压电冷却技术：移动设备散热的未来趋势
压电冷却技术：移动设备散热的未来趋势
随着移动设备的不断发展，传统的冷却方式已经难以满足需求。压电冷却技术作为一种新型的冷却解决方案，近年来受到了广泛关注。本文将为您详细介绍压电冷却技术的基本原理、应用以及面临的挑战。
压电效应的基本原理
压电效应最早是在19世纪晚期被发现的，当时人们发现，变形的某些材料（如晶体和陶瓷）会产生一个电压。不久之后，人们又发现了逆压电效应：对某些材料施加电流会导致它们变形。
虽然压电现象的第一个实验演示发表在19世纪80年代早期，但它在气流产生方面的应用开始于更晚的时期。最近的压电相关研究已经将其应用于电子冷却市场。
逆压电效应是发展新一代压电现象的基础。采用这种逆效应的压电冷却方法可能在较小的移动电子设备中发挥越来越重要的作用。
随着移动设备变得更小、更密集，需要冷却气流，但增加传统的风扇或鼓风机是不切实际的。
压电冷却技术的工作原理
压电冷却技术的核心原理是利用逆压电效应产生气流。图1显示了一个使用逆压电效应来产生气流的应用程序。金属或塑料刀片以悬臂式的方式附着在压电材料上。
当一个电场作用于压电层时，电层内随机取向的离子立即开始对齐。其结果是压电层的变形和叶片的运动。正负电压对材料的影响不同。
当施加正电压时，陶瓷可以膨胀，导致叶片向一个方向移动。负电压会导致陶瓷材料收缩，并将叶片向相反的方向移动。
在交流电下，叶片以与交流电相同的频率来回振动。这种振动产生气流，可以用来冷却附近的电子元件。
图1.施加压电层的交流电流导致叶片振动，导致冷却气流
压电风扇
压电风扇是一种低功耗、低功率、小、噪音相对低的固态设备，最近成为可行的热管理解决方案，用于各种便携式电子应用，包括笔记本电脑和移动电话。
压电陶瓷利用压电陶瓷贴片粘合在薄的、低频的柔性叶片上，以其谐振频率驱动风扇。谐振低频叶片产生指向电子部件的流动气流。普渡大学的一个小组报告说，自然对流热传递提高了100%。
压电风扇只消耗环形风扇的1/150。固态器件没有会磨损的部件。它们没有能发热的齿轮或轴承。如果没有提供动力的马达，它们就会发出很少的声音，也不会产生任何可能导致电磁干扰问题的杂散信号。
压电风扇系统有可能为现代LED系统提供低噪音和长期的冷却解决方案。当交流电压施加于压电悬臂的谐振频率（通常在115v为60hz）时，风扇的尖端移位引起空气运动。
从叶片尖端流动的涡为LED冷却应用提供了独特的气流模式。目前的研究主要是针对用压电风扇冷却LED的散热器的散热器设计，以利用其独特的流型。
本研究的重点是(1)实验传热分析，(2)使用COMSOL多物理学的计算设计和分析，(3)压电风扇的流量可视化来优化散热器设计。
图2：低轮廓压阀没有电机，噪音小
压电喷气机
压电喷气机提供了通用电气开发的新冷却技术，基于最初用于喷气发动机的电动冷却元件。这有望为未来的电子设备提供极其紧凑、高效的冷却系统。
双压电冷却喷流（dcj）是一个波纹管系统，提供高速的空气喷流，冷却组件远比单独的对流更有效地冷却下来。据通用电气称，这些DCJ设备的开发是为了减少飞机发动机的压力损失和负荷特性，以及燃气机和风力涡轮机的发电。
它们被专门设计，以避免传统风扇的声音、振动、尺寸和功率消耗等问题。dcj的电量不到传统风扇的一半，可以额外使用30分钟。
压电技术面临的挑战
虽然压电技术通常比圆风扇使用更少的功率，但压电技术面临的一个技术挑战是传统压电风机所需的高工作电压（> 100 V）。这个电压可以通过并联电连接多个压电层来降低。
该多层技术也可用于减少压电致动器的长度，并获得与较长的致动器相同的振幅。由于材料压电技术、产率和可靠性等关键问题，多层压电技术尚未应用于电子冷却。
随着技术的进步，压电工业有望克服各种材料、热和机械的挑战，成为广泛应用于电子冷却的解决方案。
图3：双压电冷却喷嘴只有4mm厚，并且使用的功率不到传统风扇的一半