王 靜, 蔡憶昔, 包偉偉, 李慧霞

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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離子風(fēng)強(qiáng)化大功率LED散熱的實(shí)驗(yàn)研究

王 靜, 蔡憶昔, 包偉偉, 李慧霞

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

設(shè)計(jì)“針-網(wǎng)”結(jié)構(gòu)的離子風(fēng)發(fā)生器,用于大功率LED芯片散熱.分析正、負(fù)電暈放電離子風(fēng)的產(chǎn)生及強(qiáng)化傳熱機(jī)理,通過實(shí)驗(yàn)研究不同工況下,芯片引腳溫度、系統(tǒng)總熱阻、平均換熱系數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律.研究結(jié)果表明：相同條件下,負(fù)電暈放電離子風(fēng)的散熱效果優(yōu)于正電暈放電,系統(tǒng)總熱阻更小,平均換熱系數(shù)更大；當(dāng)放電針分布于LED芯片附近時(shí),系統(tǒng)的散熱效果更顯著；離子風(fēng)速度隨過電壓增加而線性增加,并與放電間距成反比；設(shè)計(jì)的離子風(fēng)散熱系統(tǒng)具有與壓電風(fēng)扇相接近的散熱效果,但無運(yùn)動(dòng)部件,工作噪音小.

電暈放電；離子風(fēng)；大功率LED；強(qiáng)化傳熱；結(jié)溫；熱阻

相對(duì)于傳統(tǒng)照明光源,發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)的耐溫能力較差,所能承受的極限溫度一般約為150 ℃,且封裝體積比普通光源小很多,所以熱流密度相對(duì)較大.此外,LED的光電轉(zhuǎn)換效率低,工作時(shí)產(chǎn)生的能量大部分會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能.如何快速有效地控制熱量傳遞從而降低結(jié)溫,是大功率LED芯片及器件推廣應(yīng)用的瓶頸[1-2].

離子風(fēng)散熱技術(shù)具有能耗低、無運(yùn)動(dòng)部件、控制方便和集成度高等特點(diǎn),近年來已成為研究的熱點(diǎn).David等[3]的研究發(fā)現(xiàn),使用離子風(fēng)后,局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高近2倍；Chen等[4]對(duì)離子風(fēng)發(fā)生器不同輸入?yún)?shù)下,小功率LED散熱性能的變化進(jìn)行研究；袁均祥等[5]研究相同電壓等級(jí)正、負(fù)極性直流和工頻交流電源下的離子風(fēng)速度特性和流場(chǎng)分布情況；張劍飛等[6]用數(shù)值模擬方法研究針-板型結(jié)構(gòu)中空氣放電時(shí)通道內(nèi)的速度場(chǎng)的分布情況,給出相應(yīng)的對(duì)流傳熱系數(shù)的變化規(guī)律.

本文基于電暈放電原理,設(shè)計(jì)一種可在大氣壓環(huán)境下穩(wěn)定工作的,具有電極不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的“針—網(wǎng)”式離子風(fēng)發(fā)生器,用于大功率LED芯片散熱.通過實(shí)驗(yàn)分析離子風(fēng)發(fā)生器的電學(xué)特性,測(cè)試不同工況下芯片引腳溫度、系統(tǒng)熱阻和平均對(duì)流換熱系數(shù)的變化并作定量分析.

1 離子風(fēng)產(chǎn)生及強(qiáng)化傳熱機(jī)理

圖1 離子風(fēng)散熱系統(tǒng)Fig.1 Ionic wind cooling system

如圖1所示為研究中所設(shè)計(jì)的“針—網(wǎng)”式離子風(fēng)散熱系統(tǒng).當(dāng)施加于針電極上的直流高壓達(dá)到電暈放電起始電壓時(shí),電極尖端附近的空氣會(huì)發(fā)生電離并產(chǎn)生電暈.對(duì)正電暈放電而言,電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下向陽極運(yùn)動(dòng)發(fā)生電子雪崩,形成一個(gè)向陽極運(yùn)動(dòng)的負(fù)流光,由于光子的速度遠(yuǎn)高于電子的遷移速度,光子運(yùn)動(dòng)領(lǐng)先于電子雪崩,沿途引起強(qiáng)烈電離和激發(fā),產(chǎn)生次級(jí)電子雪崩,直至到達(dá)陽極；正離子經(jīng)過電暈層,進(jìn)入電暈外區(qū)并向陰極運(yùn)動(dòng)從而形成正電暈風(fēng),即為流光理論[7].對(duì)于負(fù)電暈放電,可以用電子雪崩放電理論進(jìn)行解釋：在針狀陰極電暈發(fā)光區(qū)內(nèi)存在較強(qiáng)的電離與激發(fā),電流密度大,電子向負(fù)電暈的外圍移動(dòng),并迅速與空氣中的氧原子結(jié)合成氧負(fù)離子,氧負(fù)離子向接地極運(yùn)動(dòng)并與空氣中的中性粒子碰撞,使其帶上負(fù)電并一起向接地極運(yùn)動(dòng),從而形成負(fù)電暈風(fēng)[8].

根據(jù)電磁學(xué)理論可知,電場(chǎng)中流體所受的電場(chǎng)力fe[9]可以表示為

(1)

等式右邊第一項(xiàng)為電場(chǎng)中作用于空間電荷的庫侖力,它是影響放電區(qū)域內(nèi)電荷移動(dòng)速度的主要因素；第二項(xiàng)和第三項(xiàng)分別是介電泳力和電致伸縮力,在大氣壓下的單向流中,這兩項(xiàng)力通?？梢院雎圆挥?jì).

計(jì)算離子風(fēng)速度的N-S方程[10]可以表示為

(2)

式中：v為離子風(fēng)速,ρ為流體密度,p為動(dòng)壓,μ為流體黏度.

假設(shè)所處理的流體為不可壓縮的、無黏度、在穩(wěn)態(tài)條件下工作的流體,式(2)可以簡(jiǎn)化為

(3)

式中：qe為電荷密度,E為電場(chǎng)強(qiáng)度.

LED芯片結(jié)溫是衡量離子風(fēng)發(fā)生器散熱性能的重要參數(shù),芯片結(jié)溫可以通過引腳溫度法進(jìn)行測(cè)量,原理[11]如下所示：

tj=tc+I·V·η·Rj-c.

(4)

式中：tj為芯片結(jié)溫；tc為芯片引腳溫度,可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得；I和V分別為L(zhǎng)ED芯片的正向驅(qū)動(dòng)電流和正向電壓；η為芯片致熱效率,取η=0.8；Rj-c為芯片結(jié)點(diǎn)到引腳的熱阻,實(shí)驗(yàn)中芯片的Rj-c=1.5 K/W[12].

熱阻是評(píng)估系統(tǒng)散熱性能的另一重要參數(shù),在相同條件下,熱阻越小,系統(tǒng)的散熱性能越好.離子風(fēng)散熱系統(tǒng)的總熱阻可由下式進(jìn)行計(jì)算：

(5)

式中：t0為環(huán)境溫度.由式(4)和(5)可得

(6)

根據(jù)牛頓冷卻定律,可得離子風(fēng)散熱系統(tǒng)的平均換熱系數(shù)[13]為

(7)

式中：η0為傳熱效率,電暈放電時(shí)η0=0.97～1,研究中取η0=0.98；A為熱量傳遞垂直方向的面積；ts為表面溫度；t∞為空氣溫度,此處t∞=tc.

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及誤差分析

選用PHILIPS LUXEON Altilon系列大功率LED芯片,型號(hào)為L(zhǎng)AFL-C4S-0850,作為實(shí)驗(yàn)光源.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接如圖2所示.實(shí)驗(yàn)中所使用的儀器有：TC-4080型直流高壓電源,最大可輸出±20 kV高壓；WYJ-20A60V型雙路直流穩(wěn)壓電源,用于為L(zhǎng)ED芯片供電；恒溫箱,精度為±0.1 ℃,用于模擬環(huán)境溫度的變化；DL-700C紅外熱像儀,測(cè)溫范圍為-20～220 ℃,測(cè)溫精度為±2 ℃；ZJ-16A多路溫度巡檢儀,精度為±0.1 ℃,采用T型熱電偶進(jìn)行溫度采集,可以與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行串口RS485通訊,可以自動(dòng)存儲(chǔ)溫度；AR866熱敏式風(fēng)速儀,測(cè)量精度為0.01 m/s.

圖2 LED散熱性能測(cè)試系統(tǒng)布置圖Fig.2 Schematic of LED cooling performance test system

如圖3所示為L(zhǎng)ED芯片及測(cè)溫點(diǎn)布置,LED芯片通過螺栓固定于熱沉表面,接觸面涂覆導(dǎo)熱硅膠.根據(jù)PHILIPS LUXEON Altilon系列芯片技術(shù)說明,采用熱電偶測(cè)量LED芯片引腳溫度,選取tc1、tc2、tc3、tc4中的最大值作為芯片引腳溫度tc.

圖3 管腳溫度法下熱電偶的布置方式Fig.3 Test point arrangement of thermocouples

分析圖2所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),溫度測(cè)試誤差主要來源于熱電偶的測(cè)量誤差、溫度巡檢儀的顯示誤差以及測(cè)試過程中的隨機(jī)誤差.

T型熱電偶的精確度為0.2級(jí),測(cè)量范圍為-50～+400 ℃,因此,最大絕對(duì)誤差為

ZJ-16A型多路溫度巡檢儀的儀表顯示誤差為

δ2=±0.5 ℃.

為了研究溫度測(cè)試過程中的隨機(jī)誤差,對(duì)50 ℃的溫度進(jìn)行20次重復(fù)測(cè)量,得到樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差為t=0.012 1 ℃.根據(jù)隨機(jī)誤差與標(biāo)準(zhǔn)偏差的關(guān)系,可得

δ3=±3t=0.036 3 ℃.

該試驗(yàn)系統(tǒng)的溫度測(cè)試總誤差極限值為

(8)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 溫降隨電暈放電功率的變化

定義自然對(duì)流狀態(tài)下芯片引腳溫度與采用離子風(fēng)散熱后引腳溫度的差值為溫降Δt,其數(shù)值越大,系統(tǒng)散熱性能越好.當(dāng)環(huán)境溫度為25 ℃,芯片發(fā)熱功率為10 W時(shí),采用圖1所示的散熱系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),在不同放電間距和電源極性下,系統(tǒng)的溫降隨放電功率P的變化如圖4所示.由圖4可見,當(dāng)放電功率小于1 W時(shí),溫降較明顯,系統(tǒng)的散熱效果較好；當(dāng)放電功率高于1 W時(shí),溫差逐漸趨于穩(wěn)定.分析認(rèn)為,隨著電暈放電功率的逐漸增大,空間電荷密度逐步達(dá)到飽和狀態(tài),致使溫降逐漸趨于平緩.當(dāng)放電間距為5 mm時(shí),系統(tǒng)溫降最小,散熱效果最差；當(dāng)放電間距為10 mm時(shí),散熱效果最顯著.此外,負(fù)電暈所實(shí)現(xiàn)的溫降普遍大于正電暈,圖4(b)中,負(fù)電暈在5、10、15、20 mm放電間距下所能實(shí)現(xiàn)的最大溫降分別為13.3、18.8、17.3、18.2 ℃.綜上分析,從空間利用、放電穩(wěn)定性及能耗的角度考量,當(dāng)采用負(fù)電暈放電,放電間距為10 mm,功率為1.5 W時(shí),離子風(fēng)散熱系統(tǒng)的散熱效果最好.

圖4 溫降隨放電功率的變化Fig.4 Heat drop change with discharge power

3.2 熱阻和平均換熱系數(shù)隨電壓的變化

圖5 熱阻和換熱系數(shù)隨放電電壓的變化Fig.5 Thermal resistance and mean heat transfer coefficient change with applied voltage

為了進(jìn)一步分析不同放電間距下離子風(fēng)散熱系統(tǒng)的散熱性能,研究系統(tǒng)總熱阻和平均換熱系數(shù)的變化.當(dāng)環(huán)境溫度為25 ℃,芯片發(fā)熱功率為10 W時(shí),采用圖1所示的散熱系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),不同放電間距和電源極性下,系統(tǒng)總熱阻和平均換熱系數(shù)隨放電電壓的變化如圖5所示.由圖5可見,當(dāng)放電電壓低于起暈電壓時(shí),系統(tǒng)的總熱阻和平均換熱系數(shù)幾乎不變；放電開始后,隨著電壓的升高,系統(tǒng)總熱阻快速減小,平均換熱系數(shù)急速增加；電壓繼續(xù)升高,則放電變得不穩(wěn)定,產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象,放電間距越小,系統(tǒng)的工作區(qū)間越小.此外,負(fù)電暈放電時(shí),系統(tǒng)的總熱阻略低于正電暈放電.這是因?yàn)樨?fù)離子的移動(dòng)率比正離子大,移動(dòng)速度快,放電空間內(nèi)負(fù)離子的移動(dòng)率一般為2.0 cm2/(V·s),而正離子的移動(dòng)率一般為1.4 cm2/(V·s)[10].當(dāng)負(fù)電暈放電時(shí),系統(tǒng)的平均換熱系數(shù)高于正電暈放電,散熱效果顯著.這主要與電暈放電時(shí),電極表面產(chǎn)生的電流有關(guān),對(duì)負(fù)電暈放電而言,電極表面勢(shì)壘低于氣體電離所需的能量,因此,在電暈放電初始階段,會(huì)產(chǎn)生更大的電暈電流.電暈電流與氣體壓力和離子風(fēng)速的平方根成正比,所以負(fù)電暈放電時(shí)的離子風(fēng)速更高,散熱效果更好[13].從圖5可以看出,綜合考慮系統(tǒng)總熱阻和平均換熱系數(shù),當(dāng)放電間距為10 mm時(shí),系統(tǒng)散熱效果最佳.

3.3 電極結(jié)構(gòu)對(duì)散熱性能的影響

在實(shí)驗(yàn)中,改變針狀電極的結(jié)構(gòu),如圖6所示,研究離子風(fēng)發(fā)生器散熱性能的變化.

圖6 離子風(fēng)發(fā)生器的針狀電極布置Fig.6 Arrangements of needle electrode

如圖7、8所示為當(dāng)環(huán)境溫度為25 ℃,施加負(fù)電暈,芯片發(fā)熱功率為20 W時(shí),采用圖6中3種針狀結(jié)構(gòu)的離子風(fēng)發(fā)生器進(jìn)行實(shí)驗(yàn),測(cè)得的芯片結(jié)溫、放電功率隨時(shí)間和電極間距的變化.由圖7可見,隨著放電功率的增加,芯片結(jié)溫先逐漸升高,然后慢慢降低并保持穩(wěn)定.這是因?yàn)樵诠ぷ鞒跏茧A段,施加的電壓不足以使發(fā)生器產(chǎn)生離子風(fēng),但在這部分電壓作用下會(huì)產(chǎn)生焦耳熱,與芯片自身的熱量一起促使結(jié)溫不斷升高；增加放電功率,空間電荷運(yùn)動(dòng)加速,產(chǎn)生離子風(fēng),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻,使芯片結(jié)溫降低；若繼續(xù)增加放電功率,放電空間內(nèi)的電荷密度趨于飽和,離子風(fēng)速無法進(jìn)一步增加,芯片結(jié)溫維持不變.在相同條件下,當(dāng)放電間距較小時(shí),芯片結(jié)溫相對(duì)較低.此外,對(duì)比3種針狀電極結(jié)構(gòu)下的離子風(fēng)發(fā)生器性能發(fā)現(xiàn),當(dāng)針狀電極按圖6(a)的方案布置時(shí),系統(tǒng)的散熱效果相對(duì)較好.原因是LED芯片可以近似看作面狀發(fā)熱源,當(dāng)針狀電極布置在芯片周圍時(shí),產(chǎn)生的離子風(fēng)能夠更有效地對(duì)芯片進(jìn)行冷卻.在后續(xù)研究中,應(yīng)對(duì)發(fā)生器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),將針狀電極盡可能布置于LED芯片四周.

圖7 不同針狀電極下芯片引腳溫度的變化Fig.7 Case temperature change under different needle electrode arrangements

圖8 不同針狀電極下電暈放電功率的變化Fig.8 Corona discharge power change under different needle electrode arrangements

3.4 離子風(fēng)速度隨過電壓的變化

假設(shè)U0為電暈放電起始電壓,U為電源施加電壓,則稱ΔU=U-U0為過電壓.如圖9所示為當(dāng)采用圖6(a)的電極布置方案時(shí),測(cè)得的離子風(fēng)速度隨過電壓的變化,并對(duì)不同間距下離子風(fēng)速度曲線進(jìn)行擬合.由圖9可見,離子風(fēng)速度隨過電壓呈近似的線性變化關(guān)系,且放電間距越小,離子風(fēng)速度隨過電壓的變化越快；在4種放電間距下,曲線的擬合度因子均超過0.99.

產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因[14]可作如下分析.放電空間內(nèi)的電荷密度可以表示為

(9)

式中：ε為介電常數(shù),d為放電間距.

由式(3)可知,庫侖力為

(10)

電暈放電中的電場(chǎng)分布非常復(fù)雜,此處只作定性分析而無需求出精確數(shù)值,因此,用平均場(chǎng)強(qiáng)代替電場(chǎng)強(qiáng)度.假設(shè)離子風(fēng)均勻分布在一個(gè)極小的區(qū)域S內(nèi),那么電場(chǎng)力可以近似表述為

(11)

動(dòng)量守恒方程描述了電場(chǎng)力和離子風(fēng)速之間的關(guān)系,即有

(12)

對(duì)于空氣,在相同條件下,ρ和ε為確定值,所以離子風(fēng)速度與ΔU近似成正比,與d成反比.

圖9 離子風(fēng)速度隨過電壓的變化Fig.9 Ionic wind velocity change with overvoltage

3.5 離子風(fēng)與風(fēng)扇散熱性能比較

為了比較使用離子風(fēng)技術(shù)和壓電風(fēng)扇后的強(qiáng)化散熱性能,引入強(qiáng)化因子ξ進(jìn)行定量分析.

(13)

圖10 強(qiáng)化因子隨輸入功率的變化Fig.10 Enhancement factor change with input power

如圖10所示為分別采用離子風(fēng)(圖5(a)的電極布置方案)和風(fēng)扇散熱時(shí),系統(tǒng)的強(qiáng)化因子隨輸入功率的變化,環(huán)境溫度為25 ℃,芯片發(fā)熱功率為20 W.由圖10可見,隨著輸入功率的增加,兩種散熱方式下強(qiáng)化因子的變化趨勢(shì)略有不同. 當(dāng)功率增加時(shí),若使用風(fēng)扇散熱,強(qiáng)化因子先增加后降低并趨于平緩；若使用離子風(fēng)散熱,強(qiáng)化因子不斷增加并趨于平緩.隨著放電間距的增加,離子風(fēng)散熱器的強(qiáng)化因子不斷降低. 放電間距為5 mm時(shí)的離子風(fēng)發(fā)生器具有與風(fēng)扇接近的散熱效果,但離子風(fēng)發(fā)生器無運(yùn)動(dòng)部件,無工作噪音.

4 結(jié) 論

(1)相比于正電暈放電,負(fù)電暈放電產(chǎn)生離子風(fēng)的散熱效果更好.當(dāng)電暈放電功率較小時(shí),系統(tǒng)散熱性能提高更顯著.

(2)隨著放電電壓的升高,系統(tǒng)總熱阻減小,平均換熱系數(shù)增加；負(fù)電暈放電時(shí),系統(tǒng)熱阻更小,平均換熱系數(shù)更大.

(3)針狀電極結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)散熱性能的影響較大.當(dāng)放電針布置于LED芯片周圍時(shí),離子風(fēng)發(fā)生器的散熱性能更好.

(4)隨著過電壓的增大,離子風(fēng)速度呈近似線性增加,與放電間距成反比.

(5)所設(shè)計(jì)的離子風(fēng)發(fā)生器具有與風(fēng)扇接近的散熱效果,但無運(yùn)動(dòng)部件,無工作噪音,具有較明顯的優(yōu)勢(shì).

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Experimental study of high power LEDs enhanced cooling performance by ionic wind

WANG Jing, CAI Yi-xi, BAO Wei-wei, LI Hui-xia

(SchoolofAutomotiveandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

A needles-net structure ionic wind generator was designed for high power LED chip heat dissipation. The mechanism of ionic wind generation under positive (negative) corona discharge and enhanced heat transfer was analyzed. Experiments were conducted to analyze the change rules for LED chip case temperature, the thermal resistance and the mean heat transfer coefficient under different working conditions. Results show that the cooling performance of negative corona discharge ionic wind is superior to the one of positive corona discharge. The system has smaller thermal resistance but bigger mean heat transfer coefficient. The cooling effect of the system is more obvious when the needles are located around the LED chips. The ionic wind increases proportional to the overvoltage but grows in inverse proportion to the discharge distance. The designed ionic wind generator can realize the heat dissipation effect more close to a cooling fan, and has the advantages of small vibration, no noise compared to a cooling fan.

corona discharge; ionic wind; high-power LED; enhanced heat transfer; junction temperature; thermal resistance

2015-09-11.

江蘇省動(dòng)力機(jī)械清潔能源與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目(QK12001)；江蘇大學(xué)高級(jí)人才科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(5503000025)；江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)資助項(xiàng)目.

王靜(1982—),男,講師,從事LED汽車燈具散熱研究.ORCID: 0000-0001-7803-1606. E-mail: jackywang03@163.com

蔡憶昔,男,教授，博導(dǎo).E-mail: qc001@ujs.edu.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.10.015

U 463；O 539

A

1008-973X(2016)10-1952-07

浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)網(wǎng)址： www.zjujournals.com/eng