JP2014170744A - 冷却用デバイスのためのシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】電子式デバイスに対する能動性冷却のためのシステムを提供する。
【解決手段】冷却システムのエンクロージャは、その中の少なくとも1つが移動可能であるような壁によって画定されている。このエンクロージャはさらに、少なくとも1つの壁の上に少なくとも1つのアパーチャを含む。本システムはさらに、エンクロージャの少なくとも1つの壁と結合させた増幅要素を含む。さらに本冷却システムは、増幅要素と機械的に結合させた作動ユニットを含む。この作動ユニットは、増幅要素の変位を生じさせるように構成された少なくとも1つの作動信号トリガー式アクチュエータを含む。本冷却システム内において増幅要素は、流体が少なくとも1つのアパーチャからエンクロージャを出入りするようにエンクロージャの少なくとも1つの壁までのアクチュエータ由来の変位を増幅するように構成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は全般的には冷却デバイスに関し、また具体的には電子式デバイスに対する能動性冷却のためのシステムに関する。
コンピュータシステムや照明システムなどの電子式デバイスは、集積回路(IC)、半導体素子、電気的接続、発光ダイオード(LED)といったデバイスの発熱につながるような発熱性要素を含むのが一般的である。発光ダイオードは、これに電力が提供されることによって、その周辺の温度上昇及び周辺への熱放散を起こす傾向がある。LEDやIC内で発生した熱は、これに対処しないと動作効率の大幅な低下や、さらにはデバイスの劣化につながる可能性がある。これらの問題を回避するために、多くの電子式デバイスには冷却用デバイスが装備されている。
目下のところ多くの電子式デバイスは、発熱性要素を冷却するように定期的に動作する電気式ファンを利用している。この電気式ファンは、冷却を支援するためには大型でかつ大きな電力を必要とするのが一般的である。この電気式ファンのサイズによってデバイスのサイズが大きくなり、これが重量の増大につながっている。さらに電気式ファンが大量の電力を消費するためにファンを利用するデバイスのエネルギー効率は大幅に低下する。電気式ファンはまた、小形の電子式デバイスには装備することができない。電子式デバイスはまた、発熱性要素の近傍に冷却剤を流しデバイスから熱を引き離させている冷却剤式のシステムを具備する。こうした冷却システムで用いられる冷却剤は定期的に交換する必要がある。さらに、電子式デバイスの素子上に冷却剤が漏れると電子式デバイスの故障につながりかねない。
製造者は、シンセティックジェットの支援によって電気式ファンや冷却剤式システムの問題を解決することを追求している。シンセティックジェットは典型的には、流体ハウジングを形成する2枚のプレートを備える。これらのプレートがその当初位置から前や後に移動する際に、周囲空気が流体ハウジング内に入りまたさらに流体ハウジングから出て行く。この2枚のプレートのうちの少なくとも一方は流体ハウジングへの流体の出入りを可能にさせるためのアパーチャを有する。これらのプレートには、流体の出入りのために必要となるプレートの前後の動きを生じさせるために線形アクチュエータが装備される。シンセティックジェットのプレートに固定された線形アクチュエータは、ピストン、モータ及び同様のデバイスを備えるのが一般的である。シンセティックジェット内でプレートの運動を生じさせるためには電気信号を機械的振動に変換する特性をそれがもつことから圧電トランスジューサが広く使用されている。目下の多くのシンセティックジェットでは少なくとも1つのプレートが、電源に接続された圧電トランスジューサを含む。圧電トランスジューサに電気信号が与えられると、トランスジューサを備えたプレートはジェットアセンブリの残りの部分から離れるように移動し、これにより流体ハウジングの体積が増大する。この体積増大によってプレート上のアパーチャを通った流体ハウジング内への空気の吸引が生じる。電気信号が切断されるあるいは変化が大きい交流電気信号が印加されると、圧電トランスジューサはその通常位置まで戻り、これにより流体ハウジングの体積は減少する。この体積減少はアパーチャからの空気の放出につながり、これにより電子式デバイスのシンセティックジェットの近傍にある素子が冷却される。幾つかのシンセティックジェットでは、流体ハウジングを形成するプレートのうちの1つだけが電気信号の印加に伴って変形する圧電円盤である。
しかし圧電トランスジューサまたは圧電円盤だけでは、得られるプレートの変位に限界があり、またこのために素子上への冷却用流体の放出が極めて少なくなる。多くの熱発生素子を含む目下の電子式デバイスでは、素子のすべてを冷却するために複数のシンセティックジェットアセンブリを含める必要がある。シンセティックジェットの数が増えることがさらに、電子式デバイスの全体サイズの増大につながる。さらに、目下の圧電トランスジューサ方式のシンセティックジェットの大部分ではトランスジューサに供給される電気信号の周波数が100Hzを超える場合にピーク効率を示している。こうした周波数で電気信号を提供するためには、電力変換電子回路を利用する必要がある。しかし電力変換電子回路によって冷却システムのコストまたさらに電子式デバイスのコストが増大する。
米国特許第8272851号
したがって、シンセティックジェットの製造コストを大幅に増大させることなく移動可能プレートに大きな変位を提供できるシステムが必要とされている。
一実施形態では、冷却システムを提供する。本冷却システムはエンクロージャを含む。このエンクロージャは、その少なくとも1つが移動可能であるような壁によって画定されている。このエンクロージャはさらに少なくとも1つのアパーチャを含む。本システムはさらにエンクロージャの可動壁のうちの少なくとも1つと結合させた増幅要素を含む。さらに本冷却システムは、この増幅要素と機械的に結合させた作動ユニットを含む。この作動ユニットは、増幅要素に変位を生じさせるように構成された少なくとも1つのアクチュエータを含む。本冷却システムでは増幅要素は、エンクロージャの少なくとも1つの可動壁までアクチュエータ変位を増幅し、少なくとも1つのアパーチャから流体がエンクロージャを出入りできるように構成されている。
別の実施形態では、照明システムを提供する。本照明システムは光源を含む。この光源は発熱性要素を含む。さらに本照明システムは、発熱性要素の近傍に配置させた冷却システムを含む。このシステムは、少なくとも1つのアパーチャを照明システムのハウジング内に配置させて備えるエンクロージャを含む。このエンクロージャは移動可能な少なくとも1つの壁を含む。さらにこの冷却システムは、エンクロージャの少なくとも1つの可動壁と機械的に結合させた少なくとも1つの増幅要素を含む。この冷却システムはさらに増幅要素と機械的に結合させた作動ユニットを含む。この作動ユニットは、増幅要素に変位を生じさせる少なくとも1つのアクチュエータを備える。この増幅要素は、エンクロージャの少なくとも1つの可動壁までアクチュエータ変位を増幅し、少なくとも1つのアパーチャから流体がエンクロージャを出入りできるように構成されている。
本発明については、添付の図面を参照しながら非限定の実施形態に関する以下の説明を読むことによってより理解が深まろう。
冷却用デバイスに関する従来技術システムの図である。 本発明の様々な実施形態による冷却システムのブロック図である。 本発明の一実施形態による冷却システムの構成図である。 本発明の別の実施形態による冷却システムの構成図である。 本発明のさらに別の実施形態による冷却システムの構成図である。 本発明の別の実施形態による冷却システムの構成図である。 本発明のさらに別の実施形態による冷却システムの構成図である。 本発明の一実施形態による照明システムの図である。
以下では、添付の図面にその例を図示している本発明の例示的な実施形態について詳細に参照することにする。可能である場合は常に、同じ部品や同様の部品を示すのに図面全体を通じて同じ参照番号を用いている。
本明細書に記載した本発明の実施形態は電子式デバイスを冷却するためのシステムに関する。処理ユニットや照明システムなどの電子式デバイスは、複数の発熱性要素を含む。電子式デバイス内の発熱性要素には、処理ユニット内の集積回路(IC)や照明システム内の光源(ただし、これらに限らない)が含まれる。動作時にこれらの発熱性要素は、電子式デバイス内の他の素子に損傷を与える可能性がある熱を発生させる。さらに発生した熱はまた、これらのデバイスの動作効率の劣化につながる。本明細書に記載したようなシステムは、電子式デバイスのサイズ、重量及びコストをあまり増大させることなく電子式デバイスを冷却するために用いることができる。この冷却システムはエンクロージャを含む。このエンクロージャは、移動可能としこれによりエンクロージャの体積変化を許容している少なくとも1つの壁を含む。さらにこのエンクロージャの少なくとも1つの壁は少なくとも1つのアパーチャを含み、該アパーチャ内における流体の出入りを可能にしている。エンクロージャのその他の壁は、流体が少なくとも1つのアパーチャのみを通過してエンクロージャを出入りすることを保証する。この冷却システムは、エンクロージャの少なくとも1つの可動壁と機械的に結合させた増幅要素を含む。この増幅要素とエンクロージャの可動壁はゆるく結合させ、これによりエンクロージャの少なくとも1つの壁が増幅要素との接触を失うことなくその当初位置から変位できるようにしている。この増幅要素はまた、アクチュエータを含む作動ユニットと結合させている。アクチュエータに作動信号が提供されると、これによりアクチュエータに直線運動が生じる。このアクチュエータの直線運動によって増幅要素に関する変位が生じる。この増幅要素の動きは次いで、エンクロージャの少なくとも1つの可動壁の動きを生じさせる。増幅要素は、作動ユニットにより生じさせたエンクロージャの壁の変位を増幅させ、エンクロージャの体積の増大を生じさせる。この体積増大によって、少なくとも1つのアパーチャから冷却用流体がエンクロージャに入ることができる。作動信号が切断されるあるいは作動信号の極性が逆転すると、エンクロージャの壁がその当初位置まで戻ることによってエンクロージャの体積が減少する。ある種の実施形態では、壁が反対方向に移動し、これによりエンクロージャの体積がさらに減少する。エンクロージャの圧縮によって、エンクロージャ内の流体(例えば、空気)がアパーチャから出ると共に、冷却システムの近傍にある素子に当たり、これによりその素子の温度を低下させる。増幅要素は、デバイス内にある具体的な素子が放散させる熱の量に基づいて選択されることがある。続く段落では添付の図面の支援を得ながら上述の内容についてより詳細に説明することにする。
図1は、電子式デバイスを冷却するための従来技術のシステムを表している。デバイスを冷却するための従来技術システム100は、複数のプレート102、柔軟な壁104、オリフィス106及び電気接続108を含む。複数のプレート102は、柔軟な壁104の支援によって互いに分離させている。プレート102は、流体ハウジングを画定するように柔軟な壁104の両側に配置させている。流体ハウジング体積の増加及び減少をさせるために、プレート102のうちの少なくとも1つを全体的に変位させている。ある種の実施形態ではそのプレート102は圧電材料から製作するか圧電材料を剛性の円盤に結合させて製作しており、これによって電気信号が提供されたときにプレート102が変位することが可能となる。ある種の別の実施形態ではそのプレート102は、プラスチック、金属、ガラスあるいは別の任意の周知のセラミックを含む材料から形成させることがある。こうした実施形態では、変位を可能にするようにプレート102を線形アクチュエータと結合させている。線形アクチュエータの例には、圧電アクチュエータ、電気アクチュエータ、超音波アクチュエータ、電歪アクチュエータ、空圧式アクチュエータ、磁気アクチュエータ(ただし、これらに限らない)が含まれる。圧電アクチュエータは、モノモルフ型デバイスとすることもバイモルフ型デバイスとすることもある。線形アクチュエータは、プレート102のうち柔軟な壁104と結合させていない側でプレート102に結合させている。圧電材料から製作したプレート102を作動させるために、プレート102に対して電気接続108の支援を得て電源を結合させている。この電源はプレート102に対して交流または直流電流を提供するように構成されている。柔軟な壁104は、該壁の外周部にオリフィス106を含むことがある。柔軟な壁104は、金属、プラスチック、ガラス、セラミックまたはエラストマ材料から形成させることがある。適当な金属には、ニッケル、アルミニウム、銅、モリブデンまたはステンレス鋼、真鍮、青銅その他といった合金などの材料が含まれる。適当なエラストマ材料には、シリコーン、ゴム、ウレタン、その他が含まれる。プレート102と壁104とは、適当な接着剤やはんだあるいは別の固定機構の支援を得て互いに接着させることがある。
プレート102上のアクチュエータに作動信号が提供されると、プレート102が膨張しハウジングの体積を増大させる。ハウジングの体積増大によって、オリフィス106を通って流体が流体ハウジングに入ってくる。剛性の円盤に結合させた圧電材料が用いられる実施形態では、圧電材料の膨張が剛性の円盤をドーム形状になるまで変形させ、これがハウジングの体積を増大させる。電源によってDC電気信号を提供するような実施形態では、電気信号が切断されるとプレート102はその当初位置まで戻り、流体ハウジングの体積の減少が生じる。電源により交流電気信号が提供されるようなある種の実施形態では、プレート102が反対方向に変位し、これにより流体ハウジングの体積をさらに減少させている。流体ハウジングの体積が減少すると、流体ジェットがオリフィス106から脱出する。冷却システム100は、オリフィス106から出る流体ジェットがデバイスの発熱性要素に向かって導かれるように配置させている。流体ジェットは対流を通じてデバイスの発熱性要素の温度を低下させる。プレート102上のアクチュエータに電気信号を加える過程は、発熱性要素の温度を低下させるために定期的に反復させることがある。プレート102への電気信号の印加を制御するためにさらに制御システムが利用される。デバイスの複数の発熱性要素の温度を低下させるために、デバイスを保持するハウジング内に複数の冷却システム100を配置させることがある。オリフィス106を出入りする流体の体積は、アクチュエータが生じさせるプレート102の変位に依存する。得られる変位をより大きくするには、液圧式アクチュエータや磁気アクチュエータなどのアクチュエータを用いることが可能である。しかしこれらは、冷却システム100の大きさや重量を大幅に増加させる。したがって冷却システム100では作動のために主に圧電材料を用いている。しかし圧電材料が生じさせるプレート102の変位量は数マイクロメートルのレンジでしかない。図2、3、4、5、6、7及び8に関連して説明する実施形態は、冷却システム100の大きさや重量を大幅に増加させることなくプレートのより大きな変位を得るのに役立つ。
図2は、本発明の様々な実施形態による冷却システム200のブロック図を表している。冷却システム200は、少なくとも1つのアパーチャ204を含んだエンクロージャ202を含む。さらにこの冷却システムは、増幅要素206及び作動ユニット208を含む。エンクロージャ202は、アパーチャ204を通って入ってくる流体を貯蔵する流体ハウジングの役割をするように構成されている。エンクロージャ202は、流体ハウジングがすべての側面から覆われて流体ハウジング内でアパーチャ204を通じた流体の出入りだけを許容するようにした壁を含む。ある種の実施形態ではそのエンクロージャ202はエラストマ材料などの柔軟な材料から製作し得る4つの壁を含むことがある。エラストマ材料の例には、シリコーン、ゴム、ウレタン、その他が含まれる。ある種の別の実施形態では、エンクロージャ202の側面及び底部の壁は円筒状の側壁及び底部プレートを有するキャップ状のケーシングによって画定されることがあり、このケーシングをすべての側面から封止するために最上部分上でケーシングにプレートを接着させることがある。この最上部上のプレートはエンクロージャ202への流体の出入りを可能にするアパーチャ204を有することがある。エンクロージャ202はさらに、最上壁の役割をするプレートと、底部壁の役割をする作動ユニット208と、側壁の役割をする増幅要素206と、によって画定されることがある。さらにエンクロージャ202はまた、最上壁の役割をするプレートと、底部壁の役割をする作動ユニット208と、剛性の材料により画定された側壁と、によって画定されることがある。増幅要素206に結合させたエンクロージャ202のこの可動壁は質量構成要素の役割をする。エンクロージャに関するこれら及び別の構成によって図3、4、5、6、及び7に表した冷却システムの構成が規定されている。
冷却システム200では、作動ユニット208とエンクロージャ202の少なくとも1つの壁との間に増幅要素206を挟み合せている。ある種の実施形態ではその増幅要素206は弾性部材である。弾性部材の例には、線形スプリング、X−スプリング、湾曲した弾性要素、リーフスプリング、あるいは弾性特性を呈する別の任意の構成要素(ただし、これらに限らない)が含まれる。作動ユニット208は、エンクロージャ202内に変位を生じさせるように構成されている。作動ユニット208はある種の実施形態ではアクチュエータを含む。ある種の実施形態では、作動ユニット208からのアクチュエータを線形アクチュエータとすることがある。線形アクチュエータの例には、液圧式アクチュエータ、空圧式アクチュエータ、圧電アクチュエータ、可動コイルアクチュエータ及び電気機械的アクチュエータが含まれる。作動ユニット208はさらにアクチュエータとで固定される剛性のプレートを含むことがある。アクチュエータと剛性プレートとは、作動ユニット208を形成するように適当な接着剤やはんだ、あるいは別の固定機構の支援を得て互いに接着させることがある。ある種の実施形態ではその作動ユニット208は電源と結合させた圧電円盤を含むことがある。ある種の別の実施形態では、矩形の圧電プレート、圧電ビームその他などの圧電材料を含んだ構成要素を用いて作動ユニット208を画定されることがある。圧電構成要素はこうした実施形態では、アクチュエータ並びに剛性プレートの役割をすることができる。ある種の別の実施形態ではその作動ユニット208は剛性プレートに接着させた圧電材料を含むことがある。作動ユニット208が圧電材料を含むような実施形態では、作動信号を供給する電源に圧電材料を接続させている。増幅要素206は、複数の作動ユニット208を直列式に重ね合わせることによって形成させることがある。冷却システム200では、エンクロージャ202を増幅要素206と機械的に結合させている。増幅要素206は次いで作動ユニット208に結合させている。ある種の実施形態では、エンクロージャ202の1つまたは複数の壁もまた圧電材料から製作することがある。こうした実施形態では、エンクロージャ202の壁が電源に接続されたときに、エンクロージャ202の壁に電気信号が加えられ変位が生じる。エンクロージャ202の壁自体が生じさせた変位は、作動ユニット208への作動信号の印加によってさらに強化される。
作動ユニット208に作動信号が印加されると、作動ユニット208はその当初位置から変位する。例えば作動ユニット208が圧電アクチュエータ円盤である場合、圧電アクチュエータ円盤と電気的に結合された電源から電気信号が供給される。電気信号が印加されると、その圧電円盤はその当初位置から移動し、エンクロージャ202の少なくとも1つの壁を冷却システム200の残りの要素から遠ざかるように変位させると共にエンクロージャ202の体積を増大させる。この場合に作動ユニット208は、増幅要素206の変位を駆動する。増幅要素206は一方、エンクロージャ202の増幅要素206と結合させた壁の変位を生じさせる。したがって増幅要素206は、作動ユニット208の動きに起因するエンクロージャ202の壁の動きを増幅する。エンクロージャ202の体積が増大すると、アパーチャ204からエンクロージャ202に流体が入り込む。作動ユニット208から作動信号が切断された場合や、作動ユニット208への作動信号の極性が逆になった場合、エンクロージャ202の壁はその当初位置まで戻るか、冷却システム200の残りの要素の方向に変位し、これによりエンクロージャ202の体積が減少する。エンクロージャ202の体積が減ると、流体がアパーチャ204からエンクロージャ202を脱出する。冷却システム200は、アパーチャ204から脱出する流体が冷却システム200の近傍にある発熱性要素の方向に向かうように導くように配置させている。
図3は、本発明の一実施形態による冷却システム300の断面を表している。図3に示した実施形態では、エンクロージャ302の壁はプレート304、増幅要素306及び作動ユニット308によって画定されている。エンクロージャ302の少なくとも1つの壁は移動可能である。図示した実施形態ではプレート304がエンクロージャ302の可動壁である。冷却システム300はさらに、アパーチャ310及び支持取付具312を含む。プレート304はアパーチャ310を含む。
作動ユニット308は、エンクロージャ302の少なくとも1つの壁に変位を生じさせるように構成されている。図3に示した実施形態では作動ユニット308は、プレート304をその当初位置から変位させるように構成されている。作動ユニット308はある種の実施形態では、線形アクチュエータを含む。線形アクチュエータの例には、液圧式アクチュエータ、空圧式アクチュエータ、圧電アクチュエータ、可動コイルアクチュエータ、電気機械的アクチュエータ及び電気抵抗性ポリマーが含まれる。ある種の実施形態ではその作動ユニット308はさらに、線形アクチュエータとで固定された第2のプレートを含むことがある。線形アクチュエータと第2のプレートとは、作動ユニット308を形成するように適当な接着剤やはんだ、あるいは別の固定機構の支援を得て互いに接着させることがある。ある種の実施形態ではその作動ユニット308は、電源と結合させた圧電円盤を含むことがある。ある種の別の実施形態ではその作動ユニットは、剛性の円盤に接着させた圧電材料を含むことがある。この圧電材料は作動信号を供給する電源に接続させている。作動ユニット308は増幅要素306と機械的に結合させている。増幅要素306の例には、線形スプリング、弾性要素、弾性特性を呈する任意の材料(ただし、これらに限らない)が含まれる。
図示した実施形態では増幅要素306は1対の湾曲した弾性要素を含む。この湾曲弾性要素はある種の実施形態では、シリコーンやゴムなどの柔軟な材料から製作することがある。増幅要素306はさらに、プレート304の外周部に沿った柔軟な材料と一緒に、ある種の実施形態に従ってエンクロージャ302の側壁を画定することがある。さらに増幅要素306はまたエンクロージャ302のプレート304と結合させている。増幅要素306とプレート304は、増幅要素306に動きを生じたときにプレート304がその当初位置から確実に変位できるようにゆるく結合させている。
一実施形態では最大動作効率を得るために作動信号は、作動ユニット308と増幅要素306の合成体の共振周波数と等価な周波数で供給される。単一の可動要素を有する冷却システム300の共振周波数は式1を用いて計算可能である。
ω=√k/m (式1)
式1において、ωは冷却システム300の共振周波数、kは可動要素の硬さ、またmは可動要素の質量である。冷却システム300が複数の可動要素を含む場合は図3に関連して説明した実施形態の場合と同様に、その共振周波数は各可動要素の硬さ並びに各可動要素の質量に依存する。図3の冷却システム300ではその可動要素は、プレート304、作動ユニット308及び増幅要素306を含んでいる。冷却システム300の共振周波数を低下させるためには、式1から分かるように冷却システム300の硬さを低下させる必要がある。ある種の実施形態では冷却システム300の硬さは、増幅要素306をその硬さに基づいて選択することによって低下させることがある。一実施形態ではその増幅要素306は、冷却システム300の共振周波数が概ね60Hzに維持されるように選択されている。別の実施形態では共振周波数を低下させるために、冷却システム300の可動要素に質量構成要素を追加している。この質量構成要素は、冷却システム300の共振周波数を所望のレベルまで低下できるように選択される。ある種の実施形態ではその質量構成要素は、増幅要素306に接着させた1つの層として追加されている。ある種の別の実施形態ではその質量構成要素は、増幅要素306と外部から固定された質量小塊として追加されている。
作動ユニット308に作動信号が印加されると、作動ユニット308はその当初位置から変位する。例えば作動ユニット308が圧電アクチュエータ円盤である場合、圧電アクチュエータ円盤と電気的に結合させた電源から電気信号が供給される。電気信号が印加されると、圧電円盤はその当初位置から移動し増幅要素306に動きを生じさせる。一方この増幅要素306の動きによって、冷却システム300の残りの要素から離れるようにプレート304が変位すると共にエンクロージャ302の体積が増大する。したがって増幅要素306は、作動ユニット308の動きに起因するプレート302の動きを増幅する。エンクロージャ302の体積が増大すると、アパーチャ310からエンクロージャ302内に流体が入り込む。作動ユニット308から作動信号が切断された場合や、作動ユニット308への作動信号の極性が逆になった場合、プレート304はその当初位置まで戻るか、冷却システム300の残りの要素の方向に変位し、これによりエンクロージャ302の体積が減少する。エンクロージャ302の体積が減少すると、流体がアパーチャ310から流体ハウジングを脱出する。冷却システム300は、アパーチャ310から脱出する流体が冷却システム300の近傍にある発熱性要素に向って導かれるように配置させている。図示した実施形態ではその流体は、プレート304の動きの方向と反対方向や平行方向で脱出する。
冷却システム300に対する固定の基部を提供するために作動ユニット308の下面に支持取付具312を配置させている。ある種の実施形態ではこの支持取付具312を、エポキシ材料から製作している。ある種の別の実施形態ではその支持取付具312をシリコーンから製作している。支持取付具312はさらに、冷却システム300により冷却されるデバイスを保持しているデバイスハウジングとも固定させることがある。ある種の実施形態ではそのデバイスハウジングは、照明システムを保持する燭台取付具とすることがある。
図4は、本発明の別の実施形態による冷却システム400の構成を表している。冷却システム400は、エンクロージャ402、プレート404、増幅要素406、作動ユニット408、アパーチャ410及び複数の支持取付具412を含む。図4に示した実施形態では、冷却システム400のエンクロージャ402の壁は、3つの辺から封止されたケーシング414によって画定されることがある。図示した実施形態ではエンクロージャ402の最上壁はプレート404によって画定される一方、側面及び底部の壁416及び418はケーシング414自体によって画定されている。ある種の実施形態ではそのエンクロージャ402を、弾性特性を示す材料から製作している。ケーシング414の製作に使用する材料の例には、シリコーン、ゴム、その他が含まれる。ある種の実施形態ではそのプレート404を、剛性の材料から製作している。さらにプレート404はアパーチャ410を含む。図示した実施形態ではプレート404を、エンクロージャ402の側壁の外周部に接着させている。プレート404は、作動ユニット408に作動信号を提供したときにエンクロージャ402の最上表面に全く変位を生じないように設けている。
さらに、図示した実施形態では増幅要素406をエンクロージャ402の底部壁418と機械的に結合させている。ある種の実施形態ではその増幅要素406は、弾性部材である。図示した実施形態の増幅要素406はX−スプリングである。図示した実施形態では増幅要素406は、スプリングの表面と直交する方向に直線運動を生じさせるように構成された平坦な表面を備えた「X」字状のスプリングである。ある種の実施形態では、増幅要素406とエンクロージャ402の底部壁418とを複数の支持取付具412のうちの1つの支援により互いに接着させている。ある種の実施形態ではその支持取付具412を弾性材料から製作することがある。図4に示した実施形態ではX−スプリング増幅要素406の中心ノード420をエンクロージャ402と結合させている。X−スプリング増幅要素406の側面ノード422を作動ユニット408と機械的に結合させている。ある種の実施形態ではその作動ユニット408は線形アクチュエータを含む。線形アクチュエータの例には、液圧式アクチュエータ、電気機械的アクチュエータ、圧電アクチュエータ、圧電抵抗ポリマー、その他(ただし、これらに限らない)が含まれる。一実施形態ではその作動ユニット408を、圧電材料で製作した円盤とすることがある。次いでこの円盤を、作動ユニット408に作動信号を提供するために電源に接続している。ある種の別の実施形態ではその作動ユニット408は剛性プレートに取り付けられた圧電円盤を含む。
作動ユニット408に作動信号が提供されると、作動ユニット408に変位を生じる。作動ユニット408の変位は増幅要素406の収縮につながる。増幅要素406とエンクロージャ402の底部壁が結合されているため、増幅要素406の収縮がエンクロージャ402の体積の増大につながる。エンクロージャ402の体積増大によって流体がエンクロージャ402に入ることができる。作動信号が切断された場合や作動信号の極性が逆になった場合、エンクロージャ402の底部壁はその当初位置まで戻るかエンクロージャ402の最上壁のより近くまで移動するかして、エンクロージャ402内の流体のための体積を減少させることになる。この体積の減少は、アパーチャ410からプレート404上への流体ジェットの脱出につながる。冷却システム400は、アパーチャ410から脱出した流体ジェットが冷却システム400を据え付けたデバイスの発熱性要素の方向に導かれるように配置される。
図5は、本発明のさらに別の実施形態による冷却システム500の構成を表している。冷却システム500は、デバイスハウジング502、プレート504、増幅要素506、作動ユニット508、シール510及び複数の支持取付具512、並びにアパーチャ520を含む。図5に示した増幅要素506は、複数のヒンジ514及び複数のアーム516を含む。複数のヒンジ514は、該複数のヒンジ514により固定された端部とハウジング502及びプレート504と独立した自由に動けるもう一方の端部によって複数のアーム516をレバー方式で動作できるように、デバイスハウジング502とプレート504のいずれかと機械的に結合させている。冷却システム500内において、支持取付具512のうちの少なくとも1つの支援を得て作動ユニット508をデバイスハウジング502と結合させている。さらに、複数の支持取付具512の支援を得て複数のアーム516を作動ユニット508と結合させている。冷却システム500内では、複数のアーム516、プレート504、シール510及び作動ユニット508がエンクロージャ518を画定している。エンクロージャ518はさらに、アパーチャ520がエンクロージャ518内への流体の出入りを提供できるような方式でプレート504を含む。さらに一実施形態ではそのシール510が、シリコーン、ゴム、その他などの弾性材料から製作されている。作動ユニット508はさらに、圧電アクチュエータなどの線形アクチュエータと固定させた剛性のプレートを含むことがある。線形アクチュエータと剛性プレートとは、作動ユニット508を形成するように適当な接着剤やはんだ、あるいは別の固定機構の支援を得て互いに接着させることがある。ある種の実施形態ではその作動ユニット508は、電源と結合させた圧電円盤を含むことがある。こうした実施形態において圧電円盤は、アクチュエータの役割並びに剛性プレートの役割をすることができる。作動ユニット508に作動信号が提供されると、作動ユニット508に変位を生じる。複数のアーム516と作動ユニット508の間が支持取付具512の支援を得て結合されているため、複数のアーム516に動きが生じる。複数のヒンジ514の支援を得て一方の端部が固定されている複数のアーム516は、作動ユニット508が作動を受けるとレバー様の動きを示す。したがって複数のアーム516は、作動ユニット508に起因する動きを増幅させ、プレート504の変位の増幅が生じる。プレート504がその当初位置から移動すると、シール510のためにデバイスハウジング502との結合を失うことなく流体がアパーチャ520からエンクロージャ518内に流入する。作動ユニット508への作動信号が切断されるか、作動信号の極性が逆になると、プレート504はその当初位置まで戻るか作動ユニット508の方向に近づくかのいずれかとなる。この動きによってエンクロージャ518の体積が減少することになる。エンクロージャ518の体積のこの減少は、エンクロージャ518からの過剰な流体をアパーチャ510から出させる。アパーチャ510から出る流体は冷却システム500によって冷却されるデバイスの発熱性要素の方向に導かれる。
図6は、本発明の一実施形態による冷却システム600の構成を表している。冷却システム600はエンクロージャ602を含む。エンクロージャ602の最上壁及び底部壁はプレート604及び作動ユニット606によって画定されている。エンクロージャ602の側壁614は、一方の端部をプレート604ともう一方を作動ユニット606と結合させた膜によって画定されることがある。増幅要素608は、プレート604の動きを増幅させるために作動ユニット606とプレート604の間に配置させている。図示した実施形態では増幅要素608は単一圧電ビーム610である。単一圧電ビーム610は作動ユニット606上に配置されると共に、プレート604をその最上表面で支持している。圧電ビーム610と作動ユニット606は柔軟な支持取付具612によって分離されている。圧電ビーム610、作動ユニット606及び柔軟な取付具612は周知の接着手段によって固定されている。圧電ビーム610とプレート604は支持取付具612によって互いに分離されている。プレート604と圧電ビーム612を分離している支持取付具612は、圧電ビーム612に起因するプレート604の変位が冷却システム600の基部と平行になるように選択される。
図7は、本発明の一実施形態による冷却システム700の構成を表している。冷却システム700はエンクロージャ702を含む。エンクロージャ702の最上壁及び底部壁はプレート704及び作動ユニット706によって画定されている。エンクロージャ702の側壁714は、一方の端部をプレート704ともう一方を作動ユニット706と結合させた膜によって画定されることがある。増幅要素708は、プレート704の動きを増幅させるために作動ユニット706とプレート704の間に配置させている。図示した実施形態では増幅要素708は複数の圧電ビーム710を含む。圧電ビーム710は、互いの上に重ね合わせており、支持取付具712によって互いに分離させている。圧電ビーム710の重ね合わせは作動ユニット706の上に配置させると共に、プレート704をその最上表面上で支持している。圧電ビーム710と作動ユニット706は柔軟な支持取付具712によって分離されている。圧電ビーム710、作動ユニット706及び支持取付具712は、周知の接着手段によって固定されている。圧電ビーム710とプレート704は、支持取付具712によって互いに分離されている。プレート704と圧電ビーム712を分離している支持取付具712は、圧電ビーム712に起因するプレート704の変位が冷却システム700の基部と平行になるように選択される。
図6と7にそれぞれ示したような圧電ビーム610と710から形成された増幅要素608と708は、変位を生じさせるための電気信号によって作動を受けている。作動用の電気信号を供給する電源は、作動ユニット606及び706内に製作されたアパーチャを通して圧電ビーム610及び710と接続させた電気接続を介して圧電ビーム610及び710に接続させている。このアパーチャは、電気接続の確立を可能にしながら流体ハウジングが全側面からのシールを維持できるようにして製作されている。
作動ユニット606及び706を作動させたときに、圧電ビーム610及び710に作動用電気信号が提供される。ある種の実施形態ではその電気信号は、圧電ビーム710の各々に対して同じ電源から提供される。しかし所望の増幅量に応じてこれらの圧電ビーム710は、異なる印加電圧についてその各々が異なる変位を示すように選択されることがある。作動用電気信号は、作動ユニット606及び706に変位を生じさせる。圧電ビーム610及び710に電気信号が提供されると、該ビームもまた変位する。ビーム610及び710のこの変位は、作動ユニット606及び706の追加的な変位によってさらに増強される。作動ユニット606及び706が生じさせる変位とビーム610及び710の変位は、プレート604及び704を変位させる。プレート604及び704の変位は、増幅要素608及び708をもたない冷却システム100などの冷却システムと比較して増幅されている。
図8は、本発明の一実施形態による照明システム800を表している。照明システム800は、光源802、デバイスハウジング804、柔軟な膜806及び冷却システム300を含む。デバイスハウジング804は、光源802に対する支持を提供しかつ光源802と電源との電気接続の確立手段を提供するように構成されている。光源802は、電気を加えたときに光を放出するように構成されている。ある種の実施形態ではその光源802は、1つまたは複数の発光ダイオード(LED)とすることがある。光源802は、光源が動作状態にあるときに熱を発生させる発熱性要素を含んでいる。発熱性要素の例には、LEDの製造に用いた材料や構成要素、あるいはランプからの赤外線放射(IR)によって加熱される白熱ランプの周りのエンクロージャ(ただし、これらに限らない)が含まれる。冷却システム300は、発熱性要素を冷却するためにデバイスハウジング804内に配置されている。冷却システム300は、柔軟な膜806の支援を得てデバイスハウジング804と結合させている。ある種の実施形態ではその柔軟な膜806を、シリコーンなどの柔軟な材料から製作することがある。柔軟な膜806は、プレート304及びデバイスハウジング804の側壁810と結合させている。さらにデバイスハウジング804、プレート304及び柔軟な膜806によってエンクロージャ302の壁を画定している。
冷却システム300はさらに、作動ユニット308と、増幅要素306と、プレート304の内部に製作したアパーチャ310と、を含む。図8に示したように増幅要素306は線形スプリングである。ある種の実施形態ではその増幅要素306はまた、周辺端部においてプレート304と作動ユニット308の間に挟み合せた1対の湾曲した壁とすることがある。増幅要素306はさらに、X−スプリングまたはリーフスプリング、あるいはスプリング硬さが小さい別の任意の周知の構成要素とすることができる。作動ユニット308は、冷却システム300に対する固定した基部を提供する取付具812によってデバイスハウジング804と固定させている。ある種の実施形態ではその作動ユニット308を圧電円盤とすることがある。ある種の別の実施形態ではその作動ユニット308は、受動プレートと結合させたアクチュエータを含むことがある。作動ユニット308は、作動ユニット308の変位を生じさせるための作動信号を提供する電源と接続させている。作動ユニット308の変位によって増幅要素306の変位が生じ、次いでこれがプレート304を変位させる。プレート304のデバイスハウジング804から離れる動きによって、エンクロージャ302の体積の増大が生じる。体積の増大は、アパーチャ310を通るエンクロージャ302内への流体(例えば、周囲空気)の流入につながる。作動信号が切断されると、作動ユニット308及びプレート304はその当初位置まで戻り、これによってエンクロージャ302の体積を減少させる。体積の減少は、流体をアパーチャ310から脱出させる。この流体は、光源802を冷却するために光源802の発熱性要素の方向に導かれる。ある種の実施形態では、作動ユニット308のダンプニング問題を回避するためにデバイスハウジング802の底部表面に合わせて複数の開口部808が製作されている。ある種の実施形態ではその柔軟な膜806はまた、プレート304の変位の増幅に寄与する。柔軟な膜806は、圧電作動ユニット308の変位によって柔軟な膜806が伸ばされ、続いてプレート304の変位プレート304の増幅が得られるようなスプリング硬さを有する材料から製作される。
したがって増幅要素306は、プレート304の変位の増幅を生じさせ、またこれがエンクロージャ302内における流体の流入及び流出を生じさせる。エンクロージャ302からの流体体積の増加によって発熱性要素のより迅速な冷却が得られる。
上述した様々な実施形態によってしたがって、デバイスを冷却するためのシステムを提供できる。本システムの上述の実施形態はデバイス内の発熱性要素を冷却するためのより高速式の解決法を提供できる。増幅要素を用いることによって冷却システムの少なくとも1つの壁の変位の増大につながり、これによりエンクロージャに出入りする流体の体積が増加する。この体積増加は、発熱性要素のより迅速な冷却につながる。さらにこのデバイスを冷却するシステム内ではその増幅要素は、冷却システムの動作周波数が概ね主ライン周波数及び電圧(すなわち、米国では60Hzの周波数で供給される120V)となるように選択される。したがって、エンクロージャの壁の動きを生じさせるために、作動ユニットに住居用AC電力ソケットからの電力を供給することが可能である。これによって、AC電力ソケットからの電力を100Hz周波数の必要な電力に変換するためのこれまでの冷却システムで必要とした電力電子回路を利用する費用が削減される。さらに冷却システムのある種の実施形態では、エンクロージャのうちの変位を生じさせる壁にアパーチャを製作している。こうした動きのために、壁の下にある流体の概ね100パーセントが変位して流体を排出し、冷却システムの冷却性能が増大する。
上の記述は例示であって限定の意図でないことを理解されたい。例えば上述の実施形態(及び/または、その態様)は、互いに組み合わせて使用することがある。さらに、具体的な状況や材料を本発明の教示に適応させるようにその趣旨を逸脱することなく多くの修正を実施することができる。本明細書に記載した材料の寸法及びタイプが本発明のパラメータを規定するように意図していても、これらは決して限定ではなく単なる例示の実施形態である。上の記述を検討することにより当業者には別の多くの実施形態が明らかとなろう。本発明の範囲はしたがって、添付の特許請求の範囲、並びに本請求範囲が規定する等価物の全範囲を参照しながら決定されるべきである。添付の特許請求の範囲では、「を含む(including)」や「ようになった(in which)」という表現を「を備える(comprising)」や「であるところの(wherein)」という対応する表現に対する平易な英語等価表現として使用している。さらに添付の特許請求の範囲では、「第1の」、「第2の」その他の表現を単にラベル付けのために使用しており、その対象に対して数値的な要件や位置的な要件を課すことを意図したものではない。さらに、添付の特許請求の範囲の限定は手段プラス機能形式で記載しておらず、また35 U.S.C.§112、第6パラグラフに基づいて解釈されるように意図したものでもない(ただし、本特許請求の範囲の限定によって「のための手段(means for)」の表現に続いて追加的な構造に関する機能排除の記述を明示的に用いる場合を除く)。
この記載では、本発明の幾つかの実施形態(最適の形態を含む)を開示するため、並びに当業者による任意のデバイスやシステムの製作と使用及び組み込んだ任意の方法の実行を含む本発明の実施形態の実施を可能にするために例を使用している。本発明の特許性のある範囲は本特許請求の範囲によって規定していると共に、当業者により行われる別の例を含むことができる。こうした別の例は、それが本特許請求の範囲の文字表記と異ならない構造要素を有する場合や、本特許請求の範囲の文字表記と実質的に差がない等価的な構造要素を有する場合があるが、本特許請求の範囲の域内にあるように意図したものである。
本明細書で使用する場合、単数形で「a」や「an」の語を前に付けて記載した要素やステップは、これに関する複数の要素やステップも排除していない(こうした排除を明示的に記載している場合を除く)と理解すべきである。さらに、本発明の「一実施形態」に対する言及は、記載した特徴も組み込んでいる追加的な実施形態の存在を排除すると理解されるように意図したものではない。さらに特に明示的に否定する記述をしない限り、ある具体的な性状を有する1つまたは複数の構成要素「を備える(comprising)」、「を含む(including)」または「を有する(having)」実施形態は、当該性状を有しないこうした構成要素を追加的に含むことがある。
本発明の精神及び趣旨を逸脱することなくデバイスを冷却するための上述したシステムではある種の変更の実施が可能であるため、上で説明したまた添付の図面に示した主題のすべては単に本明細書の発明概念を例証する例であると解釈すべきであり本発明の限定と見なすべきではないとの意図である。
100 冷却システム
102 プレート
104 壁
106 オリフィス
108 電気接続
200 冷却システム
202 エンクロージャ
204 アパーチャ
206 増幅要素
208 作動ユニット
300 冷却システム
302 エンクロージャ
304 プレート
306 増幅要素
308 作動ユニット
310 アパーチャ
312 支持取付具
400 冷却システム
402 エンクロージャ
404 プレート
406 増幅要素
408 作動ユニット
410 アパーチャ
412 支持取付具
414 ケーシング
416 側面壁
418 底部壁
420 中心ノード
422 側面ノード
500 冷却システム
502 デバイスハウジング
504 プレート
506 増幅要素
508 作動ユニット
510 シール
512 支持取付具
514 ヒンジ
516 アーム
518 エンクロージャ
520 アパーチャ
600 冷却システム
602 エンクロージャ
604 プレート
606 作動ユニット
608 増幅要素
610 圧電ビーム
612 柔軟な取付具
614 側壁
700 冷却システム
702 エンクロージャ
704 プレート
706 作動ユニット
708 増幅要素
710 圧電ビーム
712 支持取付具
714 側壁
800 照明システム
802 光源
804 デバイスハウジング
806 柔軟な膜
808 開口部
810 側壁
812 取付具

Claims (17)

  1. 少なくとも1つの可動壁を備えているエンクロージャであって、該エンクロージャのうちの少なくとも1つの壁が少なくとも1つのアパーチャを備えているエンクロージャと、
    該エンクロージャの少なくとも1つの壁と機械的に結合させた少なくとも1つの増幅要素と、
    該増幅要素と機械的に結合させた作動ユニットであって、該作動ユニットは増幅要素の変位を生じさせる少なくとも1つの作動信号トリガー式アクチュエータを備えており、かつ該増幅要素はエンクロージャ内の少なくとも1つのアパーチャからの流体の出入りを生じさせるためにエンクロージャの少なくとも1つの可動壁までのアクチュエータ変位を増幅するように構成されている、作動ユニットと、
    を備える冷却システム。
  2. 前記作動信号トリガー式アクチュエータは圧電材料を含む構成要素を備えている、請求項1に記載の冷却システム。
  3. 前記アクチュエータは、エンクロージャの1つの壁を画定している剛性のプレートと機械的に結合させている、請求項1に記載の冷却システム。
  4. 前記圧電材料を含む構成要素は圧電円盤を含む、請求項2に記載の冷却システム。
  5. 前記増幅要素は線形スプリング及び質量構成要素を含む、請求項1に記載の冷却システム。
  6. 前記増幅要素は湾曲した弾性要素を含む、請求項1に記載の冷却システム。
  7. 前記湾曲した弾性要素はシリコーンを含む、請求項6に記載の冷却システム。
  8. 前記増幅要素はリーフスプリングを含む、請求項1に記載の冷却システム。
  9. 前記増幅要素は複数の圧電ビームを含む、請求項1に記載の冷却システム。
  10. 前記増幅要素はX−スプリングを含む、請求項1に記載の冷却システム。
  11. 前記増幅要素は柔軟な支持構造を含む、請求項1に記載の冷却システム。
  12. 冷却されているデバイスのデバイスハウジング内に配置されている請求項1に記載の冷却システム。
  13. 少なくとも1つのプレートと少なくとも1つのアクチュエータの間に配置させたシリコーンをさらに含む請求項1に記載の冷却システム。
  14. 前記エンクロージャはエンクロージャの壁を画定しているケーシング及びプレートを備えており、かつ該ケーシングはエンクロージャの最上壁または底部壁のうちの少なくとも一方とエンクロージャの側壁とを画定するように構成されている、請求項1に記載の冷却システム。
  15. 前記エンクロージャはプレートを含み、かつ該プレートと作動ユニット及び増幅要素はエンクロージャの少なくとも1つの壁を別々に画定している、請求項1に記載の冷却システム。
  16. 前記増幅要素は複数のレバーアームをエンクロージャ及び作動ユニットと結合させる複数のヒンジを含む、請求項1に記載の冷却システム。
  17. 発熱性要素を備えた光源と、
    発熱性要素に接近して配置させた冷却システムであって、該冷却システムは、
    少なくとも1つの可動壁を備えているエンクロージャであって、該エンクロージャのうちの少なくとも1つの壁が少なくとも1つのアパーチャを備えているエンクロージャと、
    該エンクロージャの少なくとも1つの壁と機械的に結合させた少なくとも1つの増幅要素と、
    該増幅要素と機械的に結合させた作動ユニットであって、該作動ユニットは増幅要素の変位を生じさせる少なくとも1つの作動信号トリガー式アクチュエータを備えており、かつ該増幅要素はエンクロージャ内の少なくとも1つのアパーチャからの流体の出入りを生じさせるためにエンクロージャの少なくとも1つの壁までのアクチュエータ変位を増幅するように構成されている、作動ユニットと、
    を備えている冷却システムと、
    を備える照明システム。
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