电极结构对离子风特性的影响及应用研究

李慧霞，蔡忆昔，王 静，赵旭东

(江苏大学，江苏 镇江 212013)

电极结构对离子风特性的影响及应用研究

李慧霞，蔡忆昔，王 静，赵旭东

(江苏大学，江苏 镇江 212013)

为探讨电极结构对空气放电离子风特性的影响， 我们设计了一种离子风发生器，通过改变电极形式、电极距离、放电间距等结构参数对离子风特性进行研究。我们还以大功率LED芯片为散热对象，对离子风发生器进行散热应用试验。试验结果表明：放电电极选用针电极时的最佳布置形式为1×11阵列，选用线电极时的最佳布置形式为电极距离1 cm；在相同条件下，网状接地极比孔板式接地极能获得更大的离子风速，其中20目网电极可以实现对发热物体最大幅度的降温，其离子风速可达到1.79 m/s。

离子风；结构参数；大功率LED；强化传热；散热

引言

一对电极在外加高压的作用下，曲率半径较大的电极附近会产生较强的电场，当外加电压达到一定值时，周围的空气分子将被电离，电离产生的离子和自由电子在电场力作用下作定向运动，撞击放电空间内未带电的中性分子，使其向相同方向(即由曲率半径较小的电极向接地极的方向)运动，从而形成离子风，又称为电晕风[1]。近年来，离子风作为放电等离子体的特有现象受到广泛关注，离子风技术在强化传热、除尘、干燥、新型动力技术等多个方面都有所应用[2-5]。

国内外专家学者对离子风强化散热进行了探索研究。Chun[6]等人采用数值模拟的方法对“线-板”电极离子风进行了研究，在较低的雷诺数下得到了明显的离子风。岳永刚[7]等人认为，电晕、介质阻挡、辉光放电等放电形式对传热系数均有不同程度的影响，研究还表明，在相同条件下负极性电压比正极性电压有更好的强化传热效果[8]。

研究中设计了一种基于电晕放电原理的离子风发生器，根据放电机理调节离子风发生器的结构参数，以达到更好的放电效果。另外，研究还通过试验分析了离子风风速、起晕电压、放电极形式等对大功率LED芯片散热性能的影响。本研究为探寻功率型电子器件的高效散热方案奠定了一系列理论和试验基础。

1 实验

图1所示为研究中所设计的离子风散热系统的结构示意图。其中，离子风发生器由放电极、接地极、热沉及绝缘框架组成。离子风发生器用于LED芯片的散热时，芯片安装于热沉的基板表面，为保证芯片与热沉基板接触面间的传热效率，试验除采用螺钉固定芯片外，还在二者接触区域涂覆了一层具有高导热率的导热硅胶。LED芯片工作中产生的热量会通过基板传递给散热翅片，而离子风会透过网状接地极对翅片进行强化散热，最终达到为LED芯片降温的目的[9]。

由电晕放电机理可得，放电极和接地极是电晕放电的基础。放电极曲率半径的大小决定着放电的难易程度，研究表明，曲率半径越小的电极在外加高压下越容易产生放电现象。研究中分别采用不同的放电电极、接地极以及放电间距来探寻发生器结构参数对系统散热性能的影响。其中放电电极分为线状电极和针状电极两种形式，如图2所示；接地电极也有两种结构形式，分别为孔板式电极和网状电极，如图3所示，材质均为不锈钢，其中网状电极又分为60目、40目和20目。

图1 离子风散热器结构示意图Fig.1 Ionic wind heat dissipation structure

图2 离子风发生器的放电电极Fig.2 Discharge electrodes of ionic wind generator

图3 离子风发生器的接地电极Fig.3 Grounding electrode of ionic wind generator

实验所用LED芯片是型号为LAFL-C4S-0850的PHILIPS LUXEON Altilon系列大功率LED芯片。通过ZJ-16A多路温度巡检仪对芯片引脚及散热翅片上分布的各测试点温度进行实时测量与记录，巡检仪的测量精度为±0.1℃。实验系统中的电源包括为离子风发生装置输入高压的TC-4080型直流高压电源，其最大可输出电压为±20kV，以及为LED芯片供电的WYJ-20A60V型双路直流稳压电源，其电压和电流可分别在0～60 V和0～20 A之间连续调节。图4所示为实验系统的连接图。另外，对离子风风速的测量采用手持式风速风量计，如图5所示。

图4 实验系统连接图Fig.4 Experiment system

图5 风速风量计Fig.5 Wind speed meter

2 结果与讨论

2.1 电压极性的选择

研究过程选择输入负极性高压进行试验，这是因为离子风风速的大小具有一定的极性效应，负高压下电极表面势垒低于气体电离所需的能量，导致电晕放电初始阶段更大的电晕电流。而电晕电流的大小与气体压力及离子风速的平方根成正比即外加高压为负极性高压时，可获得更高的离子风速[10]。

2.2 放电间距对离子风的影响

试验分别选择5 mm、10 mm和15 mm作为离子风发生器的放电间距，图6所示为不同放电间距下起晕电压随网电极目数的变化规律。可见，在放电间距不变时，起晕电压随着网电极目数的增加逐渐增大，但增幅并不明显；而在网电极目数不变时，起晕电压随着放电间距的增加有明显增大，这就使得相同放电功率下的放电效果产生差异[11]。

图6 起晕电压随放电间距变化趋势Fig.6 The variation trend of inception voltage with discharge interval

起晕电压是指离子风发生器的放电极与接地极之间开始产生空气放电时的外加电压值，又称为电晕放电的阈值。分析认为，在电晕放电产生离子风的过程中，放电间距越大，起晕电压的数值就会越高，即放电越困难，对应的电场强度则随放电间距的增加而减小。图6中15 mm放电间距下离子风发生器的起晕电压均在10 kV以上，由于这一阈值较高，在电晕放电开始后就需要更大范围的高压电源来调节离子风风速。而放电间距也不能无限制地减小，首先放电间距的减小对装置的精度要求也势必更加严格，比如随着放电间距的减小，如果放电极中各个针电极的平面度或线电极中各线之间的平面度无法保证，而此时的起晕电压又很低，在调节过程中就很容易出现局部空气导电的短路现象。

2.3 放电极对离子风发展的影响

分析离子风的产生过程可知，随着外加高压的增大放电极尖端附近区域将产生较强的电场。由于这一电场极不均匀，且电极表面的电场强度与其电荷密度成正比，因而放电极曲率半径越小，其表面电荷密度越大，随着外加电压的继续增大就会产生离子射流运动。研究中分别以针状电极和线状电极作为放电极进行实验，对离子风的形成开展进一步研究。

1)线电极对离子风发展的影响。线电极作为离子风发生器的放电极时，实际加工和装配过程中更易保证平面度，从而确保放电过程的均匀性[12]。图7所示为不同电极距离下，LED芯片引脚温降随放电功率的变化。本研究将引脚温降定义为引脚温度的实时测量值与其实验初始阶段达到的稳定工作温度的差值。

图7中曲线的起点为LED芯片引脚温度不再变化时，此时芯片继续工作，同时开启离子风发生装置进行散热试验。在离子风发生器工作的初期，LED芯片引脚温降随着放电功率的增加快速增大，此时的散热效果最为明显，之后随着发生器放电功率的继续加大，温降增加的趋势趋于平缓。分析认为，这是由于此时离子风发生器放电区域的电荷已经达到饱和状态。另外，对比图7中三条曲线可得，相同电晕功率下，随着电极距离的增加，引脚温降降低。这是因为随着电极距离的增加，放电电极附近电场强度逐渐减小，这一方面减少了离子和自由电子在电极间隙中获取的能量；另一方面也使由场致发射效应所产生的电子能量及电子密度降低，从而大大减少了到达接地极的电子数量[13]。后续试验中，线电极距离设定为1 cm。

2)针电极对离子风发展的影响。相比于线电极，针电极更易满足电晕放电对曲率半径的要求[14]。同时，针状电极的排布形式可根据实际需求灵活设计。研究中，电极框架的大小不变，其中针电极分别采用3×3、3×11和1×11阵列形式固定在框架中。图7所示为不同针电极分布方案下，芯片引脚温度随电晕电流的变化。由图8可见，3×3阵列下，系统的散热效果相对较差，实验中所能达到的最低引脚温度为62 ℃，而这与3×11阵列下所能达到的55 ℃以及1×11阵列下的51 ℃相比，仍有较大差距。分析认为，采用3×3阵列形式时，针电极距离较大，这使得各电极间隙中获得的能量有限，无法最大程度上促进离子风的发展；3×11阵列增加了放电极中每一列的针数，使得放电更充分；分析3×11和1×11阵列下的温度变化，可以看出1×11阵列降温效果更好，这是因为3×11阵列的针电极排布密度过大，造成相邻针电极的电晕区重叠从而相互影响，削弱了离子风的发展。

图7 不同线电极间距时的芯片引脚温降Fig.7 Cooling rate on LED pin with various electrode distance of line-arrayed

图8 不同针电极方案下的芯片引脚温度变化Fig.8 Temperature on LED pin with various electrode scheme of needle-arrayed

图9所示为3×3阵列形式下，离子风发生装置在不同放电间距时LED芯片引脚温度的变化。由图8可见，当电晕电流小于0.15 mA时，放电间距对系统散热性能影响不大；当电晕电流高于0.15 mA时，芯片引脚温度逐渐降低，相同电流下，放电间距越小，芯片引脚温度越低。

图9 不同放电间距下芯片引脚温度变化Fig.9 Temperature on LED pin with various discharged interval

综上分析：离子风发生装置采用针状电极时，可以产生更为稳定的离子风，实现对LED芯片的降温，并且通过改变针电极排布形式可以得到不同的降温效果，1×11 阵列下的散热效果最佳。采用线电极发生器对LED芯片进行降温前后，芯片的最大温度降幅为30 ℃，而采用针电极对LED芯片进行降温前后，芯片的最大温度降幅为34 ℃。

图10 不同接地极时的芯片引脚温度Fig.10 Temperature on LED pin with various grounding electrode

2.4 接地极对离子风发展的影响

以20、40、60目网电极和均匀多孔不锈钢板作为离子风发生器接地极时，LED芯片引脚温度随放电功率的变化如图10所示。图11为不同放电功率下的离子风。由图10和图11可见，随着放电功率的不断增大，芯片引脚温度逐渐降低并趋于平缓。20目网电极下的散热效果最佳，该条件下LED芯片引脚的温度降幅可达44 ℃，40目和60目网电极下的离子风发生装置几乎达到相同的散热效果，且比均匀不锈钢板的效果好。但是相比之下，20目的散热效果则更为明显。分析认为：电晕放电过程中，中性空气分子由于受到板电极的阻滞作用而大量聚集在板电极前，致使板电极附近区域气压偏高，导致从放电极过来的粒子无法直接到达此区域，而是以扩散形式向板电极表面展开[15]。由此可以看出，板状电极对流场的限制作用削弱了离子风的发展。为克服板状电极对离子风发展的束缚，本研究采用网状电极来代替金属板电极，并使用几种不同目数的网电极来进行优化实验。目数为20时，网电极的孔间距较大，更利于产生的离子风透过网孔到达热沉散热器进行冷却，相比于40目和60目的网电极，流体所受的阻力更小。

图11 不同接地极时的离子风速度Fig.11 Ionic wind speed with various grounding electrode

3 结论

本研究对电晕放电离子风发生装置进行了参数设计和实验研究，分析讨论实验数据后得出了本研究的如下优化方案及重要结论：

1)经过优化，相同条件下分别采用针状电极和线状电极形式的离子风发生器对大功率LED芯片进行降温，得到的最大芯片引脚温度降幅分别为34 ℃和30 ℃，由此可见采用针状电极时的离子风效果优于线状电极；

2)起晕电压随网状接地极目数的增加有小幅度增大，随放电间距的增加有较大幅度的增大；

3)针-网式离子风发生装置的离子风效果受针状电极排布形式的影响较大，而受放电间距的影响较小；

4)与均匀多孔不锈钢板接地极相比，采用网状接地极后，离子风速有明显的提高，并随着网电极目数的减少而增大，本研究20目网电极时的离子风速最大，可达1.79 m/s，对LED芯片引脚的降温幅度可达44 ℃，可见接地极的优化对离子风风速的提高有较大促进作用。

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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

江苏大学高级人才科研启动基金资助项目(5503000025)；江苏省高校优势学科建设项目(苏政办发[2011]6号)

TM923

A

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