一种压电风扇、散热器及电子设备的制作方法

本发明涉及散热技术领域，具体涉及一种压电风扇、散热器及电子设备。

背景技术：

近年来，电子设备趋于小型化、便携式和高性能，小型化使得电子设备内部的元器件安装密度增大，便携式要求电子设备越来越薄，高性能使得cpu频率增高，发热越发严重，总之，电子设备面临散热空间不足且发热功率急剧增加的问题。

目前，市场上通用的电子设备大多采用热辐射散热，例如，石墨烯热辐射贴片散热，金属背板辐射散热，但辐射散热结构热阻较大，热量不易散发，电子元器件(尤其cpu)易因发热问题而受到损坏。

专利号为cn208047118u的申请公开了一种压电风扇模组、具有该压电风扇模组的电子设备和保护套，其中公开了悬臂压电风扇对流散热结构，压电陶瓷片通过电连接部件与外部电源连接，为压电陶瓷片施加交流电，使压电陶瓷片朝向不同的方向发生形变，从而带动压电风扇叶片产生弯曲振动，由叶片的摆动端向前方输出高速、平稳的气流。上述结构采用压电风扇叶片弯曲振动输出气流，但是如果上述结构在高频下工作，则压电风扇叶片的振幅太小，几乎没有散热的能力，而在低频下工作，则易产生可听噪音；此外，上述结构如在非谐振状态下工作，则振幅太小，无法起到散热的作用，而在谐振状态下工作，则压电风扇叶片的根部易疲劳断裂，寿命过短。

专利号为cn107806430a的申请公开了一种压电风扇、散热器及电子设备，其中公开了压电风扇对流散热结构，通过均热板将热源产生的热量传递给散热翅片，压电风扇高频振动产生空气气流以冷却散热翅片。上述申请采用均热板传递热量，热阻较大，同时，压电风扇无进风口，只是出风口附近的空气局部循环实现与外部的热交换，散热效果有限。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的压电风扇存在的输出气流不稳定、寿命过低，仅实现空气局部循环的技术问题，本发明提出一种压电风扇，解决了上述技术问题。本发明的技术方案如下：

一种压电风扇，包括：风扇本体，所述风扇本体内设置有发生腔和喷流腔，所述发生腔通过喷流口与所述喷流腔连通，所述风扇本体上还设置有进流口和出流口，所述进流口和所述出流口均与所述喷流腔连通，所述出流口与所述喷流口对应设置，所述发生腔排出的流体经喷流口形成喷流，所述喷流穿过喷流腔经出流口喷出至所述风扇本体外部；压电元件，所述压电元件设置在所述风扇本体内，所述压电元件振动改变发生腔的体积。

通过设置发生腔和喷流腔，发生腔经喷流口与喷流腔连通，还设置有与喷流腔连通的进流口和出流口，当压电元件振动变形导致发生腔体积变小时，发生腔内的气体经喷流口形成喷流，喷出的流体由于剪切作用形成涡环并向远离喷流口的方向运动，喷流自出流口喷出；在上述过程中，喷流还会带动喷流腔内部的部分流体一同喷出，使喷流腔的高流速区形成局部负压，外界空气自进流口进入到喷流腔；当压电元件振动变形导致发生腔体积变大时，发生腔内形成负压，在负压的作用下，气流经由喷流口补充到发生腔，喷出的流体具有远离喷流口的动量，不易被吸回，气流只能由喷流腔低流速区经喷流口流入发生腔，喷流腔产生局部负压，气体由进流口流入。如此往复，形成单向脉冲气体流动，克服了输出气流不稳，空气局部循环的问题。

进一步地，所述喷流正好覆盖所述出流口，所述喷流口的轴线与所述出流口的轴线共线，所述喷流口的内径d1与所述出流口的内径d2之间的关系为其中，l1为喷流腔的宽度，β为流体经喷流口喷出的喷射角。

进一步地，所述发生腔、喷流口、喷流腔和出流口沿水平方向排布，所述压电元件沿竖直方向振动变形，所述出流口设置在所述风扇本体的侧壁上，所述进流口位于所述喷流腔的上方和/或下方。

进一步地，所述发生腔和所述喷流口之间还设置有缓冲腔和引流孔，所述发生腔、缓冲腔、引流孔和喷流口依次连通，所述引流孔的体积和所述喷流口的体积之和小于所述缓冲腔的体积，所述引流孔的纵截面面积大于所述喷流口的纵截面面积。

进一步地，所述发生腔的竖直高度h1为0.05mm-0.8mm，所述缓冲腔的竖直高度h2的范围为：h1＜h2＜1.3mm，所述缓冲腔的宽度l2的范围为h1≤l2＜1mm。

进一步地，所述引流孔和所述喷流口均呈圆形，所述引流孔与所述喷流口一一对应连通，所述引流孔的内径d3大于所述喷流口的内径d1，所述引流孔的轴线长度l3等于所述缓冲腔的宽度l2，所述喷流口的轴线长度l4＜0.5mm。

进一步地，所述风扇本体包括支承件和壳体，所述壳体呈一端开口状，所述支承件可自所述壳体的开口处插入所述壳体内，所述支承件插入所述壳体的内端与壳体的内壁之间形成喷流腔，所述支承件内设置有发生腔，所述压电元件设置在所述支承件内，所述支承件的内端还设置有喷流口，所述壳体上开有进流口和出流口。

进一步地，所述支承件的内壁呈阶梯状，所述发生腔由间隔设置在所述支承件内的隔板和压电元件形成或者所述发生腔由两个间隔设置在所述支承件内的压电元件形成，所述支承件的内端内部还具有与所述发生腔连通的缓冲腔，所述支承件的内端还设置有连通喷流口和缓冲腔的引流孔。

一种散热器，包括散热翅片及上述的压电风扇，所述压电风扇的出流口朝向所述散热翅片。

进一步地，所述散热翅片与发热体直接接触，所述压电风扇为一个或多个，一个或多个所述压电风扇的出流口均朝向所述散热翅片。

一种电子设备，包括上述的压电风扇；或者包括上述的散热器。

进一步地，还包括外壳，所述外壳上开有气孔，所述气孔与进流口对应连通。

基于上述技术方案，本发明所能实现的技术效果为：

1.本发明的压电风扇、散热器及电子设备，通过设置发生腔和喷流腔，发生腔经喷流口与喷流腔连通，还设置有与喷流腔连通的进流口和出流口，当压电元件振动变形导致发生腔体积变小时，发生腔内的气体经喷流口形成喷流，喷出的流体由于剪切作用形成涡环并向远离喷流口的方向运动，喷流自出流口喷出；在上述过程中，喷流还会带动喷流腔内部的部分流体一同喷出，使喷流腔的高流速区形成局部负压，外界空气自进流口进入到喷流腔；当压电元件振动变形导致发生腔体积变大时，发生腔内形成负压，在负压的作用下，气流经由喷流口补充到发生腔，喷出的流体具有远离喷流口的动量，不易被吸回，气流只能由喷流腔低流速区经喷流口流入发生腔，喷流腔产生局部负压，气体由进流口流入。如此往复，形成单向脉冲气体流动，克服了输出气流不稳，空气局部循环的问题；

2.本发明的压电风扇、散热器及电子设备，合理设置喷流口与出流口的对应位置关系及内径关系，使自喷流口喷出的喷流正好覆盖出流口，如出流口的内径过大，则气流可自出流口进入到喷流腔，无法形成单向脉冲气体流动；如出流口的内径过小，则部分流体会喷射到出流口旁的侧壁上，造成能量损失；当喷流正好覆盖出流口时，气流单向流动效果最佳；

3.本发明的压电风扇、散热器及电子设备，通过设置发生腔、喷流口、喷流腔和出流口沿水平方向排布，出流口设置在风扇本体的侧壁上，如此形成侧向出风，可大大缩小压电风扇的厚度，便于安装在各种电子设备中；

4.本发明的压电风扇、散热器及电子设备，限定发生腔的竖直高度h1为0.05mm-0.8mm，压电元件工作时，产生的超声波充满发生腔，发生腔的竖直高度越小，声压损失越小，但小到一定程度，内部会无空气流动；同时要求发生腔内的流动为层流动，因此限定发生腔的竖直高度h1为0.05mm-0.8mm，当发生腔的竖直高度在上述范围内时，发生腔内的流体流动为层流流动，且声压损失较小；

缓冲腔的设置是为了方便发生腔内流体的排出，并减小湍流发生几率。当高速气流从发生腔边界沿平行于压电元件上表面方向流出后，直接进入缓冲腔，为进一步提高流速，缓冲腔的体积要小于发生腔的体积；为减小流体在流动过程中的摩擦损耗，设置缓冲腔的竖直高度大于发生腔的竖直高度，即h2>h1，当h2过大时，则在截面突变处易产生湍流，能量损耗严重，为了控制局部损失不超过5％，则h2＜1.3mm，缓冲腔的宽度l2如果过大则声压损失过大，如过小则会发生湍流，因此限定h1≤l2＜1mm；

每个喷流口对应设置有一个引流孔，引流孔的轴向长度l3等于缓冲腔的宽度l2，引流孔的体积和喷流口的体积之和小于缓冲腔的体积，如此，流体自大腔流通至小腔，可提高流速；

喷流口为圆形，喷流口的轴向长度l4越大，则流体的流通长度越长，流体的动量损失越大，喷流速度越小，为了控制流体的喷流速度，设置喷流口的轴向长度l4＜0.5mm，优选为0.1mm；

5.本发明的压电风扇、散热器及电子设备，通过对风扇本体的结构的合理设置，使其形成上述的各种流体腔体，在压电元件的驱动作用下，形成单向脉冲气体流动；可设置压电元件为1个或两个，1个压电元件与隔板配合形成发生腔，两个压电元件配合形成发生腔，两个压电元件相对或相背振动，驱动作用力更强；设置支承件内壁为阶梯状，压电元件位于支承件内部可形成简支连接，适应于高频工作，产生的超声波充满发生腔，流量大、流速高且超静音；

6.本发明的散热器及电子设备，通过设置散热翅片和发热体直接接触，无需设置均热板，可降低热阻，再通过一个或多个压电风扇朝向散热翅片吹风，可提高散热翅片上的热量的排出；

7.本发明的电子设备，在外壳上设置气孔，气孔与进流口对应连通，外部气流可自气孔、进流口进气，实现单向脉冲气流流通；同时，气孔、气流通道、进流口、喷流腔、出流口和翅片间隙组成的流体流动通道彻底与电子设备内部相隔绝，完全避免外来污染物(如粉尘、烟和雾等)进入电子设备内部。

附图说明

图1为本发明的实施例一中的压电风扇的立体图；

图2为压电风扇的爆炸图；

图3为压电风扇的剖面图；

图4为压电风扇内的各个腔的尺寸标注图；

图5为喷流口与出流口之间的位置关系图；

图6为实施例一中的电子设备的结构示意图；

图7为图6的a部放大图；

图8为实施例一中的电子设备的另一结构示意图；

图9为图8的b部放大图；

图10为实施例二中压电风扇的剖面图；

图中：1-压电元件；11-振动元子；12-基板；2-壳体；21-进流口；22-出流口；23-喷流腔；3-支承件；31-引流孔；32-发生腔；33-缓冲腔；4-喷流板；41-喷流口；5-隔板；6-电极板；61-第一电极；62-第二电极；63-绝缘胶层；7-发热体；8-散热翅片；9-外壳；91-气孔；92-隔离结构；93-气流通道；h1为发生腔的竖直高度；h2为缓冲腔的竖直高度；l1为喷流腔的宽度；l2为缓冲腔的宽度；l3为引流孔的轴向长度；l4为喷流口的轴向长度；d1为喷流口的内径；d2为出流口的内径；β为流体经喷流口喷出的喷射角。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的内容作进一步地描述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“径向”、“轴向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如图1-9所示，本实施例提出一种压电风扇，包括风扇本体和压电元件1，压电元件1设置在风扇本体内部，压电元件1变形挤压流体自风扇本体内排出，起到气流流通的作用。

风扇本体包括壳体2和支承件3，壳体2呈一端开口状，支承件3可自壳体2的开口处插入壳体2内。壳体2上开有进流口21和出流口22，进流口21和出流口22均设置在壳体2的远离开口的一端。具体地，支承件3插入壳体2内，支承件3插入壳体2的内端的外端面与壳体2的内壁之间存有间隙，支承件3的内端与壳体2的内壁之间形成喷流腔23，进流口21和出流口22均与喷流腔23连通，流体自出流口22流出风扇本体，外界的流体自进流口21进入到风扇本体内。优选地，壳体2呈扁平的方体状，壳体2的一侧端呈开口状，出流口22设置在壳体2的另一侧端，进流口21设置在壳体2的上表面和/或下表面上，本实施例中，壳体2的上表面和下表面上均设置有进流口21；进一步优选地，进流口21和出流口22均可为一个或多个，当进流口21和出流口22为多个情况下，可阵列排布在壳体2上。

支承件3自壳体2的开口处插入壳体2内，支承件3的外表面与壳体2的内腔形状相适应。支承件3呈上下开口的筒状，支承件3的内壁呈阶梯状，压电元件1设置在支承件3内部。具体地，压电元件1可搭设在支承件3内的阶梯上，压电元件1与支承件3的内壁采用粘接或焊接的方式进行连接，如采用粘接的方式，可采用导电胶进行粘接或控制粘接厚度，使电流可自支承件3传递至压电元件1上。支承件3内还设置有隔板5，隔板5与压电元件1间隔设置，隔板5与压电元件1之间形成发生腔32。

进一步地，压电元件1的靠近喷流腔23的一端与支承件3的内端内壁之间存在间隙，隔板5的靠近喷流腔23的一端与支承件3的内壁之间也存在间隙，压电元件1的端部、隔板5的端部与支承件3的内壁之间形成缓冲腔33，缓冲腔33与发生腔32连通。支承件3的内端还设置有引流孔31和喷流口41，发生腔32、缓冲腔33、引流孔31、喷流口41、喷流腔23和出流口依次连通。引流孔31和喷流口41均可设置在支承件3上，本实施例中，在支承件3的内端的外表面设置有喷流板4，喷流口41设置在喷流板4上，支承件3的内端上开有引流孔31。

其中，发生腔32呈扁平状，发生腔32可呈扁平的圆柱状。当发生腔32呈扁平的圆柱状时，喷流口41可设置任意数量且分布在喷流板4上的任意位置，只要保持连通关系即可。发生腔32的作用是将垂直于压电元件1上表面方向传播的超声波进行转向，让其沿着平行于压电元件1上表面的方向传播，发生腔32的竖直高度为h1，本实施例中h1的范围为0.05mm-0.8mm。上述对h1的范围的限定主要是考虑到多种因素，具体如下：因素一：超声波在介质中传播会有明显衰减，控制声压损失不超过1％，得出发生腔的竖直高度h1存在一个上限，声压公式如下：

其中，p为距声源距离h1处的声压，po为声源声压，α为衰减系数，α的计算公式如下：

其中，w为超声波频率，ρo为介质密度，c为声波在介质中的传播速度；cv为介质定容比热容，cp为介质定压比热容，χ为介质导热系数，η′时切变粘滞系数。通过式(2)得到α的值，然后带入式(1)中，控制声压损失不超过1％，即：

通过式(3)得出发生腔的竖直高度h1存在一个上限。

因素二：湍流能量损失较大，发生腔流体为层流流动时，能量损失较小，因此发生腔的竖直高度h1存在另一个上限，即：

h1<xc(4)

其中，xc为层流边界层。

因素三：要实现发生腔内有大量流体流动，即要使发生腔的竖直高度h1大于流体流动位移边界层，即：

其中，x为远离入口距离，rex为临界雷诺数。

结合上述三个因素，计算式(3)-(5)可得到h1的取值范围为0.05mm-0.8mm。

缓冲腔33的设置是为了方便发生腔内流体的排出，并减小湍流发生几率。当高速气流从发生腔边界沿平行于压电元件上表面方向流出后，直接进入缓冲腔，为进一步提高流速，缓冲腔的体积要小于发生腔的体积；为减小流体在流动过程中的摩擦损耗，设置缓冲腔的竖直高度h2大于发生腔的竖直高度h1，即h2＞h1，当h2过大时，则在截面突变处易产生湍流，能量损耗严重，局部损失公式为：

其中，a1为小截面腔体的截面积，a2为大截面腔体的截面积，ξ为流体自小截面腔体流到大截面腔体时的局部损失系数，ν为流速，g为重力加速度。为了控制局部损失h不超过5％，则h2＜1.3mm；综上所述，缓冲腔的竖直高度范围为：h1＜h2＜1.3mm。缓冲腔的宽度l2对流体的流动也有影响，如果过大则声压损失过大，如过小则会发生湍流，因此限定h1≤l2＜1mm。

每个喷流口41对应设置有一个引流孔31，引流孔31的轴向长度l3等于缓冲腔33的宽度l2，引流孔31的体积和喷流口41的体积之和小于缓冲腔33的体积，如此，流体自大腔流通至小腔，可提高流速；优选地，喷流口41为圆形，喷流口41的轴向长度l4越大，则流体的流通长度越长，流体的动量损失越大，喷流速度越小，为了控制流体的喷流速度，设置喷流口41的轴向长度l4＜0.5mm，优选为0.1mm。

出流口22与喷流口41一一对应设置，出流口22也为圆形，出流口22的轴线与对应的喷流口41的轴线共线，经喷流口41喷出的喷流可正好覆盖出流口22。喷流口的内径d1与出流口的内径d2之间的关系为其中，l1为喷流腔的宽度，l1＜3mm，β为流体经喷流口喷出的喷射角。

压电元件1包括振动元子11和基板12，基板12设置在支承件3的内部，振动元子11位于基板12的远离发生腔32的一面上。振动元子11可为圆形或圆环形。

支撑件3的下表面与壳体2的内表面之间还设置有电极板6，电极板6上通过绝缘胶层63连接有第一电极61，第一电极61与振动元子11接触，电极板6上还设置有第二电极62，电极板6和支承件3均为导电材质制成，第二电极62通过电极板6、支承件3可将电流传输至基板12上。第一电极61和第二电极62分别接电源，为压电元件1供电。

基于上述结构，本实施例的压电风扇的工作原理为：压电元件1与在交流信号下工作，当压电元件1振动变形导致发生腔32体积变小时，发生腔32内气流流入缓冲腔33，缓冲腔33中压力升高，气体分别流向各个引流孔31，在引流孔31内形成高压区，再由喷流口高速喷出，受喷流口41边界层切应力的作用，喷出的气体具有一定的喷射角β，高速气体经喷流口41喷出，经过喷流腔23直接喷向出流口22，使喷流腔23的高流速区形成局部负压，外界空气自进流口21进入到喷流腔23；当压电元件1振动变形导致发生腔32体积变大时，发生腔32内形成负压，在负压的作用下，气流经由喷流口41补充到发生腔32，喷出的流体具有远离喷流口41的动量，不易被吸回，气流只能由喷流腔23的低速区经喷流口41流入发生腔32，喷流腔23产生局部负压，气体由进流口流入。如此往复，形成单向脉冲气体流动。

本实施例还提供了一种散热器，包括上述的压电风扇，还包括散热翅片8，压电风扇的出流口朝向散热翅片8，吹出的冷气带走散热翅片8上的热量，提高散热效率。进一步地，散热翅片8与发热体7之间直接接触，减少中间的导热件的设置，减小热阻。

如图6-7所示，本实施例还提供了一种电子设备，包括上述的压电风扇和外壳9，压电风扇设置在外壳9的内部，外壳9内还设置有发热体7(例如cpu)和散热翅片8，发热体7与散热翅片8直接接触，发热体7产生的热量可直接传导至散热翅片8上。外壳9的外表面上开有气孔91，气孔91与压电风扇的进流口21连通。具体地，壳体2的上下表面均设有一个或多个进流口21，压电风扇的上表面贴着所述外壳9设置，外壳9上设置有与壳体2上下表面的进流口21分别对应的气孔91，气孔91与壳体上下表面2的进流口21对应连通。本实施例中，壳体2的上下表面均设置有一排进流口21，外壳9上也对应设置有两排气孔91，一排气孔91与压电风扇的上表面的进流口21分别对应连通，另一排气孔91通过气流通道93与压电风扇的下表面的进流口21连通。优选地，外壳9内延伸有隔离结构92，隔离结构92与压电风扇的侧壁和下表面之间形成气流通道93，方便外界气流经气孔91进入到壳体2的下表面的进流口21中，通过隔离结构92可形成与其它电子元件隔离的气流通道93，进一步设置气孔91中设置空气过滤膜片，外来杂质不会进入到流道内部，不会造成污染。进一步优选地，气孔91均设置在外壳9的上、下端面上。

作为本实施例的另一实施方式，如图8-9所示，两排气孔91可设置在外壳9的侧壁上，两排气孔91均可通过对应的气流通道93连通至壳体2的上下表面的进流口21。

实施例二

如图10所示，本实施例与实施例一基本相同，区别仅在于，本实施例中的压电元件1为两个，电极板6也为两个，且无需设置隔板。具体地，两个压电元件1对称设置在支承件3的内部，两个压电元件1的基板12靠近且间隔设置，两个基板12之间形成发生腔32。支承件3的上下两端均设置有电极板6，两个电极板6分别为两个压电元件1接入电流，两个压电元件1的端部与支承件3的内壁之间形成缓冲腔33。

通过两个压电元件1同时作用于发生腔，则泵送作用力增强，流体的流量和流速都会相应增强。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明的宗旨的前提下做出各种变化。