Пьезоэлектрические модули для активного охлаждения

Компания Mide уже не один раз удивляла разработчиков необычными приложениями для своих уникальных пьезоэлектрических технологий. Среди продуктов компании есть пьезоэлектрические сборщики энергии механических вибраций, тактильные сенсоры, актюаторы и различные датчики. Данная статья посвящена еще одной очень интересной разработке Mide – пьезоэлектрическим модулям для активного охлаждения, которые способны работать там, где применение обычных вентиляторов невозможно.

Рис. 1.	Пьезоэлектрические модули для активного охлаждения от компании Mide.

Прямой и обратный пьезоэффекты давно известны и хорошо изучены. Прямой пьезоэффект заключается в формировании электрических потенциалов на поверхности пьезоэлектрика при механических воздействиях. Обратный пьезоэффект выражается в возникновении деформации пьезоэлектрика под влиянием внешнего электрического поля.

Спектр приложений пьезоэлектриков достаточно широк: от зажигалок до кварцевых резонаторов и динамиков. Тем не менее, компания Mide предлагает новые, совершенно необычные приложения для пьезоэлектриков.

В новостной ленте УНИТЕРЫ уже не раз появлялись статьи с описанием датчиков и сборщиков энергии вибрации от Mide. Данная статья посвящена пьезоэлектрическим модулям для активного охлаждения. И это не ошибка, речь идет именно о системах активного охлаждения! Здесь мы имеем как раз тот случай, когда лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать (Рис. 2). Пьезоэлектрический модуль представляет собой многослойную пластину, внутри которой помещен пьезоэлектрик. При воздействии на него переменного электрического поля он начинает деформироваться и изгибаться. Если один из концов модуля закрепить, то его движение напоминает работу хвостового плавника рыбы. При этом происходит естественное нагнетание воздуха.

Рис. 2.	Демонстрация системы активного охлаждения на базе модулей от Mide.

Пьезоэлектрический модуль имеет многослойную герметичную конструкцию, созданную по технологии Piezo Protection Advantage (PPA) (Рис. 3). Непосредственно сам пьезоэлектрик помещен между проводящими слоями медной фольги и защитными листами стеклотекстолита FR-4. Текстолит защищает весь модуль от влаги, пыли и прочих негативных воздействий окружающей среды.

Рис. 3.	Конструкция пьезоэлектрических модулей Mide.

Естественно, что у любого здравомыслящего инженера может возникнуть вопрос: зачем нужно изобретать велосипед, если есть обычные вентиляторы? И здесь стоит признать, что во множестве приложений вентиляторы были и останутся вне конкуренции. Вместе с тем существуют случаи, когда их применение будет ограничено. Например, вентиляторы имеют в своей конструкции подвижные части (подшипники), что требует периодического технического обслуживания. Всегда ли есть возможность такое обслуживание проводить? Ответ очевиден – нет, не всегда. При этом, если установка вентилятора невозможна, то остается единственный выход – увеличивать размеры радиатора пассивного охлаждения, что естественно приводит к росту габаритов.

Еще один минус вентиляторов – невозможность работать в условиях повышенной запыленности или в условиях агрессивных сред. Причина этого остается той же – сложно защитить подвижные механизмы (подшипники) от загрязнения и быстрого выхода из строя. Также применение вентиляторов ограничено при высокой влажности.

Пьезоэлектрические модули Mide лишены перечисленных недостатков. А их преимуществами являются:

• отсутствие подвижных механических частей;
• срок службы более 15 лет;
• защищенная конструкция, позволяющая работать в условиях повышенной запыленности, высокой влажности, солевого тумана, агрессивных сред;
• возможность работы в широком диапазоне температур –55…+125 °C;
• простая схема включения и возможность работы от бытовой электросети 240/120 В;
• отсутствие высокого уровня вносимых помех.

Сейчас к услугам разработчиков предлагается два типа модулей, которые имеют примерно равные характеристики и отличаются главным образом типом используемой электрической сети (Рис. 4):

PFN-1011 – пьезоэлектрический модуль, предназначенный для европейского рынка и работающий в сетях 240 В/50 Гц.

PFN-1012 – пьезоэлектрический модуль, предназначенный для американского рынка и работающий в сетях 120 В/ 50 Гц.

С точки зрения российского рынка больший интерес представляет модуль PFN-1011. Он обеспечивает воздушный поток 4.8 л/с (17.33 м³/ч) и имеет потребление 0.77 Вт.

Рис. 4.	Внешний вид пьезоэлектрических модулей Mide.

Схема включения PFN-1011 достаточно проста и требует всего нескольких дополнительных компонентов (Рис. 5).

Рис. 5.	Схема включения PFN-1011 в сеть 240 В/ 50 Гц.

Теперь, когда основные преимущества перечислены, можно судить о перспективности применения новых модулей. Интересный анализ сделал Крис Людлов (Chris Ludlow), который выделил пять наиболее перспективных приложений для пьезоэлектрического активного охлаждения.

Оборудование для связи.
В этой сфере активно применяются громоздкие пассивные системы охлаждения. Использование вентиляторов не приветствуется из-за недостаточно высокой надежности (особенно для уличных приложений). Новые модули пьезоэлектрического охлаждения позволят значительно снизить габариты за счет ухода от громоздких радиаторов.

Системы светодиодного освещения.
В них практически всегда используется пассивное охлаждение, так как вентиляторы имеют высокий уровень шума и требуют постоянного обслуживания. Из-за невысокой эффективности радиаторов разработчики вынуждены использовать светодиоды не на 100% и увеличивать их количество. Если применить пьезоэлектрическое охлаждение, то можно повысить теплообмен и уменьшить число светодиодов.

Авиационная и космическая электроника.
В этих приложениях вентиляторы не используют из-за малой надёжности при работе в жестких условиях окружающей среды (пыль, влажность, песок и т.д.). Применение громоздких и тяжелых радиаторов, при этом, становится неизбежным злом. Установив пьезоэлектрическое охлаждение, можно выиграть драгоценные килограммы для другого полезного груза.

Медицинская электроника и магнитно-резонансная томография (МРТ).
Каждый, кто хоть раз бывал в кабинете МРТ, замечал, что там всегда достаточно свежо. Причина этого в том, что чувствительная электроника должна работать в условиях стабильной температуры. При этом использование вентиляторов невозможно из-за создаваемых электромагнитных помех. Пьезоэлектрические модули в отличие от двигателей вентиляторов не используют переменного электромагнитного поля и не создают помех.

Электроника для военной отрасли.
Такие системы требуют сохранения работоспособности при температурах –55…+125 °C, что абсолютно не является проблемой для новых модулей.

Пьезоэлектрическое охлаждение может применяться и для других областей (автомобильная электроника, лабораторное чувствительное измерительное оборудование и т. д.).

Как было показано выше, электрическая схема включения пьезоэлектрических модулей достаточно проста. Механически система также не выглядит сложной. Для того, чтобы не тратить время на разработку собственных блоков и конструктива, имеет смысл воспользоваться отладочными наборами: PFN-9001 или PFN-9002.

PFN-9001 – отладочный набор, представляющий собой законченную пьезоэлектрическую систему охлаждения (Рис. 6). В комплект поставки входит пьезоэлектрический модуль PFN-1011, блок питания, радиатор с монтажными частями и стойка для установки модуля. Набор предназначен для работы с бытовой сетью 240 В/50 Гц.

PFN-9002 – отладочный набор, аналогичный PFN-9001, но предназначенный для американского рынка для работы с бытовой сетью 120 В/50 Гц.

Рис. 6.	Отладочный набор PFN-9001.

С помощью этих наборов можно быстро изучить все возможности новых модулей, например, эффективность их работы. В качестве примера на Рис. 7 представлены результаты тестов при включенном и отключенном активном пьезоэлектрическом охлаждении. Несложно заметить, что при использовании модулей температура на целых 75 °С ниже!

Рис. 7.	Демонстрация эффективности активного пьезоэлектрического охлаждения.

Характеристики пьезоэлектрического модуля PFN-1011:

• Создаваемый воздушный поток: 17.33 м³/ч (4.8 л/с);
• Напряжение питания: 240 В/ 50 Гц;
• Частота резонанса: 51 ±1 Гц;
• Собственная емкость: 27 нФ;
• Ток потребления 3.2 мА;
• Потребляемая мощность: 0.77 Вт;
• Диапазон рабочих температур: –55…+125 °C;
• Влажность: 0…95%;
• Масса: 2.9 г;
• Срок службы: более 15 лет;
• Корпусное исполнение: 21.0 × 103.5 мм.

Состав отладочного набора PFN-9002:

• Пьезоэлектрический модуль PFN-1011 (50 Гц);
• Блок для питания пьезоэлектрического модуля (240 В/50 Гц);
• Радиатор;
• Крепеж и монтажные элементы.

Посмотреть подробные характеристики пьезоэлектрических модулей от MIDE