压电风扇及其在电子冷却中的应用
本期给大家带来的是关于压电风扇及其在电子冷却中的应用研究内容，希望对大家有帮助。
压电风扇似乎代表了研究和开发的一个例子，最终的结果是一种看似简单的产品。
虽然压电技术能够产生旋转运动，但这些风扇的工作方式与旋转风扇非常不同，因为它们产生的气流是通过振动的悬臂梁，而不是旋转的叶片。
有某些物质，无论是自然产生的还是人造的，都会从尺寸的变化中产生电荷，反之亦然。这种装置被称为压电换能器（PZT），它是压电风扇的原动机。
详见图1。当施加电力时，如60Hz的交流电压，它会导致PZT来回弯曲，也在60Hz。这种运动的幅度非常小，所以为了放大它，一个灵活的垫片或悬臂，如聚拉薄膜，被连接并调谐在电输入频率共振。
图1、压电风机结构示意图
由于压电风扇必须振动，所以它们必须使用脉动或交流电（AC）电源。标准的120伏特，60赫兹的电力。如果直流电，在电池驱动的设备中，是电源，那么必须使用一个逆变器电路来产生交流输出。
逆变器可以体现在小型电路板上，其频率范围为50~50至450Hz。在共振时驱动风扇可以最小化风扇的功耗，同时提供最大的尖端偏转。通过调整悬臂的长度或厚度以特定频率共振。
PZT本身也有一个谐振频率，因此，只调整悬臂梁尺寸以适应任何频率的简单概念可能仍然不能产生最佳的性能。可以想象，调整电输入频率以匹配现有的悬臂梁尺寸可以工作，尽管有同样的警告-所有组件的共振频率必须匹配，在合理的范围内。
据了解，由于在制造和组装过程中不可避免的变化，没有两个风扇有完全相同的谐振频率。因此，当比较实际风扇运动和驱动信号的相位差时，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，固有相差通常在小于5°时测量，其对结果的影响幅度被认为是最小的。图2显示了电压和频率如何影响振动幅度。
图2.电气输入频率对风机振幅的影响
压电风扇的应用还处于起步阶段，可以通过设计师的想象力真正蓬勃发展。请参见图3中所示的耙状风扇。将悬臂梁集成到散热器的鳍状通道中，当然是一种富有想象力的方式来创建一个紧凑的冷却包。关于小型化的利益的另一个重要的实现是，悬臂梁不一定需要与PZT保持一致。
图3.与散热器集成的倾斜风扇
想象一下，如果PZT与心脏下沉的底部平行，悬臂梁与散热器通道成一定角度。这将允许一个普通的散热器与一个风扇一起包装在一个仅略大于散热器大小的信封里。
实现这个紧凑概念的另一种方法如图4所示。压电风扇可能永远不能代替移动量的空气，因为旋转风扇已经做得很好了，但它们是冷却局部热点，以及由于空间、功率或噪音因素无法使用旋转风扇的理想选择。
图4.带有集成式压电风扇的散热器
另一个显著提高性能，但增加了理解看似简单的压电风扇的复杂性的现象是流体耦合。当两个风扇同时工作时，会观察到一种耦合现象，与孤立的单个风扇相比，其振动振幅增加高达40%。
通过实验确定了一对压电风扇在两个不同方向上的传热特性：垂直方向，如图5所示，水平方向，如图6所示。也分别被称为方向A和方向B。
对于特定类型的振动，每个方向对风扇耦合的影响是不同的。在取向A上，同相振动的振动振幅显著增加，而非相振动的振动振幅显著减小。
图5.方向A，垂直，同阶段
图6.水平方向B
值得注意的是，对于这个方向，最小风扇间距的限制取决于两个风扇之间的相位差。图7显示了振动的失相包络不能重叠或风扇尖端会碰撞的地方。
对于同相振动，这显然不是情况，风扇间距可以接近于零。为了利用这一事实，并在尽可能小的空间内安装两个风扇，在定向为A 的实验中，只考虑了同相振动。
图7：由于相位方向而造成的风扇螺距限制。实线表示瞬时风扇位置，虚线表示最大振动振幅
而方向B的风扇耦合效应则相反，失相振动产生的振幅最大。因此，对于取向B，只考虑非相激发。
两方向传热系数的实验结果如表1所示，其中多扇实验的最佳情况与自然对流和单扇性能实验进行了比较。两种多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。
表1：传热实验结果汇总表。
基于平均表面温度和输入加热器功率为1.6瓦
为了分离可能的耦合源，在真空室中操作风扇。据观察，单个风扇的振动振幅比在空气中要大得多。事实上，在真空中，无论单风扇还是双风扇方向是的，振动幅度都是相当的。
相比之下，在大气条件下，两个风扇的振动振幅更大，说明风扇耦合的最重要来源确实是流体结构相互作用。因此，对单个风扇的部分性能提高仅仅归因于较大的振动振幅，而其余部分是由于额外的风扇的存在。
为了将压电风扇集成到实际的冷却应用中，必须更好地描述它们，并对其性能指标建立。由于它们的工作方式与传统的旋转风扇明显不同，因此已经进行了实验，以确定是否有可能开发出风扇曲线，这可以作为与旋转风扇进行比较的基础。
结论压电风扇主要混合散热装置附近的空气，可以根据它们将电能转换为机械能和传递热的效率来描述它们，而不是根据旋转风扇产生的稳定流量进行比较。
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