液體儲存散熱裝置

壓電變壓器本身工作在諧振狀態(tài)，普通的電子功率器件工作時候是靜止不動的，這是壓電變器與現(xiàn)有的電子功率器件最大的不同。由于不同種類的壓電變壓器振型不同，即振動的方向不同，電極分布位置不同，這些特點(diǎn)增加了設(shè)計(jì)的難度。因此對于不同種類的壓電變壓器，需要配套的散熱裝置的設(shè)計(jì)。根據(jù)和壓電變壓器的靠近關(guān)系將整個散熱裝置分為三個部分：散熱結(jié)構(gòu)，外殼，外部散熱器 。

散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓電變壓器散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析的基本依據(jù)

眾所周知，熱能傳遞分為三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流及熱輻射。其中，導(dǎo)熱、對流這兩種熱最傳遞方式只在有物質(zhì)存在的條件下才能實(shí)現(xiàn)，而熱輻射可以在真空中傳遞，而且實(shí)際上在真空中福射能的傳遞最有效。

壓電變壓器散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是基于以上三種方式，因壓電變壓器本身具有極高功率密度，僅僅依靠本身的自然熱對流很難滿足需求，值得注意的是，對于工業(yè)上已經(jīng)成熟應(yīng)用的功率集成芯片，外殼內(nèi)部的散熱方式一般情況下采用熱傳遞方式來設(shè)計(jì)，這種方式更加容易將體積做小，結(jié)構(gòu)簡單，基于以上考慮，壓電變壓器散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)先選用熱傳遞的方式，也可以考慮強(qiáng)制熱對流來幫助散熱。通過前面的對三種散熱方式的介紹，我們知道熱輻射只有當(dāng)溫度升高到一定程度的情況下，才能發(fā)揮比較強(qiáng)的散熱能力，但是此時壓電變壓器可能己經(jīng)在退極化了。壓電陶瓷在正弦交流電驅(qū)動工作情況下，高于攝氏度，已經(jīng)不穩(wěn)定了，正常穩(wěn)定的工作溫度控制在攝氏度以下，可以說此時的熱輻射起到的效果非常小。因此整個散熱裝置設(shè)計(jì)主要基于熱傳遞和熱對流兩種方式。

普通的功率芯片內(nèi)芯直接固定在外殼上，然而對于壓電變壓器而言，完全的固定相當(dāng)于試圖停止壓電變壓器的工作，將會對其傳遞的功率和效率產(chǎn)生極大的影響。為了保證壓電變壓器工作時候充分自由的狀態(tài)，固定點(diǎn)選擇在工作振型位移為0的點(diǎn)，盡量以點(diǎn)的形式來固定，這樣可以減少對壓電變壓器振動的約束，這是壓電變壓器固定被普遍認(rèn)可和接受的方法。為了實(shí)現(xiàn)將熱很好的傳遞出去同時不吸收壓電變壓器工作時候的振動能量，和壓電變壓器直接接觸的熱耦合元件（導(dǎo)熱物質(zhì)），需要具備導(dǎo)熱性能好，品質(zhì)因數(shù)高的特性。有些液體如石圭油）的導(dǎo)熱性能良好，但因阻尼太大，我們不予考慮 。

外部散熱器選擇

電子散熱器廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中的功率元器件，小到三極管，大到集成電路等。散熱器滿足了高功率電子器件的散熱需求，保證了元器件能安全可靠的工作。前面介紹了壓電變壓器外殼內(nèi)部散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程，外殼外圍需要散熱器幫助進(jìn)步將熱量散發(fā)到空氣中。幸運(yùn)的是，電子器件外圍散熱器常用的選擇方法非常成熟，同樣適用于壓電變壓器的外圍散熱器選擇和應(yīng)用。

散熱器的分類沒有嚴(yán)格意義，按照材料分為：銅散熱器、鋁散熱器和鋼散熱器。

按照特點(diǎn)分為：西竹散熱器、密齒型散熱器、組合散熱器。

散熱器選用根據(jù)以下技術(shù)參數(shù)：

（1）功率器件本身的主要技術(shù)參數(shù)和使用參數(shù)。

（2）使用環(huán)境溫度。

（3）散熱器的體積、質(zhì)量、溫升、熱阻及價(jià)格等。

散熱器安裝在功率器件上后，如《等效熱路圖》所示，功率器件工作適合內(nèi)部發(fā)熱，經(jīng)過內(nèi)部的熱阻R_i，到達(dá)外殼，熱量流過外殼和散熱器之間有接觸熱阻R_c，到達(dá)散熱表面，最后經(jīng)由散熱器熱阻R_f后，到達(dá)空氣中。

總熱阻計(jì)算為：

散熱器的熱阻為：

P：耗散功率，T_jmax：功率器件最大允許節(jié)點(diǎn)溫度，T_c：功率器件外殼溫度，T_f：散熱器溫度，T_a：環(huán)境溫度，R_i：功率器件內(nèi)阻，R_c：器件與散熱器的接觸熱阻，R_f：散熱器的熱阻。

實(shí)際散熱器選擇中，功率器件最大的允許節(jié)點(diǎn)溫度、環(huán)境、內(nèi)部熱阻和耗散的功率屬于己知參數(shù)，通過公式可以獲得總散熱器熱阻，通過查詢接觸熱阻參考表，獲得對應(yīng)情況下的接觸熱阻，最后可以得到散熱的熱阻，從散熱器國家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中選擇合適的散熱器 。

如《能量流動圖》所示為帶有散熱裝置的壓電變壓器能量流動圖，從圖中可以清楚的看出：電能從驅(qū)動電路傳輸?shù)綁弘娮儔浩鞯妮斎氩糠郑沟脡弘娮儔浩靼l(fā)生共振，經(jīng)過逆壓電效應(yīng)，轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，然后通過正壓電效應(yīng)，轉(zhuǎn)換為電能供應(yīng)到負(fù)載電路。

壓電變壓器進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的過程中，存在介電損失，壓電損失和彈性損失。這些損失以熱的形式存儲在壓電材料內(nèi)部，造成壓電變壓器的溫度升高，雖然壓電陶瓷本身的散熱能力很差，仍然會有一部分熱量隨著溫度的升高通過熱對流的方式耗散在空氣中忽略熱輻射影響），若沒有散熱裝置幫助傳熱，所有損失的能量都用來使壓電變器溫度升高。

眾所周知，壓電材料本身的參數(shù)會隨著溫度的升高隨之變化這種變化使得損耗因子變大同樣的功率情況下，發(fā)熱量更大），壓電材料的變化加大了三種損失的產(chǎn)生，從而產(chǎn)生更多的熱量，整個過程形成了一個不斷使溫度升高的正反饋，當(dāng)壓電材料溫度達(dá)到居里點(diǎn)后，完全失去極化特性，壓電變壓器將不能工作。往往伴隨著交流電場的作用，壓電材料的性能隨著溫度的升高，更加容易退極化，溫度不到居里點(diǎn)的時候，己經(jīng)不能工作了。若有合適的散熱裝置，將熱量通過散熱結(jié)構(gòu)經(jīng)外殼傳遞到散熱器中，進(jìn)一步散到空氣中，在一定程度上，打破了不斷使溫度升高的正反饋，可以有效改善壓電變壓器工作時候的溫度環(huán)境。然而，比較常用的有效傳熱方式熱傳遞需要接觸來導(dǎo)出熱量，因壓電變壓器工作時候共振的特點(diǎn)，接觸導(dǎo)熱的過程中，接觸面將會受到摩擦影響，摩擦也會帶來額外的損耗熱量，另外對壓電陶瓷的電極面有一定的磨損 。