針-網式離子風發(fā)生器的散熱研究

王　靜，蔡憶昔，包偉偉，李慧霞

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

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針-網式離子風發(fā)生器的散熱研究

王靜，蔡憶昔，包偉偉，李慧霞

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：基于電暈放電原理，設計了一種“針-網”結構的離子風發(fā)生器，成功實現了離子風的激發(fā)，并用于大功率LED芯片散熱．通過實驗研究了放電間距、電壓極性、電極布置形式不同時，發(fā)生器的電學特性變化及其對大功率LED芯片散熱性能的影響，并比較了離子風發(fā)生器與風扇的散熱效果．結果表明：相同條件下負電暈放電時的散熱性能要優(yōu)于正電暈放電，放電間距較小時，芯片引腳溫度更低；1×11陣列形式對應的散熱效果最好，當放電功率超過2 W時，芯片引腳最低溫度為52.3 ℃；離子風發(fā)生器能實現與風扇較為接近的散熱效果，適用于大功率LED芯片的散熱．

關鍵詞：電暈放電；離子風；大功率LED；強化傳熱；結溫

0引言

筆者基于電暈放電原理，設計了一種可在大氣壓環(huán)境下穩(wěn)定工作的、具有電極不對稱結構的“針-網”式離子風發(fā)生器，用于大功率LED芯片散熱，并通過實驗分析離子風發(fā)生器的電學特性，測試不同條件下的溫度變化并作定量分析．

1離子風散熱系統(tǒng)

圖1所示為研究中設計的離子風散熱系統(tǒng)，主要由“針-網”式離子風發(fā)生器、熱沉和大功率LED芯片三部分組成.離子發(fā)生器的高壓電極為針狀電極，電極材質為鎢鋼，接地極為不銹鋼網狀電極．實驗時，放電產生的離子風流經熱沉，把散熱翅片傳導過來的熱量帶走，以實現散熱降溫的目的．產生離子風的驅動力越大，離子風速度越高，LED芯片散熱效果越顯著，其關系可由公式(1)說明[12-13]:

(1)

式中:ρ為流體密度；v為離子風速度；Fe為產生離子風的驅動力；qe為電荷密度；E為電場強度.

2測試系統(tǒng)及誤差分析

選用PHILIPSLUXEONAltilon系列大功率LED芯片，型號為LAFL-C4S-0850，作為實驗光源．實驗系統(tǒng)連接如圖2所示．實驗所使用的儀器有：TC-4080型直流高壓電源，最大可輸出±20kV高壓；WYJ-20A60V型雙路直流穩(wěn)壓電源，用于為LED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，測溫范圍-20～220 ℃，測溫精度±2 ℃；ZJ-16A多路溫度巡檢儀，精度為±0.1 ℃，采用T型熱電偶進行溫度采集，可以與計算機之間進行串口RS485通訊，溫度值可自動存儲．

圖1　離子風散熱系統(tǒng)結構Fig.1　Iconic wind heat dissipation system

圖2　實驗系統(tǒng)布置圖Fig.2　Schematic of test system

圖3所示為LED芯片及測溫點布置，LED芯片通過螺栓固定于熱沉表面，接觸面涂覆導熱硅膠．根據PHILIPSLUXEONAltilon系列芯片技術說明，采用熱電偶測量LED芯片引腳溫度，選取Tc1、Tc2、Tc3、Tc4中最大值作為芯片引腳溫度Tc．

圖3　熱電偶測溫點布置Fig.3　Test point arrangement of thermocouples

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

T型熱電偶的精確度為0.2級，測量范圍為-50～400 ℃，因此，最大絕對誤差為

δ1=±(450×0.2%)℃=±0.9 ℃.

(2)

ZJ-16A型多路溫度巡檢儀的儀表顯示誤差為

δ2=±0.5 ℃.

(3)

為研究溫度測試過程中的隨機誤差，對50 ℃的溫度進行20次重復測量，得到樣本標準偏差為S=0.012 1 ℃．因此，根據隨機誤差與標準偏差的關系,可得

隨著社會基礎建設的完善和經濟的快速發(fā)展，人們認識到“空間資源”也是限制城市平穩(wěn)發(fā)展的主要因素之一。在城市建設初期，由于建設技術以及認識的不足，僅重視地上空間資源的利用率，而忽視了地下空間資源和空中資源的綜合利用，并在建設過程中存在重視建設、忽視后期維護的現象，導致早期城市建設過程中地下管線的鋪設不合理，造成了后期探測及整改的難度。為了彌補這一缺陷，應該加強城市地下管線科學規(guī)劃并制定出科學的整改舉措，加強后期維護整改的防范意識。

δ3=±3S=0.036 3 ℃.

(4)

所以，該實驗系統(tǒng)的溫度測試誤差極限值為

Δ=δ1+δ2+δ3=±1.436 3 ℃.

(5)

3實驗結果與分析

根據產生電暈的電源性質，電暈放電可分為直流電暈和交流電暈，其中直流電暈又可分為正電暈和負電暈．當曲率半徑較小的電極為正電位，發(fā)生的直流電暈稱為正電暈，反之稱為負電暈．

前期筆者的研究工作中比較了正、負電暈放電現象，探討了放電間距對啟動電壓、場強以及系統(tǒng)散熱性能的作用規(guī)律[16].在此基礎上筆者深入分析了電極布置形式對系統(tǒng)散熱性能的影響，對比了離子風發(fā)生器與冷卻風扇的散熱性能.

3.1電暈放電現象

圖4為實驗中的正、負電暈放電現象．在電暈放電初始階段，正電暈放電與負電暈放電均在針電極尖端產生藍紫色點狀光暈，并伴隨有細微的電暈氣流．但隨著電壓的逐漸升高，負高壓光暈逐漸轉變?yōu)辄c狀光斑，氣流速度逐漸增加，但整個過程較為均勻穩(wěn)定；而正高壓點狀光暈則逐漸發(fā)展為從針尖指向網狀接地極的枝狀電暈，亮度增加，最終變?yōu)閳A錐狀光暈，氣體流速也逐漸增大，并且伴有明顯的“嘶嘶”聲，電暈聲也會隨著電壓升高逐漸變大．

筆者前期的研究結果表明[16]：①啟動電壓的高低在一定程度上決定了電暈放電裝置產生離子風的難易程度并且不同的電極結構以及負載，對應著不同的啟動電壓．啟動電壓隨放電間距的增加而升高，對應的電場強度則隨著放電間距的增加而減小；且放電間距較小時，場強變化幅度較大，而隨著放電間距的增加，場強的變化幅度逐漸減??；此外，負電暈的啟動電壓低于正電暈．②放電初始階段，不同放電間距下的芯片引腳溫度隨著放電電壓的升高而有小幅上升；隨著放電電壓進一步加大，引腳溫度迅速降低并最終趨于穩(wěn)定．相同條件下負電暈放電時的散熱性能要優(yōu)于正電暈放電．采用負電暈放電，放電電壓為10kV時，LED芯片引腳溫度最低為64.7 ℃.

圖4　電暈放電現象Fig.4　Photos of corona discharge

3.2電極布置形式對散熱性能的影響

研究中的離子風發(fā)生器針狀電極分別采用4×4、3×7、3×11、1×11陣列結構，如圖5所示．

環(huán)境溫度為25 ℃，放電間距為5mm，不同電極布置形式下，LED芯片引腳溫度隨放電功率的

變化如圖6所示．由圖6可見，高壓電極布置形式不同時，系統(tǒng)的散熱性能存在著較大差異，其中1×11陣列形式對應的散熱效果最好，4×4陣列形式對應的散熱效果最差．這是因為LED芯片可近似看作面狀發(fā)熱源，當針狀電極布置在芯片周圍(1×11陣列形式)時，產生的離子風能更有效地對其進行冷卻.因此，后續(xù)研究中，應對發(fā)生器結構進行改進，將針狀電極盡可能布置于LED芯片四周.

圖6結果顯示:離子風發(fā)生器未工作時，芯片引腳溫度最高為89 ℃，隨著放電功率增加，引腳溫度迅速下降；當放電功率超過2W時，溫度下降趨于平穩(wěn)，1×11陣列形式下的芯片引腳最低溫度為52.3 ℃．這是因為，隨著放電功率的增加，產生的電暈電流也逐漸增大，使得電極之間的離子風速度變大，強制對流加劇，散熱性能得到強化；但隨著電暈功率的進一步增加，電暈電流也繼續(xù)增大，當電流到達一定程度之后，會逐步產生焦耳發(fā)熱的現象，放電時產生的焦耳熱導致系統(tǒng)散熱效率下降，散熱效果變差．

圖5　離子風發(fā)生器針狀電極布置Fig.5　Arrangements of needle electrodes

圖6　引腳溫度的變化Fig.6　Case temperature change

3.3離子風與風扇散熱性能比較

定義自然對流狀態(tài)下芯片引腳溫度與施加電暈或開啟風扇之后引腳溫度的差值為溫降，其數值越大，系統(tǒng)散熱性能越好．環(huán)境溫度為25 ℃，放電間距分別為5mm、10mm和15mm，針狀電極采用如圖5(d)所示的1×11陣列形式，圖7所示為分別采用離子風發(fā)生器和風扇散熱時，溫降隨輸入功率的變化關系．由圖7可見，離子風發(fā)生器和風扇均可較大幅度地降低芯片引腳溫度，隨著放電間距的增加，離子風發(fā)生器的散熱性能降低.輸入功率為2W，放電間距為5mm時，兩種散熱方式下測得的引腳溫度分別為49.9 ℃和45 ℃；但隨著輸入功率的增加，兩者的變化趨勢略有不同．隨著功率增加，若使用風扇散熱，溫降先增加后降低并趨于平緩；若使用離子風散熱，溫降不斷增加并趨于平緩．

圖7　散熱性能對比Fig.7　Comparison of cooling performance

測得LED芯片引腳溫度后，其結溫可根據公式(6)進行計算：

Tj=Tc+IUηRth,j-c.

(6)

式中:I和U分別為芯片的正向驅動電流和正向驅動電壓；η為芯片的致熱效率，假定為0.8；Rth,j-c為芯片結點到引腳的熱阻，芯片產品說明書中給出Rth,j-c=1.5 ℃/W．

據此，可計算出輸入功率為2W時，分別采用離子風發(fā)生器(放電間距為5mm)和風扇散熱時的芯片結溫為65.2 ℃和59.3 ℃，此時，兩種方式下的散熱效果較為接近，這與圖8中紅外熱像儀測量的芯片結溫64.3 ℃和58.5 ℃基本一致．

圖8　紅外熱像儀測得的芯片溫度分布Fig.8　Temperature distribution under thermalinfrared imager

4結論

設計了一種“針-網”式的電暈放電離子風發(fā)生器，通過實驗對其散熱性能進行了定量研究．

(1)高壓電極布置形式不同時，系統(tǒng)的散熱性能存在著較大差異，其中1×11陣列形式對應的散熱效果最好；隨著放電功率增加，引腳溫度迅速下降；當放電功率超過2W時，溫度下降趨于平穩(wěn)，芯片引腳最低溫度為52.3 ℃．

(2)隨著放電間距的增加，離子風散熱系統(tǒng)的散熱性能降低；放電間距為5mm時，離子風發(fā)生器能實現與風扇較為接近的散熱效果；采用計算法得到的LED芯片結溫與紅外熱像儀測得的結溫之間的誤差較小．

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Cooling Performance Study of Ionic Wind Excited by Needles-Net Structure

WANG Jing, CAI Yixi, BAO Weiwei, LI Huixia

(SchoolofAutomotiveandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

Abstract:Based on the principle of corona discharge, a needles-net structure generator was designed. The ionic wind excitation was implemented, and it was used for high power LED chip heat dissipation. The experimental study of generator’s electrical properties change and its effect on the properties of high power LED heat dissipation under different discharge gap, voltage polarity and electrode arrangement were carried out. The cooling performances of the ionic wind generator and the cooling fan were compared. The results show that, the heat dissipation performance of negative corona discharge is superior to the positive corona discharge under the same conditions, and the discharge spacing is smaller, the lower LED pin temperature it is. The best cooling performance will be reached at 1×11 needles array form, and the lowest LED pin temperature is 52.3℃ when the discharge power is more than 10 W. The device can realize the heat dissipation effect more close to a cooling fan, and it is suitable for high power LED chip heat dissipation.

Key words:corona discharge; ionic wind; high power LED; enhancement of heat transfer; junction temperature

收稿日期:2015-10-25；

修訂日期：2015-12-18

基金項目:江蘇大學高級人才科研啟動基金資助項目(5503000025)

通信作者：王靜(1982—)，男，江蘇泰興人，江蘇大學講師，博士，主要從事LED汽車燈具散熱研究，E-mail:jackywang03@163.com.

文章編號:1671-6833(2016)03-0088-04

中圖分類號：U463.65+1；O539

文獻標志碼：A

doi:10.13705/j.issn.1671-6833.2016.03.020