散热用微型风扇新技术的研究与应用*

翁建华，石梦琦，崔晓钰

(1.上海电力学院 能源与机械工程学院，上海 200090；2.上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093)

散热用微型风扇新技术的研究与应用*

翁建华1，石梦琦1，崔晓钰2

(1.上海电力学院 能源与机械工程学院，上海 200090；2.上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093)

旋转式微型风扇具有结构尺寸小、流量低的特点，内部空气流动的雷诺数低，流动往往处于非自模化区；因此，相似理论在旋转式微型风扇中的运用比大中型风机复杂。相对于半导体电子器件，旋转式微型风扇的使用寿命偏低，研制可靠性好、使用寿命长的新型微型风扇或气体输送装置，如压电风扇、基于EHD的离子风装置，可提高整个电子产品的可靠性，并延长其使用寿命。此外，微型风扇与热沉一体化的设计可使散热装置更为紧凑，以满足电子产品不断小型化的要求。

微型风扇；压电风扇；离子风；散热

依据热流密度、制造成本以及应用场合等因素，电子器件的散热设计可采用不同的技术方案。比如，对于散热量小、空间限制少和热流密度低的电子器件，只需增加换热面积，并采用空气自然对流换热的方式；反之，则需要采用其他散热方式，如液体冷却。目前，个人计算机CPU以及一些功率器件等的散热一般采用空气强制对流，其中微型风扇是这种散热方式的主要部件之一。随着设计及制造工艺水平的不断提高，质量优良的旋转式微型风扇使用寿命已可达约20 000 h，但仍远低于可靠性好的半导体电子器件的使用寿命[1]。另外，电子产品的小型化趋势也使用于散热的空间越来越小。相对于流量较大的大中型风机，微型风扇(包括其他型式的气体输送装置)在性能、效率和结构等方面仍需进一步地研究与改进。本文将探讨相似理论在旋转式微型风扇中的运用，并介绍几种新型微型风扇(气体输送装置)及其在电子器件散热中的应用。

1 旋转式微型风扇流动相似的研究

流动相似是旋转式微型风扇研究的一个重要方面。对于大中型叶片式风机而言，相似定律是设计、运行及模型试验的重要依据。比如，选取一台效率高、结构简单、性能可靠的风机作为模型，通过相似关系式，即可设计另一台风机，以满足不同流量及风压的要求。设计过程简单、可靠。大中型风机的结构尺寸相对较大，输送气体的流量较高，流动处于自模化区，动力相似自动满足。微型风扇结构尺寸小，输送空气的流量低，雷诺数不高，流动往往处于非自模化区。为研究相似理论在旋转式微型风扇中的应用，文献[2]制作了试验模型，其中最小的风扇模型外形长与宽仅为6 mm×6 mm，叶轮材质为金属材料，并采用微电火花加工技术加工完成。试验研究表明，旋转式微型风扇内流动的动力相似应考虑雷诺数这一相似准则数[3]。对微型泵的试验研究也得到了相同的结论[4]。因此，相似理论在旋转式微型风扇中的运用比大中型叶片式风机复杂。

2 新型微型风扇(气体输送装置)的研究

2.1 压电风扇

压电风扇由压电材料与弹性薄片等组成，其中一种压电风扇工作示意图如图1所示。

图1 压电风扇工作示意图

当在压电材料上施加一定频率的交变电压时，压电材料会产生周期性的弯曲，引发弹性薄片的谐振，从而使周围空气流动，强化对流换热。当驱动电压的频率接近弹性薄片的固有频率时，其振幅最大。压电风扇一般应工作在一阶固有频率，以便使风扇的噪声最小[5]。

弹性薄片的材质可以是塑料，如PVC、PET，也可以是金属材料，如不锈钢、黄铜和铝等。

压电材料与弹性薄片之间的连接工艺十分重要，连接所用胶的种类、胶层的厚度等工艺参数不仅对弹性薄片的振幅有影响，更与压电风扇的使用寿命直接相关。

此外，不少文献对压电风扇所形成的流场进行了试验研究和数值计算。如文献[6]对压电风扇周围的流场采用粒子图像测速仪(PIV)进行了测试，并对简化后的二维流场进行了数值计算；文献[7]采用紊流RNGk-ε模型以及动网格技术，对压电风扇周围的非定常流动进行了数值计算，结果表明，在经过若干振动周期后，压电风扇附近出现反向涡对。这些研究揭示了压电风扇产生的流场特性，为压电风扇的设计提供了理论依据。

2.2 基于EHD的离子风技术

依据电流体动力学(Electro-hydrodynamic，EHD)，在曲率半径不同的电极之间施加高电压，在曲率半径小的电极周围空气发生电离，产生的离子在高压电场作用下作定向运动，并撞击其他中性空气分子，产生新的离子，而离子的定向运动驱动空气分子运动，在宏观上使空气产生定向流动，这种空气流动又称离子风(ionic wind)[8-9]。近年来，不少研究者试图将离子风应用到电子产品的散热中。文献[10]制作了产生这种离子风装置(又称EHD空气泵)的样件。样件有2种结构：针-网结构和线-网结构。其中针-网结构示意图如图2所示，网格间距a取2 mm，针状电极为高压极，网状电极接地。这种结构空气的流动方向由针状电极流向网状电极，并从网状电极流出。

图2 EHD空气泵样件针-网结构示意图

试验用4种针-网结构的结构参数见表1，对针-网结构不同结构参数的4个样件进行了测试。

表1 4种针-网结构的结构参数

离子风装置的优点是无运动部件、可靠性好、使用寿命长，通过进一步的研究和完善后，将为散热强化提供又一技术方案。

2.3 微型风扇与热沉的一体化

微型风扇的作用是加强热沉周围空气的流动，强化空气与热沉之间的对流换热。一般情况下，微型风扇与热沉是2个相互独立的散热部件。不过，在进行电子器件热设计时，需要考虑两者之间的关系[11]。文献[12]提出了一种新的设计方案，即将微型风扇与热沉合二为一(见图3)。空气通过叶轮的旋转由轴向进入，在热的平板间沿叶轮径向流出，带走热量。平板内部流动着的水蒸气被冷却后凝结成水，在重力作用下流向底部蒸发器受热蒸发，并带走电子器件的热量，水蒸气则向上流动流回平板完成流动循环。平板有多层组成，相应地叶轮也有若干个，且平板间通过管道相互连通(为确保简单清晰，图3中省去了水与水蒸气流动循环回路)。该设计方案结构紧凑，在进一步研究和完善后可用于空间受限情况下的散热。

图3 微型风扇与热沉一体化结构示意图

3 新型微型风扇(气体输送装置)的应用

上述新型微型风扇(气体输送装置)具有噪声低、寿命长、可靠性好和结构紧凑等优点，在大功率LED、个人计算机CPU等电子器件散热方面有着良好的应用前景。

3.1 大功率LED散热

大功率LED芯片发光时产生的热量首先通过导热传递至封装部件的外表面，再由热沉通过对流与辐射散失到周围环境中。自然对流的表面传热系数小，散失相同热量所需的换热面积较大，因此热沉结构相对较大。压电风扇结构简单，使用寿命长，且噪声低，可增强热沉周围空气的流动，提高表面传热系数，从而减小热沉结构尺寸。同样，基于EHD的离子风微型装置产生的离子风增大了热沉周围空气流动的速度，强化了对流换热[13]，且该装置无运动部件，可靠性好，使用寿命长。

3.2 个人计算机CPU散热

目前，个人计算机CPU散热普遍采用旋转式微型风扇加热沉的方式，而即使是质量优良的旋转式微型风扇，其使用寿命也远低于可靠性好的电子器件。采用新型散热微型风扇(气体输送装置)，如压电风扇、离子风装置，可延长散热系统的使用寿命，从而延长整个计算机的使用寿命。为增加空气流量，提高散热效果，对压电风扇可采用多个风扇并联使用的方式。文献[10]将制作的基于EHD的离子风装置样件用于个人计算机CPU模型的散热，达到了与旋转式微型风扇相同的散热效果。

4 结语

不同于大中型风机，旋转式微型风扇由于结构尺寸小、流量低，流动往往处于非自模化区，流动相似需考虑相似准则数——雷诺数。压电风扇具有使用寿命长、可靠性好等优点；基于EHD的离子风微型装置无运动部件，同样具有可靠性好、使用寿命长的优点；而微型风扇与热沉的一体化设计，使散热部件的结构更加紧凑。通过进一步的研究与完善，包括生产与制造工艺，这些新型微型风扇(气体输送装置)在今后散热设计中与旋转式微型风扇相互补充，可提高相关电子产品的可靠性和使用寿命，同时进一步降低了使用能耗与噪声。

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* 上海市“科技创新行动计划”高新技术领域资助项目(12dz1143800)

责任编辑 郑练

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

翁建华(1968-)，男，副教授，博士，主要从事电子器件散热、传热与流体流动等方面的研究。

2016-08-19