JP2009272626A - シンセティック・ジェット強化自然冷却用のシステムおよび方法 - Google Patents

シンセティック・ジェット強化自然冷却用のシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

【課題】シンセティック・ジェット強化自然冷却用のシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】コンポーネントのエンクロージャ300は、体積内に配置される発熱コンポーネントを実質的に取り囲むように構成される体積を画定する1つまたは複数の側壁302と、側壁302のうちの少なくとも1つの側壁302に隣接して配置されるシンセティック・ジェット組立体304とを備え、このシンセティック・ジェット組立体304は、ジェット・ポート306を含む少なくとも1つのシンセティック・ジェット・エジェクタを含み、このジェット・ポート306は、少なくとも1つの側壁302の表面と垂直、平行、斜めのうちの少なくとも1つに位置合わせされ、シンセティック・ジェット組立体304は、上記ポート306を貫く流体のジェットをこの表面とほぼ平行、この表面の上へ垂直、この表面に斜めのうちの少なくとも1つの方向に向ける。
【選択図】図3

Description

本発明は、一般的にコンポーネントのエンクロージャに関し、より具体的には、コンポーネントのエンクロージャの自然対流冷却を強化するためのシステムおよび方法に関する。
少なくともいくつかの知られた応用分野では、コンポーネントおよびシステム(例えば、航空機に対して計算能力や電力を供給する様々なデジタルエレクトロニクスシステムおよびパワーエレクトロニクスシステムなどのシステム)は、軽量かつ信頼できるものであることが重要である。コンポーネントの受動的冷却は、信頼できるものであることで知られているが、冷却性能の観点からは、最も効率の低い冷却方法でもあり、典型的には、所定量の冷却のために大きなシステムを必要とする。受動的冷却の性能を拡張するために使用されるいくつかの選択肢として、表面を拡張することや、より高い熱伝導性を有する新しい材料を使うことである。表面の拡張は、伝熱面積を増大させる。拡張した表面には、フィン、リブ、および他の突出部が含まれる。より高い熱伝導性を有する材料は、エンクロージャの熱抵抗を減少させる。拡張した表面とより高い熱伝導性の新しい材料は共に、自然対流の簡潔さおよび信頼性に影響を及ぼすことなくより高い性能を実現する。しかし、表面拡張やより高い熱伝導性材料の使用は共に、性能限界を有する。
損失密度が受動的冷却が実用的である場合を越えるときには、活性ガスまたは液体の冷却が用いられる。活性ガスまたは液体を冷却とすると、より軽くはなるが、信頼性がより低下する。表面を拡げたり、先端材料を用いてなされる改良がそれらの限界に到達するときには、ファンまたは他のガス冷却装置を用いて、冷却ガスを表面を横切らせ、あるいは表面に対して強制的に吹き付けるような、能動的冷却を用いることがよく、能動的冷却は自然対流に比べて流体膜の熱抵抗をかなり減少させる。利用できる冷却用空気をすぐ近くから取り込むことに加えて、強制対流の手法における冷却ガスは調整可能であり、より冷たくなり、したがってより効率的である。さらなる選択肢は、液体冷却である。典型的には液体は、ガスより効率的な熱伝導流体であり、したがってより多くの熱を除去できる。活性ガス冷却および液体冷却は、受動的冷却システムより信頼性が低く、より複雑であり、活性ガス冷却と液体冷却は共に、受動的冷却の手法より本質的に信頼性が低い可動部を備えるシステムを必要とする。
米国特許第7,055,329号公報 米国特許第6,722,581号公報 米国特許出願公開第2004/0,190,305号公報 米国特許出願公開第2003/0,075,615号公報
一実施形態では、コンポーネントのエンクロージャは、体積を画定する1つまたは複数の側壁を備え、これら側壁は、体積内に配置される発熱コンポーネントを実質的に取り囲むように構成される。コンポーネントのエンクロージャは、側壁のうちの少なくとも1つの側壁に隣接して配置されるシンセティック・ジェット組立体をさらに備える。シンセティック・ジェット組立体は、ジェット・ポートを有する少なくとも1つのシンセティック・ジェット・エジェクタを含む。ジェット・ポートは、少なくとも1つの側壁の表面と垂直、平行および斜めのうちの少なくとも1つで位置合わせされる。シンセティック・ジェット組立体は、上記ポートを貫く流体のジェットをこの表面とほぼ平行、この表面の上へ垂直、およびこの表面に向って斜めのうちの少なくとも1つに向けるように構成される。
別の実施形態では、エンクロージャの冷却を増大させる方法は、エンクロージャの複数の側壁のうちの少なくとも1つの側壁に隣接してシンセティック・ジェット組立体を配置するステップを含み、このシンセティック・ジェット組立体は、ジェット・ポートを有する少なくとも1つのシンセティック・ジェット・エジェクタを含む。ジェット・ポートは、少なくとも1つの側壁の表面と垂直、平行および斜めのうちの少なくとも1つで位置合わせされ、シンセティック・ジェット組立体は、ジェット・ポートを貫く流体のジェットをこの表面とほぼ平行、この表面の上へ垂直、およびこの表面に向って斜めのうちの少なくとも1つに向けるように構成される。
さらに別の実施形態では、電子式コンポーネントシステムは、体積を画定する複数の側壁を備えるコンポーネントのエンクロージャと、体積内に配置される発熱コンポーネントと、複数の側壁のうちの少なくとも1つの側壁に隣接して配置されるシンセティック・ジェット組立体とを備える。シンセティック・ジェット組立体は、ジェット・ポートを有する少なくとも1つのシンセティック・ジェット・エジェクタを含む。ジェット・ポートは、少なくとも1つの側壁の表面と垂直、平行および斜めのうちの少なくとも1つで位置合わせされる。シンセティック・ジェット組立体は、ジェット・ポートを貫く流体のジェットをこの表面とほぼ平行、この表面の上へ垂直、およびこの表面に向って斜めのうちの少なくとも1つに向けるように構成される。
既知の自然通風冷却されたコンポーネントのエンクロージャの斜視図である。 図1に示すエンクロージャの熱プロファイルマップである。 本発明の典型的な一実施形態によるコンポーネントのエンクロージャの図である。 図3に示すエンクロージャの熱プロファイルマップである。 圧縮または放出段階時の本発明の典型的な一実施形態による図3に示すシンセティック・ジェット組立体の断面図である。 膨張または吸込み段階時の図3に示すシンセティック・ジェット組立体の断面図である。 本発明の典型的な別の実施形態によるシンセティック・ジェット組立体の断面図である。 本発明の一実施形態による図3に示すシンセティック・ジェット組立体の分解断面図である。
以下の詳細な説明は、限定としてではなく一例として本発明の実施形態を示す。
図1〜図は、本明細書に記載される方法およびシステムの典型的な実施形態を示す。本発明は、工業、商業および住居の用途において冷却を強化し、層流を破壊することに対する一般的な用途を有すると考えられる。
本明細書では、単数形で記述され、「1つの」、「ある」、または「一」(「a」または「an」)という用語を用いて続けて述べられる要素またはステップは、複数の要素またはステップを除外しないものとして理解されたい(ただし、かかる除外が明確に記述されている場合は除かれる)。さらに、本発明の「一実施形態(one embodiment)」への言及は、記述した特徴をやはり組み込む追加の実施形態の存在を除外するものとして解釈されるものではない。
図1は、既知の自然通風冷却されたコンポーネントのエンクロージャ100の斜視図である。エンクロージャ100は複数の側壁102および上壁104を有し、これらが、体積を形成する、この体積内部には、発熱コンポーネント(図示せず)が配置され得る。エンクロージャ100を取り囲む空気は、典型的には対流によって側壁102の表面106から熱を除去する。側壁102の下部108近くの空気は、エンクロージャ100内のコンポーネントによって発生して側壁102にまで伝導した熱を、そこを通過する際に受け取る。暖められた空気は、側壁102に隣接して上昇し、自然対流によって上昇する空気の流れ110を形成する。空気が側壁102に隣接して上昇する際に、この空気は、側壁102の上部112からより多くの熱を受け取る傾向がある。この空気がより多くの熱を受け取るにつれて、この空気の温度は上昇し、より多くの熱を受け取ろうとする能力は減少し、その結果、エンクロージャ100に対する冷媒としての効果を減少させる。エンクロージャ100が除去できる総熱量は、コンポーネントの故障を引き起こすことのない、発熱コンポーネントの発生許容熱量を定める。自然循環冷却の熱除去能力は限られているので、他の熱除去方法が、一次冷却法として、または少なくとも補助冷却法としてしばしば用いられる。例えば、いくつかの知られているコンポーネントのエンクロージャには、水冷、ファンおよび/または強制空冷が含まれる。
図2は、(図1に示す)エンクロージャ100の熱プロファイルマップ200である。マップ200は、(図1に示す)側壁102の高さに沿った位置を表すx軸202を含む。y軸204は、側壁102から遠ざかるように延びる距離を表す。第1の温度の階調(濃淡)206は、エンクロージャ100および近接下部108から離れたところの第1の温度を示す。第2の温度の階調208は、階調206より大きい熱量を含む空気の流れの層流層を示す。第3の温度の階調210は、階調208より大きい熱量を含む空気の流れの層流層を示す。第4の温度の階調212は、階調210より大きい熱量を含む空気の流れの層流層を示す。階調212は、階調206、208および210より高い温度であり、このより高い温度は、階調212の冷却効果を減少させる。
図3は、本発明の典型的な一実施形態によるコンポーネントのエンクロージャ300である。典型的な実施形態では、エンクロージャ300は、内部体積内に配置される発熱コンポーネント(図示せず)を実質的に取り囲むように構成される体積(図示せず)を画定する1つまたは複数の側壁302を備える。エンクロージャ300は、側壁302のうちの少なくとも1つの側壁に隣接して配置されるシンセティック・ジェット組立体304を備える。シンセティック・ジェット組立体304は、ハウジング308を貫いて延在する少なくとも1つのジェット・ポート306を含む。典型的な実施形態では、ジェット・ポート306は、流体のジェットがそれぞれの側壁302とほぼ平行に噴出されるように、それぞれの側壁302に対してほぼ垂直に位置合わせされる。他の実施形態では、ジェット・ポート306は、ジェット・ポート306が流体のジェットを側壁302に向って垂直にまたは側壁302に向って斜めにそれぞれ向けるように、側壁302に対して平行および斜めに位置合わせできる。
典型的な実施形態では、エンクロージャ300は、リブ、フィン、または側壁302の表面からの他の突出部などの拡張した表面を含む少なくとも1つの側壁302を備え、この拡張した表面は、エンクロージャ300の外側の外気と接触している側壁302の表面積を増大させる傾向がある。側壁302が拡張した表面を含むときは、ジェット・ポート306は、拡張した表面の表面と平行、垂直または斜めに位置合わせできる。
ハウジング308は、例えばエンクロージャ300への部品の追加のように、またはエンクロージャ300の当初組立時のエンクロージャ300への別個の追加のように、エンクロージャ300に結合可能である別個のデバイスであってよい。他の代替の実施形態では、シンセティック・ジェット組立体ハウジング308は、側壁302の表面と一体的に形成される。
ハウジング308は、単一のハウジング308中に(図3に示さない)複数のシンセティック・ジェット・エジェクタを有するシンセティック・ジェット組立体304を収容するために複数のジェット・ポート306を含んでもよい。加えて、ハウジング308は、単一のハウジング308中に複数のシンセティック・ジェット組立体304を収容するために複数のジェット・ポート306を含んでよい。本発明の一実施形態では、複数のシンセティック・ジェット・エジェクタは、単一のシンセティック・ジェット組立体304中に直列流体連通(serial flow communication)で互いに結合されてよい。そのような配置により追加の圧力の増加がもたらされて、シンセティック・ジェット組立体304中の単一のシンセティック・ジェット・エジェクタよりもより大きい距離、および/または単一のシンセティック・ジェット・エジェクタよりも大きい距離についてよりコヒーレントな形態でジェット・ポート306を出るジェットを推進させる。
図4は、(図3に示す)エンクロージャ300の熱プロファイルマップ400である。マップ400は、(図3に示す)側壁302の高さに沿った位置を表すx軸402を含む。y軸404は、側壁302から遠ざかるように延びる距離を表す。シンセティック・ジェット組立体304は、流体のジェットを側壁302とほぼ平行に向けるように構成される。この流体のジェットは、側壁302の表面に沿った流体の層流を破壊し、ジェットが側壁302の表面に対して追加的な空冷をもたらすことを可能にするとともに、外気が側壁302の表面に到達し、側壁302をさらに冷却することを可能にする。
図5Aは、圧縮または放出段階時の本発明の典型的な一実施形態によるシンセティック・ジェット組立体304の断面図である。図5Bは、膨張または吸込み段階時のシンセティック・ジェット組立体304の断面図である。典型的な実施形態では、シンセティック・ジェット組立体304は、ハウジング308と、少なくとも1つのシンセティック・ジェット・エジェクタ502とを含む。シンセティック・ジェット・エジェクタ502は、冷却されるコンポーネント506の表面504と垂直、平行または斜めに向けることができるジェット・ポート306を含む。シンセティック・ジェット組立体304は、ジェット・ポート306を出るジェット・ポート306を貫く流体508の流れを表面に平行、表面に垂直、または表面に向って斜めである流体のジェット510として向けるように構成される。シンセティック・ジェット・エジェクタ502は、圧電アクチュエータ514を含む。アクチュエータ514は、圧電効果の影響によって振動し、流体のジェット510が発生しジェット・ポート306を出るように構成される。流体のジェット510は、渦リング516が流体のジェット510中に形成されるように構成されてよい。渦リング516は、自然対流で冷却された表面に沿って形成され得る層状膜を破壊するのに役立つ。ガス状媒質を用いて作動させるように説明したが、シンセティック・ジェット組立体304は、作動流体として誘電性流体を利用することもできる。
圧電アクチュエータ514によって少量の電力が消費され、圧電アクチュエータ514を振動させる。図5Aに示されるシンセティック・ジェット・エジェクタ502の動作の第1の段階時には、圧電アクチュエータ514は、空洞518に向って内側に圧縮され、流体を空洞518からジェット・ポート306を通じて排出する。図5Bに示されるシンセティック・ジェット・エジェクタ502の動作の第2の段階時には、圧電アクチュエータ514は、空洞518から離れるように外側に膨張し、流体を空洞518の中にジェット・ポート306を通じて引き込む。圧電アクチュエータ514は、その形状により、振動の作用が流体をジェット・ポート306を通じて空洞518の中に引き込み、次いでその後に流体を空洞518から再びジェット・ポート306を通じて排出することを可能にするように、シンセティック・ジェット・エジェクタ502に設計される。ジェット・ポート306を通じての吸引および放出の物理的過程は異なる。流体がジェット・ポート306を通じて引き込まれるときは、ジェット・ポート306は、流体を穴の周囲全体の領域から引き込む。したがって、流体量の大部分は、ジェット・ポート306のすぐ周囲の領域中の流体からである。シンセティック・ジェット・エジェクタ502が流体をジェット・ポート306から排出するときは、ジェットが形成される。このジェットは、高速で移動し、ジェット・ポート306から離れてかなりの距離にわたってそのままを保つ。
ジェットは、様々な方向に向けることができる。このジェットは、表面と垂直に向けることができる。そのような向きは、ジェットが向けられる表面の領域に対して追加の局所冷却をもたらす傾向がある。ジェットが表面と平行に向けられる場合は、ジェットは、表面に沿っての流速の増大によって表面に対する直接冷却をもたらすだけでなく、ジェットの周辺に沿って追加の流体を同伴もする。したがって、表面に沿って流体を強化することに関与する流体の量は、シンセティック・ジェット空洞518から排出されるものだけでなく、ジェットによって同伴される追加の流体である。
図6は、本発明の典型的な別の実施形態によるシンセティック・ジェット組立体600の断面図である。典型的な実施形態では、ハウジング308は、直列流体連通で配向される複数のシンセティック・ジェット・エジェクタ402を含み、第1のシンセティック・ジェット・エジェクタ602からの流れは、第2のシンセティック・ジェット・エジェクタ604の中に吐出され、次いで流れは、第3のシンセティック・ジェット・エジェクタ606の中に吐出されるようになっている。第1のシンセティック・ジェット・エジェクタ602中で発生する流れは、第2のシンセティック・ジェット・エジェクタ604中で発生する流れに同調するように構成され、この第2のシンセティック・ジェット・エジェクタ604の中に第1のシンセティック・ジェット・エジェクタ602は吐出し、第2のシンセティック・ジェット・エジェクタ604は、第3のシンセティック・ジェット・エジェクタ606中で発生する流れに同調するように構成され、この第3のシンセティック・ジェット・エジェクタ606の中に第2のシンセティック・ジェット・エジェクタ604は吐出する。第1のシンセティック・ジェット・エジェクタ602、第2のシンセティック・ジェット・エジェクタ604、および第3のシンセティック・ジェット・エジェクタ606に関連する圧電部材それぞれに印加される電圧を制御することによって、シンセティック・ジェット組立体600を貫く流体の流れが促進でき、流れおよび/または圧力が増大し、強化されたジェットの形成を可能にする。
図7は、本発明の一実施形態によるシンセティック・ジェット組立体304の分解断面図である。典型的な実施形態では、シンセティック・ジェット組立体304は、上カバー702と、第1のスペーサリング704と、第1の圧電アクチュエータ706と、第2のスペーサリング708と、第2の圧電アクチュエータ710と、第3のスペーサリング712と、底カバー714とを含み、全てが順次隣接した関係で積み重ねられている。1つまたは複数のアライメントタブ716により、前述のコンポーネントの軸合わせを行って、各ピン連結具718を用いて互いにコンポーネントの結合を行う。上カバー702および底カバー714の内面に刻まれた溝720は、上カバー702と第1の圧電アクチュエータ706の間および第2の圧電アクチュエータ710と底カバー714の間に形成される空洞を封止するためのOリング(図示せず)を受けるように構成される。それぞれのスペーサ704、708および712中の間隙722、724および726は、動作時に空洞の中へおよび空洞から外への流体の入口および出口を与える。
シンセティック・ジェットを電子装置の表面冷却に適用する方法およびシステムの上述の実施形態は、コンポーネントのエンクロージャの自然循環冷却を強化する費用効果の高い、信頼できる手段を提供する。より具体的には、本明細書中に記載される方法およびシステムは、エンクロージャの表面に沿った層流の層の破壊を促進する。加えて、上述の方法およびシステムは、追加の冷媒をエンクロージャに直接供給し、追加の流体を同伴することを促進して、流れの増大をもたらす。結果として、本明細書中に記載される方法およびシステムは、費用効果の高い、信頼できるやり方で、著しい重量および/または信頼性コストの追加なしでコンポーネントの冷却の強化を促進する。
本開示を様々な具体的な実施形態の観点から説明してきたが、本開示は、特許請求の範囲の精神および範囲内の修正形態を用いて実施できることが理解されよう。
100 通風冷却されたコンポーネントのエンクロージャ
102 側壁
104 上壁
106 表面
108 下部
110 流れ
112 上部
200 熱プロファイルマップ
202 x軸
204 y軸
206 第1の温度の階調
208 第2の温度の階調
210 第3の温度の階調
212 第4の温度の階調
300 コンポーネントのエンクロージャ
302 側壁
304 シンセティック・ジェット組立体
306 ジェット・ポート
308 シンセティック・ジェット組立体ハウジング
400 熱プロファイルマップ
402 x軸
404 y軸
502 シンセティック・ジェット・エジェクタ
504 表面
506 コンポーネント
508 流体
510 流体のジェット
512 圧電部材
514 アクチュエータ
516 渦リング
518 シンセティック・ジェット空洞
600 シンセティック・ジェット組立体
602 第1のシンセティック・ジェット・エジェクタ
604 第2のシンセティック・ジェット・エジェクタ
606 第3のシンセティック・ジェット・エジェクタ

Claims (10)

  1. 体積内に配置された発熱コンポーネント(506)を取り囲むようにして前記体積を画定する1つまたは複数の側壁(102、302)と、
    前記1つまたは複数の側壁の少なくとも1つの側壁に隣接して配置されたシンセティック・ジェット組立体(304、600)とを備えるコンポーネントのエンクロージャ(100、300)であって、
    前記シンセティック・ジェット組立体は、ジェット・ポート(306)を備える少なくとも1つのシンセティック・ジェット・エジェクタ(502)を含み、前記ジェット・ポートは、前記少なくとも1つの側壁の表面(504)と垂直、平行および斜めのうちの少なくとも1つで位置合わせされており、前記シンセティック・ジェット組立体は、前記ポートを貫く流体のジェット(510)を前記表面とほぼ平行、前記表面の上へ垂直、および前記表面に向って斜めのうちの少なくとも1つに向けるように構成されたことを特徴とするコンポーネントのエンクロージャ(100、300)。
  2. 前記側壁(102、302)が、前記側壁の前記表面と一体的に形成されるシンセティック・ジェット組立体(304、600)ハウジングを備えることを特徴とする請求項1記載のエンクロージャ(100、300)。
  3. 前記シンセティック・ジェット・エジェクタ(502)が、複数のジェット・ポート(306)を備えることを特徴とする請求項1記載のエンクロージャ(100、300)。
  4. 前記シンセティック・ジェット組立体(304、600)が、単一のハウジング(308)中に囲まれる複数のシンセティック・ジェット・エジェクタ(602、604、606)を備えることを特徴とする請求項1記載のエンクロージャ(100、300)。
  5. 前記シンセティック・ジェット組立体(304、600)が、直列流体連通で共に結合される複数のシンセティック・ジェット・エジェクタ(602、604、606)を備えることを特徴とする請求項4記載のエンクロージャ(100、300)。
  6. 前記ハウジング(308)が、前記少なくとも1つの側壁(102、302)の前記表面(504)に結合可能であることを特徴とする請求項4記載のエンクロージャ(100、300)。
  7. 前記シンセティック・ジェット・エジェクタ(502)が、流体の流れ(510)が発生するように振動するように構成される圧電アクチュエータ(514)を備えることを特徴とする請求項1記載のエンクロージャ(100、300)。
  8. 前記複数の側壁(102、302)のうちの少なくとも1つ側壁が、拡張した表面を含み、前記ジェット・ポート(306)が、前記拡張した表面の表面(504)と垂直および斜めのうちの少なくとも1つで位置合わせされることを特徴とする請求項1記載のエンクロージャ(100、300)。
  9. 体積を画定する複数の側壁(102、302)を備えるコンポーネントのエンクロージャ(100、300)と、
    前記体積内に配置される発熱コンポーネント(506)と、
    前記複数の側壁のうちの少なくとも1つの側壁に隣接して配置されるシンセティック・ジェット組立体(304、600)とを備える電子式コンポーネントシステムであって、前記シンセティック・ジェット組立体は、ジェット・ポート(306)を備える少なくとも1つのシンセティック・ジェット・エジェクタ(502)を含み、前記ジェット・ポートは、前記少なくとも1つの側壁(102、302)の表面(504)と垂直、平行および斜めのうちの少なくとも1つで位置合わせされており、前記シンセティック・ジェット組立体(304、600)は、前記ポートを貫く流体のジェット(510)を前記表面とほぼ平行、前記表面の上へ垂直、および前記表面に向って斜めのうちの少なくとも1つに向けるように構成される、電子式コンポーネントシステム。
  10. さらに、前記シンセティック・ジェット組立体(304、600)が、前記側壁(102、302)の前記表面(504)と一体的に形成されるハウジング(308)を備えることを特徴とする請求項9記載のシステム。
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