CN101032718A - 复合模式换能器及具有复合模式换能器的冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合模式换能器，应用于散逸发热元件的热量，该复合模式换能器至少包括：换能模块，至少由并联的第一、第二换能元件组成，将输入的电能转换成厚度方向的振动输出；以及连接元件，连接到第一、第二换能元件谐振的节点，用于导通第一、第二换能元件，并将第一、第二换能元件产生的各别模式合成为系统的谐振模式。本发明的复合模式换能器及具有复合模式换能器的冷却装置简化了结构、降低复合模式共振的设计难度，使换能结构可连设于节点处，边界条件不会影响到复合模式运作效能，避免应力集中的问题，并增进换能效率与提升雾化能力，它以共振复频电路驱动，易于切换复合模式换能器的运行效能。

Description

复合模式换能器及具有复合模式换能器的冷却装置

技术领域

本发明是关于一种换能装置，特别是关于一种复合模式换能器及具有复合模式换能器的冷却装置。

背景技术

冷却系统在发热件中的应用已有多年，废热会对发热件产生不良影响，例如机械加工方面，在钻孔、车床切削等加工方法上，由于摩擦产生废热，易使加工刀具及加工件产生热膨胀，导致尺寸改变而失去精度或导致刀具被卡的情况，此时需要使用切削液带走产生的废热；电子元件也存在相同的现象，废热的累积会造成电子元件特性的改变或导致偏离正常的工作温度，此时轻则当机，重则烧毁电子元件，上述情况要使用冷却系统将热量移转并传递到其它地方。

以计算机系统的操作为例，中央处理器(CPU)或其它处理器(如GPU)产生的热量必须很快的带走，以便将温度维持在制造商要求的额定范围内。目前主要是用风扇及散热片模块进行气冷散热，运作模式是将散热片底部接触到发热源，并将发热源的热量传输到散热片，风扇接于散热片的表面，利用风扇转动将空气吹入散热片之间进行热交换，达到降温的目的。此外，有一种液冷方式则通过一封闭系统与发热源直接或间接接触进行热交换，它是利用内部冷却液体的循环运行，冷却液体循环流动接触到热源实现热量交换的目的。

以目前CPU的发展趋势来看，其运行期间产生的热量越来越多，空气介质冷却芯片的方式逐渐已不能满足CPU需求。依照摩尔定律，CPU每隔18月会产生新一代的产品，因此在频率提高的情况下，计算机运算速度加快，造成单位面积产生的热量呈增加的趋势，所以液冷模式逐渐受到重视，早期的冷却系统大多是以风扇加上散热鳍片的方式，如中国台湾专利I235907号所述，随着科技的日益进步，芯片逐渐趋向以微小化及高频率，积存于单位密度的热量越来越大，因此液冷模式的冷却系统也应运而生。

中国台湾专利公开公报200534776号所述，是将液体导入吸热器进行热交换，再流经散热器(俗称散热排)进行液体与空气的热交换，由泵推动冷却液进行循环；类似的应用也见中国台湾专利451045号，它是利用室内热交换机将热量导出室外机进行热交换的原理，并利用液体振动雾化产生水雾加速热交换的面积与能力。

有鉴于以上热交换方式不足于在较小的空间带走单位体积内积存的高热量，美国第US6713942B2专利与日本专利JP2002134975、JP200264599用压电元件制作成压电风扇，再利用压电风扇冷却便携式产品(如笔记本型计算机、手机、数字照相机等)中的高发热元件产生的热量；相似的解决方式有日本专利JP200261173，它通过压电风扇振动板的振动把冷却液体喷出，降低发热元件的温度。

目前压电换能器制成的冷却系统因为其具有体积小与结构简单、功耗低的特性，应用的领域非常广泛，研究与应用上已逐渐受到更多的注目，这项利用压电换能器的冷却技术已应用在计算机散热冷却领域，如美国专利US6247525B1号，请参阅图1，它是利用驱动器16经连接线14驱动粘贴在隔板15一表面12的压电致动器13产生超音波，振动隔板15另一表面11，雾化由液体注入区17经注射器18注入的流动性液滴19，形成上飘的液滴与发热面进行热交换，之后通过周围的散热鳍片冷凝汽化后的工作流体，再经循管壁回流到振荡区域进行下一次动作。

然而，压电式致动器大多在共振频率下操作，因为共振模式的影响具有较高的振动能量，相对具有较大的雾化量以及较佳的散热效果，因此应用在冷却系统时会有较大的散热量，相对的在共振频率时元件阻抗也较低，有较大的机电能量转换效率，可得到较大的雾化量。但是，因为压电致动器共振频率会受到环境(如温度等因素)或边界条件变化或者是封装制程的影响，使得共振频率存在着固定点选用的问题，固定点的选用会影响到雾化的效果与表现，且在一片隔板上粘贴多个压电致动器在致动时，压电致动器之间不同向的运动干涉也会导致隔板部分区域应力集中的问题，如此会影响系统工作的效率与耐久性，且降低了系统的稳定性，此外，单一压电致动器的多个具有厚度方向谐振频率间的频率相距甚远，不易设计控制电路与使用其谐振特性，如此降低了系统可用性。

因此，如何有效解决上述技术存在的问题，开发出一种换能器及具有该换能器的冷却装置，提供频率较近的厚度振动方向的谐振频率，使系统易于设计与控制，并避免应力集中导致耐用性不佳的问题，并可随系统温度变化，调变雾化雾滴颗粒大小，必要时可增加热交换量、提升换能效率及避免环境因子影响换能效果，是目前亟待解决的课题。

发明内容

为克服上述现有技术的缺点，本发明的主要目的在于提供一种复合模式换能器及具有复合模式换能器的冷却装置，它简化了结构、降低复合模式共振的设计难度。

本发明的次一目的在于提供一种复合模式换能器及具有复合模式换能器的冷却装置，使换能结构可连设于节点处，边界条件不会影响到复合模式运作效能，避免应力集中的问题，并增进换能效率与提升雾化能力。

本发明的另一目的在于提供一种复合模式换能器及具有复合模式换能器的冷却装置，以共振复频电路驱动，易于切换复合模式换能器的运行效能。

为达上述目的及其它目的，本发明提供一种复合模式换能器，该复合模式换能器至少包括：换能模块，至少由并联的第一、第二换能元件组成，将输入的电能转换成厚度方向的振动输出；以及连接元件，连接到第一、第二换能元件谐振的节点，用于导通第一、第二换能元件，并将第一、第二换能元件产生的各别模式合成为系统的谐振模式。

该换能模块是将输入的电能转换成机械能，再以厚度方向的振动方式输出；该换能元件是压电体，该换能元件是压电体胶合金属平板，降低谐振点的频率，其中，该压电体与金属平板是以热硬化胶或UV胶胶合；该连接元件是硬质金属材料，该连接元件是硬质金属导电材料，用于电性连接该第一、第二换能元件。

此外，上述本发明的复合模式换能器还包括一复频共振电路，其中，该复频共振电路可输出第一换能元件的谐振频率、第二换能元件的谐振频率、第一换能元件谐振频率与第二换能元件谐振频率相减的复合频率或第一换能元件谐振频率与第二换能元件谐振频率相加的复合频率，较佳地，该复频共振驱动电路是针对换能元件组合后的系统换能元件谐振点所设计，并同时驱动该第一、第二换能元件，产生复合模式的雾化效益。

为达上述目的，本发明还提供一种具有复合模式换能器的冷却装置，该冷却装置包括：热交换模块，用于容置要雾化的液体、并提供热交换空间；以及复合模式换能器，连接于该热交换模块的一侧，用于振荡热交换模块内容置的液体，并以雾化的形态吸附发热元件传出的热量，该复合模式换能器包括至少由并联的第一、第二换能元件组成的换能模块，将输入的电能转换成厚度方向的振动输出；以及连接至第一、第二换能元件谐振节点的连接元件，用于导通第一、第二换能元件，并将第一、第二换能元件产生的各别模式合成为系统的谐振模式。复合模式换能器在谐振频率工作时能将热交换的液体以雾化形式吸附发热元件传出的热量。

上述装置中，该热交换模块包括一容置单元、一可供雾化进行热交换的液体以及一注液区，其中，该热交换模块是贴设于发热元件的表面，它可用导热胶接着在发热元件表面，且该热交换模块外表面周遭可附加散热鳍片(图标出)，并用金属扣环辅助夹持；该换能模块将容置单元内的液体雾化后做为热交换的介质。

此外，上述本发明的具有复合模式换能器的冷却装置还包括一液位开关元件，该液位开关元件是用于避免因液体流失导致复合模式换能器烧毁。

本发明借由至少并联第一、第二换能元件组成的换能模块、连接于第一、第二换能元件谐振节点的连接元件以及设于复合模式换能器一侧的热交换模块的组设，在系统发热元件处于高温时，使用较低的复频驱动复合模式换能器，产生颗粒较大的液滴，在此谐振频率下会消耗较多的能量，但也可带走较多的热量，若系统发热元件为低温时，则以较高频的复频驱动复合模式换能器，产生颗粒较细致的液滴，带走较少的热量，相对地具有节能的功效。

本发明提出的复合模式换能器及具有复合模式换能器的冷却装置是由至少并联第一、第二换能元件组成的换能模块、连设于第一、第二换能元件谐振节点的连接元件以及设于复合模式换能器一侧的热交换模块组成，利用复频共振电路驱动该第一、第二换能元件，由第一、第二换能元件的连设，以复合方式相加或相减二个元件不同的厚度方向谐振频率，并配合该二个换能元件本身的谐振频率，达到具有谐振频率相邻近的四种系统厚度方向的谐振频率，并产生不同换能模块的复合模式，通过不同换能模块复合模式的厚度方向机械振动，以及产生特定分布的雾化液滴，使成形后的微小雾滴直接喷洒于发热接着面；或经由可挠性管路，配合压力区的配置(如风扇的设置)，通过喷嘴喷洒于邻近的发热面上，借由微颗粒吸热达到热交换的功效，故可随系统温度调变雾化雾滴颗粒的大小分布，增加热交换量、提升换能效率及避免环境因子影响换能效果，且经由至少并联第一、第二换能元件的连接形成复合模式的谐振效果，从而可避免部分区域应力集中的问题，如此可提升系统工作的效率与耐久性，且增进工作稳定性，解决现有技术存在的问题。

本发明的复合模式换能器及具有复合模式换能器的冷却装置简化了结构、降低复合模式共振的设计难度，使换能结构可连设于节点处，边界条件不会影响到复合模式运作效能，避免应力集中的问题，并增进换能效率与提升雾化能力，它以共振复频电路驱动，易于切换复合模式换能器的运行效能。

附图说明

图1是现有压电振动雾化液滴的装置示意图；

图2A是本发明复合模式换能器剖面示意图；

图2B是二个换能元件各别频率响应示意图；

图2C是本发明复合模式换能器频率响应示意图；

图3是本发明复合模式换能器及具有复合模式换能器的冷却装置示意图；以及

图4是本发明复合模式换能器及设有弹性化可挠性喷雾管路的冷却装置示意图。

具体实施方式

实施例

请参阅图2A，它是本发明的复合模式换能器剖面示意图，如图所示，本发明复合模式换能器包括至少由并联的第一换能元件31和第二换能元件33组成的换能模块3以及连接第一元件31和第二换能元件33谐振节点的连接元件。该换能元件是压电体，该压电体是压电陶瓷材料，该换能元件由压电体及一金属平板组成。该连接元件是硬质金属材料，该连接元件是导电材料，用于电性连接该第一、第二换能元件。

该第一换能元件31的第一压电换能器311是以胶合单元4与上金属平板313胶合，第二换能元件33的第二压电换能器331是以胶合单元4与下金属平板333胶合，该胶合单元4最好是选自热硬化胶或UV胶其中一种；该硬质金属导电连接件35则连设于第一压电换能器311与第二压电换能器331的节点处间，形成剖面为工字型的结构，避免影响谐振时的输出效益；该复合模式换能器还包括一复频共振电路7，该共振电路7将不同的复频选择通过该硬质金属导电连接件35，输出到第一压电换能器311与第二压电换能器331，由尺寸规格大小与厚薄不同的压电换能器产生厚度方向上不同的复合模式振动。该复合模式换能器还包括一复频共振电路，该复频共振电路可输出第一换能元件的谐振频率、第二换能元件的谐振频率、第一换能元件谐振频率与第二换能元件谐振频率相减的频率或第一换能元件谐振频率与第二换能元件谐振频率相加的频率。

请再配合参照图2B，单一第一压电换能器311的频率响应为IM1，其厚度方向谐振频率比单一第二压电换能器331的频率响应IM2低，且越高频率响应越不明显，则无法使用，再配合参照图2C，它是本发明复合模式换能器频率响应示意图，借由复合第一、第二换能器可使复合模式换能器产生该二个换能器的谐振频率相加及相减的谐振频率，使复合模式换能器的频率响应IM3具有较近的谐振点可供设计使用，从而使得换能模块3具有不同的复合模式输出。

请参阅图3，它是本发明复合模式换能器及具有复合模式换能器的冷却装置示意图。如图所示，本发明具有复合模式换能器的冷却装置包括由容置区51、液体53、液位开关57以及注入口59组成的热交换模块5以及经由连接元件并联第一、第二换能元件谐振节点的复合模式换能器3组成。热交换模块5包括多个连接的换能模块，该热交换模块5用于容置要雾化的液体、并提供热交换空间，复合模式换能器3连接于该热交换模块5的一侧，用于振荡热交换模块内容置的液体53，并以雾化的形式吸附发热元件传出的热量，该复合模式换能器5包括至少由并联的第一、第二换能元件组成的换能模块，将输入的电能转换成厚度方向的振动输出；以及连接至第一、第二换能元件谐振节点的连接元件，用于导通第一、第二换能元件，并将第一、第二换能元件产生的各别模式合成为系统的谐振模式。

该复合模式换能器5还包括一复频共振电路，该复频共振电路可输出第一换能元件的谐振频率、第二换能元件的谐振频率、第一换能元件谐振频率与第二换能元件谐振频率相减的频率或第一换能元件谐振频率与第二换能元件谐振频率相加的频率。

将作为热交换介质的液体53由注入口59注入容置区51，并通过换能模块3经由不同的复合模式谐振，将容置区51内的液体53雾化成雾化液滴55，使成形后的雾化液滴55直接喷洒于发热元件6与该热交换模块5贴合的传导面上，经由微颗粒吸热达到强制热交换的功效，较佳地，发热元件6与该热交换模块5是以导热胶填补其贴合面的间隙，以实现较佳的热传导率，并可用金属扣环(图标出)辅助夹持贴合；此外，本发明也可经由可挠性管路8，配合压力区的配置(如风扇的设置)，通过喷嘴喷洒在邻近的发热面上，如图4所示，解决发热面没有处于水平方向的问题。

由至少并联第一、第二换能元件组成的换能模块、连设于多个换能元件节点的连接元件以及设于复合模式换能器一侧热交换模块的组设，若系统发热元件在高温时，则使用较低的复频驱动复模换能模块，产生颗粒较大的液滴，此谐振频率下会耗去较多的能量，但也可带走较多的热量，若系统发热元件为低温时，则用较高频的复频驱动复模换能模块，产生颗粒较细的液滴，则带走较少的热量，相对达到节能的功效。

与现有技术相比，本发明提出的复合模式换能器及具有复合模式换能器的冷却装置，是利用复频共振电路驱动该第一、第二换能元件，在系统谐振频率下，产生不同换能模块复合模式，并且通过尺寸规格大小与厚薄不同的压电换能器产生厚度方向上不同的复合模式振动，产生特定分布的雾化液滴，使成形后的微小雾滴直接喷洒于发热接着面，或经由可挠性管路，配合压力区的配置(如风扇的设置)，通过喷嘴喷洒于邻近的发热面上，由微颗粒吸热达到热交换的功效，它可随着系统温度调变雾化雾滴颗粒的大小及分布，可随时增加热交换量、提升换能效率及避免环境因子影响换能效果，且经由至少并联第一、第二换能元件的连接形成复合模式的谐振效果，可避免部分区域应力集中的问题，如此可提升系统的工作效率与耐久性且增进工作稳定性，克服现有技术存在的问题。

Claims (29)

1.一种复合模式换能器，其特征在于，该复合模式换能器至少包括：

换能模块，至少由并联的第一、第二换能元件组成，将输入的电能转换成厚度方向的振动输出；以及

连接元件，连接到第一、第二换能元件谐振的节点，用于导通第一、第二换能元件，并将第一、第二换能元件产生的各别模式合成为系统的谐振模式。

2.如权利要求1所述的复合模式换能器，其特征在于，该复合模式换能器包括多个相连接的换能模块。

3.如权利要求1所述的复合模式换能器，其特征在于，该换能元件是压电体。

4.如权利要求3所述的复合模式换能器，其特征在于，该压电体是压电陶瓷材料。

5.如权利要求1所述的复合模式换能器，其特征在于，该换能元件由压电体及一金属平板组成。

6.如权利要求5所述的复合模式换能器，其特征在于，该压电体与金属平板的粘合是用热硬化胶或UV胶。

7.如权利要求1所述的复合模式换能器，其特征在于，该连接元件是硬质金属材料。

8.如权利要求1所述的复合模式换能器，其特征在于，该连接元件是导电材料，用于电性连接该第一、第二换能元件。

9.如权利要求1所述的复合模式换能器，其特征在于，该复合模式换能器还包括一复频共振电路。

10.如权利要求1所述的复合模式换能器，其特征在于，该复合模式换能器还包括一复频共振电路，该复频共振电路可输出第一换能元件的谐振频率、第二换能元件的谐振频率、第一换能元件谐振频率与第二换能元件谐振频率相减的频率或第一换能元件谐振频率与第二换能元件谐振频率相加的频率。

11.一种冷却装置，用于散逸发热元件产生的热量，其特征在于，该冷却装置包括：

热交换模块，用于容置要雾化的液体、并提供热交换空间；以及

复合模式换能器，连接于该热交换模块的一侧，用于振荡热交换模块内容置的液体，并以雾化的形态吸附发热元件传出的热量，该复合模式换能器包括至少由并联的第一、第二换能元件组成的换能模块，将输入的电能转换成厚度方向的振动输出；以及连接至第一、第二换能元件谐振节点的连接元件，用于导通第一、第二换能元件，并将第一、第二换能元件产生的各别模式合成为系统的谐振模式。

12.如权利要求11所述的冷却装置，其特征在于，该热交换模块包括一容置单元、一可用于雾化进行热交换的液体及一注液区。

13.如权利要求11所述的冷却装置，其特征在于，该热交换模块是贴设于发热元件的表面。

14.如权利要求13所述的冷却装置，其特征在于，该热交换模块是用导热胶粘着在发热元件的表面。

15.如权利要求13所述的冷却装置，其特征在于，该热交换模块是用金属扣环辅助夹持于发热元件的表面。

16.如权利要求11所述的冷却装置，其特征在于，该热交换模块还包括一液位开关元件，避免因液体流失导致复合模式换能器烧毁。

17.如权利要求11所述的冷却装置，其特征在于，该换能模块将容置单元内的液体雾化为热交换的介质。

18.如权利要求12所述的冷却装置，其特征在于，该换能模块的容置单元外表面还设有散热鳍片。

19.如权利要求11所述的冷却装置，其特征在于，该热交换模块还设有一可挠性管路，以供邻近非水平向发热源散热。

20.如权利要求12所述的冷却装置，其特征在于，该容置单元设置有风扇，用于进行强制对流。

21.如权利要求11所述的冷却装置，其特征在于，该热交换模块包括多个连接的换能模块。

22.如权利要求11所述的冷却装置，其特征在于，该换能元件是压电体。

23.如权利要求22所述的冷却装置，其特征在于，该压电体是压电陶瓷材料。

24.如权利要求11所述的冷却装置，其特征在于，该换能元件由压电体及一金属平板组成。

25.如权利要求24所述的冷却装置，其特征在于，该压电体与金属平板是用热硬化胶或UV胶粘合。

26.如权利要求11所述的冷却装置，其特征在于，该连接元件是硬质金属材料。

27.如权利要求11所述的冷却装置，其特征在于，该连接元件是导电材料，用于电性连接该第一、第二换能元件。

28.如权利要求11所述的冷却装置，其特征在于，该复合模式换能器还包括一复频共振电路。

29.如权利要求11所述的冷却装置，其特征在于，该复合模式换能器还包括一复频共振电路，该复频共振电路可输出第一换能元件的谐振频率、第二换能元件的谐振频率、第一换能元件谐振频率与第二换能元件谐振频率相减的频率或第一换能元件谐振频率与第二换能元件谐振频率相加的频率。

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