離子風(fēng)機(jī)強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)研究

厲濤 唐學(xué)強(qiáng) 胡海宏 何一堅(jiān)

1.合肥華凌股份有限公司 安徽合肥 230601；2.浙江大學(xué)制冷及低溫研究所 浙江杭州 310014

0 引言

離子風(fēng)是通過(guò)電暈放電而產(chǎn)生的，因此也叫電暈風(fēng)。電暈風(fēng)是具有尖端的放電電極在施加高電壓后發(fā)生的電暈放電而產(chǎn)生的氣體運(yùn)動(dòng)。尖端周?chē)婋x的空氣分子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下加速，與周?chē)行钥諝夥肿优鲎玻陔姌O之間形成氣流，如圖1所示。由于沒(méi)有傳統(tǒng)機(jī)械風(fēng)扇的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)部件，從而使得散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)讓其散熱性能更好[1]。因此，離子風(fēng)機(jī)散熱是一種很有應(yīng)用前景的新技術(shù)。

圖1 離子風(fēng)機(jī)原理

Hauksbee在1709年首先發(fā)現(xiàn)了離子風(fēng)現(xiàn)象，當(dāng)放電管靠近時(shí)會(huì)有微弱的氣流產(chǎn)生，此后牛頓對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了進(jìn)一步研究，并命名其為電暈風(fēng)。Marcro和Velkoff將離子風(fēng)機(jī)應(yīng)用于強(qiáng)化散熱，通過(guò)使用線電極離子風(fēng)機(jī)強(qiáng)化平板散熱，使得其換熱系數(shù)提高至自然對(duì)流的6倍多。Yang等將離子風(fēng)機(jī)應(yīng)用于電子元器件的散熱，實(shí)驗(yàn)最大風(fēng)速達(dá)到了4 m/s且該離子風(fēng)機(jī)的效率與傳統(tǒng)CPU散熱風(fēng)機(jī)的效率相當(dāng)[2]。Franke對(duì)線電極及針電極對(duì)水平加熱圓柱散熱的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電極與圓柱體間距、電極直徑大小等因素會(huì)影響散熱的效果以及離子風(fēng)機(jī)功率，結(jié)果顯示針電極離子風(fēng)機(jī)具有更高的換熱效率。Huang等對(duì)陣列針板式離子風(fēng)機(jī)進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示陣列針的密度會(huì)影響強(qiáng)化換熱的效果，針電極的合理布置十分重要。

為了研究不同電極設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)離子風(fēng)機(jī)風(fēng)速及半導(dǎo)體冰箱散熱效果的影響，對(duì)影響離子風(fēng)機(jī)散熱性能的各參數(shù)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，得到的最優(yōu)匹配參數(shù)耦合至半導(dǎo)體冰箱進(jìn)行散熱實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其與現(xiàn)有軸流風(fēng)機(jī)的換熱效率。同時(shí)通過(guò)離子風(fēng)機(jī)靜壓、臭氧濃度等數(shù)據(jù)，找出目前離子風(fēng)機(jī)應(yīng)用存在的問(wèn)題[4]，為離子風(fēng)機(jī)在半導(dǎo)體冰箱上的應(yīng)用提供參考。

1 離子風(fēng)機(jī)不同影響因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響離子風(fēng)機(jī)風(fēng)速的參數(shù)主要包括輸入電壓的大小、針電極的尖度（曲率半徑大小）、網(wǎng)電極的線徑大小、網(wǎng)電極的孔徑大小、針電極與網(wǎng)電極的間距大小、相鄰針電極的間距大小等[5]，如圖2所示。本文對(duì)以上參數(shù)對(duì)離子風(fēng)機(jī)風(fēng)速的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，離子風(fēng)機(jī)風(fēng)速由OMEGA? HHF-SD2葉片式風(fēng)速儀放置在離子風(fēng)機(jī)網(wǎng)電極幾何中心前50 mm處測(cè)定，其精度高達(dá)讀數(shù)的1%左右。

圖2 離子風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及影響參數(shù)示意圖

1.1 針電極曲率半徑

針電極的曲率半徑是影響電暈放電的重要因素之一，為了驗(yàn)證不同曲率半徑對(duì)離子風(fēng)機(jī)風(fēng)速的影響，設(shè)計(jì)了0.05 mm、0.1 mm、0.2 mm三種曲率半徑針電極進(jìn)行不同電壓風(fēng)機(jī)風(fēng)速測(cè)試，其中針-網(wǎng)間距為16 mm、針-針間距為22 mm、網(wǎng)電極線徑0.6 mm、網(wǎng)電極孔徑6 mm。

由測(cè)試結(jié)果（如圖3所示）可以看出，在相同輸入電壓下，針電極曲率半徑越小，離子風(fēng)機(jī)的風(fēng)速越大，這主要是由于針尖曲率半徑越小，針尖處的電場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，電離的空氣分子越多，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的離子風(fēng)，因此針電極選用曲率半徑為0.05 mm。

圖3 不同針電極曲率半徑下輸入電壓對(duì)風(fēng)速的影響

1.2 網(wǎng)電極線徑及孔徑

網(wǎng)電極的線徑粗細(xì)以及孔徑的大小同樣會(huì)影響針電極對(duì)其放電強(qiáng)度的強(qiáng)弱，對(duì)于網(wǎng)電極的線徑粗細(xì)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm三種規(guī)格，針電極曲率半徑為0.05 mm、網(wǎng)電極孔徑設(shè)計(jì)為6 mm、針-網(wǎng)間距為16 mm、針-針間距為22 mm。

由測(cè)試結(jié)果（如圖4所示）可以看出，在相同輸入電壓下，網(wǎng)電極線徑越細(xì)，離子風(fēng)機(jī)的風(fēng)速越大，與針電極曲率半徑同理，網(wǎng)電極線徑越小，網(wǎng)電極表面的電場(chǎng)強(qiáng)度越高。但在高輸入電壓工況下，0.4 mm與0.6 mm離子風(fēng)速相差不大，考慮到網(wǎng)電極強(qiáng)度及變形度的可靠性，選擇線徑為0.6 mm的網(wǎng)電極。

圖4 不同網(wǎng)電極線徑下輸入電壓對(duì)風(fēng)速的影響

對(duì)于網(wǎng)電極的孔徑大小驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了4 mm、6 mm、8 mm三種規(guī)格，針電極曲率半徑為0.05 mm、網(wǎng)電極線徑設(shè)計(jì)為0.6 mm、針-網(wǎng)間距為16 mm、針-針間距為22 mm。

由測(cè)試結(jié)果（如圖5所示）可以看出，在相同輸入電壓下，孔徑為8 mm的離子風(fēng)機(jī)風(fēng)速最大，孔徑為4 mm的離子風(fēng)機(jī)風(fēng)速最小，可能的原因是網(wǎng)電極孔徑越小，相鄰的同電位電極會(huì)相互干擾相互削弱電場(chǎng)強(qiáng)度，從而影響其散熱效果。因此選用孔徑為8 mm的網(wǎng)電極。

圖5 不同網(wǎng)電極孔徑下輸入電壓對(duì)風(fēng)速的影響

1.3 相鄰針電極間距

相鄰針電極的排列會(huì)影響電場(chǎng)強(qiáng)度的大小，為驗(yàn)證相鄰針電極間距對(duì)離子風(fēng)機(jī)換熱的影響，設(shè)計(jì)了14 mm、16 mm、18 mm、20 mm、22 mm五種針電極規(guī)格，針電極曲率半徑為0.05 mm、網(wǎng)電極線徑設(shè)計(jì)為0.6 mm、網(wǎng)電極孔徑為8 mm、針-網(wǎng)間距為16 mm。

測(cè)試結(jié)果如圖6所示，在相同輸入電壓下，離子風(fēng)機(jī)的風(fēng)速隨相鄰針電極間距的縮小先增強(qiáng)后減弱，這主要是因?yàn)橄噜忈橂姌O間的電場(chǎng)會(huì)相互影響，從而直接影響放電強(qiáng)度。相鄰針電極間距從22 mm縮小為16 mm時(shí)輸入電壓為20 kV時(shí)風(fēng)速最大增強(qiáng)至2.2 m/s，但隨著針間距進(jìn)一步縮小至14 mm后，離子風(fēng)機(jī)風(fēng)速降至1.9 m/s，針電極間距過(guò)近會(huì)削弱彼此之間的電場(chǎng)，因此針電極間距要選擇適當(dāng)，避免相鄰針電極之間產(chǎn)生削弱現(xiàn)象，最終選擇相鄰針電極間距為16 mm。

圖6 不同針電極間距下輸入電壓對(duì)風(fēng)速的影響

1.4 針-網(wǎng)電極間距

針-網(wǎng)電極的間距同樣會(huì)影響電場(chǎng)強(qiáng)度的大小，為驗(yàn)證針-網(wǎng)電極間距對(duì)離子風(fēng)機(jī)換熱的影響，設(shè)計(jì)了10 mm、12 mm、14 mm、16 mm、18 mm、20 mm五種針-網(wǎng)間距規(guī)格，針電極曲率半徑為0.05 mm、網(wǎng)電極線徑設(shè)計(jì)為0.6 mm、網(wǎng)電極孔徑為8 mm、相鄰針間距為16 mm。

測(cè)試結(jié)果如圖7所示，在相同輸入電壓下，隨著針-網(wǎng)電極間距的縮小，離子風(fēng)機(jī)的風(fēng)速逐漸增強(qiáng)，這主要是由于兩電極間距縮小，放電強(qiáng)度增強(qiáng)，更多的空氣分子被電離。當(dāng)針-網(wǎng)間距為12 mm，輸入電壓為20 kV時(shí)，風(fēng)速達(dá)到了2.3 m/s，然而當(dāng)針-網(wǎng)間距縮小至10 mm時(shí)，輸入電壓為20 kV時(shí)已經(jīng)發(fā)生擊穿現(xiàn)象，已無(wú)法產(chǎn)生離子風(fēng)且易發(fā)生高溫著火危險(xiǎn)。因此，在輸入電壓一定時(shí)，針-網(wǎng)間距不是越小越好，要在避免發(fā)生擊穿現(xiàn)象的前提下選擇較小的間距。最終選擇針-網(wǎng)電極間距選為12 mm。

圖7 不同針-網(wǎng)電極間距下輸入電壓對(duì)風(fēng)速的影響

2 離子風(fēng)機(jī)耦合半導(dǎo)體散熱

為驗(yàn)證調(diào)整參數(shù)后離子風(fēng)機(jī)的散熱能力，將一臺(tái)90 L的半導(dǎo)體冰箱的熱端散熱軸流風(fēng)機(jī)替換為離子風(fēng)機(jī)為半導(dǎo)體熱端散熱，半導(dǎo)體冷端依然用軸流風(fēng)機(jī)為箱內(nèi)輸送冷量，實(shí)驗(yàn)室環(huán)溫設(shè)定32℃、濕度70%RH，離子風(fēng)機(jī)選用針電極曲率半徑為0.05 mm、網(wǎng)電極線徑設(shè)計(jì)為0.6 mm、網(wǎng)電極孔徑為8 mm、相鄰針間距為16 mm、針-網(wǎng)電極間距選為12 mm，輸入電壓18 kV。半導(dǎo)體熱端及箱內(nèi)軸流風(fēng)機(jī)及半導(dǎo)體芯片輸入電壓均為12 V，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示。通過(guò)監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體熱端溫度、冷端溫度、箱內(nèi)溫度來(lái)驗(yàn)證離子風(fēng)機(jī)的換熱能力[6]。

圖8 半導(dǎo)體冰箱整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 半導(dǎo)體制冷模塊結(jié)構(gòu)示意圖

由表1可知32℃環(huán)溫下，離子風(fēng)機(jī)耦合半導(dǎo)體冰箱制冷效果稍弱于軸流風(fēng)機(jī)耦合半導(dǎo)體冰箱制冷，主要表現(xiàn)在熱端溫度高3.13℃，冷端溫度高1.62℃，從而使得箱內(nèi)溫度高1.22℃，可能的原因是離子風(fēng)機(jī)增加后部吸風(fēng)格柵后，風(fēng)阻增大，離子風(fēng)機(jī)本身具有靜壓小的缺點(diǎn)。如圖10、圖11所示，雖然離子風(fēng)機(jī)跟軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)量都在50 m3/h左右，但軸流風(fēng)機(jī)在輸入12 V時(shí)靜壓為10.5 Pa，而離子風(fēng)機(jī)的最大靜壓只有5.8 Pa，因此離子風(fēng)機(jī)的散熱能力稍弱于軸流風(fēng)機(jī)。但由于離子風(fēng)機(jī)具有噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，仍然具有一定應(yīng)用前景[5]。

表1 離子風(fēng)機(jī)耦合半導(dǎo)體冰箱散熱實(shí)驗(yàn)

圖10 離子風(fēng)機(jī)PQ曲線

圖11 軸流風(fēng)機(jī)PQ曲線

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)離子風(fēng)機(jī)不同針電極曲率半徑、網(wǎng)電極線徑及孔徑、針電極間距、針-網(wǎng)電極間距的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以得出結(jié)論：

（1）離子風(fēng)機(jī)的風(fēng)速隨著輸入電壓的增大而增大，但高于一定值后會(huì)發(fā)生擊穿現(xiàn)象；

（2）針電極曲率半徑越小其尖端的電場(chǎng)強(qiáng)度越大，更容易電離空氣分子；

（3）與針電極曲率半徑原理類似，網(wǎng)電極線徑越細(xì)其電場(chǎng)強(qiáng)度越大。網(wǎng)電極孔徑越大，電場(chǎng)強(qiáng)度越大，網(wǎng)電極孔徑過(guò)小會(huì)使得相鄰電場(chǎng)相互削弱；

（4）相鄰針電極間距越小，其電離程度越大，當(dāng)間距過(guò)小影響相鄰針電極間電場(chǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)強(qiáng)度削弱；

（5）風(fēng)速隨著針-網(wǎng)間距的減小而增大，但要注意間距過(guò)小時(shí)，在高輸入電壓下易發(fā)生擊穿風(fēng)險(xiǎn)。

將最終優(yōu)化參數(shù)的離子風(fēng)機(jī)替換半導(dǎo)體冰箱熱端散熱用的軸流風(fēng)機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)離子風(fēng)機(jī)的散熱能力稍弱于軸流風(fēng)機(jī)，箱內(nèi)溫度高1.22℃左右，主要是由于離子風(fēng)機(jī)本身靜壓就弱于軸流風(fēng)機(jī)，再加上離子風(fēng)機(jī)后裝上了吸風(fēng)格柵，風(fēng)阻進(jìn)一步增大。

綜合以上結(jié)論，離子風(fēng)機(jī)換熱效率雖稍弱于軸流風(fēng)機(jī)，但其具有結(jié)構(gòu)緊湊、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件噪聲低等優(yōu)點(diǎn)可以應(yīng)用到各種高靜音要求、小空間散熱、風(fēng)阻較小的場(chǎng)景中。因此，離子風(fēng)機(jī)仍然具有一定的應(yīng)用前景。