翁建華，石夢琦，崔曉鈺

(1.上海電力學院 能源與機械工程學院，上海 200090；2.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093)

散熱用微型風扇新技術的研究與應用*

翁建華1，石夢琦1，崔曉鈺2

(1.上海電力學院 能源與機械工程學院，上海 200090；2.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093)

旋轉(zhuǎn)式微型風扇具有結構尺寸小、流量低的特點，內(nèi)部空氣流動的雷諾數(shù)低，流動往往處于非自?；瘏^(qū)；因此，相似理論在旋轉(zhuǎn)式微型風扇中的運用比大中型風機復雜。相對于半導體電子器件，旋轉(zhuǎn)式微型風扇的使用壽命偏低，研制可靠性好、使用壽命長的新型微型風扇或氣體輸送裝置，如壓電風扇、基于EHD的離子風裝置，可提高整個電子產(chǎn)品的可靠性，并延長其使用壽命。此外，微型風扇與熱沉一體化的設計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。

微型風扇；壓電風扇；離子風；散熱

依據(jù)熱流密度、制造成本以及應用場合等因素，電子器件的散熱設計可采用不同的技術方案。比如，對于散熱量小、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，個人計算機CPU以及一些功率器件等的散熱一般采用空氣強制對流，其中微型風扇是這種散熱方式的主要部件之一。隨著設計及制造工藝水平的不斷提高，質(zhì)量優(yōu)良的旋轉(zhuǎn)式微型風扇使用壽命已可達約20 000 h，但仍遠低于可靠性好的半導體電子器件的使用壽命[1]。另外，電子產(chǎn)品的小型化趨勢也使用于散熱的空間越來越小。相對于流量較大的大中型風機，微型風扇(包括其他型式的氣體輸送裝置)在性能、效率和結構等方面仍需進一步地研究與改進。本文將探討相似理論在旋轉(zhuǎn)式微型風扇中的運用，并介紹幾種新型微型風扇(氣體輸送裝置)及其在電子器件散熱中的應用。

1 旋轉(zhuǎn)式微型風扇流動相似的研究

流動相似是旋轉(zhuǎn)式微型風扇研究的一個重要方面。對于大中型葉片式風機而言，相似定律是設計、運行及模型試驗的重要依據(jù)。比如，選取一臺效率高、結構簡單、性能可靠的風機作為模型，通過相似關系式，即可設計另一臺風機，以滿足不同流量及風壓的要求。設計過程簡單、可靠。大中型風機的結構尺寸相對較大，輸送氣體的流量較高，流動處于自?；瘏^(qū)，動力相似自動滿足。微型風扇結構尺寸小，輸送空氣的流量低，雷諾數(shù)不高，流動往往處于非自?；瘏^(qū)。為研究相似理論在旋轉(zhuǎn)式微型風扇中的應用，文獻[2]制作了試驗模型，其中最小的風扇模型外形長與寬僅為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加工完成。試驗研究表明，旋轉(zhuǎn)式微型風扇內(nèi)流動的動力相似應考慮雷諾數(shù)這一相似準則數(shù)[3]。對微型泵的試驗研究也得到了相同的結論[4]。因此，相似理論在旋轉(zhuǎn)式微型風扇中的運用比大中型葉片式風機復雜。

2 新型微型風扇(氣體輸送裝置)的研究

2.1 壓電風扇

壓電風扇由壓電材料與彈性薄片等組成，其中一種壓電風扇工作示意圖如圖1所示。

圖1 壓電風扇工作示意圖

當在壓電材料上施加一定頻率的交變電壓時，壓電材料會產(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，強化對流換熱。當驅(qū)動電壓的頻率接近彈性薄片的固有頻率時，其振幅最大。壓電風扇一般應工作在一階固有頻率，以便使風扇的噪聲最小[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)不僅對彈性薄片的振幅有影響，更與壓電風扇的使用壽命直接相關。

此外，不少文獻對壓電風扇所形成的流場進行了試驗研究和數(shù)值計算。如文獻[6]對壓電風扇周圍的流場采用粒子圖像測速儀(PIV)進行了測試，并對簡化后的二維流場進行了數(shù)值計算；文獻[7]采用紊流RNGk-ε模型以及動網(wǎng)格技術，對壓電風扇周圍的非定常流動進行了數(shù)值計算，結果表明，在經(jīng)過若干振動周期后，壓電風扇附近出現(xiàn)反向渦對。這些研究揭示了壓電風扇產(chǎn)生的流場特性，為壓電風扇的設計提供了理論依據(jù)。

2.2 基于EHD的離子風技術

依據(jù)電流體動力學(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作用下作定向運動，并撞擊其他中性空氣分子，產(chǎn)生新的離子，而離子的定向運動驅(qū)動空氣分子運動，在宏觀上使空氣產(chǎn)生定向流動，這種空氣流動又稱離子風(ionic wind)[8-9]。近年來，不少研究者試圖將離子風應用到電子產(chǎn)品的散熱中。文獻[10]制作了產(chǎn)生這種離子風裝置(又稱EHD空氣泵)的樣件。樣件有2種結構：針-網(wǎng)結構和線-網(wǎng)結構。其中針-網(wǎng)結構示意圖如圖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。這種結構空氣的流動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)結構示意圖

試驗用4種針-網(wǎng)結構的結構參數(shù)見表1，對針-網(wǎng)結構不同結構參數(shù)的4個樣件進行了測試。

表1 4種針-網(wǎng)結構的結構參數(shù)

離子風裝置的優(yōu)點是無運動部件、可靠性好、使用壽命長，通過進一步的研究和完善后，將為散熱強化提供又一技術方案。

2.3 微型風扇與熱沉的一體化

微型風扇的作用是加強熱沉周圍空氣的流動，強化空氣與熱沉之間的對流換熱。一般情況下，微型風扇與熱沉是2個相互獨立的散熱部件。不過，在進行電子器件熱設計時，需要考慮兩者之間的關系[11]。文獻[12]提出了一種新的設計方案，即將微型風扇與熱沉合二為一(見圖3)。空氣通過葉輪的旋轉(zhuǎn)由軸向進入，在熱的平板間沿葉輪徑向流出，帶走熱量。平板內(nèi)部流動著的水蒸氣被冷卻后凝結成水，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，水蒸氣則向上流動流回平板完成流動循環(huán)。平板有多層組成，相應地葉輪也有若干個，且平板間通過管道相互連通(為確保簡單清晰，圖3中省去了水與水蒸氣流動循環(huán)回路)。該設計方案結構緊湊，在進一步研究和完善后可用于空間受限情況下的散熱。

圖3 微型風扇與熱沉一體化結構示意圖

3 新型微型風扇(氣體輸送裝置)的應用

上述新型微型風扇(氣體輸送裝置)具有噪聲低、壽命長、可靠性好和結構緊湊等優(yōu)點，在大功率LED、個人計算機CPU等電子器件散熱方面有著良好的應用前景。

3.1 大功率LED散熱

大功率LED芯片發(fā)光時產(chǎn)生的熱量首先通過導熱傳遞至封裝部件的外表面，再由熱沉通過對流與輻射散失到周圍環(huán)境中。自然對流的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小，散失相同熱量所需的換熱面積較大，因此熱沉結構相對較大。壓電風扇結構簡單，使用壽命長，且噪聲低，可增強熱沉周圍空氣的流動，提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，從而減小熱沉結構尺寸。同樣，基于EHD的離子風微型裝置產(chǎn)生的離子風增大了熱沉周圍空氣流動的速度，強化了對流換熱[13]，且該裝置無運動部件，可靠性好，使用壽命長。

3.2 個人計算機CPU散熱

目前，個人計算機CPU散熱普遍采用旋轉(zhuǎn)式微型風扇加熱沉的方式，而即使是質(zhì)量優(yōu)良的旋轉(zhuǎn)式微型風扇，其使用壽命也遠低于可靠性好的電子器件。采用新型散熱微型風扇(氣體輸送裝置)，如壓電風扇、離子風裝置，可延長散熱系統(tǒng)的使用壽命，從而延長整個計算機的使用壽命。為增加空氣流量，提高散熱效果，對壓電風扇可采用多個風扇并聯(lián)使用的方式。文獻[10]將制作的基于EHD的離子風裝置樣件用于個人計算機CPU模型的散熱，達到了與旋轉(zhuǎn)式微型風扇相同的散熱效果。

4 結語

不同于大中型風機，旋轉(zhuǎn)式微型風扇由于結構尺寸小、流量低，流動往往處于非自模化區(qū)，流動相似需考慮相似準則數(shù)——雷諾數(shù)。壓電風扇具有使用壽命長、可靠性好等優(yōu)點；基于EHD的離子風微型裝置無運動部件，同樣具有可靠性好、使用壽命長的優(yōu)點；而微型風扇與熱沉的一體化設計，使散熱部件的結構更加緊湊。通過進一步的研究與完善，包括生產(chǎn)與制造工藝，這些新型微型風扇(氣體輸送裝置)在今后散熱設計中與旋轉(zhuǎn)式微型風扇相互補充，可提高相關電子產(chǎn)品的可靠性和使用壽命，同時進一步降低了使用能耗與噪聲。

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* 上海市“科技創(chuàng)新行動計劃”高新技術領域資助項目(12dz1143800)

責任編輯 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、傳熱與流體流動等方面的研究。

2016-08-19