且所述网状电极在所述针状电极针尖前方，所述不锈钢板与所述接收电极（22）均靠绝缘支撑固定在外壳（4）内，在绝缘支撑上开孔洞，使所述发射电极（21）接直流高压电源（3），接收电极（22）接地，所述发射电极（21）的发射源朝向一致，每一级发射电极（21）中针状电极的排列方式相同，从第2个离子风单元开始，所述发射电极（21）中的针状电极通过绝缘套固定在前一级的网状电极上，还包括是静电集尘器（2），所述静电集尘器（2）固定在外壳（4）内，与离子风发生器（1）相邻，所述离子风发生器（1）靠近进气口（15），所述静电集尘器（2）靠近出气口（16），所述静电集尘器（2）包括两个平行设置的极板（41）和金属导线（42），所述金属导线（42）与极板（41）平行，两个所述极板（41）与金属导线（42）均通过绝缘支撑固定在外壳（4）上，在绝缘支撑上设有一个孔洞，使极板（41）接地，金属导线（42）与高压直流电源相接，所述极板（41）的材质为铝合金或不锈钢，所述极板（41）被绝缘套包裹，通过圆筒状绝缘支撑固定在外壳（4）上，所述针状电极在针尖表面涂覆光催化剂，所述外壳（4）内固定有多个紫外灯（23），所述紫外灯（23）产生的紫外线照射针状电极的针尖上，所述的三角形为以外壳（4）圆心为中心的等边三角形，针状电极设置在三角形的顶点和边长中点，所述边长为29-31mm，所述针状电极为金属针，所述金属针的长为9-11mm，尖端曲率半径为0.45-0.5mm，金属针之间的间距为14.5-15mm，所述网状电极为金属丝网，直径为37-45mm，所述针状电极与网状电极所在平面相互垂直且网状电极在针状电极的针尖前方9-11mm处。