翁建華，石夢(mèng)琦，崔曉鈺

(1.上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090；2.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093)

散熱用微型風(fēng)扇新技術(shù)的研究與應(yīng)用*

翁建華1，石夢(mèng)琦1，崔曉鈺2

(1.上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090；2.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093)

旋轉(zhuǎn)式微型風(fēng)扇具有結(jié)構(gòu)尺寸小、流量低的特點(diǎn)，內(nèi)部空氣流動(dòng)的雷諾數(shù)低，流動(dòng)往往處于非自?；瘏^(qū)；因此，相似理論在旋轉(zhuǎn)式微型風(fēng)扇中的運(yùn)用比大中型風(fēng)機(jī)復(fù)雜。相對(duì)于半導(dǎo)體電子器件，旋轉(zhuǎn)式微型風(fēng)扇的使用壽命偏低，研制可靠性好、使用壽命長(zhǎng)的新型微型風(fēng)扇或氣體輸送裝置，如壓電風(fēng)扇、基于EHD的離子風(fēng)裝置，可提高整個(gè)電子產(chǎn)品的可靠性，并延長(zhǎng)其使用壽命。此外，微型風(fēng)扇與熱沉一體化的設(shè)計(jì)可使散熱裝置更為緊湊，以滿足電子產(chǎn)品不斷小型化的要求。

微型風(fēng)扇；壓電風(fēng)扇；離子風(fēng)；散熱

依據(jù)熱流密度、制造成本以及應(yīng)用場(chǎng)合等因素，電子器件的散熱設(shè)計(jì)可采用不同的技術(shù)方案。比如，對(duì)于散熱量小、空間限制少和熱流密度低的電子器件，只需增加換熱面積，并采用空氣自然對(duì)流換熱的方式；反之，則需要采用其他散熱方式，如液體冷卻。目前，個(gè)人計(jì)算機(jī)CPU以及一些功率器件等的散熱一般采用空氣強(qiáng)制對(duì)流，其中微型風(fēng)扇是這種散熱方式的主要部件之一。隨著設(shè)計(jì)及制造工藝水平的不斷提高，質(zhì)量?jī)?yōu)良的旋轉(zhuǎn)式微型風(fēng)扇使用壽命已可達(dá)約20 000 h，但仍遠(yuǎn)低于可靠性好的半導(dǎo)體電子器件的使用壽命[1]。另外，電子產(chǎn)品的小型化趨勢(shì)也使用于散熱的空間越來(lái)越小。相對(duì)于流量較大的大中型風(fēng)機(jī)，微型風(fēng)扇(包括其他型式的氣體輸送裝置)在性能、效率和結(jié)構(gòu)等方面仍需進(jìn)一步地研究與改進(jìn)。本文將探討相似理論在旋轉(zhuǎn)式微型風(fēng)扇中的運(yùn)用，并介紹幾種新型微型風(fēng)扇(氣體輸送裝置)及其在電子器件散熱中的應(yīng)用。

1 旋轉(zhuǎn)式微型風(fēng)扇流動(dòng)相似的研究

流動(dòng)相似是旋轉(zhuǎn)式微型風(fēng)扇研究的一個(gè)重要方面。對(duì)于大中型葉片式風(fēng)機(jī)而言，相似定律是設(shè)計(jì)、運(yùn)行及模型試驗(yàn)的重要依據(jù)。比如，選取一臺(tái)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠的風(fēng)機(jī)作為模型，通過(guò)相似關(guān)系式，即可設(shè)計(jì)另一臺(tái)風(fēng)機(jī)，以滿足不同流量及風(fēng)壓的要求。設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單、可靠。大中型風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較大，輸送氣體的流量較高，流動(dòng)處于自?；瘏^(qū)，動(dòng)力相似自動(dòng)滿足。微型風(fēng)扇結(jié)構(gòu)尺寸小，輸送空氣的流量低，雷諾數(shù)不高，流動(dòng)往往處于非自?；瘏^(qū)。為研究相似理論在旋轉(zhuǎn)式微型風(fēng)扇中的應(yīng)用，文獻(xiàn)[2]制作了試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其中最小的風(fēng)扇模型外形長(zhǎng)與寬僅為6 mm×6 mm，葉輪材質(zhì)為金屬材料，并采用微電火花加工技術(shù)加工完成。試驗(yàn)研究表明，旋轉(zhuǎn)式微型風(fēng)扇內(nèi)流動(dòng)的動(dòng)力相似應(yīng)考慮雷諾數(shù)這一相似準(zhǔn)則數(shù)[3]。對(duì)微型泵的試驗(yàn)研究也得到了相同的結(jié)論[4]。因此，相似理論在旋轉(zhuǎn)式微型風(fēng)扇中的運(yùn)用比大中型葉片式風(fēng)機(jī)復(fù)雜。

2 新型微型風(fēng)扇(氣體輸送裝置)的研究

2.1 壓電風(fēng)扇

壓電風(fēng)扇由壓電材料與彈性薄片等組成，其中一種壓電風(fēng)扇工作示意圖如圖1所示。

圖1 壓電風(fēng)扇工作示意圖

當(dāng)在壓電材料上施加一定頻率的交變電壓時(shí)，壓電材料會(huì)產(chǎn)生周期性的彎曲，引發(fā)彈性薄片的諧振，從而使周圍空氣流動(dòng)，強(qiáng)化對(duì)流換熱。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓的頻率接近彈性薄片的固有頻率時(shí)，其振幅最大。壓電風(fēng)扇一般應(yīng)工作在一階固有頻率，以便使風(fēng)扇的噪聲最小[5]。

彈性薄片的材質(zhì)可以是塑料，如PVC、PET，也可以是金屬材料，如不銹鋼、黃銅和鋁等。

壓電材料與彈性薄片之間的連接工藝十分重要，連接所用膠的種類、膠層的厚度等工藝參數(shù)不僅對(duì)彈性薄片的振幅有影響，更與壓電風(fēng)扇的使用壽命直接相關(guān)。

此外，不少文獻(xiàn)對(duì)壓電風(fēng)扇所形成的流場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算。如文獻(xiàn)[6]對(duì)壓電風(fēng)扇周圍的流場(chǎng)采用粒子圖像測(cè)速儀(PIV)進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)簡(jiǎn)化后的二維流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算；文獻(xiàn)[7]采用紊流RNGk-ε模型以及動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)壓電風(fēng)扇周圍的非定常流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明，在經(jīng)過(guò)若干振動(dòng)周期后，壓電風(fēng)扇附近出現(xiàn)反向渦對(duì)。這些研究揭示了壓電風(fēng)扇產(chǎn)生的流場(chǎng)特性，為壓電風(fēng)扇的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

2.2 基于EHD的離子風(fēng)技術(shù)

依據(jù)電流體動(dòng)力學(xué)(Electro-hydrodynamic，EHD)，在曲率半徑不同的電極之間施加高電壓，在曲率半徑小的電極周圍空氣發(fā)生電離，產(chǎn)生的離子在高壓電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，并撞擊其他中性空氣分子，產(chǎn)生新的離子，而離子的定向運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)空氣分子運(yùn)動(dòng)，在宏觀上使空氣產(chǎn)生定向流動(dòng)，這種空氣流動(dòng)又稱離子風(fēng)(ionic wind)[8-9]。近年來(lái)，不少研究者試圖將離子風(fēng)應(yīng)用到電子產(chǎn)品的散熱中。文獻(xiàn)[10]制作了產(chǎn)生這種離子風(fēng)裝置(又稱EHD空氣泵)的樣件。樣件有2種結(jié)構(gòu)：針-網(wǎng)結(jié)構(gòu)和線-網(wǎng)結(jié)構(gòu)。其中針-網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，網(wǎng)格間距a取2 mm，針狀電極為高壓極，網(wǎng)狀電極接地。這種結(jié)構(gòu)空氣的流動(dòng)方向由針狀電極流向網(wǎng)狀電極，并從網(wǎng)狀電極流出。

圖2 EHD空氣泵樣件針-網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)用4種針-網(wǎng)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，對(duì)針-網(wǎng)結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的4個(gè)樣件進(jìn)行了測(cè)試。

表1 4種針-網(wǎng)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

離子風(fēng)裝置的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、可靠性好、使用壽命長(zhǎng)，通過(guò)進(jìn)一步的研究和完善后，將為散熱強(qiáng)化提供又一技術(shù)方案。

2.3 微型風(fēng)扇與熱沉的一體化

微型風(fēng)扇的作用是加強(qiáng)熱沉周圍空氣的流動(dòng)，強(qiáng)化空氣與熱沉之間的對(duì)流換熱。一般情況下，微型風(fēng)扇與熱沉是2個(gè)相互獨(dú)立的散熱部件。不過(guò)，在進(jìn)行電子器件熱設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮兩者之間的關(guān)系[11]。文獻(xiàn)[12]提出了一種新的設(shè)計(jì)方案，即將微型風(fēng)扇與熱沉合二為一(見圖3)。空氣通過(guò)葉輪的旋轉(zhuǎn)由軸向進(jìn)入，在熱的平板間沿葉輪徑向流出，帶走熱量。平板內(nèi)部流動(dòng)著的水蒸氣被冷卻后凝結(jié)成水，在重力作用下流向底部蒸發(fā)器受熱蒸發(fā)，并帶走電子器件的熱量，水蒸氣則向上流動(dòng)流回平板完成流動(dòng)循環(huán)。平板有多層組成，相應(yīng)地葉輪也有若干個(gè)，且平板間通過(guò)管道相互連通(為確保簡(jiǎn)單清晰，圖3中省去了水與水蒸氣流動(dòng)循環(huán)回路)。該設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)緊湊，在進(jìn)一步研究和完善后可用于空間受限情況下的散熱。

圖3 微型風(fēng)扇與熱沉一體化結(jié)構(gòu)示意圖

3 新型微型風(fēng)扇(氣體輸送裝置)的應(yīng)用

上述新型微型風(fēng)扇(氣體輸送裝置)具有噪聲低、壽命長(zhǎng)、可靠性好和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在大功率LED、個(gè)人計(jì)算機(jī)CPU等電子器件散熱方面有著良好的應(yīng)用前景。

3.1 大功率LED散熱

大功率LED芯片發(fā)光時(shí)產(chǎn)生的熱量首先通過(guò)導(dǎo)熱傳遞至封裝部件的外表面，再由熱沉通過(guò)對(duì)流與輻射散失到周圍環(huán)境中。自然對(duì)流的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小，散失相同熱量所需的換熱面積較大，因此熱沉結(jié)構(gòu)相對(duì)較大。壓電風(fēng)扇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)，且噪聲低，可增強(qiáng)熱沉周圍空氣的流動(dòng)，提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，從而減小熱沉結(jié)構(gòu)尺寸。同樣，基于EHD的離子風(fēng)微型裝置產(chǎn)生的離子風(fēng)增大了熱沉周圍空氣流動(dòng)的速度，強(qiáng)化了對(duì)流換熱[13]，且該裝置無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，可靠性好，使用壽命長(zhǎng)。

3.2 個(gè)人計(jì)算機(jī)CPU散熱

目前，個(gè)人計(jì)算機(jī)CPU散熱普遍采用旋轉(zhuǎn)式微型風(fēng)扇加熱沉的方式，而即使是質(zhì)量?jī)?yōu)良的旋轉(zhuǎn)式微型風(fēng)扇，其使用壽命也遠(yuǎn)低于可靠性好的電子器件。采用新型散熱微型風(fēng)扇(氣體輸送裝置)，如壓電風(fēng)扇、離子風(fēng)裝置，可延長(zhǎng)散熱系統(tǒng)的使用壽命，從而延長(zhǎng)整個(gè)計(jì)算機(jī)的使用壽命。為增加空氣流量，提高散熱效果，對(duì)壓電風(fēng)扇可采用多個(gè)風(fēng)扇并聯(lián)使用的方式。文獻(xiàn)[10]將制作的基于EHD的離子風(fēng)裝置樣件用于個(gè)人計(jì)算機(jī)CPU模型的散熱，達(dá)到了與旋轉(zhuǎn)式微型風(fēng)扇相同的散熱效果。

4 結(jié)語(yǔ)

不同于大中型風(fēng)機(jī)，旋轉(zhuǎn)式微型風(fēng)扇由于結(jié)構(gòu)尺寸小、流量低，流動(dòng)往往處于非自?；瘏^(qū)，流動(dòng)相似需考慮相似準(zhǔn)則數(shù)——雷諾數(shù)。壓電風(fēng)扇具有使用壽命長(zhǎng)、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)；基于EHD的離子風(fēng)微型裝置無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，同樣具有可靠性好、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)；而微型風(fēng)扇與熱沉的一體化設(shè)計(jì)，使散熱部件的結(jié)構(gòu)更加緊湊。通過(guò)進(jìn)一步的研究與完善，包括生產(chǎn)與制造工藝，這些新型微型風(fēng)扇(氣體輸送裝置)在今后散熱設(shè)計(jì)中與旋轉(zhuǎn)式微型風(fēng)扇相互補(bǔ)充，可提高相關(guān)電子產(chǎn)品的可靠性和使用壽命，同時(shí)進(jìn)一步降低了使用能耗與噪聲。

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* 上海市“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”高新技術(shù)領(lǐng)域資助項(xiàng)目(12dz1143800)

責(zé)任編輯 鄭練

Research and Application of Miniature Fan New Technologies for Heat Dissipation

WENG Jianhua1, SHI Mengqi1, CUI Xiaoyu2

(1.School of Energy & Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China;2.School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Rotatory miniature fans have the characteristic of small size and low flow-rate. Typical Reynolds number for the air flow in miniature fans is also low, and usually the flow belongs to the regime which is Reynolds number dependence. Applying of principle of similarity to rotatory miniature fans is more complex than fans with large or middle size. Comparing with semiconductor electronic devices, rotatory miniature fans have low lifetime. Designing and manufacturing of new types of reliable and long lifetime miniature fan or gas-driven apparatus, such as piezoelectric fan and ionic wind apparatus, can improve reliability and lifetime of the whole electronic products. Besides, integration of miniature fan with heat sink can reduce space needed for heat dissipation to meet the requirement of continuous miniaturization for electronic products.

miniature fans, piezoelectric fans, ionic wind, heat dissipation

TK 124

A

翁建華(1968-)，男，副教授，博士，主要從事電子器件散熱、傳熱與流體流動(dòng)等方面的研究。

2016-08-19