采用各种压电风扇结构提高对流传热系数
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本期给大家带来的是关于采用各种压电风扇结构提高对流传热系数研究内容，希望对大家有帮助。
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自然对流应用范围从小型电子设备到LED应用到多千瓦IGBT散热器。以上这些都受到相对较小的自然对流传热系数的限制。
在不使用风扇的情况下提高或提高对流传热系数，合成射流和压电风扇是可以利用的两种方法。
本文将讨论一个实验来证明单个压电风扇的好处。此后，还将研究两个不同配置的压电风扇的性能。
压电风扇由连接到柔性悬臂式叶片上的压电材料组成。交替输入信号使压电材料收缩和膨胀，在其自身和叶片之间产生剪切力。
这些力在悬臂叶片的自由端产生振荡，当在结构的共振频率下驱动时，振荡变得很大，并用于搅拌和移动周围的流体。
与单纯的自然对流相比，这随后增强了热传递。这些风扇消耗很少的功率，可以建造和修改，以满足许多应用程序的各种几何约束。
因此，压电风扇作为一种热管理解决方案，最近受到了广泛的关注。图1显示了来自压电系统公司的一个压电风扇叶片。
图1.压电风扇叶片
本文对压电风扇性能的许多方面进行了研究。对振动悬臂梁产生的二维流场进行了详细的分析。
每次梁通过零位移位置时，都观察到涡旋脱落；即，振动频率的两倍，流体的最大速度大约是最大叶尖速度的四倍。
对振动压电风扇引起的流流进行建模，发现预测的流型与小位移的实验可视化之间有很好的定性一致性。
分析单个压电风扇在热源附近的振动，以确定可以优化热传递的条件。所研究的因素包括风扇的长度、振幅、频率偏移和距离热源的距离。
由这些风扇产生的流场非常复杂，并且高度依赖于从风扇尖端到加热器的距离，以及其他边界条件。流场也依赖于风扇的振动特性。
使用一个实验装置来评估压电风扇(s)的不同配置。该装置由铝薄片（38.1 x 38.1 mm）组成，可通过连接在其背面的薄膜加热器进行加热。
通过铝板的背面和沿铝板的绝缘块，传热表面的损失最小化，这样只有前表面暴露在空气中。五个热电偶安装在暴露的铝表面上，以监测热源的平均表面温度。
另外一个热电偶直接连接到加热器，另一个连接到绝缘的背面，以估计通过绝缘的损失。
环境空气温度也可以用热电偶来测量（未显示）。为了量化辐射损失，铝块的暴露表面被涂上了Krylon #1602，其已知的发射率为0.95 [NASA]。
图2.热源配置
当平板被压电风扇冷却时，它要么由单个风扇冷却，要么用两个a或B风扇冷却，如图3所示。
传热系数根据公式1计算，其中从功率输入中减去通过绝缘而损失的热量qins和由于辐射而造成的热损失qrad。该计算使用了加热器的暴露表面积As和环境温度Ta和平均表面温度T（s，av）之间的温差。
图3.在传热实验中分析的两个风扇方向：水平振动（方向A）和垂直振动（方向B）
所使用的压电风扇在商业上具有以下尺寸：64.0 x 12.7 mm（L x W），基本共振频率接近60 Hz。其最大振动振幅(b)为12.7 mm。
在传热实验中变化的两个参数，对于每个方向，风扇间距(p)和风扇到加热器的分离距离(d)是正在研究的主要因素，如图4所示。
在实验过程中，在所有的传热实验中，风扇都以60 Hz的120 V正弦信号驱动，对单个隔离（非耦合）风扇产生约10 mm的振动振幅。
图4.传热实验的各种几何参数说明：两种不同多风扇方向的风扇长度(L)、宽度(W)、振动幅度(B)、风扇到加热器分离距离(D)、风扇节距(P)
对于特定类型的振动，每个方向的风扇耦合的影响是不同的。
在方向A中，同相振动的振动振幅显著增加，而非相振动则观察到负面影响（即振动振幅的减小）。同样值得注意的是，对于这种方向，可实现的风扇间距的限制在很大程度上取决于两个风扇之间的相位差。
如图5所示，由于风扇叶尖的物理碰撞，振动的包络不能重叠，因此要求风扇的螺距大于振动振幅的两倍。
对于同相振动，这显然不是这样的情况，风扇的间距可能接近于零，因为风扇永远不会碰撞，从而使振动包层发生重叠。
在尽可能小的空间内安装两个风扇，在方向a的传热实验中，只考虑了同相激励（驱动信号的0°相位差）。
对于方向B，风扇耦合的效果则相反，其中失相振动产生最高的振动振幅。
因此，对于这个方向，只考虑失相激励（驱动信号的180°相位差）。据了解，由于在制造和组装过程中不可避免的变化，任何两个风扇都不能有相同的谐振频率。
因此，当将输出相位差（风扇的实际运动）与输入相位差（驱动信号）进行比较时，可以看到差异。
虽然同相（或失相）激励不能保证同相（或失相）振动，但在传热实验中，固有相差小于5°，其对结果的影响幅度被认为是最小的。
图5.风机间距的振动限制
从6个不同的风扇间距和两个独立的距离到热源的方向A的结果如图6所示。对于所考虑的每个风扇间距，当风扇最接近热源时，性能最好。
在距离热源的两个距离下，似乎有一个大约13 mm的最佳传热速率。需要注意的是，尽管在所有实验中，相同的输入信号驱动两个风扇，但由于耦合效应，振动幅度依赖于风扇的间距，并且在最小的风扇间距时最大。
然而，由于最小螺距耦合而导致的振幅增加并不一定产生最佳的工作条件。从传热的角度来看，风扇间距为12.70 mm，其中相应的振动振幅为11.10 mm，产生的无尺寸风扇螺距（螺距除以幅度）略大于单位（1.14）。
强调了这种性能是用平均传热系数来描述的。据推测，最大局部传热系数会随着振动振幅或间距的减小而增大。然而，较小的风扇间距也会减少覆盖面积，或组合振动包膜。
因此，小螺距对较大的局部传热系数的影响在较短的距离后衰减，结果是平均传热系数下降。
图6：六个风扇间距和距离热源的方向A的传热性能
对于方向B，确定了五个风扇间距的平均传热系数，并在图6中距离热源的两个距离处报告。最大性能发生在最小的风扇间距mm12.75毫米，仅略大于风扇的宽度（12.7 mm）。
距离加热器的趋势相似，传热速率随着风扇间距的增加而降低，从104.46至97.82W/m2.K.风扇（d = 1.59 mm），距离加热器最近的风扇（=3.18mm）（d=3.18mm）为102.94至98.09W/m2.m.K。
在考虑的最大风扇间距（22.86 mm）处，每个风扇的外边缘都靠近热源的几何边界。风扇冷却面积覆盖的一个重要部分超出了热源尺寸，因此，浪费，并没有考虑在测量的平均传热系数中。
两方向传热系数的实验结果总结在表1中，其中将多扇实验实验中的最佳情况与单扇实验的性能以及自然对流实验的结果进行了比较。
两种多重风扇配置的结果具有可比性，与单个风扇相比增加了19- 21%，与自然对流相比增加了650%以上。值得注意的是，两种多风扇结构在一定程度上都表现出风扇耦合，平面内振动的耦合大于平面外振动。
因此，对单个风扇的部分性能提高仅仅是归因于更大的振动振幅，而其余的则是由于额外的风扇的存在。
观察到两个压电风扇在接近时相位振荡的耦合现象。耦合增加了振动振幅，这反过来又影响了由风扇气流撞击受热表面而产生的传热速率。
结果表明，使用压电风扇可以使平均传热系数比自然对流增加4.4倍。当加入两个压电风扇时，传热系数增加了5.6倍。压电风扇对于空间有限的应用场合，可以大大提高自然对流传热系数。
表1.1.6W加热器功率的对流系数
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