JP5133970B2 - 冷却装置、及びこのような冷却装置を有する電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧力波を駆動周波数において生成するよう適合されるトランスデューサと、前記圧力波を前記トランスデューサから受け取るよう適合される第１端部、及び対象物の方への脈動正味出力流(pulsating net output flow)を生成するよう適合される第２端部を持つ管とを有する冷却装置に関する。

更に、本発明は、このような冷却装置を有する電子装置に関する。

従来より、電子部品及びシステムの冷却は、一般に、電子回路パッケージ、ヒートシンク又は取付け具の外側に設けられる領域に沿った自然対流又は強制対流による空冷によって達成される。

しかしながら、最近、例えば、従来の装置よりコンパクト且つ／又は高出力である、新しく開発された電子装置に起因する熱流束密度の増大のために、様々なアプリケーションにおいて、冷却の必要性が高まっている。このような改良された装置の例は、例えば、レーザ又は発光ダイオードなどの高出力半導体光源と、ＲＦパワーデバイス及び高性能マイクロプロセッサと、ハードディスクドライブと、ＣＤＲ、ＤＶＤ及びブルーレイのドライブのような光学式ドライブと、フラットＴＶ及び照明器具などの大面積デバイスとを含む。

自然対流に関しては、一方では、利用可能領域の縮小をもたらす小型化及び重量制限のために、他方では、過大な下流局部加熱をもたらす電力放散領域（フラットＴＶ、ライトパネル）の増大により、冷却能力はますます限られている。

この問題に対する、自明な、広く実施されている解決策は、ファンを使用するものである。ファンは、コンパクトさ、ノイズ及び効率に関して絶えず改善されているが、多かれ少なかれ、ファンの固有の特性のために、大きさ、ノイズ、コスト、期待寿命、対象物までの最小距離及び設計の自由度の制約などの様々な問題に依然として直面している。

ファンによる冷却に代わる手段として、国際公開第2005/008348号が、冷却目的のためのシンセティックジェットアクチュエータ及び管を開示している。管は、共鳴キャビティに接続され、ジェット気流が、管の遠位端において作成され、対象物を冷却するのに用いられ得る。キャビティ及び管は、ヘツムホルツ共鳴器を形成する、即ち、キャビティの中の空気がバネの役割を果たし、管の中の空気が質量の役割を果たす二次システムを形成する。

このタイプのシステムでの不利な点は、低い共鳴周波数を得るためには、適度な大きさのキャビティボリューム(cavity volume)のために、管の断面積と、管の長さの比率が、小さくなければならないことにある。しかしながら、高い音響出力及び適度な品質係数（Ｑ）を得るためには、管の断面積は大きくなければならない。

本発明の一般的目的は、従来技術の上述の不利な点及び他の不利な点を鑑みて、改善された冷却装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、より汎用性のある冷却装置を提供することにある。

本発明によれば、これら及び他の目的は、圧力波を駆動周波数において生成するよう適合されるトランスデューサと、前記圧力波を前記トランスデューサから受け取るよう適合される第１端部、及び前記対象物の方への脈動正味出力流を生成するよう適合される第２端部を持つ管とを有する冷却装置であって、前記管が、λ／１０より長い長さを持つ管共鳴器であり、ここで、λが前記圧力波の波長である冷却装置によって達成される。

ここで、「トランスデューサ」は、入力信号を対応する圧力波出力に変換することが可能な装置である。前記入力信号は、電気的なもの、磁気的なもの又は機械的なものであり得る。適切なトランスデューサの例は、様々なタイプの膜、ピストン、圧電性構造物などを含む。とりわけ、適切に寸法を決められた動電型スピーカがトランスデューサとして用いられ得る。

本発明は、脈動する媒体の速度のゲインを得るのに管共鳴器を用いることによって、非常に効率的な冷却が達成され得るという認識に基づいている。

前記波長と比べて前記管の長さが短いヘルムホルツ共鳴器と比較して、本発明による管共鳴器の長さは、λ／１０より長く、これは、ヘルムホルツ共鳴が起こるのを防止するのに十分に長いことが分かった。その代わりに、前記管は、脈動する流れに速度ゲインを加えるトランスミッションラインの役割を果たす。λ／８より長い管長の場合は、更に良好な効果が見出され、λ／５より長い管長の場合は、更に良好な効果が見出された。

前記管における前記速度ゲインは、ｓｉｎ（２πＬ／λ）＋ｃｏｓ（２πＬ／λ）に反比例することが示され得る。これは、

の場合、即ち、

の場合に、前記ゲインが最大であるであろうことを示す。

前記管の長さが（２ｎ＋１）λ／４と等しい特定の場合には、前記管共鳴器において定常波が作成され、特に有利な速度ゲインをもたらす。

本発明による冷却装置は、様々な液状又はガス状流体の有向流出を介して多様な対象物を冷却するのに用いられ得る。しかしながら、本発明による冷却装置は、電子回路のような対象物の空冷にとりわけ有用である。

前記管共鳴器の第２端部において開口部の中央部を通る脈動正味流体流出を生成するよう前記管共鳴器の寸法を決めることによって、前記流出の方向において、非常に効率的な冷却が達成される。これは、特に、本発明による冷却装置の出力部から出る流体の前記脈動する流れが、非常に効率的に冷却されるべき対象物を覆う境界層を破壊することから、事実である。

理想的には、前記装置は、前記管の前記第２端部における或る一定の音圧レベル（ＳＰＬ）に対してコーンエクスカーション(cone excursion)が最小限であるように設計される。これは、より安価なスピーカ、例えば前記トランスデューサのより簡素なサスペンション、及び／又は寿命の改善をもたらす。

前記トランスデューサは、好ましくは、前記駆動周波数において、前記トランスデューサのＤＣインピーダンスより1.5乃至2.5倍大きいインピーダンス、最も好ましくは、約2倍大きいインピーダンスを持つよう設計される。駆動周波数インピーダンスとＤＣインピーダンスとの間のこの関係は、特に有利な結果をもたらすことが分かった。これに関連して重要な設計パラメータは、力係数（Ｂｌ）であり、ここで、前記力係数は、上記で言及した駆動周波数インピーダンスが得られるように選ばれる。

前記管共鳴器の前記第１端部は、前記圧力波を前記トランスデューサから直接受け取るよう配設され得る。これは、コンパクトな設計をもたらす。このような設計の要件は、前記管の直径が前記トランスデューサの隔膜の直径と本質的に一致することである。

他の例においては、あらゆる直径の相違に対応するために、前記トランスデューサと前記管との間にキャビティボリュームが配設され得る。このようなキャビティは、ヘルムホルツ共鳴器のキャビティと混同してはならない。上記で説明したように、前記管共鳴器は、ヘルムホルツ共鳴が起こるのを防止するのに十分に長い。

有利には、前記駆動周波数は、前記システム、即ち、前記管及び間にあるあらゆるキャビティと組み合わせた前記トランスデューサの反共鳴周波数とほぼ一致し得る。前記反共鳴周波数は、前記システムのインピーダンスカーブが極小値に達する周波数である。前記駆動周波数のこのような選択は、最適出力速度をもたらすであろう。

更に、前記流出は本質的に乱流であってもよい。開口構造部の適切な寸法決定、及び前記トランスデューサの対応する調整によって、前記出力部において乱流流出が達成され得る。それによって、より一層効率的な冷却が得られる。詳細には、前記寸法決定及び調整は、好ましくは、前記第２端部において形成される渦構成が、後進行程中に前記開口構造部内へ吸い戻されるのを防止するために、前記トランスデューサの前進行程中にそれが形成された前記開口部から十分な距離遠くへ行くようなものである。

有利には、開口共鳴器は、前記流出が、最低可聴レベルが相対的に高い周波数において脈動する流出であるような寸法にされ得る。前記「最低可聴レベル」は、人間に聞こえる最低音圧レベルである。

前記最低可聴レベルは、約4kHzにおいて最低値を持つ周波数に依存する。とりわけ、低周波の場合は、前記最低可聴レベルは相対的に高い。それ故、前記開口共鳴器は、好ましくは、200Hz未満の周波数において、より好ましくは、100Hz未満の周波数において共鳴するよう寸法を決められ得る。

更に、前記トランスデューサは、有利には、前記流出の圧力レベルが前記最低可聴レベル未満であるようなレベルにおいて圧力波を生成するよう設定され得る。これによって、前記冷却装置は、聞こえないように動作するよう構成され得る。

別の実施例によれば、前記管共鳴器は、その第２端部に複数の開口部を持ち得る。これらの開口部は、本質的に同じ方向に向けられてもよく、又は同時に幾つかの対象物を冷却するために様々な方向に向けられてもよい。更に、前記開口部は、実質的に同じ面内にあってもよく、又は異なる面内にあってもよい。

前記管は、例えば、円筒状であってもよく、１つの長さ、１つの半径及び２つの端部を持っていてもよい。管の音響共鳴周波数は、容易に計算され、円筒状の管の製造はとりわけ簡単である。

或る実施例によれば、この管は、実質的にまっすぐであってもよく、それによって、とりわけ大きい周波数選択的増幅、又は換言すると高い音質係数（Ｑ）が得られる。

更に、前記管は、少なくとも部分的に前記管の長手方向に沿って延在する細長い開口部を、少なくとも部分的にこの細長い開口部を通して冷却流出を放出するために、持ち得る。

当然、前記管においては、様々な形状の幾つかの開口部が形成されてもよい。

冷却流体の流れは、このような細長い開口部の形成を介して、冷却されるべき前記対象物に適合され得る。

別の実施例によれば、前記管は、実質的にコイル状であってもよい。前記管を、まっすぐな管よりコンパクトな、コイル、又は迷路のような他の構成のように形成することによって、スペースをとらない冷却装置が実現され得る。

更に、冷却効果を高めるために、一連の渦によって前記管の前記端部に形成されるジェットに加えて、連行周囲空気の二次流れが取り入れられ得る。この二次流れは、前記開口部から或る距離離れた場所から吸い込まれ得る。特に、冷却されるべき前記対象物が狭い区画内にある場合、異なる場所から空気を吸い込むのは有利であり得る。或る実施例によれば、第２の管が、前記管共鳴器と同軸的に配設されることができ、吸い込まれる周囲空気を冷たくさせるために適切な場所に開口部を持つことが出来る。

更に、本発明による冷却装置は、有利には、電子回路を含む電子装置内に含まれ得る。

ここで、本発明の現在好ましい実施例を示している添付図面を参照して、本発明のこれら及び他の態様をより詳細に説明する。

図１ａ及び１ｂは、本発明の２つの実施例による冷却装置を概略的に示している。

典型的な冷却装置１は、スピーカの膜の形態のトランスデューサ２、及び管共鳴器３によって形成される。管３の第１端部４は、トランスデューサ２から圧力波を受け取るよう配設される。管３の適切な寸法、この場合には、断面積Ｓ及び長さＬを選択することによって、管３の第２端部７の開口部６を通る脈動正味流体流出５が得られる。この流体流出５を介して、流出５の方向にある対象物８、例えば電気回路又は集積回路が冷却される。

管は、λ／１０より長い長さＬを持つ。これは、速度のゲインをもたらし、管が、ヘルムホルツ共鳴器の首部の役割を果たすのを防止する。最も好ましくは、長さＬは、λ／４の奇数倍数、即ち、（２ｎ＋１）λ／４（ここで、ｎ＝０、１、２、…）に本質的に等しい。このような管長は、管において定常波をもたらすであろう。これは、とりわけ効率的な速度ゲインを与える。

管は、好ましくは、高いゲイン、即ち、入力速度と、出力速度の比率をもたらす、高い品質係数Ｑを持つ。これを達成する方法の１つは、滑らかな管壁を持つことである。

好ましい実施例によれば、管３の中に全正味流量はない。代わりに、中央部流出５において噴出される量に対応する量の流体が、ジェットの抗力(drag)のために、図１ａにおいて湾曲矢印９によって示されているように、開口部６の周辺部において、管３に引き込まれる。

しかしながら、例えば、空気が加熱される狭い空間内に対象物８が位置している状況においては、何らかの他の場所から空気を得ることは有利であり得る。この目的のため、前記装置は、このような場所から管３の開口部６に至る付加的な導管を具備し得る。図７は、このような設計の例を示している。この例においては、開口部６の近くに一方の端部を備え、開口部６から離れた所に他方の端部６３を備える第２の管６１が、管３と同軸上に配設される。動作中、この管には二次流体流６２が吸い込まれ、これは、熱い場所へのより冷たい空気の投入を可能にする。

図１ａに示されている実施例においては、トランスデューサ２の後ろにキャビティボリュームＶ０が設けられ、トランスデューサ２と、管共鳴器３との間にキャビティボリュームＶ１が設けられる。図１ｂの実施例においては、キャビティボリュームＶ１しかない。キャビティボリュームＶ１は、本発明を実施するのには必要とされないが、トランスデューサ２及び管３の異なる直径を補償するのに有利であり得る。トランスデューサの方向は、重要ではなく、反対にされ得る。

図２は、本発明の他の実施例による冷却装置１の概略的な斜視図である。図１ａ及び１ｂの中の素子に対応する素子に対しては同じ参照符号が用いられているが、同じ参照符号は、前のこれらの図を限定するものとみなしてはならない。

図２においては、管共鳴器３は、円筒状又は円形の断面を持ち、トランスデューサ２は、スピーカの膜の形態で設けられ、管の第１端部４に取り付けられる。これは、本発明の範囲を決して限定せず、本発明は、異なる形状をした断面、例えば、長方形の断面を備える管、及び拡張部に沿って変化する断面を持つ開口共鳴器などの、他のタイプの開口共鳴器を含む冷却装置に等しく適用可能であることに注意されたい。更に、トランスデューサは、圧力波を生成することが可能な任意の他の手段の形態で設けられ得る。このような手段は、例えば、圧電トランスデューサ、機械的に動かせるピストンなどを含む。更に、トランスデューサは、必ずしも、添付図面において図示されているように開口共鳴器にぴったりと取り付けられる必要はなく、他の例においては、トランスデューサによって生成される圧力波が開口共鳴器の第１端部に結合されるように、開口共鳴器がトランスデューサに関して配設される限り、トランスデューサは開口共鳴器から物理的に分離されてもよい。

多くのアプリケーションにおいて、冷却装置の重要な特徴は、冷却装置がユーザには気づかれないままであることである。それ故、冷却装置は、好ましくは、コンパクト且つ静かであるよう設計される。

等しい音量のグラフを示している図３を参照すると、本発明による冷却装置の好ましい動作範囲が、図３の射線領域２０として概略的に図示されている。好ましい動作範囲２０は、最低可聴レベルより下に配置され、この範囲２０内で動作するよう設計される／寸法を決められる冷却装置は、ユーザには聞こえない。本発明による冷却装置は、引き続き、ユーザには事実上気づかれない限り、この好ましい範囲の限度をかなり超えてもよいことに注意されたい。図３のグラフにおいて最終的に選ばれる動作点は、大きさの制約、必要とされる冷却力、冷却装置が実装されるシステムの他の部品による音響放射レベルなどの要素に依存する。

図４には、本発明の更に別の実施例による冷却装置３０が概略的に示されている。この場合、管３３の第２端部３２の３つの開口部３１ａ乃至３１ｃにおいて冷却流出が生成される点で、冷却装置３０は図２の冷却装置１と異なる。

これによって、同じ冷却装置３０を用いて幾つかの対象物が冷却され得る。

図５には、本発明の他の実施例による冷却装置４０が示されている。この場合、管４３の第２端部４２の開口部及び細長い開口部４１ａ乃至４１ｂを介して冷却流出が行われる点で、冷却装置４０は図２の冷却装置１と異なる。

この実施例は、広大な対象物を冷却するのにとりわけ有用である。

図６には、本発明の更に別の実施例による冷却装置５０が概略的に示されている。この場合、管５１がコイル状に巻かれている点で、冷却装置５０は図２の冷却装置１と異なる。この構成は、冷却装置５０の全体の寸法を可能な限りコンパクトに保ちながら管５１を所望の動作範囲２０内の寸法にすることを可能にする。

当業者には、本発明が決して前記好ましい実施例に限定されないことは分かるであろう。例えば、トランスデューサは、様々な方法で管に接続されることができ、管は、円形断面を持つ必要はない。

本発明の第１実施例による冷却装置の概略的な平面図である。 本発明の第２実施例による冷却装置の概略的な平面図である。 図１ａ及び１ｂの管共鳴器の斜視図である。 本発明による冷却装置の好ましい動作範囲を図示する図である。 本発明の第２実施例による冷却装置の概略的な斜視図である。 本発明の第３実施例による冷却装置の概略的な斜視図である。 本発明の第４実施例による冷却装置の概略的な斜視図である。 図１ｂの冷却装置の変形例の概略的な平面図である。

Claims (16)

1. 対象物の冷却のために脈動流体を用いる冷却装置であり、
   圧力波を駆動周波数において生成するよう適合されるトランスデューサと、
   前記圧力波を前記トランスデューサから受け取るよう適合される第１端部、及び前記対象物の方への脈動正味出力流を生成するよう適合される第２端部を持つ管とを有する冷却装置であって、前記管が、λ／１０より長い長さを持つ管共鳴器であり、ここで、λが前記圧力波の波長であることを特徴とする冷却装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、前記管共鳴器が、λ／８より長い長さを持つ装置。
3. 請求項１に記載の装置であって、前記管共鳴器が、（２ｎ＋１）λ／４と本質的に等しい長さを持ち、ここで、ｎ＝０、１、２、…であり、λが前記圧力波の波長である装置。
4. 請求項１に記載の装置であって、前記トランスデューサが、前記駆動周波数において、前記トランスデューサのＤＣインピーダンスより1.5乃至2.5倍大きいインピーダンスを持つよう設計される装置。
5. 請求項４に記載の装置であって、前記トランスデューサが、前記駆動周波数において、前記ＤＣインピーダンスより2倍大きいインピーダンスを持つよう設計される装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の冷却装置であって、前記管共鳴器の前記第１端部が、前記圧力波を前記トランスデューサから直接受け取るよう配設される冷却装置。
7. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の冷却装置であって、前記トランスデューサと前記管共鳴器との間にキャビティボリュームが配設される冷却装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の冷却装置であって、前記駆動周波数が、前記トランスデューサと、前記管共鳴器と、間にある任意のキャビティとを含むシステムの反共鳴周波数と実質的に一致する冷却装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の冷却装置であって、前記管共鳴器が、開口部を通る総正味流量を減らすよう適合される冷却装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の冷却装置であって、前記駆動周波数が、前記正味出力流が本質的に乱流であるように選択される冷却装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の冷却装置であって、前記第２端部が複数の開口部を持つ冷却装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の冷却装置であって、前記管が実質的にまっすぐである冷却装置。
13. 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の冷却装置であって、前記管が実質的にコイル状をしている冷却装置。
14. 請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の冷却装置であって、前記管が、少なくとも部分的に前記管の長手方向に沿って延在する細長い開口部を、前記出力流を少なくとも部分的に前記細長い開口部を通して放出するために、持つ冷却装置。
15. 請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の冷却装置であって、前記共鳴器の前記第２端部から或る距離離れた場所から流体の二次流れを取り入れるための導管を有する冷却装置。
16. 電子回路と、前記回路を冷却する請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の冷却装置とを有する電子装置。

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