壓電風扇

99712951自控三甲吳孟翰

前言

原理介紹

壓電材料介紹

壓電風扇介紹

壓電風扇示意圖

壓電風扇量測實驗

結論

參考資料

前言

近年來，電子產品快速演進，使得電子元件的功能日益強大，且電子元件體積也逐漸縮小，所以在單位面積下電子元件的發熱量越來越高，因此在散熱方面也成了一個重要的研究課題。在以前移除電子元件廢熱的方法上，通常是以散熱鰭片搭配旋轉式風扇將熱排至外部以達到散熱的目的，如電腦的 CPU 等等，但考慮到空間以及噪音問題，一般旋轉式風扇所佔空間較大、且使用久了噪音較高，於此原因本專題將製作與探討體積較小、無噪音且功耗較低的壓電風扇。

原理介紹

壓電風扇所使用的是

壓電風扇運作方式是利用壓電材料的逆壓電效應，即壓電結構在輸入交流電場時，使得自由端造成往復伸長收縮位移，又因雙壓電晶片與Mylar 葉片上下相互黏結，進而產生相互耦合的機械振動，並利用機械的共振頻率使壓電風扇在共振頻率產生最大位移增量

壓電風扇的構造十分簡單，一個可以使用的壓電風扇需具備四個要件：固定端 (Clamp)、導線 (Conductortrace line)、壓電片 (Piezoelectric patch)、扇葉 (Blade)，詳細的壓電風扇元件示意圖如圖 2 所示。有關壓電風扇要件個別特性敘述如下：（ 1）固定端：其功能是固定住壓電風扇，材料性質為印刷電路板。在其中有兩條通往兩片壓電片的金屬片，以方便黏著導線。（ 2）導線：導線的功能是作為輸入交流電的媒介，其材質為細且柔軟的鎳導線。（ 3）壓電片：壓電片是整個風扇性能優劣的重要元件，由上述壓電原理可以明白，壓電風扇是利用壓電材料本身的逆壓電效應，將輸入的電能轉換為機械能。而壓電應變常數的值是 -320×10-12 m/V，以壓電材料種類來區分則是屬於陶瓷類，具有耐酸鹼、溫度係數大等優點。（ 4）扇葉：扇葉在壓電風扇中的功能是將壓電片產生的微小振動擴大。而從懸臂樑理論可以明白扇葉愈長，其尖端位移量則愈大。從文獻中可以發現壓電風扇的共振頻率主要由扇葉的幾何尺寸與材料特性決定，故扇葉在壓電風扇應用上佔有相當大的重要性。

實驗步驟(1) 首先是壓電風扇製作，本專題採用的壓電片為是國外公司 (PiezoSystems)的 PZT 材質壓電材料，黏著劑為環氧樹脂，固定座為壓克力，扇葉為一般鋁片及 PET 材質自行加工，製作時先將壓電片與扇葉及固定架黏著固定，再焊上電線即完成一組壓電風扇。(2)將已完成之壓電風扇固定至欲量測位置，開啟信號產生器、放大器與示波器，把信號產生器的訊號調整為正弦波，並依據不同的壓電風扇規格調整訊號頻率至第一共振頻率，再將電壓值調至預定電壓 (116V)，蓋上外罩防止外部氣流影響實驗結果。(3) 開啟溫度記錄器，設定為每 5 秒紀錄一次溫度變化。(4) 開啟電源供應器，調整為 3W 之輸出功率，使加熱片開始加熱。等待 溫度變化已達穩態，變動值在 0.2℃以內即可完成一次量測。(5)關閉記錄器及電源供應器，更換可控制之變因。重複 (2)~(4) 之步驟實驗不同深度或材質等變因，將數據做分析與比較。

有許多因素會對壓電風扇效能造成影響，最直接為尖端振幅過小，例如電壓值略低、黏著劑過硬、固定架沒鎖緊以及是否已達共振頻率等；又或者共振頻率過低，例如扇葉太薄、長度太長、材質太軟，種種原因都會導致風量過低，散熱效果不佳。然而壓電片屬陶瓷材質且質地脆弱，故需與扇葉及固定架有黏著重疊之地方才較不容易斷裂。另外，焊接時所使用之銲槍瓦數不得過高，否則壓電片會因高溫使其表面融化，造成斷路無法作動。

結論

散熱性能方面，從研究結果知當扇葉與熱源表面相互垂直時比扇葉平行於熱源時有著較佳的散熱能力，原因為壓電風扇運作時，上下擺動產生的氣流會比扇葉與熱源表面平行時來得多，故可提供較好的熱傳效果。

參考資料

1.壓電風扇動靜態分析 -使用固殼過渡元素國立台灣科技大學機械工程系 碩士學位論文研究生：余亦遠2. 工程科技與教育學刊 第七卷 第一期 民國 99年三月 92~105國立高雄應用科技大學機械工程系陳柏劭、黃世疇、吳坤桂3.壓電風扇性能與散熱分析研究國立清華大學動力機械工程學系 碩士論文研究生：劉崑毅4.壓電風扇之製作及量測國立高雄應用科技大學機械工程系專題學生：嚴暉閔、謝昀廷、詹東霖5. 可達鴨、電風扇 by 網路6. 鈦酸鋇結構圖 by材力之神 壓電技術運用 CH2