压电式冷却系统之设计分析-kuas.edu.tw.PDF

工程科技與教育學刊 第七卷 第三期 民國九十九年六月 第484～506 頁 壓電式冷卻系統之設計分析 陳義滄、黃世疇 國立高雄應用科技大學 機械工程系 E-mail : shuang@cc.kuas.edu.tw 摘 要 本研究利用輸入各種電壓於壓電雙晶片，使壓電雙晶片產生不同的伸長位移量，造成耦合擺動，藉以 帶動延伸出的葉片充當放大機構以提供足夠的撓曲變形，增加空氣對流以加速熱傳遞效率，達到散熱的效 果。在模擬分析方面，使用有限元素分析軟體 Ansys 做靜態分析、模態分析與簡諧分析，然後將其分析結 果透過編碼與計算流體力學軟體 Fluent 交流，分析壓電風扇之流場現象與散熱效率。在製程方面，使用 UV-LIGA Like 製程完成壓電風扇外型的製作，利用 SU-8 厚膜光阻來製作外型結構，並探討製程中對外型 厚度的影響。在控制方面，開發一控制系統來作壓電風扇的溫度控制，以改善在使用壓電風扇對發熱元件 散熱時，溫度不穩定的缺點。 最後，將所設計之最佳化外型結合Fuzzy-PID 控制器實際應用在桌上型電腦ASUS P5LD2-VM 主機板 的內建Intel®ICH7 晶片散熱，並設定溫度控制在45℃，此時Intel®ICH7 晶片溫度控制在45±1℃以內。 關鍵詞：壓電風扇、冷卻系統、田口法、Fuzzy-PID 控制器。 1. 前 言 近年來由於高功率電子元件的發展，加上半導體製程技術的進步，使得許多電子產品都走向高性能、 輕量化、小型化的趨勢。然而電子產品微小化相對的是對元件、系統的散熱造成重大影響。因為在晶片性 能大幅提昇但晶片面積越來越小的情況下，熱通量不斷的增加，許多微電子設備在長時間的連續運行下， 造成當機或元件損壞甚至引起重大的損失，其原因往往只因為某個元件在長時間運作下累積熱量，進而導 致元件性能失效。因此，能有效地散熱便顯得格外的重要，所以在熱設計上，就需要一個有效的散熱方式， 使元件和系統能在穩定的情況下操作。 目前市面的散熱裝置是利用加裝散熱片、旋轉式風扇、增大機殼的通風孔道。若採用壓電式冷卻系統 則可針對某個特定高發熱元件進行風冷，避免散熱裝置的散熱效率低，能量損耗高，機殼過大，產生噪音 等缺點。例如，將壓電(Piezoeletric)式冷卻系統應用在筆記型電腦上，將可改進筆記型風扇產生噪音的缺點， 而且因為壓電式冷卻系統的能耗低，將可延長筆記型電腦的使用時間。此外壓電式冷卻系統也可應用在一 些高發熱的光學裝置，如投影機等，讓使用者能在安靜的環境中欣賞動聽的樂曲與影像。 壓電材料(Piezoelectric material)顧名思義即是一種具有機械能量與電能交換性質的材料，可將機械力轉 成電性變化，電性亦可藉此轉成機械動作。利用這種特性在工業上有極大的用途，例如感測元件、量測頻 率範圍的振動加速度、超音波清洗器、應變規、聲納(Sonar) 、麥克風等。 本研究使用一組雙壓電晶片當作致動器，其結構為兩片極性方向相同的壓電片中間置入一金屬片，使 用並聯方式的電路連接，在電場的交互作用下，其中一個壓電片膨脹另一個壓電片收縮，因為兩壓電片結 合在一起，故產生來回的撓曲振動。在設計上，因壓電陶瓷屬於脆性材料，所能產生的撓度小，故以中間 延伸出的 Mylar 葉片作為放大機構，把壓電片產生的撓度透過 Mylar 葉片放大成足夠散熱微電子元件的撓 度。此外並利用有限元素商業軟體（Ansys ）做振幅分析、共振頻率分析，與計算流體力學商業軟體（Fluent ） ©2010 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851 壓電式冷卻系統之設計分析 485 做速度場分析、溫度場分析。將兩套模擬軟體做相互配合，並利用田口最佳化法求出最佳散熱效果之壓電 式冷卻系統外型。 最後利用微影製程設備製作出最佳化之壓電