離子風機強化換熱實驗研究

厲濤 唐學強 胡海宏 何一堅

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

0 引言

離子風是通過電暈放電而產生的，因此也叫電暈風。電暈風是具有尖端的放電電極在施加高電壓后發生的電暈放電而產生的氣體運動。尖端周圍電離的空氣分子在強電場作用下加速，與周圍中性空氣分子碰撞，在電極之間形成氣流，如圖1所示。由于沒有傳統機械風扇的轉子旋轉部件，從而使得散熱系統結構緊湊，同時讓其散熱性能更好[1]。因此，離子風機散熱是一種很有應用前景的新技術。

圖1 離子風機原理

Hauksbee在1709年首先發現了離子風現象，當放電管靠近時會有微弱的氣流產生，此后牛頓對該現象進行了進一步研究，并命名其為電暈風。Marcro和Velkoff將離子風機應用于強化散熱，通過使用線電極離子風機強化平板散熱，使得其換熱系數提高至自然對流的6倍多。Yang等將離子風機應用于電子元器件的散熱，實驗最大風速達到了4 m/s且該離子風機的效率與傳統CPU散熱風機的效率相當[2]。Franke對線電極及針電極對水平加熱圓柱散熱的對比實驗，發現電極與圓柱體間距、電極直徑大小等因素會影響散熱的效果以及離子風機功率，結果顯示針電極離子風機具有更高的換熱效率。Huang等對陣列針板式離子風機進行了研究，結果顯示陣列針的密度會影響強化換熱的效果，針電極的合理布置十分重要。

為了研究不同電極設計參數對離子風機風速及半導體冰箱散熱效果的影響，對影響離子風機散熱性能的各參數設計了實驗，得到的最優匹配參數耦合至半導體冰箱進行散熱實驗，驗證其與現有軸流風機的換熱效率。同時通過離子風機靜壓、臭氧濃度等數據，找出目前離子風機應用存在的問題[4]，為離子風機在半導體冰箱上的應用提供參考。

1 離子風機不同影響因素實驗設計

影響離子風機風速的參數主要包括輸入電壓的大小、針電極的尖度（曲率半徑大小）、網電極的線徑大小、網電極的孔徑大小、針電極與網電極的間距大小、相鄰針電極的間距大小等[5]，如圖2所示。本文對以上參數對離子風機風速的影響進行了實驗設計驗證，離子風機風速由OMEGA? HHF-SD2葉片式風速儀放置在離子風機網電極幾何中心前50 mm處測定，其精度高達讀數的1%左右。

圖2 離子風機結構及影響參數示意圖

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，為了驗證不同曲率半徑對離子風機風速的影響，設計了0.05 mm、0.1 mm、0.2 mm三種曲率半徑針電極進行不同電壓風機風速測試，其中針-網間距為16 mm、針-針間距為22 mm、網電極線徑0.6 mm、網電極孔徑6 mm。

由測試結果（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，離子風機的風速越大，這主要是由于針尖曲率半徑越小，針尖處的電場強度越強，電離的空氣分子越多，從而產生更強的離子風，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風速的影響

1.2 網電極線徑及孔徑

網電極的線徑粗細以及孔徑的大小同樣會影響針電極對其放電強度的強弱，對于網電極的線徑粗細驗證，設計了0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm三種規格，針電極曲率半徑為0.05 mm、網電極孔徑設計為6 mm、針-網間距為16 mm、針-針間距為22 mm。

由測試結果（如圖4所示）可以看出，在相同輸入電壓下，網電極線徑越細，離子風機的風速越大，與針電極曲率半徑同理，網電極線徑越小，網電極表面的電場強度越高。但在高輸入電壓工況下，0.4 mm與0.6 mm離子風速相差不大，考慮到網電極強度及變形度的可靠性，選擇線徑為0.6 mm的網電極。

圖4 不同網電極線徑下輸入電壓對風速的影響

對于網電極的孔徑大小驗證，設計了4 mm、6 mm、8 mm三種規格，針電極曲率半徑為0.05 mm、網電極線徑設計為0.6 mm、針-網間距為16 mm、針-針間距為22 mm。

由測試結果（如圖5所示）可以看出，在相同輸入電壓下，孔徑為8 mm的離子風機風速最大，孔徑為4 mm的離子風機風速最小，可能的原因是網電極孔徑越小，相鄰的同電位電極會相互干擾相互削弱電場強度，從而影響其散熱效果。因此選用孔徑為8 mm的網電極。

圖5 不同網電極孔徑下輸入電壓對風速的影響

1.3 相鄰針電極間距

相鄰針電極的排列會影響電場強度的大小，為驗證相鄰針電極間距對離子風機換熱的影響，設計了14 mm、16 mm、18 mm、20 mm、22 mm五種針電極規格，針電極曲率半徑為0.05 mm、網電極線徑設計為0.6 mm、網電極孔徑為8 mm、針-網間距為16 mm。

測試結果如圖6所示，在相同輸入電壓下，離子風機的風速隨相鄰針電極間距的縮小先增強后減弱，這主要是因為相鄰針電極間的電場會相互影響，從而直接影響放電強度。相鄰針電極間距從22 mm縮小為16 mm時輸入電壓為20 kV時風速最大增強至2.2 m/s，但隨著針間距進一步縮小至14 mm后，離子風機風速降至1.9 m/s，針電極間距過近會削弱彼此之間的電場，因此針電極間距要選擇適當，避免相鄰針電極之間產生削弱現象，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風速的影響

1.4 針-網電極間距

針-網電極的間距同樣會影響電場強度的大小，為驗證針-網電極間距對離子風機換熱的影響，設計了10 mm、12 mm、14 mm、16 mm、18 mm、20 mm五種針-網間距規格，針電極曲率半徑為0.05 mm、網電極線徑設計為0.6 mm、網電極孔徑為8 mm、相鄰針間距為16 mm。

測試結果如圖7所示，在相同輸入電壓下，隨著針-網電極間距的縮小，離子風機的風速逐漸增強，這主要是由于兩電極間距縮小，放電強度增強，更多的空氣分子被電離。當針-網間距為12 mm，輸入電壓為20 kV時，風速達到了2.3 m/s，然而當針-網間距縮小至10 mm時，輸入電壓為20 kV時已經發生擊穿現象，已無法產生離子風且易發生高溫著火危險。因此，在輸入電壓一定時，針-網間距不是越小越好，要在避免發生擊穿現象的前提下選擇較小的間距。最終選擇針-網電極間距選為12 mm。

圖7 不同針-網電極間距下輸入電壓對風速的影響

2 離子風機耦合半導體散熱

為驗證調整參數后離子風機的散熱能力，將一臺90 L的半導體冰箱的熱端散熱軸流風機替換為離子風機為半導體熱端散熱，半導體冷端依然用軸流風機為箱內輸送冷量，實驗室環溫設定32℃、濕度70%RH，離子風機選用針電極曲率半徑為0.05 mm、網電極線徑設計為0.6 mm、網電極孔徑為8 mm、相鄰針間距為16 mm、針-網電極間距選為12 mm，輸入電壓18 kV。半導體熱端及箱內軸流風機及半導體芯片輸入電壓均為12 V，實驗結果如圖8、圖9所示。通過監測半導體熱端溫度、冷端溫度、箱內溫度來驗證離子風機的換熱能力[6]。

圖8 半導體冰箱整體結構示意圖

圖9 半導體制冷模塊結構示意圖

由表1可知32℃環溫下，離子風機耦合半導體冰箱制冷效果稍弱于軸流風機耦合半導體冰箱制冷，主要表現在熱端溫度高3.13℃，冷端溫度高1.62℃，從而使得箱內溫度高1.22℃，可能的原因是離子風機增加后部吸風格柵后，風阻增大，離子風機本身具有靜壓小的缺點。如圖10、圖11所示，雖然離子風機跟軸流風機的風量都在50 m3/h左右，但軸流風機在輸入12 V時靜壓為10.5 Pa，而離子風機的最大靜壓只有5.8 Pa，因此離子風機的散熱能力稍弱于軸流風機。但由于離子風機具有噪聲低、結構緊湊等優點，仍然具有一定應用前景[5]。

表1 離子風機耦合半導體冰箱散熱實驗

圖10 離子風機PQ曲線

圖11 軸流風機PQ曲線

3 結論

通過對離子風機不同針電極曲率半徑、網電極線徑及孔徑、針電極間距、針-網電極間距的實驗設計，可以得出結論：

（1）離子風機的風速隨著輸入電壓的增大而增大，但高于一定值后會發生擊穿現象；

（2）針電極曲率半徑越小其尖端的電場強度越大，更容易電離空氣分子；

（3）與針電極曲率半徑原理類似，網電極線徑越細其電場強度越大。網電極孔徑越大，電場強度越大，網電極孔徑過小會使得相鄰電場相互削弱；

（4）相鄰針電極間距越小，其電離程度越大，當間距過小影響相鄰針電極間電場時，會產生電場強度削弱；

（5）風速隨著針-網間距的減小而增大，但要注意間距過小時，在高輸入電壓下易發生擊穿風險。

將最終優化參數的離子風機替換半導體冰箱熱端散熱用的軸流風機，實驗結果發現離子風機的散熱能力稍弱于軸流風機，箱內溫度高1.22℃左右，主要是由于離子風機本身靜壓就弱于軸流風機，再加上離子風機后裝上了吸風格柵，風阻進一步增大。

綜合以上結論，離子風機換熱效率雖稍弱于軸流風機，但其具有結構緊湊、無運動部件噪聲低等優點可以應用到各種高靜音要求、小空間散熱、風阻較小的場景中。因此，離子風機仍然具有一定的應用前景。