電極結構對離子風特性的影響及應用研究

李慧霞，蔡憶昔，王 靜，趙旭東

(江蘇大學，江蘇 鎮江 212013)

電極結構對離子風特性的影響及應用研究

李慧霞，蔡憶昔，王 靜，趙旭東

(江蘇大學，江蘇 鎮江 212013)

為探討電極結構對空氣放電離子風特性的影響， 我們設計了一種離子風發生器，通過改變電極形式、電極距離、放電間距等結構參數對離子風特性進行研究。我們還以大功率LED芯片為散熱對象，對離子風發生器進行散熱應用試驗。試驗結果表明：放電電極選用針電極時的最佳布置形式為1×11陣列，選用線電極時的最佳布置形式為電極距離1 cm；在相同條件下，網狀接地極比孔板式接地極能獲得更大的離子風速，其中20目網電極可以實現對發熱物體最大幅度的降溫，其離子風速可達到1.79 m/s。

離子風；結構參數；大功率LED；強化傳熱；散熱

引言

一對電極在外加高壓的作用下，曲率半徑較大的電極附近會產生較強的電場，當外加電壓達到一定值時，周圍的空氣分子將被電離，電離產生的離子和自由電子在電場力作用下作定向運動，撞擊放電空間內未帶電的中性分子，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)運動，從而形成離子風，又稱為電暈風[1]。近年來，離子風作為放電等離子體的特有現象受到廣泛關注，離子風技術在強化傳熱、除塵、干燥、新型動力技術等多個方面都有所應用[2-5]。

國內外專家學者對離子風強化散熱進行了探索研究。Chun[6]等人采用數值模擬的方法對“線-板”電極離子風進行了研究，在較低的雷諾數下得到了明顯的離子風。岳永剛[7]等人認為，電暈、介質阻擋、輝光放電等放電形式對傳熱系數均有不同程度的影響，研究還表明，在相同條件下負極性電壓比正極性電壓有更好的強化傳熱效果[8]。

研究中設計了一種基于電暈放電原理的離子風發生器，根據放電機理調節離子風發生器的結構參數，以達到更好的放電效果。另外，研究還通過試驗分析了離子風風速、起暈電壓、放電極形式等對大功率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基礎。

1 實驗

圖1所示為研究中所設計的離子風散熱系統的結構示意圖。其中，離子風發生器由放電極、接地極、熱沉及絕緣框架組成。離子風發生器用于LED芯片的散熱時，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，試驗除采用螺釘固定芯片外，還在二者接觸區域涂覆了一層具有高導熱率的導熱硅膠。LED芯片工作中產生的熱量會通過基板傳遞給散熱翅片，而離子風會透過網狀接地極對翅片進行強化散熱，最終達到為LED芯片降溫的目的[9]。

由電暈放電機理可得，放電極和接地極是電暈放電的基礎。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生放電現象。研究中分別采用不同的放電電極、接地極以及放電間距來探尋發生器結構參數對系統散熱性能的影響。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構形式，分別為孔板式電極和網狀電極，如圖3所示，材質均為不銹鋼，其中網狀電極又分為60目、40目和20目。

圖1 離子風散熱器結構示意圖Fig.1 Ionic wind heat dissipation structure

圖2 離子風發生器的放電電極Fig.2 Discharge electrodes of ionic wind generator

圖3 離子風發生器的接地電極Fig.3 Grounding electrode of ionic wind generator

實驗所用LED芯片是型號為LAFL-C4S-0850的PHILIPS LUXEON Altilon系列大功率LED芯片。通過ZJ-16A多路溫度巡檢儀對芯片引腳及散熱翅片上分布的各測試點溫度進行實時測量與記錄，巡檢儀的測量精度為±0.1℃。實驗系統中的電源包括為離子風發生裝置輸入高壓的TC-4080型直流高壓電源，其最大可輸出電壓為±20kV，以及為LED芯片供電的WYJ-20A60V型雙路直流穩壓電源，其電壓和電流可分別在0～60 V和0～20 A之間連續調節。圖4所示為實驗系統的連接圖。另外，對離子風風速的測量采用手持式風速風量計，如圖5所示。

圖4 實驗系統連接圖Fig.4 Experiment system

圖5 風速風量計Fig.5 Wind speed meter

2 結果與討論

2.1 電壓極性的選擇

研究過程選擇輸入負極性高壓進行試驗，這是因為離子風風速的大小具有一定的極性效應，負高壓下電極表面勢壘低于氣體電離所需的能量，導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速的平方根成正比即外加高壓為負極性高壓時，可獲得更高的離子風速[10]。

2.2 放電間距對離子風的影響

試驗分別選擇5 mm、10 mm和15 mm作為離子風發生器的放電間距，圖6所示為不同放電間距下起暈電壓隨網電極目數的變化規律。可見，在放電間距不變時，起暈電壓隨著網電極目數的增加逐漸增大，但增幅并不明顯；而在網電極目數不變時，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生差異[11]。

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

起暈電壓是指離子風發生器的放電極與接地極之間開始產生空氣放電時的外加電壓值，又稱為電暈放電的閾值。分析認為，在電暈放電產生離子風的過程中，放電間距越大，起暈電壓的數值就會越高，即放電越困難，對應的電場強度則隨放電間距的增加而減小。圖6中15 mm放電間距下離子風發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調節離子風風速。而放電間距也不能無限制地減小，首先放電間距的減小對裝置的精度要求也勢必更加嚴格，比如隨著放電間距的減小，如果放電極中各個針電極的平面度或線電極中各線之間的平面度無法保證，而此時的起暈電壓又很低，在調節過程中就很容易出現局部空氣導電的短路現象。

2.3 放電極對離子風發展的影響

分析離子風的產生過程可知，隨著外加高壓的增大放電極尖端附近區域將產生較強的電場。由于這一電場極不均勻，且電極表面的電場強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增大就會產生離子射流運動。研究中分別以針狀電極和線狀電極作為放電極進行實驗，對離子風的形成開展進一步研究。

1)線電極對離子風發展的影響。線電極作為離子風發生器的放電極時，實際加工和裝配過程中更易保證平面度，從而確保放電過程的均勻性[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時測量值與其實驗初始階段達到的穩定工作溫度的差值。

圖7中曲線的起點為LED芯片引腳溫度不再變化時，此時芯片繼續工作，同時開啟離子風發生裝置進行散熱試驗。在離子風發生器工作的初期，LED芯片引腳溫降隨著放電功率的增加快速增大，此時的散熱效果最為明顯，之后隨著發生器放電功率的繼續加大，溫降增加的趨勢趨于平緩。分析認為，這是由于此時離子風發生器放電區域的電荷已經達到飽和狀態。另外，對比圖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。這是因為隨著電極距離的增加，放電電極附近電場強度逐漸減小，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；另一方面也使由場致發射效應所產生的電子能量及電子密度降低，從而大大減少了到達接地極的電子數量[13]。后續試驗中，線電極距離設定為1 cm。

2)針電極對離子風發展的影響。相比于線電極，針電極更易滿足電暈放電對曲率半徑的要求[14]。同時，針狀電極的排布形式可根據實際需求靈活設計。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，3×3陣列下，系統的散熱效果相對較差，實驗中所能達到的最低引腳溫度為62 ℃，而這與3×11陣列下所能達到的55 ℃以及1×11陣列下的51 ℃相比，仍有較大差距。分析認為，采用3×3陣列形式時，針電極距離較大，這使得各電極間隙中獲得的能量有限，無法最大程度上促進離子風的發展；3×11陣列增加了放電極中每一列的針數，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，這是因為3×11陣列的針電極排布密度過大，造成相鄰針電極的電暈區重疊從而相互影響，削弱了離子風的發展。

圖7 不同線電極間距時的芯片引腳溫降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，離子風發生裝置在不同放電間距時LED芯片引腳溫度的變化。由圖8可見，當電暈電流小于0.15 mA時，放電間距對系統散熱性能影響不大；當電暈電流高于0.15 mA時，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：離子風發生裝置采用針狀電極時，可以產生更為穩定的離子風，實現對LED芯片的降溫，并且通過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。采用線電極發生器對LED芯片進行降溫前后，芯片的最大溫度降幅為30 ℃，而采用針電極對LED芯片進行降溫前后，芯片的最大溫度降幅為34 ℃。

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

2.4 接地極對離子風發展的影響

以20、40、60目網電極和均勻多孔不銹鋼板作為離子風發生器接地極時，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。由圖10和圖11可見，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44 ℃，40目和60目網電極下的離子風發生裝置幾乎達到相同的散熱效果，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。分析認為：電暈放電過程中，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，致使板電極附近區域氣壓偏高，導致從放電極過來的粒子無法直接到達此區域，而是以擴散形式向板電極表面展開[15]。由此可以看出，板狀電極對流場的限制作用削弱了離子風的發展。為克服板狀電極對離子風發展的束縛，本研究采用網狀電極來代替金屬板電極，并使用幾種不同目數的網電極來進行優化實驗。目數為20時，網電極的孔間距較大，更利于產生的離子風透過網孔到達熱沉散熱器進行冷卻，相比于40目和60目的網電極，流體所受的阻力更小。

圖11 不同接地極時的離子風速度Fig.11 Ionic wind speed with various grounding electrode

3 結論

本研究對電暈放電離子風發生裝置進行了參數設計和實驗研究，分析討論實驗數據后得出了本研究的如下優化方案及重要結論：

1)經過優化，相同條件下分別采用針狀電極和線狀電極形式的離子風發生器對大功率LED芯片進行降溫，得到的最大芯片引腳溫度降幅分別為34 ℃和30 ℃，由此可見采用針狀電極時的離子風效果優于線狀電極；

2)起暈電壓隨網狀接地極目數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-網式離子風發生裝置的離子風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小；

4)與均勻多孔不銹鋼板接地極相比，采用網狀接地極后，離子風速有明顯的提高，并隨著網電極目數的減少而增大，本研究20目網電極時的離子風速最大，可達1.79 m/s，對LED芯片引腳的降溫幅度可達44 ℃，可見接地極的優化對離子風風速的提高有較大促進作用。

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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

江蘇大學高級人才科研啟動基金資助項目(5503000025)；江蘇省高校優勢學科建設項目(蘇政辦發[2011]6號)

TM923

A

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