一种结合压电风扇的散热器及其温度控制方法

1.本发明涉及一种适用于高功率小体积电子器件的散热器结构，具体涉及一种结合压电风扇的散热器及其温度控制方法。


背景技术：

2.随着电子技术的发展，电子器件的性能显著增强。但与此同时电子器件的集成密度，封装度以及工作频率也在不断提高，与之相对应的单位体积的电子器件总功率和发热量大幅增加。电子器件的散热成为阻碍电子技术进步的阻力之一。
3.以往的电子器件散热方式一般都是在不同密集型翅片散热器例如板翅式、针肋等的基础上增加轴流风扇进行强制对流散热。但是，对于空间有限的发热器件，轴流风扇的运用受到限制。并且密集型翅片的散热器的风阻也严重影响了散热器中的空气流动，针对散热过程需要重点关注的热流密度最大的热源区域，空气流速急剧减小，影响冷空气的有效利用。


技术实现要素：

4.为了解决现有散热器在有限空间中风阻过大导致的散热效果较差的问题，本发明的目的在于提供一种结合压电风扇的散热器及其温度控制方法。
5.为了实现上述目的，该发明的结合压电风扇的散热器：包括：开设有多个通风孔的上盖板和底板，在上盖板下表面设置有压电风扇组，在底板上表面设置有若干组散热器本体；
6.所述的压电风扇组中的每一个压电风扇包括固定基座、压电陶瓷和振动薄片，所述压电陶瓷通过黏附剂粘接于所述振动薄片的两侧，所述压电陶瓷与所述振动薄片底部通过胶粘剂与所述固定基座粘接连接，所述压电风扇组通过胶粘剂粘接于所述上盖板的下表面；
7.每个散热器本体包括多个导流板和多个散热孔，所述散热孔的截面形状为多边形，所述多个散热孔紧密排列，任意两个相邻的所述散热孔的重合平面靠近所述上盖板的一侧固定有所述导流板，所述上盖板通过胶粘剂与所述散热器本体顶层导流板粘接固定，所述底板固定于所述散热器本体底面，压电风扇组插入所述散热孔内。
8.所述的散热器本体的外围还设置有圆筒防护网，所述圆筒防护网内侧面通过胶粘剂与所述底板外侧面粘接固定。
9.所述散热孔截面形状为：等腰梯形、正八边形或正六边形。
10.所述导流板及构成散热孔的材料为：铝、铜或导热碳纤维中的一种。
11.所述导流板的高度满足：lm＝0.4*h+0.2*m*h,(2《m《11)，其中，lm为从所述底板位置往所述上盖板方向数第m层导流板的高度，h为所述散热孔的高度，m为所述导流板自所述底板往所述上盖板方向排列的序号。
12.所述压电风扇组任意两个相邻的压电风扇之间的相位差为(360/n)
°
，其中n为所
述压电风扇组中压电风扇的数量。
13.所述散热孔的截面多边形的尺寸满足：所述散热孔的截面多边形的尺寸满足：其中，r为所述截面多边形内切圆半径，a为所述压电风扇顶端振幅，p为所述截面多边形边的数量；所述散热孔的高度h与所述散热孔的厚度a满足：3.5《h/a《10。
14.还包括一个用于控制散热器温度的温度控制系统，所述散热器温度控制系统包括数个温度传感器，寄存器，比较器，中央处理器和变频器，所述的数个温度传感器均匀安装在底板上，所述温度传感器数量根据所述铜制底板尺寸确定：q＝0.4r+1，其中，q为所述温度传感器数量，r为所述铜制底板半径。
15.本发明的散热器温度控制方法，具体步骤为：
[0016]ⅰ、热源模块开始工作的同时，启动温度控制系统，并且由用户输入保证热源正常工作的安全温度即设置温度控制参数，并保存在寄存器中；
[0017]ⅱ、采集热源平均温度信号，然后将温度信号传输至所述比较器与目标温度进行比较；
[0018]ⅲ、温度信号传输至中央处理器，根据存储在中央处理器中的铜制底板底部温度和压电风扇顶端风速关系式得到所需风速之后计算出所述压电风扇所需工作频率；
[0019]ⅳ、将得到的压电风扇所需工作频率信号经由信号传输线传递至变频器，变频器输出符合热源模块安全工作要求的频率信号至压电陶瓷；
[0020]
ⅴ
、压电风扇组在变频器的控制下输出符合热源模块安全工作要求的风速，对散热器本体进行降温，并开始新一轮的温度信号采集和控制循环。
[0021]
所述压电风扇所需的工作风速根据关系式t＝a+b*(1-exp(-v/c))+d*(1-exp(-v/e))确定，其中t为散热器的铜制底板底部温度，v为散热器的压电风扇顶端风速，系数a、b、c、d、e为不同室温和不同热源功率条件下对散热器进行数值模拟并拟合铜制底板底部温度和压电风扇顶端风速关系所得。
[0022]
有益效果：本发明通过设置紧密排列的多边形散热孔，降低了散热器的风阻，提高了散热效果；采用压电风扇组，通过将压电风扇组插入散热孔，减小了散热器的尺寸和散热器内部风速的损失，同时压电风扇的应用也降低了功耗损失；并且，上述温度控制方法通过负反馈调节的方式保证了热源部分温度的稳定。
附图说明
[0023]
图1是本发明结合压电风扇的散热器的结构示意图；
[0024]
图2是本发明的压电风扇组件示意图；
[0025]
图3是本发明的散热孔和导流板结构示意图；
[0026]
图4是本发明的温度控制系统工作流程示意图；
[0027]
图5是本发明实施例仿真所得温度-风速曲线示意图；
[0028]
图6是本发明比较例散热器结构示意图；
[0029]
图7是本发明实施例和比较例的底板温度从中心向四周的分布曲线图。
具体实施方式
[0030]
为了解决电子器件散热器风阻大、散热效果差的问题，本发明提供了一种结合压电风扇的散热器结构及其温度控制方法。下面结合一种实施例来说明本发明的具体实施方式。
[0031]
请参考图1、图2和图3，图1所示是本技术实施例提供的一种散热器的结构示意图，图2是本技术实施例提供的一种压电风扇的结构示意图，图3是本技术实施例提供的散热孔和导流板结构示意图，该散热器包括：
[0032]
上盖板1，该上盖板1具有多个通风孔11；
[0033]
压电风扇组2，该压电风扇组包括固定基座21、压电陶瓷22和振动薄片23，压电陶瓷22通过黏附剂粘接于振动薄片23两侧，压电陶瓷22与振动薄片23底部通过胶粘剂与固定基座21粘接连接，压电风扇组2通过胶粘剂与上盖板1粘接固定；
[0034]
散热器本体4，该散热器本体包括至少两层散热结构3，每层散热结构3包括多个导流板31和多个散热孔32，散热孔32的截面形状为多边形，多个散热孔紧密排列，任意两个相邻的散热孔重合平面33靠近上盖板1的一侧固定有导流板31，导流板31通过焊接方式固定于重合平面33，上盖板1通过胶粘剂与散热器本体4顶层导流板31粘接固定，压电风扇组2插入散热孔32内；
[0035]
铜制底板5，该铜制底板通过焊接固定于散热器本体4底层散热结构3底面；
[0036]
圆筒防护网6，该圆筒防护网内侧面通过胶粘剂与铜制底板5外侧面粘接固定，散热器本体4位于圆筒防护网6内部。
[0037]
可选的，在本技术中散热孔32截面形状可以为：等腰梯形、正八边形或正六边形，本技术实施例以正六边形为例进行示意性说明。
[0038]
可选的，在本技术中导流板31的材料与散热孔32材料相同，或与散热孔32材料不同，导流板31的材料可以是：铝、铜或导热碳纤维，本技术实施例以铝为例进行示意性说明。
[0039]
可选的，在本技术中散热孔32采用3d打印的方法生产，对于导流板31可以和散热孔32采用相同的材料使用3d打印的方法同时生产，也可以使用不同的材料单独生产，再通过焊接的方法与散热孔公共面33进行固定。
[0040]
可选的，在本技术中导流板31的结构可以是平面薄板或采用导热效果更好的热管结构，本技术实施例以平面薄板结构为例进行示意性说明。
[0041]
进一步的，在本技术中导流板31的高度满足：lm＝0.4*h+0.2*m*h,(2《m《11)，其中，lm为从铜制底板5位置往上盖板1方向数第m层导流板的高度，h为散热孔32的高度，m为导流板自铜制底板5往上盖板1方向排列的序号。本技术实施例以m＝5为例进行示意性说明。
[0042]
进一步的，在本技术中压电风扇组2中任意两个相邻的压电风扇之间的相位差为(360/n)
°
，其中n为压电风扇组2中压电风扇的数量。
[0043]
进一步的，在本技术中散热孔32的截面多边形的尺寸满足：进一步的，在本技术中散热孔32的截面多边形的尺寸满足：其中，r为截面多边形的内切圆半径，a为压电风扇顶端振幅，p为截面多边形边的数量；散热孔32的高度h与散热孔的厚度a满足：3.5《h/a《10。
[0044]
本发明还包括一个用于控制散热器温度的温度控制系统，所述散热器温度控制系
统包括数个温度传感器，寄存器，比较器，中央处理器和变频器，所述的数个温度传感器均匀安装在底板上，所述温度传感器数量根据所述铜制底板尺寸确定：q＝0.4r+1，其中，q为所述温度传感器数量，r为所述铜制底板半径。
[0045]
综上所述，本技术实施例提供的散热器，由于多边形散热孔的紧密排列保证了足够的散热面积，同时导流板的应用增加了散热器的空隙，降低了散热器的风阻提高了通风量，改善了散热效果；通过将压电风扇组插入散热孔，有效的减小了散热器的整体尺寸和散热器内部风速的损失，并且由于压电风扇功率小产风量大，降低了散热器整体的功耗损失。
[0046]
请参考图4，图4是本技术实施例提供的一种温度控制方法的示意图，该方法的具体步骤包括：
[0047]ⅰ、热源模块开始工作的同时，启动温度控制系统，并且由用户输入保证热源正常工作的安全温度即设置温度控制参数，并保存在寄存器中；
[0048]ⅱ、采集热源平均温度信号，然后将温度信号传输至所述比较器与目标温度进行比较；
[0049]ⅲ、温度信号传输至中央处理器，根据存储在中央处理器中的铜制底板底部温度和压电风扇顶端风速关系式得到所需风速之后计算出所述压电风扇所需工作频率；
[0050]ⅳ、将得到的压电风扇所需工作频率信号经由信号传输线传递至变频器，变频器输出符合热源模块安全工作要求的频率信号至压电陶瓷；
[0051]
ⅴ
、压电风扇组在变频器的控制下输出符合热源模块安全工作要求的风速，对散热器本体进行降温，并开始新一轮的温度信号采集和控制循环。
[0052]
所述压电风扇所需的工作风速根据关系式t＝a+b*(1-exp(-v/c))+d*(1-exp(-v/e))确定，其中t为散热器的铜制底板底部温度，v为散热器的压电风扇顶端风速，系数a、b、c、d、e为不同室温和不同热源功率条件下对散热器进行数值模拟并拟合铜制底板底部温度和压电风扇顶端风速关系所得。
[0053]
本技术实施例以室温25℃和热源功率为30w的工况进行示意性说明。
[0054]
请参考图5，图5是本技术实施例在是室温25℃和热源功率为30w的情况下对散热器进行数值仿真所得到的热源温度和风速关系示意图，通过对曲线进行拟合得到系数a为80.53，b为-26.43，c为0.37，d为-19.04，e为2.11，即该工况下热源温度与风速关系式为：t＝80.53-26.43*(1-exp(-v/0.37))-19.04*(1-exp(-v/2.11))，其中t为所述铜制底板底部温度，v为所述压电风扇顶端风速。
[0055]
综上所述，本技术实施例提供的温度控制方法，基于负反馈调节的基本原理，保证散热器工作过程中热源表面温度稳定在设定值。
[0056]
为了证明本发明的优越性，设置了图6所示的比较例。该比较例的特点为：包括，针肋散热器601，铜制底板602。将正六边形通道的蜂窝型散热器结构替换为相同尺寸的针肋散热器601，吹风方式更改为常规的轴流风扇并且保证轴流风扇流量与实施例总流量相同。在相同功率(30w)的热源模块和相同材料条件和相同的环境温度(25℃)下进行仿真模拟。
[0057]
图7给出了实施例和比较例仿真所得底板温度随着与中心距离的增加，数值的变化曲线。在比较例中由于针肋之间可供气体流动的空间小并且从轴流风扇出口到热源底部的压力逐渐攀升导致风速在距离出风口三分之二的位置便几乎降为0，气流在未达到接近热源的散热器位置之前就离开散热器。而实施例中气流可以达到近热源位置散热器，并且
风速最大可达比较例风速的2.75倍。这也造成实施例中的热源较比较例中热源温度下降了8℃。并且由于压电风扇和温度控制系统的加入，实施例具有更好的节能效果，进一步提高了经济效益。

技术特征：
1.一种结合压电风扇的散热器，其特征在于，包括：开设有多个通风孔(11)的上盖板(1)和底板(5)，在上盖板(1)下表面设置有压电风扇组(2)，在底板(5)上表面设置有若干组散热器本体(4)；所述的压电风扇组(2)中的每一个压电风扇包括固定基座(21)、压电陶瓷(22)和振动薄片(23)，所述压电陶瓷(22)通过黏附剂粘接于所述振动薄片(23)的两侧，所述压电陶瓷(22)与所述振动薄片(23)底部通过胶粘剂与所述固定基座(21)粘接连接，所述压电风扇组(2)通过胶粘剂粘接于所述上盖板(1)的下表面；每个散热器本体(4)包括多个导流板(31)和多个散热孔(32)，所述散热孔(32)的截面形状为多边形，所述多个散热孔(32)紧密排列，任意两个相邻的所述散热孔(32)的重合平面(33)靠近所述上盖板(1)的一侧固定有所述导流板(31)，所述上盖板(1)通过胶粘剂与所述散热器本体(4)顶层导流板(31)粘接固定，所述底板(5)固定于所述散热器本体(4)底面，压电风扇组(2)插入所述散热孔(32)内。2.根据权利要求1所述的结合压电风扇的散热器，其特征在于，所述的散热器本体(4)的外围还设置有圆筒防护网(6)，所述圆筒防护网(6)内侧面通过胶粘剂与所述底板(5)外侧面粘接固定。3.根据权利要求1所述的结合压电风扇的散热器，其特征在于：所述散热孔(32)截面形状为：等腰梯形、正八边形或正六边形。4.根据权利要求1所述的结合压电风扇的散热器，其特征在于：所述导流板(31)及构成散热孔(32)的材料为：铝、铜或导热碳纤维中的一种。5.根据权利要求1所述的结合压电风扇的散热器，其特征在于：所述导流板(31)的高度满足：l
m
＝0.4*h+0.2*m*h,(2<m<11)，其中，l
m
为从所述底板(5)位置往所述上盖板(1)方向数第m层导流板(31)的高度，h为所述散热孔(32)的高度，m为所述导流板(31)自所述底板(5)往所述上盖板(1)方向排列的序号。6.根据权利要求1所述的结合压电风扇的散热器，其特征在于：所述压电风扇组(2)任意两个相邻的压电风扇之间的相位差为(360/n)
°
，其中n为所述压电风扇组中压电风扇的数量。7.根据权利要求1所述的结合压电风扇的散热器，其特征在于：所述散热孔(32)的截面多边形的尺寸满足：其中，r为所述截面多边形内切圆半径，a为所述压电风扇顶端振幅，p为所述截面多边形边的数量；所述散热孔的高度h与所述散热孔的厚度a满足：3.5<h/a<10。8.根据权利要求1所述的结合压电风扇的散热器，其特征在于：还包括一个用于控制散热器温度的温度控制系统，所述散热器温度控制系统包括数个温度传感器，寄存器，比较器，中央处理器和变频器，所述的数个温度传感器均匀安装在底板(5)上，所述温度传感器数量根据所述铜制底板尺寸确定：q＝0.4r+1，其中，q为所述温度传感器数量，r为所述铜制底板半径。9.一种散热器温度控制方法，其特征在于，具体步骤为：ⅰ、热源模块开始工作的同时，启动温度控制系统，并且由用户输入保证热源正常工作的安全温度即设置温度控制参数，并保存在寄存器中；
ⅱ
、采集热源平均温度信号，然后将温度信号传输至所述比较器与目标温度进行比较；ⅲ、温度信号传输至中央处理器，根据存储在中央处理器中的铜制底板底部温度和压电风扇顶端风速关系式得到所需风速之后计算出所述压电风扇所需工作频率；ⅳ、将得到的压电风扇所需工作频率信号经由信号传输线传递至变频器，变频器输出符合热源模块安全工作要求的频率信号至压电陶瓷；
ⅴ
、压电风扇组在变频器的控制下输出符合热源模块安全工作要求的风速，对散热器本体进行降温，并开始新一轮的温度信号采集和控制循环。10.根据权利要求9所述的散热器温度控制方法，其特征在于：所述压电风扇所需的工作风速根据关系式t＝a+b*(1-exp(-v/c))+d*(1-exp(-v/e))确定，其中t为散热器的铜制底板底部温度，v为散热器的压电风扇顶端风速，系数a、b、c、d、e为不同室温和不同热源功率条件下对散热器进行数值模拟并拟合铜制底板底部温度和压电风扇顶端风速关系所得。

技术总结
本发明公开一种结合压电风扇的散热器及其温度控制方法，在散热器底板一侧放置由多层散热孔和导流板组成的散热器本体，将压电风扇组插入散热孔并固定在上盖板上，并通过基于负反馈的温度控制方法对散热器的工作进行调控。使用紧密排列的多边形散热孔和导流板相结合，降低了散热器的风阻，提高了散热效果；通过将压电风扇组插入散热孔，减小了散热器的尺寸和散热器内部风速的损失并增加了扰流的产生，进一步提高散热效果，同时压电风扇的应用也降低了功耗损失；基于负反馈的温度控制方法保证了散热器工作过程中热源温度的稳定性。散热器工作过程中热源温度的稳定性。散热器工作过程中热源温度的稳定性。


技术研发人员：刘迎文 兰正 冯玉昊 杨鹏
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/8/21