CN219865369U - 一种压电风扇、散热器及电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种一种压电风扇、散热器及电子设备，其中的压电风扇包括由压电陶瓷驱动容积变化的鼓风腔，鼓风腔通过流道与其外部连通；当给压电陶瓷施以激励时，鼓风腔的容积跟随压电陶瓷的振动变化，迫使气体自流道流入流出实现风冷散热。该压电风扇通过具有流道的鼓风腔的容积变化驱动流道外部的气体流动，实现了对IGBT器件的局部快速风冷散热。相比现有技术方案，由于不需要使用悬臂式的风扇叶片，而是直接利用鼓风腔的挠性腔壁实现鼓风驱动，其结构简单可靠，而且体积小易于微型化，便于安装在各种尺寸的IGBT内部进行散热。

Description

一种压电风扇、散热器及电子设备

技术领域

本实用新型涉及散热风扇技术领域，具体涉及一种一种压电风扇、散热器及电子设备。

背景技术

近些年来，绝缘栅双极晶体管(IGBT)发展迅速，作为新型功率半导体器件的主流器件，已广泛应用于工业、通信、计算机、消费电子、汽车电子、航空航天、国防军工等传统产业领域，以及智能电网、新能源汽车等战略性新兴产业领域。由于存在导通和开关损耗，IGBT在正常工作期间会产生很高的热损耗。为了满足现代电力系统的需求，IGBT模块趋向于小型化和集成化，产生的损耗导致芯片上的热通量极大，芯片级的热通量可达到6.550MW/m2。在封装多芯片的IGBT功率模块当中，芯片间的热耦合效应会进一步加剧芯片上的热负荷，如果该热量没有及时被耗散，芯片内部温度超过最高结温(Tj，max)，将会造成永久型故障以致器件失灵。除此之外，正常操作中由于功率循环引起温度的幅度波动在器件内部形成的热应力，也可能导致功率器件发生故障。在实际应用中往往通过降频运行来保证IGBT模块的可靠性，然而这增加了系统成本。

在压电材料两端施加一定的电场，压电材料在逆压电效应和电致伸缩效应的作用下产生形变。当施加周期性变化的交流电场后，压电材料就能够进行周期性的连续振动，带动周围的空气流动，压电风扇正是利用这一特性工作的。与传统的自然风冷相比，压电风扇结构简单，可以制作成任意小的尺寸，并安装在任何需要进行局部散热的地方，压电风扇能够增强器件表面的空气流动，改善电子元器件的工作环境，有效降低了器件表而的温度，进而解决电子产品的局部过热问题。

公开号为CN101881285A的名为“压电风扇”的发明专利、公开号为CN111734691A的名为“一种扑翼式压电陶瓷散热风扇”的发明专利申请均公开了现有技术中的压电风扇的技术方案。总的来说，现有的压电风扇通常采用悬臂支撑结构。使用带状金属片作为风扇叶片，金属片的一端固定，另一端自由，其上下至少一面粘贴有压电陶瓷片以驱动金属片周期性振动，带动金属片周围的空气流动。这样的结构只能提供金属片自由端附近的小范围散热。为了提升类似技术方案的散热能力一般是通过采用叶片阵列的形式来增大散热面积。

注意到现有的使用风扇叶片的压电风扇为了达到期望的散热能力，需要阵列使用多个压电陶瓷驱动的风扇叶片，其结构复杂度增加，难以进一步小型化适应某些局部空间的应用。

实用新型内容

针对现有的基于振动叶片的压电风扇的结构复杂、难以进一步小型化的问题，本实用新型提供一种不同于现有技术方案的基于变容腔射流的一种压电风扇、散热器及电子设备。

本实用新型的技术方案提供一种压电风扇，包括由压电陶瓷驱动容积变化的鼓风腔，鼓风腔通过流道与其外部连通；当给压电陶瓷施以激励时，鼓风腔的容积跟随压电陶瓷的振动变化，迫使气体自流道流入流出实现风冷散热。

优选地，所述压电陶瓷设置在鼓风腔的挠性腔壁。

优选地，挠性腔壁的至少一个底面使用挠性板封闭，压电陶瓷固定在挠性板上。优选地，所述挠性板变厚度设置，其位于边缘与压电陶瓷安装位置之间的部分的厚度小于安装压电陶瓷所在位置的厚度。

优选地，所述压电陶瓷设置在挠性板外表面的几何中心。

优选地，所述流道为在挠性腔壁的侧壁上开设的至少一个射流孔。

优选地，所述流道上设置有引流管，所述引流管呈中空管状自射流孔引出，在引流管途经待散热位置设置有面向散热区域的引流口。

优选地，多个所述射流孔分别作为进流孔与出流孔，所述进流孔上设置一向鼓风腔内单向导通的单向阀使进流孔仅具备进风功能，所述出流孔中设置一个向鼓风腔外单向导通的单向阀使出流孔仅具备出风功能。

优选地，所述散热器包括至少一组上述任一项所述的压电风扇。

优选地，所述电子设备设置有如上所述的散热器。

本实用新型的压电风扇通过具有流道的鼓风腔的容积变化驱动流道外部的气体流动，从而实现对IGBT器件的局部快速风冷散热。鼓风腔的容积变化由安装在其挠性腔壁上的压电陶瓷驱动。相比现有技术方案，由于不需要使用悬臂式的风扇叶片，而是直接利用鼓风腔的挠性腔壁实现鼓风驱动，其结构简单可靠，而且体积小易于微型化，便于安装在各种狭小空间内部进行散热。

附图说明

图1为本实用新型的压电风扇结构示意图；

图2为本实用新型的压电风扇装配示意图；

图3为本实用新型的压电风扇的实施例2的结构示意图。

图中，

11:鼓风腔13:挠性腔壁131:挠性板14:侧壁15:引流管151:引流口12:流道121:射流孔211:进流孔212:出流孔2:压电陶瓷

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本实用新型进行详细说明，在本说明书中，附图尺寸比例并不代表实际尺寸比例，其只用于体现各部件之间的相对位置关系与连接关系，名称相同或标号相同的部件代表相似或相同的结构，且仅限于示意的目的。

图1为本实用新型的结构示意图，图2为其装配示意图。本实用新型的压电风扇主体为由压电陶瓷2驱动容积变化的鼓风腔11，鼓风腔11通过流道12与其外部连通。当给压电陶瓷2施以周期性激励时，压电陶瓷2产生压电振动，鼓风腔11的容积跟随压电陶瓷2的振动周期性变化，迫使气体自流道12周期性流入流出，从而在流道12出口外形成气流带走热源(IGBT)产生的热量。经过流道12的气体流速取决于流道12的过流面积与鼓风腔11的容积收缩率。压电陶瓷2设置在鼓风腔11的挠性腔壁13上，在外加电压激励下，压电陶瓷2驱动挠性腔壁13振动，振幅部分取决于挠性腔壁13的刚度，从而使得鼓风腔11的内部容积跟随变化。本方案中运动部件只有压电陶瓷2与挠性腔壁13，且压电陶瓷2与挠性腔壁13均固定设置，由于是由材料振动形成运动，因此不需要相对移动或转动部件，其结构设计更加简单可靠，可以规避现有技术中悬臂叶片根部疲劳失效的问题。并且显然实际上，压电风扇的体积主要取决于鼓风腔11的容积，而鼓风腔11的容积仅需要满足大于挠性腔壁13的振幅即可，因此相比现有技术更容易实现微型化，并应用于局部狭小空间中。

作为一个便于制造与布置的技术方案，鼓风腔11可以是呈棱柱体或棱台体而设置于设备内，在设备内通常空间是有限的，因此鼓风腔11通常是高度较低的矮柱体或者矮台体，于是形成其两个相比其侧面更为宽大的底面，由于底面宽大，压电陶瓷2适合设置在该底面上，挠性腔壁13进一步的可以呈圆柱体。因此在挠性腔壁13的两个底面中至少一个底面是使用挠性板131封闭的，其常见为金属材质。压电陶瓷2固定在该挠性板131上，优选的设置在挠性板131的几何中心。压电陶瓷2可以设置在挠性板131的内表面或者外表面，优选地，设置在挠性板131的外表面，从而方便压电陶瓷2的接线。为了优化挠性板131的振幅形成更大的容积变化，挠性板131优选具有变化的厚度，其连接侧壁与压电陶瓷2之间的区域内的厚度小于压电陶瓷2安装位置的厚度，这一方面保证了结构强度，另一方面侧壁与压电陶瓷2安装位置之间的部分为挠性板131在振动时的主要变形区，因此适当降低此处的厚度可以提高挠性板131的振幅。作为一个优选的且易于制造的技术方案，连接侧壁与压电陶瓷2安装位置之间的厚度为压电陶瓷2安装位置处的1/2。

流道12可以是在其侧壁14上开设的至少一个射流孔121，从而通过以上挠性腔壁13在流道12外部形成强制对流。在具体的实验实施例中，流道12的数量取决于散热需求，比如流道12围绕在侧壁14上开设有6个。此时通过模态分析得到，当频率小于七万赫兹时，压电陶瓷和金属膜片几乎没有明显振幅，而侧壁有振幅；当频率达到七万赫兹时，第十五阶和十六阶的模态最符合振动规律，挠性腔壁13的上下表面均有振动并且振幅几乎一致；超过十万赫兹后，压电陶瓷上下表面振幅不一致，产生的总能量有限。综合确定采用第十五阶模态的结果，将压电陶瓷振动频率设置为71866Hz，从而激发系统在该频率下做周期性振动，此时系统振型中，挠性腔壁13的振幅最大。在此震动频率下，经分析测量流道12处的气体流速可以达到30m/s。为了将气流引出至电路板的需要散热的IGBT的安装位置处，流道12上可选地安装有引流管15，引流管15呈中空管状自射流孔121引出，在引流管15途经待散热位置设置有面向散热区域的引流口151。即通过引流口151将由流道12进入/泄出的气流转移至引流口151当面的待散热区域(比如IGBT的安装位置)，从而定点地提升对特定散热区域的散热效率。需要说明的是引流口151的延伸方式并无特殊要求，其可以是图3所示直线的，也可以是曲折或弯曲设置的，具体视实际的散热区域的相对位置确定。

在以上技术方案中，流道12在一个工作周期内先后作为进风口与出风口，这会导致存在部分高温气流是在该过程中被循环吸进-泄出的。为了提升散热效果，多个射流孔121可以分为进流孔211与出流孔212，进流孔211设置一向鼓风腔11内单向导通的单向阀使进流孔211仅具备进风功能，出流孔212中设置一个向鼓风腔11外单向导通的单向阀使出流孔212仅具备出风功能。为了适应压电风扇的小型化要求，单向阀可以是鸭嘴阀。在使用时，进流孔211接入至冷源侧，比如设备外空间，出流孔212的出口或者与出流孔212连接的引流管15的引流口151设置在散热区域中。从而通过鼓风腔11实现进流孔211处的冷气流进入散热区域提升散热效果。

上述压电风扇被用于散热器中给相应的电子设备的内部电子器件散热。这样的散热器应当至少包括一组如上所述的压电风扇。电子设备则安装有该散热器以提高其内部散热能力。基于此本申请还要求保护该散热器以及电子设备。

上述内容仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种压电风扇，其特征在于，包括由压电陶瓷(2)驱动容积变化的鼓风腔(11)，鼓风腔(11)通过流道(12)与其外部连通；当给压电陶瓷(2)施以激励时，鼓风腔(11)的容积跟随压电陶瓷(2)的振动变化，迫使气体自流道(12)流入流出实现风冷散热；

所述压电陶瓷(2)设置在鼓风腔(11)的挠性腔壁(13)；

挠性腔壁(13)的至少一个底面使用挠性板(131)封闭，压电陶瓷(2)固定在挠性板(131)上；

所述流道(12)为在挠性腔壁(13)的侧壁(14)上开设的至少一个射流孔(121)；

多个所述射流孔(121)分别作为进流孔(211)与出流孔(212)，所述进流孔(211)上设置一向鼓风腔(11)内单向导通的单向阀使进流孔(211)仅具备进风功能，所述出流孔(212)中设置一个向鼓风腔(11)外单向导通的单向阀使出流孔(212)仅具备出风功能。

2.如权利要求1所述的压电风扇，其特征在于，所述挠性板(131)变厚度设置，其位于边缘与压电陶瓷(2)安装位置之间的部分的厚度小于安装压电陶瓷(2)所在位置的厚度。

3.如权利要求2所述的压电风扇，其特征在于，所述压电陶瓷(2)设置在挠性板(131)外表面的几何中心。

4.如权利要求1所述的压电风扇，其特征在于，所述流道(12)上设置有引流管(15)，所述引流管(15)呈中空管状自射流孔(121)引出，在引流管(15)途经待散热位置设置有面向散热区域的引流口(151)。

5.一种散热器，其特征在于，所述散热器包括如权利要求1-4任一项所述的压电风扇，所述压电风扇在所述散热器中设置至少一组。

6.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备设置有如权利要求5所述的散热器。