CN100399232C - 气流产生装置和电子设备 - Google Patents

Abstract

一种气流产生装置包括外壳和压力改变机构。外壳具有第一开口和第一室并包含气体。在第一开口中，第一气流以第一流速产生。第一室连接到第一开口并且其中产生第二气流。第二气流在第一室中的最高流速为第二流速，其低于第一流速。压力改变机构通过第一开口排出气体，同时通过在外壳中的气体中产生压力改变而在第一室中产生第二气流以及在第一开口中产生第一气流。

Description

气流产生装置和电子设备

技术领域

本发明涉及一种排出气体的气流产生装置和包括该气流产生装置的电子设备。

背景技术

至今，个人计算机(PC)性能的增加已经引起从发热元件如集成电路(IC)中产生的热量增加。因此，已经提出多种散热技术或产品。散热方法的例子包括下述方法。在一种方法中，热量通过使由金属例如铝形成的散热片与IC接触并将热量从IC传导到散热片来耗散。在另一种方法中，使用风扇来散热。例如，风扇有力地将在个人计算机的外壳中变热的空气去除，然后将周围的低温空气引入到发热元件的附近。在又一方法中，散热片和风扇都使用来散热。利用散热片增加发热元件和空气之间的接触区域，风扇有力地将存在于散热片附近的变热空气去除。

然而，在利用该风扇的空气的有力对流中，在散热片表面处的温度边界层在该片的下游侧产生，由此引起来自散热片的热量不能被有效去除的问题。该问题可以通过例如通过增加风扇风速以减小温度边界层的厚度来解决。然而，为了增加风扇风速而增加风扇的旋转速度引起噪声产生，例如来自风扇轴承的噪声或者通过风扇产生的风的噪声。

利用周期往复运动的振动片的方法(例如参考日本未审查专利申请公开号2000-223871(图2)，2000-114760(图1)，2-213200(图1)，和3-116961(图3))可以用作通过破坏温度边界层而不利用风扇作为鼓风机、有效地允许来自散热片的热量排出到外部空气中的方法。在这四篇文献的装置中，特别是在日本未审查专利申请公开号2-213200和3-116961中的装置包括：将室中的空间大致地划分为两个的振动片，配置在该室中并支承振动片的弹性件，和振动该振动片的单元。在这些装置中，例如，当振动片向上移动时，室的上部空间的体积减小。因此，上部空间中的压力增加。由于上部空间通过吸入-排气开口连接到外部空气，因此上部空间中部分空气通过上部空间中增加的压力排出到外部空气。这时，与上部空间相对的下部空间的体积(振动片配置在下部空间和上部空间之间)增加，引起下部空间中的压力降低。由于下部空间通过吸入-排气开口连接到外部空气，因此下部空间中减小的压力使存在于吸入-排气开口附近的外部空气的一部分吸入到下部空间中。相反，当振动片向下移动时，室的上部空间的体积增加。因此，上部空间中的压力减小。由于上部空间通过吸入-排气开口连接到外部空气，因此上部空间中减小的压力使存在于吸入-排气开口附近的外部空气的一部分吸入到上部空间中。这时，与上部空间相对的下部空间的体积(如上所述，振动片配置在下部空间和上部空间之间)减小，引起下部空间中的压力增加。下部空间中增加的压力使下部空间中的一部分空气被排出到外部空气中。振动片例如通过电磁驱动方法进行驱动。因此，通过往复运动振动片，室中空气排出到外部空气以及外部空气吸入到室中周期重复。由振动片的周期往复运动引起的脉动空气对着发热元件如散热片(散热器)送风，因此在散热片表面处的温度边界层被有效地破坏，作为其结果，散热片得到高效率的冷却。

发明内容

最近，由增加的IC计时(IC clocking)产生的热量增加。因此，例如，为了破坏由于其热量产生而形成在散热片附近的温度边界层，一般向IC或散热片传送比目前更大量的空气。在利用周期往复运动的振动片排出空气的方法中，例如在上述四篇文献中描述的方法，排出的空气量可以通过增加振动片的振动幅度来增加。然而，振动片的振动幅度越大，噪声越大。因此，对于实际应用，振动片一般以小的振动幅度进行操作，以该振动幅度，噪声级不会打扰到任何人。

该噪声的一种原因是通过室中的空气压力的周期振动产生的声波，所述振动由振动片的往复运动引起。声波振动室的壁表面或经由吸入-排气开口传播通过外部空气，作为其结果，与振动片的振动频率具有相同频率的声波被排出到外部空气中。因此，振动幅度越高，由这些声波引起的噪声问题越严重。

该噪声的另一个原因为由气流的扰动引起的气流声音，该扰动由振动片的往复运动引起。振动幅度越大，经历往复运动的空气的最大流速越高。因此，在室中，扰动在由于抑制空气的平稳流动的结构件(例如驱动单元或吸入-排气开口)引起的气流中产生，或扰动在以高速通过吸入-排气开口的气流中或在吸入-排气开口外部的气流中产生。因此，由通过这种扰动产生的气流声音引起的噪声变成问题。

尽管，例如，如在日本来审查专利申请公开号2-213200和3-116961中(在这些文献的每一篇中的第2页的左下栏)，由声波产生的噪声可以通过使振动频率远离可听区域来减小，该声波通过由振动片的往复运动引起的空气振动产生，频率越低，每个单位时间的空气排出量越小(空气排出量与振动幅度，有效的截面区域和振动片的频率的乘积成比例)。相反，当振动片以在可听区域以外的高频率振动时，振动片的振动幅度通过包括驱动单元的机械振动系统的幅度-频率特性显著减小。因此，每个单位时间的空气排出量如预期的那样减小。通过室中的气流扰动产生的气流声音取决于空气的最大流速而不是振动片的振动频率。因此，气流声音一般不受到仅将振动频率远离可听区域移动的方法的限制。

考虑到上述问题，希望提供一种可以限制噪声的产生而不会减小气体排出量和冷却能力的气流产生装置，以及包括该气流产生装置的电子设备。

根据本发明的实施例，提供一种包括外壳和压力改变机构的气流产生装置。外壳具有第一开口和第一室并包含气体。在第一开口中，第一气流以第一流速产生。第一室连接到第一开口并且其中产生第二气流。第二气流具有第二流速，其是第一室中的最高流速并且低于第一流速。压力改变机构通过第一开口排出气体，同时通过在外壳中的气体中产生压力改变而在第一室中产生第二气流以及在第一开口中产生第一气流。

根据本发明的实施例，外壳形成以便第二气流的第二流速小于第一气流的流速，该第二流速是第一室中存在的最高速度。因此，例如，即使振动件以高振动幅度振动，以该振动幅度得到预定空气排出量，有可能减小由第一室中的第二气流产生的噪声。

从气流产生装置中产生的噪声的一个原因是由气流中的扰动产生的气流声音，所述扰动是因压力改变机构改变外壳中的气体压力而产生的。这种气流声音也当在第二气流中发生扰动时产生。由于当气流速度增加时噪声倾向于变高，因此，根据本发明的实施例，在第一室中产生的气流的流速尽可能地低以将通过这种气流声音产生的噪声限制到可能的程度。

第一气流的方向和第二气流的方向可以是相同或不同的。

压力改变机构可以是产生分层气流的机构或产生脉动气流(如下文所述)的机构。产生分层气流的机构可以是例如轴流风扇(axial fan)。

可以使用的气体的类型不仅是空气，而且可以是氮，氦气，氩气，或其它类型的气体。

振动件的驱动方法可以使用例如静电作用、压电作用或磁性作用。

振动件可以具有二维形状或可以具有三维形状，如圆锥状或具有侧板的形状。术语“振动件”可以包含用于支承振动片的术语“弹性支承件”。振动件在大致垂直于振动件的振动方向的平面(即有助于改变气体压力的平面)中的形状是圆形，椭圆形，多边形，或角形和圆形。“角形和圆形”涉及通过直线和曲线围绕的区域形状，例如具有圆形转角的多边形。

当如上所述产生脉动气流时，在一个形式中，压力改变机构包括通过外壳支承的振动件以便能够振动，使气体排出为脉动气体。这使得以脉动方式排出气体成为可能。因此，热量可以有效地通过例如破坏发热元件的温度边界层耗散。

在另一形式中，第二流速在从0.5至3.0[m/s]的范围中。这是因为当第二流速小于0.5[m/s]时，一般使用大的外壳以得到预定的气体排出量，以及当第二流速超过3.0[m/s]时，产生打扰人们的噪声。

在又一形式中，第一开口具有接近于第一室配置的端部，以及振动件具有沿大致第一气流的方向配置在离第一开口的端部从1.0至30.0[mm]的距离处的围缘部分(peripheral edge portion)。这是因为当振动件的围缘部分离第一开口的端部距离小于1.0[mm]配置时，产生打扰人们的噪声，以及当振动件的围缘部分离第一开口端部的距离大于30.0[mm]时，振动件相对于外壳的尺寸小，这是效率低的。根据本发明的实施例和形式，希望沿大致垂直于振动件的振动方向的平面(即有助于改变气体压力的平面)的半径在从10至40[mm]的范围中。这里，当平面不是圆形时，术语“半径”涉及从平面的中心至振动件的最接近的围缘部分的距离。

在又一形式中，外壳进一步具有第二开口和第二室。在第二开口中，第三气流以第三流速产生。第二室连接到第二开口，与第一室关于振动件相对配置，并且其中第四气流以小于第三流速的第四流速产生。通过这样，气体通过第一和第二开口交替排出，特别是，从各个开口产生的第二声音的相位彼此相反，因此声波彼此减弱。因此，噪声可以进一步减小。此外，如在第一室中，有可能减小由第二室中的第四气流产生的噪声。

当如上所述外壳进一步包括第二室时，如具有第一室一样，第四流速从0.5至3.0[m/s]。可替换地，第二开口具有接近于第二室配置的端部，以及振动件具有沿大致第三气流的方向配置在离第二开口的端部从1.0至30.0[mm]距离处的围缘部分。

根据本发明的另一方面，提供一种包括发热元件、外壳和压力改变机构的电子设备。外壳具有第一开口和第一室并包含气体。在第一开口中，第一气流以第一流速产生。第一室连接到第一开口并且其中产生第二气流。第二气流具有第二流速，其是第一室中的最高流速并且低于第一流速。压力改变机构通过第一开口向发热元件排出气体，同时通过在外壳中的气体中产生压力改变而在第一室中产生第二气流以及在第一开口中产生第一气流。

电子设备的例子为计算机(其可以是便携式计算机或台式计算机，当计算机是个人电脑时)，个人数字助理(PDA)，电子辞典，照相机，显示器，音频/视频器件，投影仪，便携式电话，游戏机，汽车导航系统，自动设备，和其它电子产品。发热元件可以是电子部件如IC或电阻，散热片(散热器)，或任何其它只要产生热的元件。

如上所述，根据本发明的实施例和形式，可以限制噪声的产生，而不减小气体排出量和冷却能力。

附图说明

图1是根据本发明实施例的气流产生装置和散热器的透视图；

图2是图1所示的气流产生装置的截面图；

图3是仅示出了外壳的示意透视图，其中去除了图1和2所示的气流产生装置的盖子；

图4A至4E示出了在垂直于振动片的振动方向的平面中的多种形状的振动片；

图5是根据本发明另一实施例的气流产生装置的截面图；

图6是图5所示的气流产生装置的示意透视图；

图7是在外壳中具有突出部的气流产生装置的截面图；

图8是示出了在每个实施例中在气流产生装置的外壳中由气流的产生所引起的噪声级的图；和

图9是示出了在图2所示的气流产生装置中距离和噪声级之间的关系的图。

具体实施方式

下面将参考附图描述本发明的实施例。

图1是根据本发明实施例的气流产生装置和散热器的透视图。图2是图1所示的气流产生装置10的截面图。

气流产生装置10包括外壳1，在外壳1的上部分中具有矩形孔1b。矩形弹性支承件6安装到外壳1的孔1b的周边，并支承振动片3。室11通过振动片3、弹性支承件6和外壳1形成。将室11中的空气向配置在外壳1外部的散热器20排出的多个喷嘴2安装在外壳1的侧表面1a上。喷嘴2可以与外壳1形成一体。代替多个喷嘴2，也可以仅使用一个喷嘴2。

驱动振动片3的致动器5配置在外壳1的顶部。例如，沿振动片3的振动方向R磁化的磁体14配置在柱形磁轭8中，以及例如，盘状磁轭18安装到磁体14上。磁性电路通过磁体14和磁轭8和18形成。其上缠绕了线圈17的绕线管9移动进入和移出磁体14和磁轭8之间的空间。换句话说，致动器5是音圈电机。供电线16连接到致动器5。供电线16通过安装到盖子4的终端24电连接到控制电路13(如驱动IC)。电信号从控制电路13提供给致动器5。

磁轭8与覆盖外壳1的顶部的盖子4整体形成。然而，从防止由磁体14产生的磁通量从磁轭8扩散到盖子4的观点而言，磁轭8和盖子4可以由不同的材料形成。绕线管9固定到振动片3的表面。振动片3可以通过这样的致动器5沿双箭头R的方向(Z方向)振动。

外壳1例如由树脂、橡胶、金属或陶瓷形成。树脂和橡胶有助于外壳1的形成并适合于大量生产。此外，树脂和橡胶可以增加声音衰减因子，从而可以限制噪声，以及可以用于减小重量和成本。考虑到外壳1的散热，希望金属是具有高热导率的铜或铝。盖子4也由例如树脂、橡胶、金属或陶瓷形成。外壳1和盖子4可以由相同材料或不同材料形成。弹性支承件6例如由树脂或橡胶形成。

振动片3例如由树脂、纸、橡胶或金属形成。尽管振动片3示出为具有平面形状，但是它可以是锥形，如具有安装到该处的扬声器的振动片，或可以具有三维形状。

图4A至4E示出了在垂直于振动片的振动方向R的平面中的多种形状的振动片。振动片可以是椭圆形，如在图4A中示出的振动片43，或长圆形，如在图4B中示出的振动片53。尽管没有示出，但是振动片也可以是圆形。在各个图4C、4D和4E中示出的振动片63、73和83分别为正方形、矩形、和具有弯曲部分的矩形。因此，尽管振动片的平面形状可以自由选择，但是圆形振动片以及其模具更容易生产。希望具有在图4C至4E的各个图中所示的振动片63、73和83的任一个的气流产生装置10的外壳1的平面形状等根据振动片的形状为矩形。例如，由于轴流风扇等旋转并吹动空气，因此其平面形状是圆形。与此相反，由于根据实施例的气流产生装置10的振动片不是必须为圆形，因此它可以按照如图4A至4E所示的形状灵活地形成。由于按照形状的灵活性，因此例如当气流产生装置10安装到电子设备如PC上时，其配置和形状可以选择，具有较大的自由度。

尽管振动片43的尺寸等没有限制，但是例如，r可以在从5至100[mm]的范围中，如图4A至4E所示。这里，r涉及从振动片的中心至振动片的最接近的围缘部分的距离。该r设置在从5至100[mm]的范围中，考虑到包括气流产生装置10的电子设备可以是例如从小的便携式电话至大的显示设备的范围。更实际地，r在从10至40[mm]的范围中。

参考图2，希望从气流产生装置10的弹性支承件6的围缘至每个喷嘴2的开口端部(开口端部接近于室11配置)的距离d在例如从1.0至30.0[mm]的范围中。这是因为当d小于1.0[mm]时，产生打扰人们的噪声。认为噪声通过由振动片3振动引起的开口附近的气流和吸入的气流之间的碰撞而产生。此外，距离d在前述范围内，因为当d大于30.0[mm]时，振动片3的相对于外壳1的前述r变得小，这是效率低的。

现在将描述具有上述结构的气流产生装置10的操作。

当例如正弦交替电压施加到致动器5时，振动片3经历正弦振动，引起室11的体积增加或减小。室11体积的改变使室11中的压力发生变化，引起来自喷嘴2的气流成为脉动气流。例如，当振动片3沿室11的体积增加的方向移动时，室11中的压力减小。这使得外壳1外部的空气通过喷嘴2流入室11。相反，当振动片3沿室11的体积减小的方向移动时，室11中的压力增加。这使得室11中的空气通过喷嘴2排出到室11的外部并对着散热器2送风。当空气从喷嘴2排出时，喷嘴2附近的空气压力的减小使得喷嘴2附近的空气被吸入从喷嘴2排出的空气中。即，喷气进行组合。作为对着散热器20吹动所组合的喷气的结果，该组合的喷气使得冷却散热器20成为可能。

这里，参考图2，当室11中的压力作为振动振动片3的结果而改变时，气流在室11中沿图2所示的箭头方向(X方向)产生。图3是仅示出了外壳的示意透视图，其中去除了图1和2所示的气流产生装置的盖子4。如图2和3所示，喷嘴2的开口区域是S₁[m₂]，喷嘴中的气流速度是V₁[m³/s]，在室11中并且在大致垂直于该气流的平面中(Y-Z平面)的截面区域是S₂[m²]，其中具有最高流速的气流在室11中产生，以及在流速最高的该部分处的气流速度为V₂[m³/s]。在该情况下，气流产生装置10满足下述公式：

V₂/S₂≤V₁/S₁

换句话说，在室11中，具有最高流速的气流被设置成其流速等于或小于在每个喷嘴2中的开口处产生的气流的流速。通过这样，即使例如振动片3以大的振动幅度振动，以该振动幅度得到预定气体排出量，可以减小由室11中的气流产生的噪声。由于室11中气流的速度越高，噪声倾向于越高，因此根据本发明的实施例，在室11中产生的气流的流速被设置为尽可能低以将由这种气流声音产生的噪声限制到可能的程度。然而，当流速太小时，为了得到预定空气排出量，将S₂设置为较高，由此增加外壳1的尺寸。因此，流速不设置为非常低。因此，设置在室11中的流速，以该流速得到预定流量以及减小噪声。

这里，当使用多个喷嘴2时，S₁是喷嘴2的开口区域的总和。在该情况下，室11中最高的流速在0.5至3.0[m/s]的范围中。这是因为当最高流速小于0.5[m/s]时，外壳的尺寸较大以得到预定气体排出量，以及当最高流速超过3.0[m/s]时，产生打扰人们的噪声。

在图1和2所示的气流产生装置10中，室11的内部具有大致平行六面体的形状。由于这是一个简单的形状，因此相同速度(但不同方向)的气流在室11中基本上所有的部分处产生。

图5是根据本发明另一实施例的气流产生装置的截面图。下文中，该实施例的气流产生装置的相应于之前实施例的气流产生装置10的部件、功能等的描述被简化或省略，即描述将集中在区别之处。

气流产生装置30的外壳21的内部被振动片3和弹性支承件6分开，因此第一室11a和第二室11b形成在外壳21中。外壳21具有喷嘴2a和2b，其分别限定连接到第一室11a和第二室11b的开口。可以使用多个喷嘴2a和多个喷嘴2b，或可以仅使用一个喷嘴2a和一个喷嘴2b。在这种气流产生装置30中，例如对致动器5施加正弦交替电压以使得振动片3振动。振动片3的振动使室11a和室11b中的压力交替增加和减小，因此空气通过各个喷嘴2a和2b交替流入和流出室11a和室11b。换句话说，当空气从第一室11a通过喷嘴2a排出到外壳21的外部时，空气从外壳21的外部通过喷嘴2b流入第二室11b。相反，当空气从第二室11b通过喷嘴2b排出到外壳21的外部时，空气从外壳21的外部通过喷嘴2a流入第一室11a。

甚至在气流产生装置30中，如图5和6所示，由于与气流产生装置10中的原因相同，因此满足Va₂/Sa₂≤Va₁/Sa₁以及Vb₂/Sb₂≤Vb₁/Sb₁。更明确地，在每个室11a和11b中的最高流速设置为从0.5至3.0[m/s]。甚至在气流产生装置30中，希望距离d例如设置为从1.0至30.0[mm]。

如在图7所示的根据又一实施例的气流产生装置40中示出，当突出部21a和21b等配置在外壳21中时，例如，突出部21a和振动片3之间的流速可以在室11a中最高，以及突出部21b和振动片3之间的流速可以在室11b中最高。可以不特意形成突出部21a和21b。它们例如当在制造气流产生装置40中形成外壳21时附带地形成。可替换地，可以特意地形成突出部21a和21b。即，本发明适用于特意形成的突出部21a和21b。

如在前述实施例中，图7所示的气流产生装置40满足Vc₂/Sc₂≤Vc₁/Sc₁以及Vd₂/Sd₂≤Vd₁/Sd₁。更明确地，在每个室11a和11b中的最高流速设置为从0.5至3.0[m/s]的范围。甚至在气流产生装置40中，希望如图2所示的距离d例如设置为从1.0至30.0[mm]的范围。

图8是示出了在每个实施例中在气流产生装置的外壳中由气流的产生引起的噪声级(A特性)的图。这是示出了在噪声级(A特性)和截面区域比例之间的关系的图。“A特性”涉及听觉特性，其中声音越低(声音的频率越低)，人们感知噪声的容易性越小，因此“声压级”被校正以便匹配这种听觉特性。该图示出了实验的结果，其中当由通过某个单位截面区域的气流产生的噪声级是42.3[dB(A)]时，由气流产生的噪声用数字表示，所述气流通过大于单位截面区域的截面区域并具有与通过单位截面区域的气流相同的流速。沿水平轴，截面区域以单位截面区域的2倍、3倍等变化。该图示出了截面区域越大，噪声级越低。特别是，通过使截面区域为单位截面区域的4倍，噪声级减小大约17[dB]。

图9是示出了在图2所示的气流产生装置30中距离d和噪声级(A特性)之间的关系的图。这幅图示出了特别是当d等于或大于1[mm]时，噪声小于30[dB]，因此噪声减小。此外，特别是，将距离d设置在从2至5[mm]的范围中减小噪声级大约4[dB]。

本发明不限于上述实施例，因此多种变形可以得到。

将气流产生装置10、30等描述为作为利用振动片3改变外壳中空气压力的结果，以脉动方式排出空气的装置。然而，它们可以是作为在外壳中产生例如轴流风扇的分层气流的结果，排出空气的装置。

气流产生装置10、30等可以用作提供燃料电池的燃料的装置。更明确地，燃料电池体的氧气(空气)吸入口和任一实施例的气流产生装置的喷嘴配置成彼此面对。这允许从气流产生装置中排出的空气从吸入口吸入作为氧气燃料。

本发明包含与2005年4月28日在日本专利局提交的日本专利申请JP2005-131875有关的主题，该申请的整个内容在此结合作为参考。

Claims (9)

1.一种气流产生装置，包括：

外壳，其具有第一开口和第一室并包含气体，在所述第一开口中，第一气流以第一流速产生，所述第一室连接到所述第一开口并且其中产生第二气流，所述第二气流在所述第一室中的最高流速是第二流速，其低于所述第一流速；和

压力改变机构，其通过所述第一开口排出气体，而通过在所述外壳中的气体中产生压力改变而在所述第一室中产生所述第二气流以及在所述第一开口中产生所述第一气流。

2.根据权利要求1所述的气流产生装置，其中所述压力改变机构包括由所述外壳支承的振动件，以便能够振动，使气体排出为脉动气体。

3.根据权利要求1所述的气流产生装置，其中所述第二流速在从0.5至3.0m/s的范围中。

4.根据权利要求2所述的气流产生装置，其中所述第二流速在从0.5至3.0m/s的范围中。

5.根据权利要求2所述的气流产生装置，其中所述第一开口具有更接近于所述第一室配置的端部，所述振动件具有沿大致第一气流的方向配置在离第一开口的所述端部在从1.0至30.0mm的范围中的距离处的围缘部分。

6.根据权利要求2所述的气流产生装置，其中所述外壳进一步具有第二开口和第二室，在所述第二开口中，第三气流以第三流速产生，所述第二室连接到所述第二开口，与所述第一室关于所述振动件相对配置，并且在所述第二室中第四气流以小于所述第三流速的第四流速产生。

7.根据权利要求6所述的气流产生装置，其中所述第四流速在从0.5至3.0m/s的范围中。

8.根据权利要求6所述的气流产生装置，其中所述第二开口具有更接近于所述第二室配置的端部，所述振动件具有沿大致第三气流的方向配置在离所述第二开口的所述端部在从1.0至30.0mm的范围中的距离处的围缘部分。

9.一种电子设备，包括：

发热元件；

外壳，其具有第一开口和第一室并包含气体，在所述第一开口中，第一气流以第一流速产生，第一室连接到所述第一开口并且其中产生第二气流，所述第二气流在所述第一室中的最高流速是第二流速，其低于所述第一流速；和

压力改变机构，其通过所述第一开口向所述发热元件排出气体，而通过在所述外壳中的气体中产生压力改变而在所述第一室中产生所述第二气流以及在所述第一开口中产生所述第一气流。

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