CN104053340A - 具有增大的体积流的合成射流驱动的冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有增大的体积流的合成射流驱动的冷却装置。一种合成射流驱动的冷却装置包括：生成并射出一系列流体涡流的至少一个合成射流促动器。联接到合成射流促动器上的歧管接收流体涡流，且生成主空气流。由连接管连接到歧管上的空气扩大器接收主空气流。空气扩大器包括定向成垂直于连接管的进气口和定位成与进气口相对的出气口，以及文丘里管区段，其定位在进气口与出气口之间，具有小于进气口直径的直径。文丘里管区段的中心处的低压区经过进气口而卷吸周围空气来生成副空气流，副空气流与主空气流组合来生成流经文丘里管并离开出气口的组合空气流。

Description

具有增大的体积流的合成射流驱动的冷却装置

相关申请的交叉引用

本申请为2013年3月14日提交的美国临时专利申请序列第61/783,065号的非临时申请且请求其优先权，在申请的公开内容通过引用合并于本文中。

技术领域

本发明的实施例大体上涉及合成射流装置，并且更具体地涉及一种用于增大合成射流装置的体积流速和传热速率的设备。

背景技术

合成射流促动器为广泛使用的技术，其生成合成的流体射流来影响该流体在表面上的流动以从表面散热。典型的合成射流促动器包括限定内室的壳体。孔口存在于壳体的壁中。促动器还包括壳体中或壳体周围用于定期地改变内室内的体积的机构，以便一系列流体涡流被生成且从壳体的孔口射出到外部环境中。例如，体积改变机构的示例可包括活塞，活塞定位在射流壳体中来在活塞或作为壳体的壁的柔性膜片的往复期间使流体移入和移出孔口。柔性膜片通常由压电促动器或其它适合的手段促动。

通常，控制系统用于产生体积改变机构的时间谐波运动。当该机构减小室的体积时，流体经过孔口从室喷出。当流体穿过孔口时，孔口的尖锐边缘分离流来产生卷成涡流的涡层。这些涡流在其自身的自诱发速度下移离孔口的边缘。当机构增大室的体积时，环境流体从离孔口较大距离处吸入室中。由于涡流已经移离孔口的边缘，故它们不受进入室中的环境流体影响。当涡流远离孔口行进时，它们合成流体射流，即，"合成射流"。

典型的合成射流装置的一个缺陷在于它们生成很低的流速，以致仅提供对应的较低传热速率。该较低的传热速率可能对于需要较高热耗散速率的系统和装置成问题。具体地，在电子组件中，与日益强大的处理系统相关联的热耗散水平提高已经导致了需要典型合成射流装置可能不能满足的改善的冷却速率。在微电子行业中，例如，技术的进步已经导致了晶体管密度增大和更快的电子芯片，使得必须耗散来保持合理的芯片温度的热通量也上升。尽管增大合成射流装置的尺寸和/或数目来满足这些增大的冷却要求是可能的，但将认识到的是，经常存在强加于实施为冷却此类电子组件的任何冷却系统的严格体积约束。

因此，需要一种以有效方式冷却发热装置的系统。还需要具有最小空间要求且提供增大的冷却流速的此类系统。

发明内容

本发明的实施例通过提供合成射流驱动的冷却装置来克服上述缺陷，该冷却装置提供增大的冷却流速。合成射流驱动的冷却装合并组件，流体流经过该组件而被发送且经历康达(coanda)和文丘里(venturi)效应，以提高流体流的流速，以便提供增大的冷却能力。

根据本发明的一个方面，一种合成射流驱动的冷却装置包括：至少一个合成射流促动器，其构造成将一系列流体涡流且经过其孔口射出；和歧管，其联接到至少一个合成射流促动器上以便从至少合成射流促动器的孔口接收一系列流体涡流，来自于至少一个合成射流促动器的一系列流体涡流生成主空气流。合成射流驱动的冷却装置还包括通过连接管而连接到歧管上的空气扩大器，以便接收主空气流，其中空气扩大器还包括：定位在空气扩大器的第一端部处且具有第一直径的进气口，其中进气口定向成垂直于连接管的出口；定位在与第一端部相对的空气扩大器的第二端部处的出气口；以及定位在进气口与出气口之间且具有小于第一直径的第二直径的文丘里管区段。文丘里管区段的中心处的低压区经过进气口而卷吸周围空气来生成副空气流，副空气流与主空气流组合来提供流经文丘里管并离开出气口的组合空气流。

根据本发明的另一个方面，一种混合康达-文丘里冷却装置包括：构造成将一系列流体涡流生成且从其孔口射出的至少一个合成射流促动器、联接到至少一个合成射流促动器上以便从其接收一系列流体涡流且生成主空气流的歧管、以及连接到歧管上以便接收主空气流的空气扩大器，空气扩大器包括文丘里管区段，其具有相比于空气扩大器的进气口减小的横截面积。当主空气流进入空气扩大器时作用于主空气流的康达效应和由空气扩大器的文丘里管区段引起的文丘里效应引起进气口周围的流体被卷吸入进气口中来生成副空气流，副空气流与主空气流组合来提供离开空气扩大器的出气口的组合空气流。

根据本发明的又一个方面，一种制造合成射流冷却装置的方法包括：提供分别构造成将一系列流体涡流生成且从其孔口射出的一个或多个合成射流促动器、将歧管联接到一个或多个合成射流促动器上以便从合成射流促动器的孔口接收一系列流体涡流且由此生成主空气流、以及通过连接管而将空气扩大器连接到歧管上以便从歧管接收主空气流，其中空气扩大器包括文丘里管区段，其具有相比于空气扩大器的进气口减小的横截面积。空气扩大器与合成射流叠层的连接生成来自于空气扩大器的空气流输出，其比从一个或多个合成射流促动器生成的主空气流具有更高的速度和体积流速。

这些和其它优点和特征将从结合附图提供的本发明的优选实施例的以下详细描述中更容易理解到。

一种合成射流驱动的冷却装置，包括：

布置成叠层构造的多个合成射流促动器，所述多个合成射流促动器中的各个均构造成将一系列流体涡流生成且从该合成射流促动器的孔口射出；

歧管，其联接到所述多个合成射流促动器上，以便从所述合成射流促动器的所述孔口接收所述一系列流体涡流，来自于所述多个合成射流促动器的所述一系列流体涡流生成主空气流；

空气扩大器，其通过连接管而连接到所述歧管上，以便接收所述主空气流，所述空气扩大器包括：

     进气口，其定位在所述空气扩大器的第一端部处且具有第一直径，其中所述进气口定向成垂直于所述连接管的出口；

     定位在与所述第一端部相对的所述空气扩大器的第二端部处的出气口；以及

     文丘里管区段，其定位在所述进气口与所述出气口之间，且具有小于所述第一直径的第二直径；

其中，所述文丘里管区段的中心处的低压区经过所述进气口而卷吸周围空气来生成副空气流，所述副空气流与所述主空气流组合来提供流经所述文丘里管并离开所述出气口的组合空气流。

优选地，所述连接管的所述出口在所述文丘里管区段的喉部处联接到所述空气扩大器上，所述喉部使所述空气扩大器从所述进气口的所述第一直径渐缩至所述文丘里管区段的所述第二直径。

优选地，在离开所述连接管时，由于所述康达效应而引起所述主空气流邻近所述空气扩大器的所述文丘里管区段的表面流动。

优选地，所述空气扩大器的所述文丘里管区段在所述主空气流穿过其间时由于所述文丘里效应而引起所述主空气流的速度增大，从而还在所述文丘里管区段的所述中心处形成所述低压区。

优选地，离开所述空气扩大器的所述出气口的所述组合空气流比由来自于所述多个合成射流促动器的所述一系列流体涡流生成的所述主空气流具有更高的速度和体积流速。

优选地，所述组合空气流的体积流速是所述主空气流的体积流速的15倍至20倍。

优选地，所述空气扩大器的所述出气口定位成邻近热源，使得所述组合空气流向所述热源提供冷却。

优选地，所述热源包括微电子电路组件。

优选地，所述空气扩大器包括构造成配合在由所述微电子电路组件强加的体积约束内的微文丘里管装置。

优选地，所述多个合成射流促动器中的各个均包括：

第一板；

与所述第一板间隔开且布置成与其平行的第二板；

壁结构，其联接到所述第一板和所述第二板上且定位在所述第一板与所述第二板之间以形成室，且包括其中的所述孔口；以及

促动器元件，其联接到所述第一板和所述第二板中的至少一者上，以选择性地引起其挠曲，从而改变所述室内的体积，使得所述一系列流体涡流被生成且从所述壁结构的所述孔口射出。

一种混合康达-文丘里冷却装置，包括：

布置成叠层构造的多个合成射流促动器，所述多个合成射流促动器中的各个均构造成将一系列流体涡流生成且从该合成射流促动器的孔口射出；

歧管，其联接到所述多个合成射流促动器上，以便从所述合成射流促动器的所述孔口接收所述一系列流体涡流，来自于所述多个合成射流促动器的所述一系列流体涡流生成主空气流；

空气扩大器，其连接到所述歧管上，以便接收所述主空气流，所述空气扩大器包括文丘里管区段，其具有相比于所述空气扩大器的进气口减小的横截面积；

其中，当所述主空气流进入所述空气扩大器时作用于所述主空气流的康达效应和由所述空气扩大器的所述文丘里管区段引起的文丘里效应引起所述进气口周围的流体被卷吸入所述进气口中来生成副空气流，所述副空气流与所述主空气流组合来提供离开所述空气扩大器的出气口的组合空气流。

优选地，所述主空气流沿大体上垂直于所述空气扩大器的所述进气口的方向且在所述文丘里管区段的喉部处进入所述空气扩大器。  

优选地，所述多个合成射流促动器中的各个均包括：

第一板；

与所述第一板间隔开且布置成与其平行的第二板；

壁结构，其联接到所述第一板和所述第二板上且定位在所述第一板与所述第二板之间以形成室，且包括其中的所述孔口；以及

促动器元件，其联接到所述第一板和所述第二板中的至少一者上，以选择性地引起其挠曲，从而改变所述室内的体积，使得所述一系列流体涡流被生成且从所述壁结构的所述孔口射出。

一种制造合成射流冷却装置的方法，包括：

提供多个合成射流促动器，其分别构造成将一系列流体涡流生成且从该合成射流促动器的孔口射出；

将所述多个合成射流促动器布置成合成射流叠层，且使得所述多个合成射流促动器的所述孔口对准；

将歧管联接到所述多个合成射流促动器上，以便从所述合成射流促动器的所述孔口接收所述一系列流体涡流，来自于所述多个合成射流促动器的所述一系列流体涡流生成主空气流；

通过连接管而将空气扩大器连接到所述歧管上，以便从所述歧管接收所述主空气流，所述空气扩大器包括文丘里管区段，其具有相比于所述空气扩大器的进气口减小的横截面积；

其中，所述空气扩大器与所述合成射流叠层的连接生成来自于所述空气扩大器的空气流输出，其比从所述多个合成射流促动器生成的所述主空气流具有更高的速度和体积流速。

优选地，将所述空气扩大器连接到所述歧管上包括在所述文丘里管区段的喉部处将所述连接管的出口连接到所述空气扩大器上，其中所述连接管的所述出口定向成垂直于所述空气扩大器的所述进气口，使得所述主空气流经历所述康达效应和所述文丘里效应。

附图说明

附图示出了当前构想用于执行本发明的实施例。

在附图中：

图1为具有控制系统的合成射流促动器的横截面。

图2为绘出在控制系统引起板向内朝孔口行进时的射流的图1中的合成射流促动器的横截面。

图3为绘出当控制系统引起板向外远离孔口行进时的射流的图1中的合成射流促动器的横截面。

图4和图5为根据本发明的实施例的合成射流驱动的冷却装置的示意性框图。

图6为示出由图4和图5中的合成射流驱动的冷却装置生成的流体流的示意性框图。

图7为根据本发明的实施例的合成射流驱动的冷却装置的示意性框图。

具体实施方式

参看图1至图3，可结合本发明的实施例使用的合成射流促动器或装置10和其操作出于描述合成射流促动器的总体操作的目的示出。合成射流促动器10包括限定并包围内室14的壳体12。壳体12和室14事实上可采用任何几何构造，如，盘形、卵形、正方形、矩形、椭圆形等，这取决于应用，但为了论述和理解的目的，壳体12在图1中示为横截面具有连续的外边界表面或壁16和布置成在壁16的任一侧上平行于彼此的一对板18,20(即，顶板和底板)，以便限定室14，其中板中的一者或两者为柔性的，达到允许其关于室14而向内和向外位移的程度。壁16具有任何几何形状的一个或多个孔口22，其使内室14与具有环境流体(例如，空气)的周围的外部环境流体连通，其中孔口22定位成以便将从其发射出的流体引导到期望位置和邻近或围绕合成射流促动器10而定位的物体(未示出)。

构造成引起板位移的一个或多个促动器元件、微机械装置或压电运动装置24,26附接到板18,20中的至少一者上，或如图1至图3中所示的两个板上。在示例性实施例中，促动器元件24,26包括压电元件(例如，压电盘、单晶片或双晶片)，其构造成从控制器/电源28周期性地接收电荷，且响应于电荷而经历机械应力和/或应变。压电元件24,26的应力/应变引起板18,20的挠曲，使得例如实现板的时间谐波运动或振动。将认识到的是，分别联接到板18,20上的压电元件24,26可选择性地控制成引起一个或两个板的振动，以便控制从合成射流促动器10排出的合成射流30的体积和速度。

在本发明的实施例中，促动器24,26可包括除了压电运动装置之外的装置，如形状记忆合金、磁性材料、静电材料、液压材料和超声波材料。因此，在此类实施例中，控制器/电源28构造成以对应的方式激活促动器24,26。即，对于静电材料，控制器/电源28可构造成向促动器24,26提供快速交变的静电电压，以便激活并弯曲板18,20，促动器24,26附接到其上。此类附加材料自身可构造成单晶片和双晶片布置。

参照图2和图3描述合成射流促动器10的操作。图2绘出了在板18,20由控制器/电源28控制来如箭头31绘出那样向内移动到室14中时的合成射流促动器10。室14具有其减小的体积，且流体经过孔口22喷出。当流体经过孔口22离开室14时，流在孔口22的边缘处分开，且产生涡层32，其卷成涡流34且开始沿由箭头36指出的方向移离孔口边缘30。

图3绘出了当板18,20受控制来如箭头38所示那样相对于室14向外移动时的合成射流促动器10。室14具有其增大的体积，且环境流体39如箭头组40绘出那样冲入室14中。板18,20由控制系统28控制，以便当板18,20移离室14时，涡流34已经从孔口边缘移除，且因此不受被吸入室14中的环境流体39影响。同时，环境流体39的射流由涡流34合成，以产生从远离孔口22较大距离处吸入的环境流体的较强卷吸。

现在参看图4和图5，示出了根据本发明的实施例的混合康达-文丘里合成射流驱动的冷却装置50。冷却装置50包括如图1至图3中所示的多个合成射流促动器/装置10，尽管认识到包括在冷却装置中的合成射流促动器的结构可不同于图1至图3中所示的合成射流促动器10。合成射流促动器10布置成形成合成射流叠层52，其中包括在叠层52中的合成射流促动器10的数目基于驱动冷却装置所需的必需流动体积输出来确定。如图5中所示，叠层52中的各个合成射流促动器10中的孔口22排列成使得从各个合成射流促动器10发出的流体射流沿相同方向流动。

又参看图4，歧管54联接到合成射流促动器10的叠层上，且定位成覆盖合成射流促动器10的多个孔口22，使得从合成射流促动器10发出的流体射流由歧管54收集。由歧管54收集的流体射流被引导至连接管56(或类似构件)，其将歧管54连接到冷却装置50的空气扩大器58上，其中连接管56关于空气扩大器58定位，从而引起经过连接管56发送的来自于合成射流促动器10的流体射流在空气扩大器58的文丘里管区段62的喉部60处离开连接管56的出口63。

如图4中所示，空气扩大器58还包括附加进气口64，其与连接管56分开，其中进气口64定向成垂直于连接管56。出气口66定位成与进气口64相对，在文丘里管区段62的另一侧上，且可定位成邻近待冷却的热源68，使得离开出气口66的具有增大速度和体积的扩大的空气流被引导到热源68处。根据一个实施例，热源68可为微电子电路组件的形式，且因此冷却装置50可构造为设计成配合在由微电子电路组件强加的紧凑体积约束内的微文丘里管装置。

混合的康达-文丘里合成射流驱动的冷却装置50的操作和由此生成的空气流大体上在图6中示出。在冷却装置50的操作中，表示为70的由合成射流促动器10生成的流体(即，空气)射流由歧管54收集，且被压缩而流经连接管56。空气在高速下通过连接管56节流，且在文丘里管区段62的喉部处离开进入空气扩大器58来作为表示为72的主空气流。由于康达效应，离开连接管56的该主空气流72沿着接近文丘里管区段62的表面74的路径，即，主空气流72粘附到康达轮廓上，且经过文丘里管62引导且朝空气扩大器58的出气口66引导。主空气流72接近文丘里管的表面的粘附产生了文丘里管的中心处的低压区，其表示为74，低压区卷吸经过进气口而进入空气扩大器的周围流体/空气来产生大体上表示为76的副空气流，副空气流沿主空气流72的方向流动，从而产生了进入主空气流72的空气的高体积流。康达效应和文丘里效应的组合用于增大从合成射流装置起的体积流速，其中主空气流72和周围空气(即，副空气流74)的组合流离开出气口作为表示为78的高体积、高速组合空气流。

现在参看图7，示出了根据本发明的另一个实施例的合成射流冷却装置80。合成射流冷却装置80结构和操作上类似于图4和图6中所示的合成射流冷却装置50，只是合成射流冷却装置50中的多个独立的合成射流促动器10的叠层布置52由合成射流冷却装置80中的单个合成射流促动器10替代。即，认识到的是，本发明的实施例可针对一种合成射流冷却装置，其仅合并了单个合成射流促动器，而非多个合成射流促动器。在此类实施例中，合成射流冷却装置80仍可利用康达和文丘里效应的优点来增大从合成射流冷却装置起的体积流速。

有利的是，本发明的实施例因此提供了一种合成射流冷却装置50,80，其设计成利用康达和文丘里效应的优点来增大从合成射流冷却装置起的体积流速，其中所得的流速差不多是由未设计成利用康达和文丘里效应(即，仅依靠由合成射流促动器生成的流体射流)的类似尺寸的冷却装置生成的流速的(例如)15倍至20倍。因此，可由合成射流冷却装置50,80实现的传热速率显著地提高。结果，对于相同的传热速率，合成射流冷却装置50,80的尺寸可减小，使得冷却装置可在具有如在冷却微电子电路组件中可能遇到的强加于冷却系统的严格体积约束的应用中实施。作为备选，对于相同尺寸的冷却装置50,80，传热速率可显著地增大。

因此，根据本发明的一个实施例，一种合成射流驱动的冷却装置包括：至少一个合成射流促动器，其构造成将一系列流体涡流生成且经过其孔口射出；和歧管，其联接到至少一个合成射流促动器上以便从至少合成射流促动器的孔口接收一系列流体涡流，来自于至少一个合成射流促动器的一系列流体涡流生成主空气流。合成射流驱动的冷却装置还包括通过连接管而连接到歧管上的空气扩大器，以便接收主空气流，其中空气扩大器还包括：定位在空气扩大器的第一端部处且具有第一直径的进气口，其中进气口定向成垂直于连接管的出口、定位在与第一端部相对的空气扩大器的第二端部处的出气口、以及定位在进气口与出气口之间且具有小于第一直径的第二直径的文丘里管区段。文丘里管区段的中心处的低压区经过进气口而卷吸周围空气来生成副空气流，副空气流与主空气流组合来提供流经文丘里管并离开出气口的组合空气流。

根据本发明的另一个实施例，一种混合康达-文丘里冷却装置包括构造成将一系列流体涡流生成且从其孔口射出的至少一个合成射流促动器、联接到至少一个合成射流促动器上以便从其接收一系列流体涡流且生成主空气流的歧管、以及连接到歧管上以便接收主空气流的空气扩大器，空气扩大器包括文丘里管区段，其具有相比于空气扩大器的进气口减小的横截面积。当主空气流进入空气扩大器时作用于主空气流的康达效应和由空气扩大器的文丘里管区段引起的文丘里效应引起进气口周围的流体被卷吸入进气口中来生成副空气流，副空气流与主空气流组合来提供离开空气扩大器的出气口的组合空气流。

根据本发明的又一个实施例，一种制造合成射流冷却装置的方法包括：提供分别构造成将一系列流体涡流生成且从其孔口射出的一个或多个合成射流促动器、将歧管联接到一个或多个合成射流促动器上以便从合成射流促动器的孔口接收一系列流体涡流且由此生成主空气流、以及通过连接管而将空气扩大器连接到歧管上以便从歧管接收主空气流，其中空气扩大器包括文丘里管区段，其具有相比于空气扩大器的进气口减小的横截面积。空气扩大器与合成射流叠层的连接生成来自于空气扩大器的空气流输出，其比从一个或多个合成射流促动器生成的主空气流具有更高的速度和体积流速。

尽管已经仅结合有限数目的实施例详细描述了本发明，但应容易理解的是，本发明不限于此类公开的实施例。相反，本发明可改变来合并迄今未描述的任何数目的改型、变化、置换或等同布置，但这与本发明的要旨和范围相当。此外，尽管已经描述了本发明的各种实施例，但将理解的是本发明的方面可仅包括所述的实施例中的一些。因此，本发明不被看作是由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (10)

1. 一种合成射流驱动的冷却装置，包括：

布置成叠层构造的多个合成射流促动器，所述多个合成射流促动器中的各个均构造成将一系列流体涡流生成且从该合成射流促动器的孔口射出；

歧管，其联接到所述多个合成射流促动器上，以便从所述合成射流促动器的所述孔口接收所述一系列流体涡流，来自于所述多个合成射流促动器的所述一系列流体涡流生成主空气流；

空气扩大器，其通过连接管而连接到所述歧管上，以便接收所述主空气流，所述空气扩大器包括：

    进气口，其定位在所述空气扩大器的第一端部处且具有第一直径，其中所述进气口定向成垂直于所述连接管的出口；

    定位在与所述第一端部相对的所述空气扩大器的第二端部处的出气口；以及

    文丘里管区段，其定位在所述进气口与所述出气口之间，且具有小于所述第一直径的第二直径；

其中，所述文丘里管区段的中心处的低压区经过所述进气口而卷吸周围空气来生成副空气流，所述副空气流与所述主空气流组合来提供流经所述文丘里管并离开所述出气口的组合空气流。

2. 根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述连接管的所述出口在所述文丘里管区段的喉部处联接到所述空气扩大器上，所述喉部使所述空气扩大器从所述进气口的所述第一直径渐缩至所述文丘里管区段的所述第二直径。

3. 根据权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，在离开所述连接管时，由于所述康达效应而引起所述主空气流邻近所述空气扩大器的所述文丘里管区段的表面流动。

4. 根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述空气扩大器的所述文丘里管区段在所述主空气流穿过其间时由于所述文丘里效应而引起所述主空气流的速度增大，从而还在所述文丘里管区段的所述中心处形成所述低压区。

5. 根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，离开所述空气扩大器的所述出气口的所述组合空气流比由来自于所述多个合成射流促动器的所述一系列流体涡流生成的所述主空气流具有更高的速度和体积流速。

6. 根据权利要求5所述的冷却装置，其特征在于，所述组合空气流的体积流速是所述主空气流的体积流速的15倍至20倍。

7. 根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述空气扩大器的所述出气口定位成邻近热源，使得所述组合空气流向所述热源提供冷却。

8. 根据权利要求7所述的冷却装置，其特征在于，所述热源包括微电子电路组件。

9. 根据权利要求8所述的冷却装置，其特征在于，所述空气扩大器包括构造成配合在由所述微电子电路组件强加的体积约束内的微文丘里管装置。

10. 根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述多个合成射流促动器中的各个均包括：

第一板；

与所述第一板间隔开且布置成与其平行的第二板；

壁结构，其联接到所述第一板和所述第二板上且定位在所述第一板与所述第二板之间以形成室，且包括其中的所述孔口；以及

促动器元件，其联接到所述第一板和所述第二板中的至少一者上，以选择性地引起其挠曲，从而改变所述室内的体积，使得所述一系列流体涡流被生成且从所述壁结构的所述孔口射出。