CN102159833B - 用于冷却物体的方法、设备及系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于冷却物体的方法包括：将冷却装置联接到物体上，其中，该冷却装置包括至少一个热声引擎和多个气体二极管；利用热声引擎产生声功率；引导流体的声振荡通过气体二极管；以及将由物体产生的热量传递到流体，以有利于从物体中移走热量。

Description

用于冷却物体的方法、设备及系统
发明背景
本文公开的主题一般涉及冷却物体，并且更具体而言，涉及使用热声(thermoacoustic)驱动式散热装置(heat sink)来冷却物体。
高性能微处理器的使用在诸如计算机的商用电子设备中已经变得更普遍了。由于大量热能的产生的原因，这种微处理器可需要高的热消散。至少一些已知的微处理器能够消散约100瓦/平方厘米(W/cm2)。至少一些已知的商用电子设备使用风扇驱动式强制通风散热装置冷却来支持这种消散需要。但是，风扇驱动式冷却常常具有相对短的平均故障间隔时间值(MTBF)，例如约三年。此外，已知风扇驱动式冷却增加了与这些微处理器一起使用的电路板组件的颗粒污染。
由于比商用电子设备更严格的工业可靠性要求的原因，至少一些已知的工业电子设备无法利用高性能微处理器技术的发展。例如，至少一些已知的工业电子设备需要至少二十年的MTBF值。此外，工业操作环境限制可不同于应用于商用电子设备的那些。例如，至少一些已知的工业电子设备需要环境空气低于约60℃。因而，存在可用来冷却工业电子设备中的高性能微处理器的少数选择。
因此，期望的是提供一种用以冷却诸如高性能微处理器的物体、其中不存在运动部件的装置，以有利于更高的可靠性。
发明简述
在一方面，一种用于冷却物体的方法包括：将冷却装置联接到物体上，其中，冷却装置包括至少一个热声引擎(thermoacoustic engine)和多个气体二极管(gas diode)；利用热声引擎产生声功率；引导流体的声振荡通过气体二极管；以及将由物体产生的热量传递到流体，以有利于从物体中移走热量。
在另一方面，热声驱动式冷却装置包括构造成吸收由热源产生的热量且使用吸收到的热量产生声功率的至少一个热声引擎。该装置还包括限定在所述热声驱动式冷却装置内的流体入口和限定在所述热声驱动式冷却装置内的流体出口。多个气体二极管构造成使用声功率来引导冷却流体通过热声驱动式冷却装置，从而使得吸收到的热量从热声引擎传递到流体，以有利于从物体中移走吸收到的热量。
在另一方面，冷却系统包括热声驱动式冷却装置，热声驱动式冷却装置包括构造成吸收由热源产生的热量且使用吸收到的热量来产生声功率的至少一个热声引擎。多个气体二极管构造成使用声功率来引导冷却流体通过热声驱动式冷却装置，从而使得吸收到的热量从热声引擎传递到流体，以有利于从物体中带走吸收到的热量。冷却系统还包括联接到热声驱动式冷却装置的散热装置，该散热装置构造成吸收从物体中移除的热量，并且在流体离开所述热声驱动式冷却装置时将该热量传递到流体。
附图简述
图1是用于冷却热源的示例性冷却系统的透视图；
图2是图1中所示的冷却系统的第二个透视图；
图3是示出了在图1中所示的冷却系统内的空气流和热量传递的简明结构图；
图4是示例性冷却系统的第二个实施例的透视图；以及
图5是示出了用于使用图1和2中所示的冷却系统来冷却物体的示例性方法的流程图。
具体实施方式
如本文所用，用语“热声引擎”指的是使用热量来在一叠板中产生温度梯度的原动机型热声装置。温度梯度在联接到堆叠上的谐振器内引起声音的产生。更具体而言，根据工作流体和堆叠中的各个板之间的热交互来产生声音。
如本文所用，用语“流体”指的是能够流入热声引擎中且与堆叠相互作用以产生声音的流体，例如空气。
如本文所用，用语“热源”指的是待使用例如本文描述的冷却系统来被冷却的物体。热源的实例包括但不限于仅包括微处理器和/或集成电路。将理解到，也可使用本文描述的冷却系统来冷却备选热源。
如本文所用，用语“气体二极管”指的是不对称的设备，该不对称的设备形成为以便以低的逆向流率相对于另一个相反的方向在一个方向上引导流体流。如本文所述，气体二极管能够将振荡流体流至少部分地转换成稳定的流体流。
图1是用于冷却热源(未显示)的示例性冷却系统100的透视图。图2是系统100的另一个透视图。图3是示出了系统100内的空气流和热量传递的系统100的简明结构图。在示例性实施例中，系统100包括热声驱动式冷却装置102。装置102包括第一端104、与第一端106相对的第二端106、第一侧108、与第一侧108相对的第二侧110、顶表面112及底表面114。长度L限定在第一端104和第二端106之间。宽度W限定在第一侧108和第二侧110之间。装置102可由例如金属材料制成，以有利于将热量从热源传递到装置102。在备选实施例中，装置102可由任何适当的材料制成。在示例性实施例中，通过将系统100联接到包括待冷却的物体的工业电子设备和/或商用电子设备(未显示)的零件(item)的电源(power supply)(未显示)上的电缆来利用功率对装置102进行电加热。在备选实施例中，装置102定位成与热源直接接触，使得由热源产生的热量直接传递到装置102。在另一个备选实施例中，装置102定位成与诸如铜的导热材料接触，该导热材料将由热源产生的热量传递到装置102。
在示例性实施例中，第一端104和第二端106限定谐振器，例如半波谐振器116。因此，长度L可为波长的几分之一(sub-multiple)。第一侧108限定流体入口118，该流体入口118使得诸如空气的流体能够进入半波谐振器116。在备选实施例中，可使用其它流体。在示例性实施例中，第二侧110限定流体出口120，流体出口120使得流体能够离开半波谐振器116。第一轴线122限定在装置102的入口118和出口120之间，如图2中所示。第二轴线124垂直于第一轴线122，并且限定在第一端104和第二端106之间。
此外，在示例性实施例中，热声驱动式冷却装置102包括至少一个热声引擎126。热声引擎126包括在第一端104处定位在第一侧108和第二侧110之间的第一堆叠128。类似地，热声引擎126包括在第二端106处定位在第一侧108和第二侧110之间的第二堆叠130。各个堆叠128和130包括第一热交换器132(或热端)和第二热交换器134(或冷端)。热声驱动式冷却装置102的备选实施例可包括一个堆叠或者不止两个堆叠。此外，备选实施例可包括在各个堆叠中的不止两个热交换器。多个通道136延伸通过各个堆叠128和130以及对应的第一热交换器132和第二热交换器134。第一热交换器132是各个堆叠128和130的热侧，并且通过将系统100联接到包括待冷却的物体的工业电子设备和/或商用电子设备(未显示)的零件的电源(未显示)上的电缆(未显示)利用功率对第一热交换器132进行电加热。来自第一热交换器132的热量通过通道136传播到第二热交换器134，第二热交换器134是各个堆叠加128和130的冷侧。第二冷交换器134将热流传导到运动通过热声驱动式冷却装置102的流体，并且部分地提高运动流体的温度。
系统100还包括多个气体二极管138。在示例性实施例中，气体二极管138布置成桥式整流器(rectifier)构造，如图3中所示。各个气体二极管138由连续的不对称翼型件140之间的空间限定，如图2中所示。各个翼型件140包括第一端142和第二端144，并且定向成与第二轴线124平行。此外，各个翼型件140在翼型件第一端142和翼型件第二端144之间限定翼型件轴线146，从而使得翼型件轴线146与第二轴线124平行。第一组气体二极管148(在图1中显示)定位在第一侧108和隔板150(在图1中显示)之间，隔板150沿着第二轴线124对齐。第二组气体二极管152定位在隔板150和第二侧110之间。装置102的备选实施例可包括更多组或更少组气体二极管。在示例性实施例中，第一组气体二极管148定向成使得各个翼型件140的第一端142相对于第一轴线122定位在第二端144的内侧。因而，通过入口118进入装置102的流体(例如空气)被引导朝向第一堆叠128和/或第二堆叠130向外离开第一轴线122。在沿着第一轴线122的内部区域154和由第一组148的各个翼型件140的第二端144限定的外部区域156之间的压力梯度在流体上产生通道效应(channeling effect)，该通道效应强制流体离开内部区域154流向外部区域156。相反，第二组气体二极管152定向成使得各个翼型件140的第二端144相对于第一轴线122定位在第一端142的内侧。在由第二组152的各个翼型件140的第一端142限定的外部区域156和沿着第一轴线122的内部区域154之间的压力梯度强制流体离开外部区域156流向内部区域154。
在示例性实施例中，散热装置158联接到待冷却的物体上(未显示)。散热装置158包括多个板160。各个板160定向成与第一轴线122平行。当流体离开出口120时，热能从散热装置158传递到离开的流体。
热声驱动式冷却装置102的发出的可听声音在一些实施例中可为不期望的。因而，装置102可大小设置成规定工作流体的振荡的频率，从而在高于或低于人类听觉的范围的频率处操作装置102。备选地，可将消声结构(未显示)添加到入口118和/或出口120，以削弱发出的声音。
在操作期间，热声驱动式冷却装置102使用来自一个或多个热源的外部电加热来提高第一热交换器132的温度，从而促使热能流入热声引擎126的第一热交换器132中。当第一热交换器132达到高于第二热交换器134的临界温度提升(critical temperature elevation)时，热声引擎126将开始在流体中产生声振荡。这些声振荡将开始使冷的环境流体运动通过热声驱动式冷却装置102。更具体而言，声振荡使冷的环境流体运动通过入口118，通过定向成桥式整流器构造的多个气体二极管138，以及通过出口120。然后，流体流动跨过散热装置158，在散热装置158中，冷的运动环境流体从温度更高的散热装置158中吸收热能，并且从散热装置158中带走该热能。
图4是用于冷却热源(未显示)的第二个示例性冷却系统200的透视图。更具体而言，系统200是自供动力的冷却系统。系统200包括如上所述的热声驱动式冷却装置102，以及散热装置202。散热装置202包括第一端204、与第一端204相对的第二端206、第一侧208，以及与第一侧208相对的第二侧210。长度LHS限定在第一端204和第二端206之间。宽度WHS限定在第一侧208和第二侧210之间。第一端204大小设置成接收热声驱动式冷却装置102的第一端104，而第二端206大小设置成接收热声驱动式冷却装置102的第二端106。
在操作期间，热声驱动式冷却装置102如以上描述的那样起作用，以驱动流体，只是代替如上所述那样使用外部电加热来提高第一热交换器132的温度，散热装置202成形成接触各个堆叠128和130的第一热交换器132，从而使得散热装置202的升高的温度提高各个第一热交换器132的温度。因而，产生反馈回路，其中，在待冷却的物体产生热能时，物体的温度将升高，而且热能将流入散热装置202中。然后，当散热装置温度升高时，热能将流入热声引擎126的各个第一热交换器132中。当各个第一热交换器132达到高于各个第二热交换器134的临界温度提升时，热声引擎126将开始在流体中产生声振荡。这些声振荡将开始使冷的环境流体运动通过热声驱动式冷却装置102，并且跨过散热装置202，在散热装置202中，冷的运动环境流体从温度更高的散热装置202中吸收热能，并且开始降低散热装置202的温度，从而减小所产生的声能。减小声能继而减少了流体流，这会降低从散热装置202中移除的热量。散热装置202的温度开始再次升高。这种反馈循环持续，直到从物体传导到热声驱动式冷却装置102中的热能和由流出热声驱动式冷却装置102的环境流体吸收到的热能的变化之间达到平衡，即两者相匹配。
图5是示出了用于使用如以上参照图1-3所述的冷却系统100或如以上参照图4所述的冷却系统200来冷却物体(例如热源)的示例性方法300的流程图。例如参照图1-3，在示例性实施例中，系统100联接302到待冷却的物体上。在示例性实施例中，通过将系统100联接到包括待冷却的物体的工业电子设备和/或商用电子设备(未显示)的零件的电源(未显示)上的电缆(未显示)利用功率对装置102进行电加热。在备选实施例中，装置102以直接接触的方式与物体联接，使得由物体产生的热量直接传递到装置102。在另一个备选实施例中，装置102以接触的方式与导热材料(例如铜)联接，导热材料将由物体产生的热量传递到装置102。
在示例性实施例中，通过入口118将流体引导304到装置102中。当热量传递到装置102时，流体的声振荡由第一堆叠128和/或第二堆叠130产生306。声振荡在装置102内谐振，建立振幅，并且导致在装置102内的流体在第一端104和第二端106之间来回进行较大的振荡运动。
然后将流体引导308通过定位成桥式整流器构造的多个气体二极管138。更具体而言，流体被引导朝向第一堆叠128和/或第二堆叠130向外离开第一轴线122通过第一组气体二极管148。在内部区域154和外部区域156之间的压力梯度产生通道效应，该通道效应强制流体离开内部区域154流向外部区域156。然后流体被引导朝向第一轴线122离开第一堆叠128和/或第二堆叠130通过第二组气体二极管152，并且因此被引导朝向出口120。在外部区域156和内部区域154之间的压力梯度强制流体离开外部区域156流向内部区域154。通过以这种方式引导流体通过装置102，流体的振荡被整流(rectify)成稳定的流体流。当正被引导通过气体二极管138时，热量被传递310到流体，以有利于从装置102中移走热量。当流体通过出口120离开装置102时，流体被引导312跨过散热装置158，从而使得热能从散热装置158传递到流体，以有利于物体的附加的冷却。
上述方法、系统及设备有利于在不使用运动部件的情况下冷却物体。在不使用运动部件的情况下冷却物体有利于获得更高的平均故障间隔时间，并且因此与自然对流相比有利于获得改进的冷却作用，但是具有同等的可靠性，这使得能够使用功率更高的微处理器、集成电路及待在工业产品中使用的其它电子构件。
以上对用于冷却物体的方法、系统及设备的示例性实施例进行了详细描述。方法、系统及设备不限于本文描述的具体实施例，而是相反，方法的步骤和/或系统和/或设备的构件可独立地并且与本文描述的其它步骤和/或构件分开来使用。另外，所描述的方法步骤和/或系统或设备构件同样可限定在其它方法、系统和/或设备中，或者与它们结合起来使用，并且不限于仅用本文描述的方法、系统和设备来实践。
如本文所用，以单数叙述且以词语“一个”或“一种”开头的元件或步骤应当理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确叙述了这种排除。另外，对一个上述实施例的参照不意在理解为排除也结合了所叙述的特征的另外的实施例的存在。
虽然已经根据各种具体实施例对本文公开的主题进行了描述，但是本领域技术人员将认识到，可利用在权利要求的精神和范围内的修改来实践上述实施例。

Claims (17)

1.一种用于使用联接到物体上的冷却装置来冷却所述物体的方法，所述冷却装置包括至少一个热声引擎和多个布置成桥式整流器构造的气体二极管，所述方法包括：
利用所述至少一个热声引擎产生声功率；
引导流体的声振荡通过所述多个气体二极管包括通过入口将流体引导到所述冷却装置中，引导所述流体通过所述桥式整流器，以及通过出口将所述流体引导出所述冷却装置；以及
将由所述物体产生的热量传递到所述流体，以有利于从所述物体中移走热量。
2.根据权利要求1所述的用于使用联接到物体上的冷却装置来冷却物体的方法，其特征在于，利用所述至少一个热声引擎产生声功率包括使用由热源产生的热量来产生所述流体的声振荡。
3.根据权利要求2所述的用于使用联接到物体上的冷却装置来冷却物体的方法，其特征在于，所述至少一个热声引擎包括具有热端和冷端的至少一个堆叠，并且其中，将由所述物体产生的热量传递到所述流体包括：
利用所述热端来吸收由所述物体产生的热量；以及
使用被引导通过所述多个气体二极管的所述流体来冷却所述冷端。
4.根据权利要求3所述的用于使用联接到物体上的冷却装置来冷却物体的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述流体离开所述出口时，引导所述流体通过联接到所述冷却装置上的散热装置；以及
将热量从所述散热装置传递到所述流体。
5.一种热声驱动式冷却装置，包括：
至少一个热声引擎，其构造成吸收由热源产生的热量，以及使用吸收到的热量来产生声功率；
限定在所述热声驱动式冷却装置内的流体入口和限定在所述热声驱动式冷却装置内的流体出口；
多个气体二极管，其构造成使用所述声功率来引导冷却流体通过所述热声驱动式冷却装置，从而使得吸收到的热量从所述至少一个热声引擎传递到所述流体，以有利于从物体中移走吸收到的热量；以及
所述多个气体二极管布置成桥式整流器。
6.根据权利要求5所述的热声驱动式冷却装置，其特征在于，所述至少一个热声引擎包括堆叠，所述堆叠包括第一热交换器和相对的第二热交换器，所述第一热交换器构造成吸收由所述热源产生的热量，而所述第二热交换器构造成在所述流体被引导通过所述热声驱动式冷却装置时由所述流体冷却。
7.根据权利要求6所述的热声驱动式冷却装置，其特征在于，轴线沿从所述流体入口到所述流体出口的方向限定在所述流体入口和所述流体出口之间，所述多个气体二极管包括：
相对于所述流体入口定位的第一组气体二极管，所述第一组气体二极管构造成将所述流体引导离开所述轴线朝向所述至少一个热声引擎的所述第二热交换器；以及
相对于所述流体出口定位的第二组气体二极管，所述第二组气体二极管构造成将所述流体从所述至少一个热声引擎的所述第二热交换器引导朝向所述轴线。
8.根据权利要求6所述的热声驱动式冷却装置，其特征在于，当所述流体离开所述热声驱动式冷却装置时，所述流体出口引导所述流体通过外部散热装置，其中，所述流体从所述外部散热装置中吸收热量。
9.根据权利要求5所述的热声驱动式冷却装置，其特征在于，所述至少一个热声引擎包括在所述热声驱动式冷却装置的第一端处的第一热声引擎，以及在所述热声驱动式冷却装置的与所述第一端相对的第二端处的第二热声引擎，从而使得所述第一热声引擎和所述第二热声引擎限定半波谐振器。
10.根据权利要求9所述的热声驱动式冷却装置，其特征在于，所述流体入口限定在所述半波谐振器的第一零声压节点处，而所述流体出口限定在所述半波谐振器的第二零声压节点处。
11.根据权利要求5所述的热声驱动式冷却装置，其特征在于，所述热声驱动式冷却装置还包括相对于所述流体入口和所述流体出口中的至少一个定位的至少一个消声结构。
12.一种冷却系统，包括：
热声驱动式冷却装置，包括：
至少一个热声引擎，其构造成吸收由热源产生的热量，以及使用吸收到的热量来产生声功率；和
多个气体二极管，其构造成使用所述声功率来引导冷却流体通过所述热声驱动式冷却装置，从而使得吸收到的热量从所述至少一个热声引擎传递到所述流体，以有利于从物体中移走吸收到的热量；以及
联接到所述热声驱动式冷却装置上的散热装置，所述散热装置构造成吸收从所述物体中移除的热量，以及在所述流体离开所述热声驱动式冷却装置时，将热量传递到所述流体；以及
轴线沿从流体入口到流体出口的方向限定在所述热声驱动式冷却装置的流体入口和流体出口之间，所述多个气体二极管包括：
相对于所述流体入口定位的第一组气体二极管，所述第一组气体二极管构造成将所述流体引导离开所述轴线朝向所述至少一个热声引擎的第二热交换器；以及
相对于所述流体出口定位的第二组气体二极管，所述第二组气体二极管构造成将所述流体从所述至少一个热声引擎的所述第二热交换器引导朝向所述轴线。
13.根据权利要求12所述的冷却系统，其特征在于，所述至少一个热声引擎包括堆叠，所述堆叠包括第一热交换器和相对的第二热交换器，所述第一热交换器构造成吸收由所述热源产生的热量，而所述第二热交换器构造成在所述流体被引导通过所述热声驱动式冷却装置时由所述流体冷却。
14.根据权利要求12所述的冷却系统，其特征在于，所述至少一个热声引擎包括在所述热声驱动式冷却装置的第一端处的第一热声引擎，以及在所述热声驱动式冷却装置的与所述第一端相对的第二端处的第二热声引擎。
15.根据权利要求14所述的冷却系统，其特征在于，所述第一热声引擎和所述第二热声引擎限定半波谐振器。
16.根据权利要求15所述的冷却系统，其特征在于，流体入口限定在所述半波谐振器的第一零声压节点处，而流体出口限定在所述半波谐振器的第二零声压节点处。
17.根据权利要求12所述的冷却系统，其特征在于，所述热声驱动式冷却装置还包括相对于所述流体入口和所述流体出口中的至少一个定位的至少一个消声结构。
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