← 返回
风电变流技术 可靠性分析 ★ 5.0

针电极在离子风中可靠性的实验分析

Experimental Analysis on Reliability of Needle Electrodes in Ionic Wind

作者 Sambhav Prashit Kaphle · Anandaroop Bhattacharya
期刊 IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology
出版日期 2024年12月
技术分类 风电变流技术
技术标签 可靠性分析
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 电液动力学冷却 不锈钢针 可靠性 热性能 离子风
语言:

中文摘要

近年来,电流体动力学(EHD)冷却作为一种固态冷却技术备受关注,这是因为它没有移动部件、功耗低、运行安静,且与被动冷却技术相比热性能更优。这种冷却装置的常见形式是分别采用针电极和翅片式散热器作为发射极和集电极来产生离子风。影响这些空气流动装置可靠性的一个主要因素是针电极随时间发生的性能退化。在本研究中,我们通过实验研究了不锈钢针电极的可靠性,并对其在60个运行周期内的性能进行了表征。结果表明,从热源温度升高或热阻增大可以看出,传热性能显著下降。直流离子风带来的冷却增强效果从2.6倍降至2.05倍。在显微镜下观察针电极表面发现,在高压下进行此类反复操作时,针电极表面会发生氧化、磨损和微点蚀。热性能的下降可能与针电极表面光洁度的变化有关。研究结果表明,确保电晕放电产生的直流离子风的可靠性对于电子设备冷却至关重要。

English Abstract

Electrohydrodynamic (EHD) cooling has gained prominence in recent years as a solid-state cooling technology due to lack of moving parts, low power consumption, silent operation, and superior thermal performance over passive cooling techniques. A common embodiment of such a cooling arrangement involves needles and finned heat sink acting as emitter and collector electrodes, respectively, to generate ionic wind. One of the major factors that affect the reliability of these air movers is the degradation of the needles over time. In this research, we have experimentally investigated the reliability of stainless-steel needles and characterized its performance over 60 cycles of operation. The results show considerable reduction in heat transfer as evidenced from the increase heat source temperature or thermal resistance. The cooling enhancement due to dc ionic wind dropped from a factor of 2.6–2.05. The surface of the needles was examined under a microscope and found to undergo oxidation, wear out, and micropitting when subjected to such repeated operations under high voltage. The degradation in thermal performance could be correlated to the change in the surface finish of the needles. The results point to the importance of ensuring the reliability of dc ionic winds produced under corona discharge for the cooling of electronic devices.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于离子风针状电极可靠性的研究具有重要的参考价值。我们的光伏逆变器、储能变流器等核心产品在高功率密度运行时面临严峻的散热挑战,而电流体动力学(EHD)冷却技术作为固态冷却方案,其无机械运动部件、低功耗和静音运行的特性与我们追求的高可靠性、长寿命产品理念高度契合。

该研究揭示的关键问题值得我们深入关注。实验表明,不锈钢针状电极经过60个工作周期后,冷却增强系数从2.6降至2.05,热阻显著上升。这种性能衰减源于高压电晕放电导致的电极氧化、磨损和微点蚀。对于要求25年以上运行寿命的光伏逆变器而言,这种退化速率显然无法满足商业化应用需求。

然而,这项研究也为我们指明了技术改进方向。针对大功率IGBT模块、SiC功率器件等高热流密度部件的局部冷却,离子风技术仍具备应用潜力。我们可以探索采用抗氧化涂层、贵金属材料或优化电极几何结构来延长使用寿命。此外,该技术在储能系统的电池热管理中也可能找到应用场景,特别是在需要精确温度控制的工商业储能产品中。

目前该技术尚处于实验室验证阶段,距离工业化应用还有较大距离。建议我们持续跟踪相关研究进展,必要时可与高校开展联合攻关,重点解决电极耐久性和成本控制问题,为未来产品差异化竞争储备技术。