CN115666071A - 一体化离子风散热装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种一体化离子风散热装置，装置中，包括圆柱形散热器和离子风发生器。所述圆柱形散热器包括散热翅片和圆形基底，发热源位于基底中心。所述离子风发生器包括线电极和非平行板电极，其中线电极是固定在基底和散热器顶部的绝缘盘之间的金属丝，非平行板电极由散热翅片构成。所述装置中，离子风发生器产生离子风，在散热器表面形成强制对流，从而促进对发热源的冷却。圆柱形散热器和圆形热源的形状匹配，有利于散热；散热翅片的非平行布局可形成渐缩通道，从而加速离子风，提升强制对流换热性能；散热翅片不仅可用于散热，还可用作离子风发生器的板电极，装置实现了散热器与离子风发生器的一体化，不仅结构简单紧凑，而且散热效果好。

Description

一体化离子风散热装置

技术领域

本发明属于散热技术领域，特别是一种一体化离子风散热装置。

背景技术

随着电子器件热流密度的增大，一些采用自然对流散热的措施已经无法满足散热需求，若热量无法及时耗散，会对电子器件的寿命和工作效率产生影响。采用机械风扇进行强制对流散热时，为满足散热需求，风扇和散热器的尺寸不断增加，造成散热装置的整体体积过大。机械风扇散热还存在以下不足：一是产生噪声，包括风扇驱动空气流动的风燥、带动风扇旋转的电机转子转动时的摩擦与振动噪声等。这些噪声会随着工作时间的延续逐步增强；二是散热性能的降低。机械装置中的运动部件的摩擦、磨损会降低散热器的性能，导致用户体验变差；三是散热能耗较高。机械式散热由电机驱动，功耗仍相当大，尤其是高速旋转时。因此，为改变现有的大功率电子设备的机械式散热的不足，有必要发明一种新的散热装置。

基于电晕放电的离子风技术具有低噪音、功耗低、体积小、可集成等优点，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，并在运动过程中与中性分子发生碰撞，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，从而形成宏观上的气体运动，即离子风。

针对采用离子风技术进行散热，有很多不同的实施方案，但大多是将离子风作为一个外置的风扇来对热源或散热器进行强制对流换热，是一个附加的结构，这增大了散热装置的体积，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。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种一体化离子风散热装置，将线-非平行板电极的离子风发生器与圆柱形散热器集成起来、结构紧凑的一体化离子风散热装置，通过离子风对散热翅片进行强制对流换热，实现大功率电子设备的高效散热。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种一体化离子风散热装置包括，

基底，其为中心对称结构，发热源放置于所述基底的中心轴线上；

多个散热翅片，其以所述中心轴线为中心呈放射状排列地竖立于所述基底上，相邻的两个散热翅片之间的间隙在朝向所述中心轴线延伸的径向上逐渐变小且所述间隙大于零；

绝缘盘，其支承于多个散热翅片的顶端，其内嵌导电环；

多个线电极，所述线电极竖立于相邻的散热翅片之间，所述线电极的底端经由绝缘柱安装在基底上，顶端经由导电柱安装在绝缘盘，多个线电极通过所述导电环导电连接，所述线电极和散热翅片之间形成离子风，所述离子风沿着所述间隙冲击散热翅片和基底以散热所述发热源。

所述的一体化离子风散热装置中，所述基底、相邻的两个散热翅片和绝缘盘构成扇形的流道，所述流道包括靠近中心轴线的流道出口和相对于所述流道出口的流道入口。

所述的一体化离子风散热装置中，相邻的所述散热翅片的夹角θ作为所述流道夹角。

所述的一体化离子风散热装置中，流道夹角为10°～36°。

所述的一体化离子风散热装置中，所述流道出口距离所述中心轴线15mm，流道入口距离所述中心轴线的距离为95mm。

所述的一体化离子风散热装置中，所述基底为圆形基底，所述绝缘盘为空心圆环状结构，一体化离子风散热装置为圆柱体结构。

所述的一体化离子风散热装置中，所述发热源通过热界面材料和基底相连，所述热界面材料包括导热硅脂或导热垫片。

所述的一体化离子风散热装置中，所述线电极位于相邻的散热翅片之间的中心线上并垂直于基底，数量为10～36之间且被360整除的整数。

所述的一体化离子风散热装置中，所述线电极的直径为0.1～0.4mm，所述线电极的长度与散热翅片的高度相同。

所述的一体化离子风散热装置中，所述散热翅片的厚度不大于1mm。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：一体化离子风散热装置体积小、安装与拆卸方便，本发明通过将散热器翅片和离子风发生器板电极合二为一，实现了散热器和离子风发生器的集成，尽可能的减小了装置的体积，整体体积小巧，结构简单紧凑；本装置所采用的离子风装置工作时无机械运动部件，不会产生明显噪音，工作稳定性好，通过合理地设置工作电压，可灵活适应功率不大于200W的电子器件在不同工况下安全可靠工作的散热需求。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

附图1(a)至图1(b)为一体化离子风散热装置的结构示意图，其中，图1(a)为电极的布置形式图，图1(b)为发热源的布置位置图；

附图2(a)至图2(b)为一体化离子风散热装置的在数值模拟时单个扇区的离子风发生单元内电极的位置及相关尺寸示意图，其中，图2(a)为单个扇区的三维离子风发生单元示意图，图2(b)为二维简化模型示意图；

附图3为一体化离子风散热装置的流道内非平行板电极的夹角变化所引起的电势和电场强度矢量分布，以及相应流场流线变化的模拟结果图；

附图4为一体化离子风散热装置的流道内线电极相对位置变化所引起的电势和电场强度矢量分布，以及相应流场的流线变化模拟结果图；

附图5(a)至图5(b)为一体化离子风散热装置的在热源为160W时结构优化前后热源表面模拟的温度场分布对比，其中，图5(a)为结构优化前的模拟结果图，图5(b)为结构优化后的模拟结果图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1(a)至图5(b)更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，在一个实施例中，如图1(a)至图5(b)所示，一种一体化离子风散热装置包括，

基底6，其为中心对称结构，发热源7放置于所述基底6的中心轴线上；

多个散热翅片1，其以所述中心轴线为中心呈放射状排列地竖立于所述基底6上，相邻的两个散热翅片1之间的间隙在朝向所述中心轴线延伸的径向上逐渐变小且所述间隙大于零；

绝缘盘5，其支承于多个散热翅片1的顶端，其内嵌导电环4；

多个线电极2，所述线电极2竖立于相邻的散热翅片1之间，所述线电极2的底端经由绝缘柱8安装在基底6上，顶端经由导电柱3安装在绝缘盘5，多个线电极2通过所述导电环4导电连接，所述线电极2和散热翅片1之间形成离子风，所述离子风沿着所述间隙冲击散热翅片1和基底6以散热所述发热源7。

所述的一体化离子风散热装置的优选实施例中，所述基底6、相邻的两个散热翅片1和绝缘盘5构成扇形的流道，所述流道包括靠近中心轴线的流道出口11和相对于所述流道出口11的流道入口10。

所述的一体化离子风散热装置的优选实施例中，相邻的所述散热翅片1的夹角θ作为所述流道夹角。

所述的一体化离子风散热装置的优选实施例中，流道夹角为10°～36°。

所述的一体化离子风散热装置的优选实施例中，所述流道出口11距离所述中心轴线15mm，流道入口10距离所述中心轴线的距离为95mm。

所述的一体化离子风散热装置的优选实施例中，所述基底6为圆形基底6，所述绝缘盘5为空心圆环状结构，一体化离子风散热装置为圆柱体结构。

所述的一体化离子风散热装置的优选实施例中，所述发热源7通过热界面材料和基底6相连，所述热界面材料包括导热硅脂或导热垫片。

所述的一体化离子风散热装置的优选实施例中，所述线电极2位于相邻的散热翅片1之间的中心线上并垂直于基底6，数量为10～36之间且被360整除的整数。

所述的一体化离子风散热装置的优选实施例中，所述线电极2的直径为0.1～0.4mm，所述线电极2的长度与散热翅片1的高度相同。

所述的一体化离子风散热装置的优选实施例中，所述散热翅片1的厚度不大于1mm。

在一个实施例中，所述离子风发生器由线电极2和非平行板电极组成，其中线电极2是固定在基底6和散热器顶部的绝缘盘5之间的金属丝，线电极2之间由内嵌于绝缘盘5的导电环4相连。非平行板电极由圆柱形散热器的散热翅片1构成，板电极之间通过基底6相连。离子风发生器产生离子风，在散热器表面形成强制对流，从而促进对发热源7的冷却。圆柱形散热器和圆形热源的形状匹配，更有利于其高效散热，同时也能用于其他形状的热源；散热翅片1的非平行布局形成渐缩通道，从而加速离子风，提升强制对流换热性能；散热翅片1不仅可用于散热，还可用作离子风发生器的板电极。所述装置实现了散热器与离子风发生器的一体化，不仅结构简单紧凑，而且散热效果好。

优选的，所述线电极2由钨或钨铈合金等功函小于5eV的金属材料制备而成。

优选的，所述绝缘柱8由包括亚克力、塑料、高分子材料等在内的耐高温绝缘材料制备而成，通过螺纹固定在基底6上。

优选的，所述绝缘盘5厚度和环宽均为10mm。

优选的，所述绝缘盘5由包括亚克力、塑料、高分子材料等在内的耐高温绝缘材料制备而成，通过开槽卡在散热器翅片上。

优选的，所述导电柱3由铝或铜等电阻率小于0.1Ω·mm²/m的金属材料制备而成，通过螺纹固定在绝缘盘5圆环的中心。

优选的，所述导电环4由钨或钨铈合金等功函数小于5eV的金属材料制备而成，将各导电柱3及线电极2连接起来。

优选的，所述板电极的厚度不大于1mm，所述板电极的高度为70mm。

优选的，所述板电极由铝或铜等电阻率小于0.1Ω·mm²/m的金属材料制备而成，并通过焊接固定在基底6上。

优选的，所述散热器的基底6厚度为10mm。

优选的，所述基底6由铝或铜等电阻率小于0.1Ω·mm²/m的金属材料制备而成，同时进行表面绝缘处理，如阳极氧化或涂覆绝缘层，防止线电极2对基底6放电，产生击穿，降低离子风效果。

优选的，所述作为发热源7的加热膜通过热界面材料连接在散热器的基底6上。

在一个实施例中，一体化离子风散热装置包括：

作为非平行板电极的散热翅片1，散热翅片1的基底6上设置有发热源7，

线电极2，所述线电极2底端由绝缘柱8安装在基底6，顶端由导电柱3安装在绝缘盘5，并通过内嵌在绝缘盘5的导电环4相连，

装置周围为开放边界，空气9在电晕放电作用下形成离子风冲击散热翅片1和基底6，对发热源7进行散热。

本实施例中，在线电极周围强电场的作用下，空气被电离成带电粒子，带电粒子在强电场的作用下与中性分子碰撞产生电荷和动量的转移和传递，并对周围流体产生强烈的扰动，从而在装置内形成离子风流动对散热翅片进行强制对流冷却。本实施例通过离子风装置代替机械风扇对翅片进行散热，能够有效降低工作噪声，减少机械磨损。

本实施例中，如图2(a)至图2(b)所示，线电极2位置P_w为10mm，其中，线电极位置的定义为在半径方向上导线偏离板电极入口边缘的距离，向右为正。板电极位置P_f为30mm，长度L为50mm。

在强电场的作用下，线电极周围的空气被电离成带电粒子，带电粒子在电场的作用下向板电极运动，在运动过程中与中性分子碰撞产生电荷和动量的转移和传递，对相邻的两块非平行板电极之间区域的空气产生强烈的扰动，形成宏观的气体运动，即在离子风散热装置通道内产生风，可对装置内的散热翅片进行强制对流冷却。

另一个实施例中，所述线电极2的直径为0.1～0.4mm，所述线电极的长度与板电极的高度相同。本实施例中，若线电极2的直径小于0.1mm，将会降低线的强度；若线电极2的直径大于0.4mm，将会降低离子风的流量以及增大起始工作电压。另一个实施例中，所述线电极2由钨或钨铈合金等功函数小于5eV的金属材料制备而成，并通过由同样材料制备的导电环4相连。

本实施例中，线电极外接高压电压源，当散热装置开始工作时，由高压电压源对线电极供电，从而在线电极和相邻的两块非平行板电极之间产生强电场。另外，线电极的制备材料包括钨、钨铈合金等在内的功函数小于5eV的金属，这类金属具有低的电子逸出功和抗腐蚀性强的特点，能够保证在高电压作用下产生更多的离子，进而形成更大流速的离子风。

另一个实施例中，所述板电极的厚度不大于1mm，所述板电极的高度为70mm。

本实施例中，为了减轻装置的重量且同时具有支撑作用，需要将板电极的厚度设计为不大于1mm。

另一个实施例中，各板电极均由低电阻率金属材料制备而成，并通过焊接固定在基底上。

本实施例中，板电极为接地电极，其制备材料包括铝、铜等在内的电阻率小于0.1Ω·mm²/m金属。

另一个实施例中，所述散热器的基底厚度为10mm。

本实施例中，所述基底由铝或铜等电阻率小于0.1Ω·mm²/m的金属材料制备而成，同时进行表面绝缘处理，如阳极氧化或涂覆绝缘层，防止线电极对基底放电，产生击穿，降低离子风效果。

另一个实施例中，如图2(b)所示，所述非平行板电极的夹角θ为20°，二维模型中流道出口位置r取为板电极位置P_f的一半，即15mm，流道入口位置取为基底半径R₀，即95mm。

本实施例中，通过模拟论证，板电极倾斜度会影响线-非平行板电极之间的放电空间的大小，进而影响电场强度大小和可用于电离产生离子风的空气量多少，后者对于离子风的产生起着最重要的作用。板电极倾斜度同时影响着流场大小和形状，从而对离子风的流动特性产生影响。如图3所示，随着流道圆心角θ的增大，板电极倾斜度逐步增加，放电空间越来越大，导线周围环形的电势分布云图的范围逐渐扩大，低电势区域逐渐扩张，电场强度矢量的大小变得越来越小，同时导线两侧的涡流也在增大，这抑制了空气流速。然而，在较小的放电空间下，可用于电离的空气比较少，而离子风的产生又是通过电场加速线电极与板电极之间带电离子的运动，离子通过碰撞过程将其动量传递给中性粒子，从而在宏观上产生离子风。空气的电离和离子的碰撞过程均为概率性事件，所以能够吸入放电空间中的空气量较多时比较容易产生离子风。因此，尽管流道圆心角θ较小时电场强度相对较大，但是可用于电离产生离子风的空气量太少，不利于产生离子风来提高热沉的散热性能。流道圆心角大小也决定着翅片的数目，进而直接决定整个装置的重量以及制造成本。因此，综合来看选择流道圆心角θ为18°。

其余线电极和非平行板电极之间的设置与上述设置相同，装置整体只是由上述扇区代表单元环向并联组成，此处不再赘述。

另外，需要说明的是，如图4所示，线电极的位置会影响线-非平行板电极之间放电空间的电场强度矢量分布，主要是影响电场强度矢量的方向，进而影响离子风的流动特性。在线电极从流道入口处向下游方向逐渐移动的过程中，电场强度矢量的大小略微增大，所以对于离子风的驱动作用会有微小的增强，离子风速度也会有所提升，但导线两侧的涡流区也增大。更为重要的是，一些电场强度矢量被反向引导到流道入口处板电极的后角，导致反向流动，严重降低了离子风的速度，并且随着线电极位置的变化，这种效应越来越明显，大约会有一半的电场强度矢量会反向指向流道入口处的板电极后角，削弱了离子风的性能。当线电极位于板电极入口边缘处时，电场强度矢量均由流道入口指向流道出口，电场分布较为合理，并且靠近入口，有利于抽吸更多空气进入通道，有利于离子风的形成，能够得到较好的流场分布以及较大的离子风速度。综合以上分析，将线电极位置P_w取为0mm。

另一个实施例中，所述散热翅片1一般采用板式翅片，非平行的环向布置在基底6上，基底的半径R₀为95mm，作为发热源的加热膜7通过热界面材料固定在基底6中心。

本实施例中，所述热界面材料包括导热硅脂或导热垫片。

另一个实施例中，本公开还提供一种离子风散热装置，包括：

圆柱形散热器以及安装在散热翅片间的离子风发生器，

所述圆柱形散热器由散热翅片1和基底6组成，散热翅片1环向布置在基底6上，位置P_f为40mm，基底的半径R₀为105mm，作为发热源的加热膜7通过热界面材料固定在基底6中心，

所述离子风发生器由线电极2和板电极组成的离子风发生单元环向并联构成，线电极2位置P_w为0mm，板电极倾斜度即流道圆心角θ为18°，线电极2底端由绝缘柱8安装在基底6，顶端由导电柱3安装在绝缘盘5，并通过内嵌于绝缘盘5的导电环4相连，空气9在电晕放电作用下形成离子风冲击散热翅片1和基底6，对发热源7进行散热。

另一个实施例中，所述绝缘盘和绝缘柱均由耐高温绝缘材料制备而成，包括如下任一：亚克力、塑料和高分子材料。

在一个具体实施例中，本公开对直径为90mm、厚度为3mm的热源在发热功率分别为160、180、200W时的工况进行了模拟。装置在结构优化前后不同热源功率下热源表面的最大温度比较的模拟结果如下表所示：当离子风施加电压为-15kV，达到稳态时热源表面的最大温度均已低于其安全工作的极限值125℃；当对装置结构参数进行优化后，达到稳态后热源最大温度会再降低大约15℃，优化后离子风散热性能显著提升，可保证发热源稳定、可靠地工作。对于上述热源为160W时的工况，优化前后离子风热沉热源表面的温度场分布分别如图5(a)、图5(b)所示：优化前后均是越靠近热源中心，表面最大温度越高。优化后热源表面的最大温度约为78℃，远低于安全温度，证明本发明可作为大功率电子设备的高效散热装置，具体参见下表。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种一体化离子风散热装置，其特征在于，其包括，

基底，其为中心对称结构，发热源放置于所述基底的中心轴线上；

多个散热翅片，其以所述中心轴线为中心呈放射状排列地竖立于所述基底上，相邻的两个散热翅片之间的间隙在朝向所述中心轴线延伸的径向上逐渐变小且所述间隙大于零；

绝缘盘，其支承于多个散热翅片的顶端，其内嵌导电环；

多个线电极，所述线电极竖立于相邻的散热翅片之间，所述线电极的底端经由绝缘柱安装在基底上，顶端经由导电柱安装在绝缘盘，多个线电极通过所述导电环导电连接，所述线电极和散热翅片之间形成离子风，所述离子风沿着所述间隙冲击散热翅片和基底以散热所述发热源。

2.根据权利要求1所述的一体化离子风散热装置，其特征在于，优选的，所述基底、相邻的两个散热翅片和绝缘盘构成扇形的流道，所述流道包括靠近中心轴线的流道出口和相对于所述流道出口的流道入口。

3.根据权利要求2所述的一体化离子风散热装置，其特征在于，相邻的所述散热翅片的夹角θ作为所述流道夹角。

4.根据权利要求3所述的一体化离子风散热装置，其特征在于，流道夹角为10°～36°。

5.根据权利要求2所述的一体化离子风散热装置，其特征在于，所述流道出口距离所述中心轴线15mm，流道入口距离所述中心轴线的距离为95mm。

6.根据权利要求1所述的一体化离子风散热装置，其特征在于，所述基底为圆形基底，所述绝缘盘为空心圆环状结构，一体化离子风散热装置为圆柱体结构。

7.根据权利要求1所述的一体化离子风散热装置，其特征在于，所述发热源通过热界面材料和基底相连，所述热界面材料包括导热硅脂或导热垫片。

8.根据权利要求1所述的一体化离子风散热装置，其特征在于，所述线电极位于相邻的散热翅片之间的中心线上并垂直于基底，数量为10～36之间且被360整除的整数。

9.根据权利要求1所述的一体化离子风散热装置，其特征在于，所述线电极的直径为0.1～0.4mm，所述线电极的长度与散热翅片的高度相同。

10.根据权利要求1所述的一体化离子风散热装置，其特征在于，所述散热翅片的厚度不大于1mm。

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