CN209729894U - 多级电晕风散热装置 - Google Patents

Abstract

一种多级电晕风散热装置，包括：热沉，包括肋基和扩展散热面积的肋片，肋基与热源接触且固定于热源之上；针电极组，作为发射极，位于热沉的肋间隙内，与热沉无物理接触；孔板电极，作为集电极，绝缘安装于热沉上，与针电极组共同组成电极对，但与针电极组无物理接触；高压电源，持续输出高电压，其高压端与针电极连接以向针电极提供高电压，其接地端与孔板电极连接。本实用新型提供的多级电晕风散热装置能大幅提高空气的对流换热系数，进而提高热沉的换热能力，使得热沉所需面积、体积和重量减少；并能根据热沉的长度调节电晕放电的级数，可适用于较宽的热功率范围；且该装置无运动部件，结构紧凑、安装方便，具有高可靠性，便于批量化生产。

Description

多级电晕风散热装置

技术领域

本实用新型涉及散热技术领域，具体涉及一种电晕风散热装置。

背景技术

在散热过程中，由于空气的对流换热系数很低，相比金属热沉的导热热阻，从热沉到空气侧的对流换热热阻一般都非常大，是整个散热过程中的瓶颈部分。在电力电子等行业中，电子元器件尤其是半导体元器件都需要工作在额定温度以内，一旦超温，元器件寿命会大幅下降，严重时就会烧毁。因此，需要热沉及时将元器件发出的热量带走。通过提高空气的对流换热系数来强化热沉的换热能力，可以有效保证电子元器件的安全工作，同时可以减少热沉的散热面积，使得热沉的体积和重量减少，有利于节能环保和空间利用。

在提高空气对流换热系数的手段中，最常用的方法为加装风扇。风扇靠电机带动扇叶高速运动以提高风速，但运动部件会带来很高的不可靠性，以及较大的噪音和振动，这对电子元器件的工作都是不利的。另外，当热沉的风道较长时，风扇提供的风速在流动中会逐渐衰减，局部对流换热系数沿着空气流动方向越来越低。将风扇多级串联会导致更大的噪音和安全隐患，且无助于增加风量。

因此，需要一种散热装置，在提高风速的同时能够实现无运动部件、无噪音和无振动；同时可以根据需要多级串联或并联，以满足热沉风道较长的使用条件。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本实用新型提出了一种多级电晕风散热装置，以期至少部分的解决上述现有技术中的不足之处。

(二)技术方案

本实用新型提供了一种多级电晕风散热装置，包括：

一热沉，包括肋基和扩展散热面积的肋片，肋基与热源接触且固定于热源之上；

一针电极组，作为发射极，位于热沉的肋间隙内，与热沉无物理接触；

一孔板电极，作为集电极，绝缘安装于热沉上，与针电极组共同组成电极对，但与针电极组无物理接触；以及

一高压电源，持续输出高电压，其高压端与针电极连接以向针电极提供高电压，其接地端与孔板电极连接。

其中，所述热沉上开有多个横槽，方向与肋片垂直，横槽数量等于所述孔板电极的数量；横槽区域的肋片从根部被切断，只保留肋基部分；

其中，所述针电极组包含框架和框架上布置的多个针电极；所述针电极组上的针电极根部粗、顶端尖，针尖为直径0.05mm～0.5mm的半球形；其中，所述针电极组的材质为已知材料不锈钢、钨钢或钨；其中，所述针电极组上的针电极有多排，对应的孔板电极有多个；

其中，所述孔板电极具有多个阵列的通孔，与所述针电极组共同组成多级电极对；所述通孔形状为圆形、方形或菱形；其中，所述孔板电极的材质为已知材料不锈钢、铜合金或铝合金；所述孔板电极的厚度小于横槽宽度，与肋片不接触；

其中，所述高压电源输出的高电压是直流正极性、直流负极性或交流，电压为千伏级0V～30kV。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本实用新型提供的多级电晕风散热装置具有以下有益效果：

(1)本实用新型提供的多级电晕风散热装置，通过针电极组与孔板电极组成的电极对间的电晕放电产生电晕风，电晕风在肋片间隙内流动，可以大幅提高空气的对流换热系数；因此在同样的热流和温差下，所需的散热面积更小，热沉的体积和重量也更小。

(2)本实用新型提供的多级电晕风散热装置，直接依靠电离过程将电能转化为空气的动能，无任何运动部件，可靠性高，功耗低，无噪音和振动。

(3)本实用新型提供的多级电晕风散热装置具，在所需的热沉肋片较长时，电极对可以多级串联或并联，将空气逐级加速，以克服流动阻力，提高肋片各处的局部对流换热系数。

(4)本实用新型提供的多级电晕风散热装置，结构紧凑，所需体积小，同时具有安装、拆卸、维修简便的优势，容易实现量产。

附图说明

通过下文中参照附图对本实用新型所作的描述，本实用新型的其他目的和优点将显而易见，并可帮助对本实用新型有全面的理解。

图1A为现有技术的发射极与集电极位置关系的立体图；

图1B为现有技术的发射极与集电极位置关系的右视图；

图2为本实用新型实施例提供的多级电晕风散热装置的立体图；

图3为本实用新型实施例提供的多级电晕风散热装置的前视图；

图4为本实用新型实施例提供的多级电晕风散热装置的俯视图；

图5为本实用新型实施例提供的多级电晕风散热装置的右视图；

图6为本实用新型实施例提供的多级电晕风散热装置的热沉立体图；

图7为本实用新型实施例提供的多级电晕风散热装置的针电极组立体图；

图8为本实用新型实施例提供的多级电晕风散热装置的孔板电极立体图。

【附图标记说明】

1： 热沉

1-1： 横槽

2： 针电极组

2-1： 针电极

2-2： 高压接线柱

3： 孔板电极

3-1： 绝缘底座

3-2： 接地接线柱

4： 高压电源

4-1： 高压输出线

4-2： 接地线

5： 热源

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

除非另外定义，本实用新型使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

下面结合附图，对本实用新型的一些实施方式做详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

本实用新型提供的多级电晕风散热装置利用了现有的电晕放电的技术原理，如图1A和图1B所示，图1A为发射极与集电极的立体图，图1B为发射极与集电极的右视图：要产生电晕放电，需要至少一个发射极和一个集电极。发射极要求曲率半径很小，一般为金属细线或尖针；集电极一般为金属平板、圆管或丝网等。发射极与集电极二者不接触，存在一个较小的距离。当在发射极上施加足够高的电压，并将集电极接地后，发射极周围会形成很强的非均匀电场，足以将附近空气电离。带电粒子在电场的作用下向集电极运动，沿途带动中性空气分子定向运动形成电晕风。电晕风具有一定速度，可用于强化对流换热。

基于上述技术原理，本实用新型提供的多级电晕风散热装置包括热沉、针电极组、孔板电极和高压电源，其中热沉包括肋基和扩展散热面积的肋片，肋基与热源接触且固定于热源之上，热源可以是CPU芯片、LED光源等工作时发热的电子元器件，是本实用新型提供的多级电晕风散热装置散热的对象；针电极组采用金属材质，作为发射极，其包含框架和框架上布置的多个顶端尖锐的针电极，针电极位于热沉的肋间隙内，针电极组与热沉任何部分均不接触保持绝缘；孔板电极采用金属材质，作为集电极，其上具有多个阵列的通孔，通过绝缘底座安装在热沉上，并与针电极组成电极对，电极对二者保持一定距离不接触；高压电源可以持续输出高电压，其高压端与针电极连接以向针电极提供高电压，其接地端与孔板电极连接。

当高压电源启动后，针电极的尖端具有很高的电压(1～20kV)，多个针电极并联，因此电压大小相同。针电极周围的空气被电离，产生吹向孔板电极的电晕风。电晕风穿过孔板电极上的孔，在热沉的肋间隙内流动，增强了空气的对流换热。

进一步地，针电极组上的针电极可以有多排，对应的孔板电极也可以有多个，以组成多级电极对，使电晕风经多级加速后，风速增加，可以克服流道较长时的流动阻力，以尽可能提高空气的对流换热系数。

进一步地，针电极组上的针电极具有根部粗、顶端尖的特点，针尖大致为半球形，直径优选为0.05mm～0.5mm。

进一步地，热沉上开有多个横槽，方向与肋片垂直，横槽数量与孔板电极数量一致；横槽区域的肋片从根部被切断，只保留肋基部分。

进一步地，孔板电极的厚度小于横槽宽度，与肋片不接触，即保证孔板电极与热沉完全绝缘。

进一步地，孔板电极上的通孔形状可以为圆形、方形、菱形等，作用是让电晕风通过，孔的尺寸不宜过小，以圆孔为例，优选直径在2mm～20mm之间。

进一步地，针电极组整体采用已知材料不锈钢、钨钢、钨等制成，孔板电极采用已知材料不锈钢、铜合金、铝合金等制成。

进一步地，高压电源输出的高电压可以是直流正极性、直流负极性或交流，电压为千伏级，优选为0V～30kV可调。

本实用新型的实施例提供的三级电晕风散热装置，可以用于对热源5进行散热，如图2至图8所示，该三级电晕风散热装置包括：热沉1；针电极组2；孔板电极3和高压电源4。

其中，如图2及图6所示，热沉1具有多个肋片以扩展散热面积，在垂直于肋片的方向上开有3个横槽1-1，以容纳3个相同的孔板电极3。如图2、图5及图7所示，孔板电极通过绝缘底座3-1固定在热沉上，横槽宽度大于孔板电极的宽度，使得除绝缘底座外，孔板电极与热沉没有任何接触。针电极组2上有3排针电极，针电极组的框架位于热沉的肋片上方，保证针电极2-1的尖端在肋间隙内且不和热沉的任何部分接触，并和孔板电极保持一定距离不接触。如图2、图3及图5所示，高压电源4在热沉一侧，其高压端通过高压输出线4-1与针电极组的高压接线柱2-2相连，目的是给针电极组提供高电压；高压电源的接地端通过接地线4-2与3个孔板电极的接地接线柱3-2相连；这样，当电晕放电开始时，高压电源、针电极组、孔板电极以及电极间被电离的空气就组成了一个回路。热源5通过导热硅脂或导热硅胶等界面材料同定在热沉1的底部，将热量传递给热沉。

热沉具有肋基和肋基上的肋片，如图6所示，热沉的尺寸和肋片的数量可根据热源的发热量调整。本实施例中，肋片数量为8片。针电极组安装在热沉的肋片上方，与热沉的任意部分均没有直接接触，二者之间的固定安装采用绝缘方式，如塑料螺丝等。根据针电极的排数，热沉的肋片上开有同样数量的横槽，本实施例中横槽数量为3，横槽方向与肋片方向垂直。横槽具有一定宽度，本实施例中为5mm；横槽区域的肋片从根部被切断，只保留肋基部分。两相邻横槽的间距与两排针电极的间距相等。第一个横槽布置在热沉肋片的起始端附近，本实施例中，如图5所示，左起第一个横槽与热沉最左端距离10mm。热沉的材质优选为导热良好铜或铝合金，可以将热源发出的热量尽快导出，从肋基扩展至所有肋片。

在本实用新型的一个实施例中，针电极组由“日”字形的框架、21根针电极和1个高压接线柱通过机加工或焊接等工艺组成一个整体，如图7所示，整体为导电的金属材质，优选为已知材料不锈钢、钨钢、钨等常温下不易氧化的金属。为保证使用安全，针电极组的框架部分可用绝缘材质包覆。针电极为根部粗、顶端尖的锥形，尖端近似为半球形，优选直径在0.05mm～0.5mm之间；尖端直径越大，通电后的局部电场强度越小，电晕放电所需要的电压越大。本实施例中，针电极为3排，孔板电极为3个，因此本实施例为三级电晕风散热装置。在其他的实施例中，针电极可以为任意排数，优选为10排以内，每排针电极的数量与热沉的肋片间隙数量一致，即保证每个肋片间隙内均有一个针电极。

孔板电极同样为金属材质，如图8所示，优选为已知材料不锈钢、铜合金、铝合金等。其为一块金属板，上面加工出阵列的多个通孔。孔的形状不限，可以为方形、圆形、菱形等，作用是让电晕风通过，本实施例中为3mm见方的正方形孔。孔之间的金属部分宽度通常要大于针电极直径，以保证电晕放电的正常进行。在其他的实施例中，孔板电极也可以用多层或单层金属丝网电极替代。孔板电极通过绝缘底座固定在热沉的横槽内，孔板电极的长度和高度可与热沉的横槽相同，厚度小于横槽宽度。孔板电极与肋片不接触，与肋基通过绝缘底座隔离，保证孔板电极和热沉完全绝缘。在热沉的每个肋间隙内，针电极和孔板电极保持一定的距离不接触，该距离优选为5mm～30mm之间。距离越小，电晕放电越容易发生，但易发生空气击穿；距离越大，电晕放电需要更高的电压，但电晕放电过程更安全。

高压电源4上有高压端和接地端，如图4所示，从高压端伸出高压输出线与针电极组的高压接线柱相连，从接地端伸出的接地线与三个孔板电极的接地接线柱相连。这种接线方式使得21根针电极为并联，即每根针电极上的电压值都相同；另外，3个孔板电极也是并联；这保证了各处电晕放电的一致性。高压输出线和接地线的材质优选为铜，并用绝缘材质包覆。高压电源的输出电压可以为直流正极性、直流负极性或交流，电压范围在0V～30kV之间可调。当针电极和孔板电极之间的距离固定之后，调整高压电源的电压，使电压值能够引发电晕放电，又不至于太接近击穿电压。正常的电晕放电，一个电极对间的电流为微安级；当空气被击穿时，电极对间的电流会大幅提高，并伴有噪音和电弧——这两个现象可用来辅助判断击穿电压。

当高压电源4通电后，所有的针电极上具有相同的电压，当电压超过阈值电压后，电晕放电开始，电晕风随即产生。如图5所示，最左侧一排的针电极和孔板电极为第一级电极对，电晕风在此处获得初速度，沿着肋片方向在肋间隙内吹向中间的第二级电极对。第二级电极对之间同样发生电晕放电，对电晕风进行二次加速，使得电晕风的风速提高。同样，最右侧的第三级电极对再次对电晕风进行加速。这样，穿过第三级孔板电极的电晕风就具有了较高的风速，可以克服后续的流动阻力，以穿过整个热沉。由于风速越高，空气的对流换热系数越高，因此本装置可以通过对空气的多级加速，获得较高的流动速度，并在肋片较长时克服流动阻力，最终提高热沉的对流换热能力。

对于本实用新型的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多级电晕风散热装置，其特征在于，所述多级电晕风散热装置包括：

一热沉，包括肋基和扩展散热面积的肋片，肋基与热源接触且固定于热源之上，热沉上开有多个横槽，方向与肋片垂直，横槽区域的肋片从根部被切断，只保留肋基部分；

一针电极组，作为发射极，位于热沉的肋间隙内，与热沉无物理接触；

一孔板电极，作为集电极，绝缘安装于热沉上，与针电极组共同组成电极对，但与针电极组无物理接触；以及

一高压电源，持续输出高电压，其高压端与针电极连接以向针电极提供高电压，其接地端与孔板电极连接。

2.根据权利要求1所述的多级电晕风散热装置，其特征在于，所述横槽数量等于所述孔板电极的数量。

3.根据权利要求1所述的多级电晕风散热装置，其特征在于，所述针电极组包含框架和框架上布置的多个针电极。

4.根据权利要求3所述的多级电晕风散热装置，其特征在于，所述针电极组上的针电极根部粗、顶端尖，针尖为直径0.05mm～0.5mm的半球形。

5.根据权利要求1所述的多级电晕风散热装置，其特征在于，所述针电极组的材质为不锈钢、钨钢或钨。

6.根据权利要求1所述的多级电晕风散热装置，其特征在于，所述针电极组上的针电极有多排，对应的孔板电极有多个；所述孔板电极具有多个阵列的通孔，与所述针电极组共同组成多级电极对。

7.根据权利要求6所述的多级电晕风散热装置，其特征在于，所述通孔形状为圆形、方形或菱形。

8.根据权利要求1所述的多级电晕风散热装置，其特征在于，所述孔板电极的材质为不锈钢、铜合金或铝合金。

9.根据权利要求1所述的多级电晕风散热装置，其特征在于，所述孔板电极的厚度小于横槽宽度，与肋片不接触。

10.根据权利要求1所述的多级电晕风散热装置，其特征在于，所述高压电源输出的高电压是直流正极性、直流负极性或交流，电压为千伏级0V～30kV。