壓電風扇應用於LED散熱鰭片間之研究

禁用白熾燈泡以及節能的議題帶起了LED風潮，相較於過去傳統的照明，LED具有許多優點，而隨著LED功率的增加，散熱技術越來越重要，過高的溫度會降低LED的發光效率以及使用壽命下降。　　相較於一般的傳統風扇，壓電風扇(piezoelectric fan)具備體積小、消耗功率小、低噪音、長壽命等優點，本文研究的方式主要利用實驗觀察現象，並配合CFD-RC套裝軟體進行模擬分析，主要針對壓電風扇放置的幾何位置、傾斜角度以及操作條件做探討。幾何位置分為水平位置、垂直位置以及傾斜角度，操作條件分為震動振幅以及振動頻率。　　使用APC International, Ltd.生產的Standard Stripe Actuator TM 401040壓電片，風扇長度為100mm時，在風扇放置幾何位置上，散熱效果最佳處位於風扇最大振幅前約20mm處，水平位置選擇x/L=0.6時擁有解熱的最佳值，垂直位置越接近鰭片底面越佳，傾斜角度影響壓電風扇效果並不大，可適用於各角度的照明；在操作條件上，隨著振幅以及頻率的增加，風扇擺動效益皆有提升，在較大的振幅下，增加頻率所提升的擺動效益比小振幅來的顯著，如考慮壓電風扇所消耗的功率，就振幅方面，在30Hz時最佳的振幅為6mm，而9mm至18mm為次佳選擇；就頻率方面，在相同振幅時，操作於壓電風扇的共振頻率下可大大減少壓電風扇的功率消耗。由無因次參數分析實驗結果，發現在雷諾數(Re)小於700時，雷諾數及紐賽數(Nu)呈現線性的關係。而格拉斯霍夫數(Gr)與雷諾數平方之比值γ與擺動效益ε的關係呈現三個區域，在γ>10時由自然對流主導，在γ<1時由強制對流主導，1<γ<10自然及強制對流皆佔有一定重要性。

關鍵字

壓電風扇； LED ；散熱；自然對流；強制對流

並列摘要

Previous studies show that the lighting quality of LED largely depends on operating temperature. LED devices without thermal management may fail early due to thermal runaway, epoxy degradation, and thermal stress under high-operating temperatures. Piezoelectric fans have emerged as a viable cooling technology for the thermal management of low power electronic devices, owing to their low power consumption, minimal noise emission, and small and configurable dimensions. Previous study also shows the temperature of the heat source may reduce from 70.6℃to 37.4℃ by a piezoelectric fan in the case of heat plate. The performances of the piezoelectric fans depend on amplitude of piezoelectric fan, vibration frequency, the direction of gravity, and relative position between heat source and piezoelectric fan. The heat transfer performance for horizontal location arrangement shows best performance at Xpzt/Lfin = 0.6. Based on the dimensionless analysis to the experimental results, the relationship with Repzt and Nupzt is linear when Repzt < 700. It’s is observed that the parameter γ=Gr/Repzt represents the importance of natural convection relative to forced convection. When γ < 1, natural convection is negligible. When γ > 10, forced convection is negligible.

並列關鍵字

Piezoelectric fan ； LED ； heat dissipation ； natural convection ； force convection

參考文獻

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國際替代計量

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