CN101405508B - 冷却器件和包括这种冷却器件的电子器件 - Google Patents

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Abstract

一种利用脉动流体冷却物体(8)的冷却器件，这种冷却器件包括适合于以驱动频率产生压力波的换能器(2)和管(3)，这种管(3)具有第一端部和第二端部(7)，该第一端部适合于从这种换能器接收这些压力波，且该第二端部(7)适合于产生朝向该物体(8)的脉动净输出流。在亥姆霍兹谐振器中，管的长度比波长短，与亥姆霍兹谐振器相比，根据本发明的管的长度(L)大于λ/10，现已发现，这种长度已足够地长以避免亥姆霍兹谐振。相反，这种管起到传输线的作用，这种传输线将速度增益加到这种脉动流。

Description

冷却器件和包括这种冷却器件的电子器件
技术领域
本发明涉及一种冷却器件，这种冷却器件包括一种适合于以驱动频率产生压力波的换能器和管，这种管具有第一端部和第二端部，该第一端部适合于从该换能器接收这种压力波，且该第二端部适合于产生朝向物体的脉动净输出流。
本发明还涉及一种包括这种冷却器件的电子器件。
背景技术
传统上借助于通过自然对流或强制对流的空气冷却来实现电子部件和系统的冷却，这种自然对流或强制对流沿着通常设在电子组件、散热件或固定装置之外的区域。
不过，出于新近开发的电子器件所产生的较高热通量密度的原因，近来在各种用途中对冷却的需求一直在增加，与传统的器件相比，新近开发的这些电子器件如更加紧凑和/或功率更大。这些经过改进的器件的示例包括如较大功率的半导体光源、RF功率器件和性能更高的微处理器、硬盘驱动器、光驱动器和大面积器件，较大功率的半导体光源如激光器或发光二极管，光驱动器如CDR、DVD和蓝光驱动器，大面积器件如平板电视和照明器。
就自然对流而言，冷却能力一方面由于导致较小可用面积的小型化和重量限制的原因而日益受到限制，另一方面受到导致过多的下游局部加热的增加功率散逸面积(平板电视、光板)的日益限制。
这种问题的明显而普遍实施的解决方案是使用风扇。虽然风扇在紧凑性、噪声和效率方面在持续得到提高，但仍由于风扇的或多或少的固有特性而遇到各种各样的问题，如尺寸、噪声、成本、预期工作寿命、至物体的最小距离和受限的设计自由度。
WO 2005/008348公开了用于冷却目的的一种合成喷射致动器和管作为通过风扇冷却的替代。这种管连接到谐振腔，且在这种管的远端产生喷射流，这种喷射流可用于将物体冷却。这种腔体和这种管形成亥姆霍兹(Helmholtz)谐振器，即二阶系统，在这种二阶系统中，这种腔体中的空气起到弹簧的作用，而在这种管中的空气起到质量的作用。
这类系统的缺陷在于，对于合理尺寸的腔体体积而言，管的截面积与管的长度之间的比率应小，以获得低谐振频率，不过，为了获得高的声输出和合理的品质因数(Q)，这种管的截面积应大。
文件US 2007/081027公开了一种带有长谐振器管的合成喷射冷却器，但并未提及适当的换能器的迫切性，该文件在本申请的申请日之前递交，但在本申请的申请日之后公开。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷和其它缺陷，本发明的总体目的在于提供一种改进的冷却器件。
本发明的另一个目的在于提供一种更加通用的冷却器件。
根据本发明，通过冷却器件来实现这些和其它目的，这种冷却器件包括适合于以驱动频率产生压力波的换能器和管，这种管具有第一端部和第二端部，该第一端部适合于从该换能器接收这些压力波，且该第二端部适合于产生朝向物体的脉动净输出流，其中，这种管是具有大于λ/10的长度的管谐振器，其中，λ是这些压力波的波长，且将这种换能器设计成在这种驱动频率处具有这样的阻抗，即这种阻抗是这种换能器的DC阻抗的1.5至2.5倍，优选是约2倍。
在此处，“换能器”是能够将输入信号转换成相应的压力波输出的器件。输入信号可以是电信号、磁信号或机械信号。适当的换能器的示例包括各种类型的膜片、活塞、压电结构等。尺寸适当确定的电动扬声器尤其可用作换能器。
本发明基于以下认识，即可通过使用管谐振器以获得脉动介质的速度增益，从而获得非常有效的冷却。
在亥姆霍兹谐振器中，管的长度比波长短，与亥姆霍兹谐振器相比，根据本发明的管谐振器的长度大于λ/10，现已发现，这种长度已足够地长以避免亥姆霍兹谐振。相反，这种管起到传输线的作用，这种传输线将速度增益加到这种脉动流。现已发现管长度大于λ/8的较好效果以及管长度大于λ/5的更好效果。
可以看出，这种管中的速度增益与sin(2πL/λ)+cos(2πL/λ)成反比。这就表明这种增益在sin(2πL/λ)≈1即在L≈(2n+1)λ/4时最大。
在这种管的长度等于(2n+1)λ/4的特定情形中，在这种管谐振器中产生驻波，这种驻波导致特别有利的速度增益。
根据本发明的冷却器件可用于通过各种液体或气态流体的定向外流冷却多种物体。不过，这种冷却器件特别适用于诸如电子电路这样的物体的气冷。
通过确定这种管谐振器的尺寸以产生穿过在这种谐振器的第二端部的开口的中心部分的脉动净流体外流来实现以这种外流的方向的非常有效的冷却。这一点尤其正确，因为根据本发明的源自冷却器件的输出的流体脉动流破坏了覆盖将要被非常有效地冷却的物体的边界层。
将这种器件理想地设计成使锥体偏移对于在这种管的第二端部的某种声压水平(SPL)最小。这就产生不太昂贵的扬声器，如这种换能器的更简单的悬留和/或工作寿命的提高。
现已发现，驱动频率阻抗与DC阻抗之间的特定关系产生特别有利的结果。在这种情况下，重要的设计参数是耦合系数(force factor)(Bl)，在本发明中，对这种耦合系数进行选择，以获得前面所提及的驱动频率阻抗。
可将这种管谐振器的第一端部布置成直接从这种换能器接收这种压力波。这就产生紧凑的设计。这种设计的要求是管直径基本上对应于这种换能器膜片的直径。
或者，为了对直径方面的任何差异进行处理，可将腔体体积布置在这种换能器与这种管之间。这种腔体不应与亥姆霍兹谐振器的腔体混淆。正如前面所说明的那样，这种管谐振器足够地长以避免亥姆霍兹谐振。
有利的是，这种驱动频率可基本上与这种系统的反谐振频率一致，即这种换能器与这种管和这种换能器与这种管之间的任何腔体结合。这种反谐振频率是这样的频率，这种系统的阻抗曲线为这种频率达到局部最小值。这种驱动频率的这种选择会产生最佳的输出速度。
这种外流还可基本上是湍流。通过适当地确定这种开端结构的尺寸和相应地对这种换能器的调谐，可在输出实现这种湍流外流。这样就获得更加有效的冷却。特别地，优选这种对尺寸的确定和调谐使在该第二端部形成的涡流形成行进离开该开口的足够距离，这种涡流形成以这种距离在这种换能器的前向冲程期间形成，以避免在后向冲程期间将这种涡流形成吸回到这种开端结构中。
可有利地确定这种开端谐振器的尺寸，以使这种外流以这样的频率脉动，对于这种频率来讲，最低可听水平相对较高。这种“最低可听水平”是人类能够听到的最低声压水平。
最低可听水平取决于最小值约为4kHz的频率。尤其是对于低频率来讲，这种最低可听水平相对较高。因此，优选地，确定这种开端谐振器的尺寸以在低于200Hz的频率谐振，且更优选在低于100Hz的频率谐振。
而且，可有利地将这种换能器设置成以一种水平来生成压力波，在这种水平时，这种外流的压力水平低于这种最低可听水平。这样就可将这种冷却器件构造成以听不到的方式运行。
根据本发明的一种替代实施例，这种管谐振器可在其第二端部具有多个开口。可基本上以相同方向或不同方向将这些开口定向以同时将几个物体冷却。而且，这些开口可基本上在相同的平面中或不同的平面中。
这种管可呈如圆柱形并具有长度、半径和两个端部。管的声音谐振频率易于计算且圆柱形管的制造特别简单。
根据一个实施例，这种管可基本上是直的，这样就获得特别大的频率选择放大，换言之，获得高声音品质因数(Q)。
这种管还可具有伸长的开口，这种开口至少部分地沿着这种管的长度延伸，以至少部分地穿过这种伸长的开口发射这种冷却外流。
当然，可在这种管中形成不同形状的几个开口。
通过这种伸长的开口的形成，这种冷却流体流可适合于要冷却的物体。
根据另一个实施例，这种管可基本上呈线圈状。通过将这种管形成为比直管更紧凑的线圈或其它布置，如迷宫环，可实现节约空间的冷却器件。
而且，除了出于旋涡链(train of vortices)的原因而在这种管的端部形成的喷射之外，可引入夹带环境空气的第二流，以增加冷却效果。可从距这种开口的某种距离的位置抽出这种第二流。特别是在要进行冷却的物体处于受限隔室内时，从不同位置将空气抽出是有利的。根据一个实施例，可布置第二管，该第二管与这种管谐振器同轴并具有在适当位置的开口，以允许将周围的冷空气吸入。
根据本发明的冷却器件还可有利地包括包括电子电路的电子器件。
附图说明
将参考附图对本发明的这些和其它方面进行更详细的描述，这些附图示出了本发明的目前所优选的实施例。
图1a是根据本发明的第一实施例的冷却器件的示意性平面图。
图1b是根据本发明的第二实施例的冷却器件的示意性平面图。
图2是图1a和图1b中的管谐振器的透视图。
图3是示出了根据本发明的冷却器件的优选操作范围的视图。
图4是根据本发明的第二实施例的冷却器件的示意性透视图。
图5是根据本发明的第三实施例的冷却器件的示意性透视图。
图6是根据本发明的第四实施例的冷却器件的示意性透视图。
图7是图1b中的冷却器件的一种变化形式的示意性平面图。
具体实施方式
图1a和1b示意性地示出了根据本发明的两个实施例的一种冷却器件。
示范性的冷却器件1由呈扬声器膜片形式的换能器2和管谐振器3的形式。将这种管3的第一端部4布置成从换能器2接收压力波。通过选择适当的尺寸获得穿过管3的第二端部7的开口6的脉动净流体外流5，在此情形中，这些尺寸是管3的截面S和长度L。穿过这种流体外流5将外流5的方向上的物体8冷却，物体8例如是电路或集成电路。
这种管具有大于λ/10的长度L，从而产生速度中的增益并避免这种管起到亥姆霍兹谐振器的颈部的作用。最优选长度L基本上等于λ/4的奇数倍，即(2n+1)λ/4，式中，n＝0，1，2...这种管长度会在这种管中产生驻波，这种驻波提供特别有效的速度增益。
优选这种管具有导致高增益即输入速度与输出速度之比的高品质因数Q。获得这种效果的措施之一是具有光滑的管壁。
根据一种优选实施例，无穿过这种管3的总净流。相反，由于喷射的拖曳，在开口6的周缘将流体的量吸入这种管3内，这种量对应于在中心部分外流5喷出的量，如图1a中的弯箭头9所示。
不过，如在物体8位于受限空间内的情况下，可有利地从某种其它位置吸入空气，在这种空间内空气被加热。出于这种目的，这种器件可设有从该位置通向这种管3的开口6的另外的通道。图7示出了这种设计一种示例。在此示例中，与管3同心布置另一种管61，这种管61的一个端部接近于开口6，且另一个端部63离开开口6。在运行时，将第二流体流62吸入这种管内，从而允许将更冷的空气引入热点中。
在示于图1a中的实施例中，将腔体体积V0设在换能器2之后并将腔体体积V1设在换能器2与管谐振器3之间。在图1b的实施例中，仅存在腔体体积V1。并不要求腔体体积V1实施本发明，但可有利地对换能器2和管3的不同直径进行补偿。这种换能器的方向并不重要，而且可以反转。
图2是根据本发明的另一个实施例的冷却器件1的示意性透视图。已将相同的附图标记用于对应于图1a和图1b中的元件的元件，但不应视为对前面的这些视图进行限制。
在图2中，管谐振器3具有圆柱形或圆形截面，且换能器2设置成扬声器膜片的形式并附到这种管的第一端部4。应注意，这绝不在任何意义上对本发明的范围进行限制，本发明同样可应用于一些冷却器件，这些冷却器件包括：其它类型的开端谐振器和具有沿着其延伸部分的变化截面的开端谐振器，所述其它类型的开端谐振器如具有不同形状(如矩形)截面的管。而且，还可用能够生成压力波的其它任何装置的形式提供这种换能器。这些装置包括如压电换能器、机械运动活塞等。此外，这种换能器不必如附图所示的那样紧紧地附到这种开端谐振器，而是还可与这种开端谐振器物理分离，只要与这种换能器有关布置这种开端谐振器，以使由这种换能器所生成的压力波耦合到这种开端谐振器的第一端部中。
在许多用途中，冷却器件的重要特征在于这种冷却器件保持不被使用者注意到。因此，优选将这种冷却器件设计成既紧凑又静音。
参看示出了相同响度图表(loudness chart)的图3，在图3中将根据本发明的冷却器件的优选的工作区域示为阴影区20。优选的工作区域20低于这种最低可听水平，且使用者听不到被设计/将尺寸确定成在区域20内运行的冷却器件。应注意，根据本发明的冷却器件可完全超过这种优选的区域的限制，而仍或多或少不被使用者注意到。图3的图表中的最终选择的工作点取决于诸如尺寸限制、所要求的冷却功率和通过这种系统的其它部分的声音发射水平这样的因数，这种冷却器件在这种系统中实现。
在图4中示意性地示出了根据本发明的再一个实施例的冷却器件30，冷却器件30不同于图2中的冷却器件1，因为在位于管33的第二端部32的三个开口31a至31c产生冷却器件30中的冷却外流。
因此，可用相同的冷却器件30冷却几个物体。
在图5中示意性地示出了根据本发明的再一个实施例的冷却器件40，冷却器件40不同于图2中的冷却器件1，因为穿过伸长的开口41a至41c以及在位于管43的第二端部42的开口发生冷却外流。
该实施例特别适用于延长物体的冷却。
在图6中示意性地示出了根据本发明的再一个实施例的冷却器件50，冷却器件50不同于图2中的冷却器件1，因为在冷却器件50中将管51卷成线圈状。这种布置虑及了在所希望的工作区域20内对管51的尺寸的确定，而将冷却器件50的总尺寸保持得尽可能紧凑。
本领域中熟练的技术人员会认识到本发明绝不限制到这些优选实施例。例如，可以用各种方式将这种换能器连接到这种管，且这种管不必具有圆形截面。

Claims (16)

1.一种利用脉动流体冷却物体(8)的冷却器件，所述冷却器件包括：
换能器(2)，所述换能器(2)适合于以驱动频率产生压力波，
管(3)，所述管(3)具有第一端部(4)和第二端部(7)，所述第一端部(4)适合于从所述换能器接收所述压力波，且所述第二端部(7)适合于产生朝向所述物体的脉动净输出流，
其特征在于：所述管是具有大于λ/10的长度(L)的管谐振器(3)，其中，λ是所述压力波的波长，
其中，所述换能器在所述驱动频率处具有这样的阻抗，即所述阻抗是所述换能器的DC阻抗的1.5至2.5倍。
2.如权利要求1所述的器件，其特征在于：所述管谐振器具有大于λ/8的长度(L)。
3.如权利要求1所述的器件，其特征在于：所述管谐振器具有基本上等于(2n+1)λ/4的长度(L)，式中，n＝0，1，2...且λ是所述压力波的波长。
4.如权利要求3所述的器件，其特征在于：所述换能器设计成在所述驱动频率处具有这样的阻抗，所述阻抗是所述换能器的DC阻抗的约2倍。
5.如前面的权利要求中的任一项所述的冷却器件，其特征在于：所述管谐振器(3)的所述第一端部(4)布置成直接从所述换能器(2)接收所述压力波。
6.如权利要求1至4中的任一项所述的冷却器件，其特征在于：将腔体体积(V1)布置在所述换能器与所述管谐振器之间。
7.如权利要求1至4中的任一项所述的冷却器件，其特征在于：所述驱动频率基本上与以下系统的反谐振频率一致，所述系统包括所述换能器(2)、所述管谐振器(3)、和所述换能器(2)与所述管谐振器(3)之间的任何腔体(V1)。
8.如权利要求1至4中的任一项所述的冷却器件，其特征在于：所述管谐振器(3)适合于减少穿过所述第二端部的总净流。
9.如权利要求1至4中的任一项所述的冷却器件，其特征在于：所述驱动频率选择为使所述脉动净输出流基本上是湍流。
10.如权利要求1至4中的任一项所述的冷却器件，其特征在于：所述第二端部(7)具有多个开口。
11.如权利要求1至4中的任一项所述的冷却器件，其特征在于：所述管基本上是直的。
12.如权利要求1至4中的任一项所述的冷却器件，其特征在于：所述管基本上呈线圈形状。
13.如权利要求1至4中的任一项所述的冷却器件，其特征在于：所述管具有伸长的开口，所述伸长的开口至少部分地沿着所述管的长度延伸，以穿过所述伸长的开口至少部分地发射所述输出流。
14.如权利要求1至4中的任一项所述的冷却器件，其特征在于：所述的冷却器件包括通道(61)，所述通道(61)用于从距所述谐振器的所述第二端部(7)某种距离的位置引入流体的第二流(62)。
15.如权利要求1所述的器件，其特征在于：所述管谐振器具有大于λ/5的长度(L)。
16.一种电子器件，所述电子器件包括电子电路和根据前面的权利要求中的任一项所述的用于冷却所述电路的冷却器件。
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