JP2008218853A - 針−リング電極を使用したイオン風送風装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
現在まで電子部品、特に半導体部品の冷却用送風装置としてファンや冷却用フィンを備えたヒートシンクなどを用いた技術が確立されている。これは、特に機械式ファンが可動部を有しているためである。そのため、技術革新に伴って小型化する電子部品などの冷却用送風装置として用いることが困難になると予想される。
【解決手段】
小型でシンプルな送風装置作製を目的として、本発明ではコロナ放電により生成されるイオン風を用いる。その構成として、針付きリング電極を多段に用い、針電極とリング電極の間に直流高電圧を印加することでコロナ放電を発生させる。その時、針電極で発生するコロナ放電で生成されるイオンがリングに向かって空間を移動し、それが空気分子に衝突してイオン風を発生する。イオン風の風速を高めるため、針−リング電極を多段に配置し、高電圧を各段に順次印加する。これによりイオンの逆流を防ぎ、高速度のイオン風を発生する。
【選択図】図１

Description

本発明は一般的な送風装置、特に、電子チップなどへの冷却用微小送風装置に関するものである。

現在まで電子部品、特に半導体部品の冷却用送風装置としてファンや冷却フィンを備えたヒートシンクなどを用いた技術が確立されている（例えば、非特許文献１、２、３、４、または特許文献１を参照）。半導体部品の小型化が進む一方、これらの冷却（放熱）用部品は小型が難しい。これは、特に機械式ファンが可動部を有しているためである。

機械的ファンに代わる送風装置によって、半導体部品等を含む装置のさらなる小型が進められる。
静電気ハンドブック、編者：静電気学会、出版社：オ−ム社 Ｔａｄａ，Ｙ; Ｔａｋｉｍｏｔｏ，Ａ; Ｈａｙａｓｈｉ，Ｙ Ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｉｎ ａ ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｆｉｅｌｄ ｂｙ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｉｏｎｉｃ ｗｉｎｄ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ [Ｊ ＥＮＨＡＮＣＥＤ ＨＥＡＴ ＴＲＡＮＳＦＥＲ]．Ｖｏｌ．４，ｎｏ．２，ｐｐ．７１−８６．１９９７． Ｋａｌｍａｎ，Ｈ; Ｓｈｅｒ，Ｅ，Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ａ ｃｏｒｏｎａ ｗｉｎｄ ｃｒｅａｔｅｄ ｂｙ ａ ｗｉｒｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｎｄ ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｗｉｎｇｓ ａｓｓｅｍｂｌｙ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２１（３）：２６５−２８２，２００１ 実用新案第３０８８０１４号公報 特開平９−２５２０６８号公報

現在まで電子部品、特に半導体部品の冷却用送風装置としてファンや冷却用フィンを備えたヒートシンクなどを用いた技術が確立されている。これは、特に機械式ファンが可動部を有しているためである。そのため、技術革新に伴って小型化する電子部品などの冷却用送風装置として用いることが困難になると予想される。

小型でシンプルな送風装置作製を目的として、本発明ではコロナ放電により生成されるイオン風を用いる。その構成として、針付きリング電極を多段に用い、針電極とリング電極の間に直流高電圧を印加することでコロナ放電を発生させる。その時、針電極で発生するコロナ放電で生成されるイオンがリングに向かって空間を移動し、それが空気分子に衝突してイオン風を発生する。イオン風の風速を高めるため、針−リング電極を多段に配置し、高電圧を各段に順次印加する。これによりイオンの逆流を防ぎ、高速度のイオン風を発生する。

針−リング電極を多段に使用したイオン風送風装置を考案した。針−リング電極を使用したイオン風送風装置は、可動部を有していないため、騒音がほぼ皆無であり、また構造が非常にシンプルであるため小型化が容易である。加えて、針−リング電極を直列に多段に接続することにより、より強い風速を発生させることが可能である。

上段の針電極と下段のリング電極間に高電圧、好ましくは直流を印加する。このとき、針電極先端にて、コロナ放電が発生し、それに伴って、イオン風が発生する。このイオン風は、リング電極を通り抜けて、対象物に達する。多段に配置した電極に高電圧を順次印加することで、イオンの逆流を防ぎ、イオン風速を高めることができる。高電圧を各段に並列に印加すると、針−リング間に順番に正負交互の電界が形成され、前段で発生したイオンが次の針−リング間にイオン風に運ばれて入ってくると逆方向に動かされ、イオン風を弱める。これを防ぐため、本発明は高電圧を順次印加する。

図１に示すように、高電圧電極には鋭利な先端を有する導電性材料の針電極（例えば、ステンレス）、接地電極に導電性のリング状電極（例えば、ステンレスリング）を用いる。負極性直流高電圧を印加することでコロナ放電を発生させ、それによりステンレスリング下部にイオン風が発生する。

この針−リング電極を多段に並べることで、より強い風速を発生することができる。

（針−リング電極送風装置を用いたイオン風測定）

図１に針−リング電極送風装置を示す。高電圧電極に針（線径０．８ｍｍ、曲率半径０．０５ｍｍ）、接地電極にステンレスリング（内径２５ｍｍ）を用いた。アクリルパイプ（内径４０ｍｍ，厚さ２ｍｍ）の内壁にステンレスリングを接着させた。針に負極性直流高電圧を印加することでコロナ放電を発生させた。ステンレスリング下部に熱線式風速計を設置し、風速を測定した。印加電圧は−６ｋＶから−１６ｋＶまで変化させた。

針−リング電極間の電極間距離を変化させた時の印加電圧−風速特性を図２に示す。どの電極間距離においても、印加電圧の増加に伴い風速が上昇することが確認できた。また、風速は最大で２.５ｍ／ｓ発生することが確認できた。

（２段式針−リング電極直列送風装置を用いたイオン風測定）

図３に本発明の実施例である、針−リング電極を直列に２段に接続したイオン風発生装置を示す。上段部のステンレスリング電極中心にステンレス棒を橋渡しになるように溶接し、そのステンレスリング棒の中心に下段部の針電極を溶接した。アクリルパイプ（内径４０ｍｍ，厚さ２ｍｍ）の内壁にステンレスリングを接着させた。針電極は上段部、下段部共に線径０．８ｍｍ，曲率半径０．０５ｍｍのものを用いた。また、上段部、下段部共に内径２５ｍｍのステンレスリングを使用した。

上段部と下段部の針−リング電極には、それぞれ１ＧΩの抵抗が並列に接続されている。そのため、送風装置に負極性直流高電圧を印加すると、上段部と下段部に電圧が分圧され、それぞれの針電極でコロナ放電が発生する。下段部のステンレスリング下部に熱線式風速計を設置し、風速を測定した。印加電圧は−６ｋＶから−３０ｋＶまで変化させた。

図４に上段部の針−リング電極間距離を１０ｍｍ一定とし、下段部の電極間距離を３０ｍｍ，２５ｍｍ，１５ｍｍ，１０ｍｍ，５ｍｍと変化させた時の印加電圧-風速特性を示す。印加電圧の増加に伴って風速が増加することが確認できた。また、風速は最大で４．５ｍ／ｓ発生することが確認できた。

図５に２段式針−リング電極を直列に接続した装置を、高電圧電源を上段部の針電極と下段部の針電極に並列に接続する例を示す。下段部の針電極と上段部のステンレスリング電極でコロナ放電が発生しないように、下段部の針電極の上段部ステンレスリング電極側の先端をシリコーンで被覆した。針電極は上段部、下段部共に線径０．８ｍｍ，曲率半径０．０５ｍｍのものを用いた。また、上段部、下段部共に内径２５ｍｍのステンレスリングを使用した。負極性直流高電圧を印加することにより、上段部と下段部の針電極でコロナ放電が発生する。下段部のステンレスリング電極下部に発生するイオン風を熱線風速計を用いて測定した。

図６に上段部の針−リング電極間距離を１０ｍｍ一定とし、下段部の電極間距離を３０ｍｍ，２５ｍｍ，１５ｍｍ，１０ｍｍ，５ｍｍと変化させた時の印加電圧−風速特性を示す。印加電圧の増加に伴って風速が増加することが確認できた。また、風速は最大で３．１ｍ／ｓ発生できるが、本発明実施例のように高電圧を分圧して順次印加する場合に比べて低い値であった。

この発明によって、小型でシンプルな送風装置の作製を行うことができた。これにより、従来の技術では不可能であった微小電子チップの冷却装置への応用が期待できる。

針−リング電極送風装置詳細図 針−リング電極送風装置印加電圧−風速特性 ２段式針−リング電極直列送風装置詳細図 ２段式針−リング電極直列送風装置印加電圧−風速特性 ２段式針−リング電極並列送風装置詳細図 ２段式針−リング電極並列送風装置印加電圧−風速特性

符号の説明

１…直流高電圧電源
２…針電極（高電圧電極）
３…アクリルパイプ
４…熱線式風速計
５…ステンレスリング電極（接地電極）
６…電流計
７…ステンレス棒
８…抵抗（１ＧΩ）
９…シリコーン

Claims (1)

1. リング電極の中心に導体を橋渡しして針電極を設置した針付きリング電極を多段に配置し、上段部の針電極でコロナ放電が発生するように上段部と下段部の針付きリング電極間に電位差を与えることを特徴とするイオン風生成装置。

Images