李慧霞，蔡憶昔，王 靜，趙旭東

(江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

電極結(jié)構(gòu)對(duì)離子風(fēng)特性的影響及應(yīng)用研究

李慧霞，蔡憶昔，王 靜，趙旭東

(江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為探討電極結(jié)構(gòu)對(duì)空氣放電離子風(fēng)特性的影響， 我們?cè)O(shè)計(jì)了一種離子風(fēng)發(fā)生器，通過(guò)改變電極形式、電極距離、放電間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)離子風(fēng)特性進(jìn)行研究。我們還以大功率LED芯片為散熱對(duì)象，對(duì)離子風(fēng)發(fā)生器進(jìn)行散熱應(yīng)用試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：放電電極選用針電極時(shí)的最佳布置形式為1×11陣列，選用線電極時(shí)的最佳布置形式為電極距離1 cm；在相同條件下，網(wǎng)狀接地極比孔板式接地極能獲得更大的離子風(fēng)速，其中20目網(wǎng)電極可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)熱物體最大幅度的降溫，其離子風(fēng)速可達(dá)到1.79 m/s。

離子風(fēng)；結(jié)構(gòu)參數(shù)；大功率LED；強(qiáng)化傳熱；散熱

引言

一對(duì)電極在外加高壓的作用下，曲率半徑較大的電極附近會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電場(chǎng)，當(dāng)外加電壓達(dá)到一定值時(shí)，周圍的空氣分子將被電離，電離產(chǎn)生的離子和自由電子在電場(chǎng)力作用下作定向運(yùn)動(dòng)，撞擊放電空間內(nèi)未帶電的中性分子，使其向相同方向(即由曲率半徑較小的電極向接地極的方向)運(yùn)動(dòng)，從而形成離子風(fēng)，又稱為電暈風(fēng)[1]。近年來(lái)，離子風(fēng)作為放電等離子體的特有現(xiàn)象受到廣泛關(guān)注，離子風(fēng)技術(shù)在強(qiáng)化傳熱、除塵、干燥、新型動(dòng)力技術(shù)等多個(gè)方面都有所應(yīng)用[2-5]。

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)離子風(fēng)強(qiáng)化散熱進(jìn)行了探索研究。Chun[6]等人采用數(shù)值模擬的方法對(duì)“線-板”電極離子風(fēng)進(jìn)行了研究，在較低的雷諾數(shù)下得到了明顯的離子風(fēng)。岳永剛[7]等人認(rèn)為，電暈、介質(zhì)阻擋、輝光放電等放電形式對(duì)傳熱系數(shù)均有不同程度的影響，研究還表明，在相同條件下負(fù)極性電壓比正極性電壓有更好的強(qiáng)化傳熱效果[8]。

研究中設(shè)計(jì)了一種基于電暈放電原理的離子風(fēng)發(fā)生器，根據(jù)放電機(jī)理調(diào)節(jié)離子風(fēng)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以達(dá)到更好的放電效果。另外，研究還通過(guò)試驗(yàn)分析了離子風(fēng)風(fēng)速、起暈電壓、放電極形式等對(duì)大功率LED芯片散熱性能的影響。本研究為探尋功率型電子器件的高效散熱方案奠定了一系列理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

圖1所示為研究中所設(shè)計(jì)的離子風(fēng)散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，離子風(fēng)發(fā)生器由放電極、接地極、熱沉及絕緣框架組成。離子風(fēng)發(fā)生器用于LED芯片的散熱時(shí)，芯片安裝于熱沉的基板表面，為保證芯片與熱沉基板接觸面間的傳熱效率，試驗(yàn)除采用螺釘固定芯片外，還在二者接觸區(qū)域涂覆了一層具有高導(dǎo)熱率的導(dǎo)熱硅膠。LED芯片工作中產(chǎn)生的熱量會(huì)通過(guò)基板傳遞給散熱翅片，而離子風(fēng)會(huì)透過(guò)網(wǎng)狀接地極對(duì)翅片進(jìn)行強(qiáng)化散熱，最終達(dá)到為L(zhǎng)ED芯片降溫的目的[9]。

由電暈放電機(jī)理可得，放電極和接地極是電暈放電的基礎(chǔ)。放電極曲率半徑的大小決定著放電的難易程度，研究表明，曲率半徑越小的電極在外加高壓下越容易產(chǎn)生放電現(xiàn)象。研究中分別采用不同的放電電極、接地極以及放電間距來(lái)探尋發(fā)生器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)散熱性能的影響。其中放電電極分為線狀電極和針狀電極兩種形式，如圖2所示；接地電極也有兩種結(jié)構(gòu)形式，分別為孔板式電極和網(wǎng)狀電極，如圖3所示，材質(zhì)均為不銹鋼，其中網(wǎng)狀電極又分為60目、40目和20目。

圖1 離子風(fēng)散熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Ionic wind heat dissipation structure

圖2 離子風(fēng)發(fā)生器的放電電極Fig.2 Discharge electrodes of ionic wind generator

圖3 離子風(fēng)發(fā)生器的接地電極Fig.3 Grounding electrode of ionic wind generator

實(shí)驗(yàn)所用LED芯片是型號(hào)為L(zhǎng)AFL-C4S-0850的PHILIPS LUXEON Altilon系列大功率LED芯片。通過(guò)ZJ-16A多路溫度巡檢儀對(duì)芯片引腳及散熱翅片上分布的各測(cè)試點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量與記錄，巡檢儀的測(cè)量精度為±0.1℃。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的電源包括為離子風(fēng)發(fā)生裝置輸入高壓的TC-4080型直流高壓電源，其最大可輸出電壓為±20kV，以及為L(zhǎng)ED芯片供電的WYJ-20A60V型雙路直流穩(wěn)壓電源，其電壓和電流可分別在0～60 V和0～20 A之間連續(xù)調(diào)節(jié)。圖4所示為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的連接圖。另外，對(duì)離子風(fēng)風(fēng)速的測(cè)量采用手持式風(fēng)速風(fēng)量計(jì)，如圖5所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接圖Fig.4 Experiment system

圖5 風(fēng)速風(fēng)量計(jì)Fig.5 Wind speed meter

2 結(jié)果與討論

2.1 電壓極性的選擇

研究過(guò)程選擇輸入負(fù)極性高壓進(jìn)行試驗(yàn)，這是因?yàn)殡x子風(fēng)風(fēng)速的大小具有一定的極性效應(yīng)，負(fù)高壓下電極表面勢(shì)壘低于氣體電離所需的能量，導(dǎo)致電暈放電初始階段更大的電暈電流。而電暈電流的大小與氣體壓力及離子風(fēng)速的平方根成正比即外加高壓為負(fù)極性高壓時(shí)，可獲得更高的離子風(fēng)速[10]。

2.2 放電間距對(duì)離子風(fēng)的影響

試驗(yàn)分別選擇5 mm、10 mm和15 mm作為離子風(fēng)發(fā)生器的放電間距，圖6所示為不同放電間距下起暈電壓隨網(wǎng)電極目數(shù)的變化規(guī)律。可見(jiàn)，在放電間距不變時(shí)，起暈電壓隨著網(wǎng)電極目數(shù)的增加逐漸增大，但增幅并不明顯；而在網(wǎng)電極目數(shù)不變時(shí)，起暈電壓隨著放電間距的增加有明顯增大，這就使得相同放電功率下的放電效果產(chǎn)生差異[11]。

圖6 起暈電壓隨放電間距變化趨勢(shì)Fig.6 The variation trend of inception voltage with discharge interval

起暈電壓是指離子風(fēng)發(fā)生器的放電極與接地極之間開始產(chǎn)生空氣放電時(shí)的外加電壓值，又稱為電暈放電的閾值。分析認(rèn)為，在電暈放電產(chǎn)生離子風(fēng)的過(guò)程中，放電間距越大，起暈電壓的數(shù)值就會(huì)越高，即放電越困難，對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度則隨放電間距的增加而減小。圖6中15 mm放電間距下離子風(fēng)發(fā)生器的起暈電壓均在10 kV以上，由于這一閾值較高，在電暈放電開始后就需要更大范圍的高壓電源來(lái)調(diào)節(jié)離子風(fēng)風(fēng)速。而放電間距也不能無(wú)限制地減小，首先放電間距的減小對(duì)裝置的精度要求也勢(shì)必更加嚴(yán)格，比如隨著放電間距的減小，如果放電極中各個(gè)針電極的平面度或線電極中各線之間的平面度無(wú)法保證，而此時(shí)的起暈電壓又很低，在調(diào)節(jié)過(guò)程中就很容易出現(xiàn)局部空氣導(dǎo)電的短路現(xiàn)象。

2.3 放電極對(duì)離子風(fēng)發(fā)展的影響

分析離子風(fēng)的產(chǎn)生過(guò)程可知，隨著外加高壓的增大放電極尖端附近區(qū)域?qū)a(chǎn)生較強(qiáng)的電場(chǎng)。由于這一電場(chǎng)極不均勻，且電極表面的電場(chǎng)強(qiáng)度與其電荷密度成正比，因而放電極曲率半徑越小，其表面電荷密度越大，隨著外加電壓的繼續(xù)增大就會(huì)產(chǎn)生離子射流運(yùn)動(dòng)。研究中分別以針狀電極和線狀電極作為放電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)離子風(fēng)的形成開展進(jìn)一步研究。

1)線電極對(duì)離子風(fēng)發(fā)展的影響。線電極作為離子風(fēng)發(fā)生器的放電極時(shí)，實(shí)際加工和裝配過(guò)程中更易保證平面度，從而確保放電過(guò)程的均勻性[12]。圖7所示為不同電極距離下，LED芯片引腳溫降隨放電功率的變化。本研究將引腳溫降定義為引腳溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量值與其實(shí)驗(yàn)初始階段達(dá)到的穩(wěn)定工作溫度的差值。

圖7中曲線的起點(diǎn)為L(zhǎng)ED芯片引腳溫度不再變化時(shí)，此時(shí)芯片繼續(xù)工作，同時(shí)開啟離子風(fēng)發(fā)生裝置進(jìn)行散熱試驗(yàn)。在離子風(fēng)發(fā)生器工作的初期，LED芯片引腳溫降隨著放電功率的增加快速增大，此時(shí)的散熱效果最為明顯，之后隨著發(fā)生器放電功率的繼續(xù)加大，溫降增加的趨勢(shì)趨于平緩。分析認(rèn)為，這是由于此時(shí)離子風(fēng)發(fā)生器放電區(qū)域的電荷已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)。另外，對(duì)比圖7中三條曲線可得，相同電暈功率下，隨著電極距離的增加，引腳溫降降低。這是因?yàn)殡S著電極距離的增加，放電電極附近電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小，這一方面減少了離子和自由電子在電極間隙中獲取的能量；另一方面也使由場(chǎng)致發(fā)射效應(yīng)所產(chǎn)生的電子能量及電子密度降低，從而大大減少了到達(dá)接地極的電子數(shù)量[13]。后續(xù)試驗(yàn)中，線電極距離設(shè)定為1 cm。

2)針電極對(duì)離子風(fēng)發(fā)展的影響。相比于線電極，針電極更易滿足電暈放電對(duì)曲率半徑的要求[14]。同時(shí)，針狀電極的排布形式可根據(jù)實(shí)際需求靈活設(shè)計(jì)。研究中，電極框架的大小不變，其中針電極分別采用3×3、3×11和1×11陣列形式固定在框架中。圖7所示為不同針電極分布方案下，芯片引腳溫度隨電暈電流的變化。由圖8可見(jiàn)，3×3陣列下，系統(tǒng)的散熱效果相對(duì)較差，實(shí)驗(yàn)中所能達(dá)到的最低引腳溫度為62 ℃，而這與3×11陣列下所能達(dá)到的55 ℃以及1×11陣列下的51 ℃相比，仍有較大差距。分析認(rèn)為，采用3×3陣列形式時(shí)，針電極距離較大，這使得各電極間隙中獲得的能量有限，無(wú)法最大程度上促進(jìn)離子風(fēng)的發(fā)展；3×11陣列增加了放電極中每一列的針數(shù)，使得放電更充分；分析3×11和1×11陣列下的溫度變化，可以看出1×11陣列降溫效果更好，這是因?yàn)?×11陣列的針電極排布密度過(guò)大，造成相鄰針電極的電暈區(qū)重疊從而相互影響，削弱了離子風(fēng)的發(fā)展。

圖7 不同線電極間距時(shí)的芯片引腳溫降Fig.7 Cooling rate on LED pin with various electrode distance of line-arrayed

圖8 不同針電極方案下的芯片引腳溫度變化Fig.8 Temperature on LED pin with various electrode scheme of needle-arrayed

圖9所示為3×3陣列形式下，離子風(fēng)發(fā)生裝置在不同放電間距時(shí)LED芯片引腳溫度的變化。由圖8可見(jiàn)，當(dāng)電暈電流小于0.15 mA時(shí)，放電間距對(duì)系統(tǒng)散熱性能影響不大；當(dāng)電暈電流高于0.15 mA時(shí)，芯片引腳溫度逐漸降低，相同電流下，放電間距越小，芯片引腳溫度越低。

圖9 不同放電間距下芯片引腳溫度變化Fig.9 Temperature on LED pin with various discharged interval

綜上分析：離子風(fēng)發(fā)生裝置采用針狀電極時(shí)，可以產(chǎn)生更為穩(wěn)定的離子風(fēng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED芯片的降溫，并且通過(guò)改變針電極排布形式可以得到不同的降溫效果，1×11 陣列下的散熱效果最佳。采用線電極發(fā)生器對(duì)LED芯片進(jìn)行降溫前后，芯片的最大溫度降幅為30 ℃，而采用針電極對(duì)LED芯片進(jìn)行降溫前后，芯片的最大溫度降幅為34 ℃。

圖10 不同接地極時(shí)的芯片引腳溫度Fig.10 Temperature on LED pin with various grounding electrode

2.4 接地極對(duì)離子風(fēng)發(fā)展的影響

以20、40、60目網(wǎng)電極和均勻多孔不銹鋼板作為離子風(fēng)發(fā)生器接地極時(shí)，LED芯片引腳溫度隨放電功率的變化如圖10所示。圖11為不同放電功率下的離子風(fēng)。由圖10和圖11可見(jiàn)，隨著放電功率的不斷增大，芯片引腳溫度逐漸降低并趨于平緩。20目網(wǎng)電極下的散熱效果最佳，該條件下LED芯片引腳的溫度降幅可達(dá)44 ℃，40目和60目網(wǎng)電極下的離子風(fēng)發(fā)生裝置幾乎達(dá)到相同的散熱效果，且比均勻不銹鋼板的效果好。但是相比之下，20目的散熱效果則更為明顯。分析認(rèn)為：電暈放電過(guò)程中，中性空氣分子由于受到板電極的阻滯作用而大量聚集在板電極前，致使板電極附近區(qū)域氣壓偏高，導(dǎo)致從放電極過(guò)來(lái)的粒子無(wú)法直接到達(dá)此區(qū)域，而是以擴(kuò)散形式向板電極表面展開[15]。由此可以看出，板狀電極對(duì)流場(chǎng)的限制作用削弱了離子風(fēng)的發(fā)展。為克服板狀電極對(duì)離子風(fēng)發(fā)展的束縛，本研究采用網(wǎng)狀電極來(lái)代替金屬板電極，并使用幾種不同目數(shù)的網(wǎng)電極來(lái)進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。目數(shù)為20時(shí)，網(wǎng)電極的孔間距較大，更利于產(chǎn)生的離子風(fēng)透過(guò)網(wǎng)孔到達(dá)熱沉散熱器進(jìn)行冷卻，相比于40目和60目的網(wǎng)電極，流體所受的阻力更小。

圖11 不同接地極時(shí)的離子風(fēng)速度Fig.11 Ionic wind speed with various grounding electrode

3 結(jié)論

本研究對(duì)電暈放電離子風(fēng)發(fā)生裝置進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究，分析討論實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后得出了本研究的如下優(yōu)化方案及重要結(jié)論：

1)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，相同條件下分別采用針狀電極和線狀電極形式的離子風(fēng)發(fā)生器對(duì)大功率LED芯片進(jìn)行降溫，得到的最大芯片引腳溫度降幅分別為34 ℃和30 ℃，由此可見(jiàn)采用針狀電極時(shí)的離子風(fēng)效果優(yōu)于線狀電極；

2)起暈電壓隨網(wǎng)狀接地極目數(shù)的增加有小幅度增大，隨放電間距的增加有較大幅度的增大；

3)針-網(wǎng)式離子風(fēng)發(fā)生裝置的離子風(fēng)效果受針狀電極排布形式的影響較大，而受放電間距的影響較?。?/p>

4)與均勻多孔不銹鋼板接地極相比，采用網(wǎng)狀接地極后，離子風(fēng)速有明顯的提高，并隨著網(wǎng)電極目數(shù)的減少而增大，本研究20目網(wǎng)電極時(shí)的離子風(fēng)速最大，可達(dá)1.79 m/s，對(duì)LED芯片引腳的降溫幅度可達(dá)44 ℃，可見(jiàn)接地極的優(yōu)化對(duì)離子風(fēng)風(fēng)速的提高有較大促進(jìn)作用。

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Effect of Electrode Structure on the Characteristics of Ionic Wind

LI Huixia, CAI Yixi, WANG Jing, ZHAO Xudong

(SchoolofAutomotiveandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

An ionic wind generator of different discharge and grounding electrode was designed in order to research the effect of electrode structure on the properties of ionic wind. Series of experiments were conducted to get a optimized structure, and this solution was also used to enhance the high power LED heat dissipation. The results show that the best configuration form for different discharge electrodes is 1×11 needle-arrayed and 1cm electrode distance of line-arrayed. Mesh grounding electrode is proved to be more effective than orifice-plate grounding electrode, especially 20-mesh grounding electrode, and its ionic wind speed reach up to 1.79 m/s. Moreover, its maximum cooling rate on LED pin was 44 ℃.

ionic wind; structure optimization; high power LED; enhancement of heat transfer; heat dissipation

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)項(xiàng)目(蘇政辦發(fā)[2011]6號(hào))

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.04.018