JP5320298B2 - 周波数制御を有する脈動流体冷却 - Google Patents

Description

本発明は、脈動流体冷却に関する。すなわちそれは、冷却すべき物体に方向づけることが可能な脈動流体ストリームを生成する振動を、トランスデューサーによって引き起こす冷却である。速い流体速度を達成するためには、冷却デバイスを共振周波数又は少なくともそれに近い周波数で駆動することが有益である。

多様な応用における冷却の必要性が増加している。それは例えば、従来型のデバイスよりも小型及び／又はハイパワーの新しく開発されたエレクトロニック・デバイスにより、従来よりも高い熱流束密度が生じるためである。そのような改良されたデバイスの例には、レーザーや発光ダイオードなどのさらにハイパワーの半導体光源、RFパワー・デバイス及びさらに高性能なマイクロプロセッサ、ハードディスクドライブ、CDR、DVD及びBlue rayドライブなどの光学ドライブ並びに平面型TV及び照明器具などの大面積デバイスが含まれる。

特許文献1は、ファンによる冷却の代替として、冷却のためのシンセティック・ジェット・アクチュエーター及びチューブなどを公開している。該チューブは共振キャビティに接続され、脈動ジェット・ストリームはチューブの遠心端で生成され、物体を冷却するのに使用されることができる。キャビティ及びチューブはヘルムホルツ共振装置を形成する。すなわち、チューブ内の空気が質量として作用するが、該キャビティ内の空気はバネとして作用する2次システムである。

もう1つの例は非特許文献1に示されている。この文献では、シンセティック・ジェットが2つの隔膜を持ち、2つの隔膜のそれぞれが同じオリフィスでやりとりをすると公開されている。

この種の脈動流体ストリーム（通常はエア・ストリーム）は、層流よりも効率的に冷却されることが発見されており、大体は従来型の冷却システム（例えば冷却ファンなど）に使用される。その上共振冷却システムでは、より小さいスペースが必要とされ、より少ないノイズが発生する。

最大の効率を得るためには、そのような脈動冷却システムは恐らく、システムの共振周波数又は反共振周波数など、はっきりと限定された周波数で駆動されるのが望ましい。従来技術の冷却デバイスは、そのような効率的な駆動を確実にするのに十分な方法に不足している。

さらに一般的に述べると、従来型の脈動冷却デバイスは、冷却デバイスの状態及び性能に基づいてトランスデューサーの動作周波数を調整し制御する機能に不足している。

国際公開第2005／008348号パンフレット 国際公開第2005／027569号パンフレット

N.Beratlis et al著「Optimization of synthetic jet cooling for microelectronics applications」 第19回 SEMITHERM 2003年

従って、脈動冷却デバイスの動作周波数を冷却システムの状態及び性能に適合させることを可能にすることが、本発明の目的である。

第1発明概念によれば、本目的又は他の目的は、脈動流体流動を発生させるためのトランスデューサーを含む脈動流体冷却デバイス、脈動流を冷却すべき物体の方向に向ける流体ガイド構造体、物体の状態を表わす少なくとも1つの可変要素を検出するセンサー、その可変要素を示すフィードバック・シグナルを提供するフィードバック経路及びトランスデューサーの動作周波数を制御するために、フィードバック・シグナルを受信し、該フィードバックに基づいて周波数制御シグナルを発するように配置された制御回路によって達成される。動作周波数の制御は従って、冷却する物体からの情報を提供する外部のフィードバック経路に基づいて実施される。そのような情報は：物体の温度変化、物体の近辺の流体流動、物体の近辺の流体速度及びその他を含むが、それだけに限らない。

従って周波数制御は、動作周波数を冷却デバイスの性能に適合させることを可能にする。例えば、そのような周波数制御は、十分な冷却効率を確実に保つように使用することができる。

周波数は、物体における状態に関する情報を有する制御回路を備えることによって、実際の性能に基づいて制御することができる。その性能は、測定された可変要素に基づいて最適化することができる。例えば、フィードバック・シグナルが物体の温度変化に関する情報を含む場合、制御回路は、最適な冷却をもたらす動作周波数を選択するように配置される。

第2発明概念によれば、脈動流体冷却デバイスは、脈動流体流動を発生させるためのトランスデューサー、冷却する物体の方向に脈動流動を向けるための流体ガイド構造体、位相差シグナルを発生させるように、トランスデューサーの電圧の位相を示す第1シグナル及びトランスデューサーを通って流れる電流の位相を示す第2シグナルを合成する合成ユニット、及びこの位相差シグナルに従ってトランスデューサーの周波数を制御するための制御回路を含む。

この例では、動作周波数はデバイス（すなわち、トランスデューサー又はガイドシステム）の共振周波数又は反共振周波数であり、制御ユニットはこの動作周波数を確実に維持するように配置される。

そのような、共振周波数駆動のための回路は特許文献2で公開されているが、脈動流体冷却デバイスでの使用は提案されていない。従ってこの組み合わせには、本質的に新規性がある。

第1発明概念の背景においては、特許文献2に記載された制御システムが外部のフィードバック・センサーによって補充されており、その結果、外部のフィードバック（温度など）と一緒に共振周波数に基づいた制御戦略を調整することが可能になる。

本発明の実施形態による脈動流体冷却デバイスの概略図 図1のコントローラーの第1代替手段のブロック図 本発明による脈動流体冷却デバイスの概略図 図1のコントローラーの第2代替手段のブロック図

図1は、本発明の実施形態に従い、脈動流体冷却システムの実施形態を表わす。システムにはエンクロージャ2に配置されたトランスデューサー1及び流体ガイド構造体3が含まれ、ここでの流体ガイド構造体はキャビティから伸びるチューブの形をしている。作動中には、トランスデューサーは脈動流体流動を生成し、流体ガイド構造体によって集積回路などの冷却する物体4に導く。

システムはさらに、冷却プロセスを最適化するため、周波数を制御するように適合されている制御ユニット5を含む。フィードバック経路6は制御ユニットにフィードバック・シグナルを提供するように適合されている。そのフィードバック・シグナルは、冷却デバイスの外部の可変要素を示し、物体4の量に有利に関係してよい。該フィードバック・シグナルはセンサー7によって生じる。

表示例では、フィードバック・シグナルは、物体の温度に関連し、センサー7は該温度を示すシグナルを発するように設計されている。

1つの実施形態によると、センサーがICとしての物体4を流れる電流を検出するように配置されている。一定の電圧の差にさらされる位置で測定を実施することによって検出される電流が、ICの温度を示す。

もう1つの実施形態では、センサーはさらに伝統的な温度トランスミッタであり、温度に比例した、該センサーがさらされる電圧を提供する。

制御ユニット5の例が図2に表わされている。ユニット5はプロセスユニット11、電圧制御発振器（VCO）12及びオペアンプ13を含む。プロセスユニット11は、フィードバック経路6に接続され、フィードバック・シグナルを受信する（例えば、センサー7は温度を示す）。このフィードバックに基づいて、プロセスユニット11は、印加された周波数に相当する物体4の温度変化をモニターするように適合されている。この関係から、絶対最小値又は極小値（すなわち、物体4の温度が最小である周波数）が選択される。これは、現在最も効率的な冷却周波数に相当する。そのようなフィードバックは、最適な周波数が動力学過程（すなわち、最適な周波数は時間が経つにつれ変化する場合）においても維持されることに注意するべきである。さらにもう1つの実施形態では、フィードバック・シグナルは、物体4の近辺の合計の流量に関連する。プロセスユニットは、次に周波数を調整し、最大合計流量を確実に保つようにする。それは通常、確実に十分な冷却をする。

図3には異なる実施形態が表わされている。ここでは、トランスデューサーがデバイスの共振周波数又は反共振周波数に等しい動作周波数で制御されるように配置されている。これらの動作周波数の特徴は、トランスデューサーを通って流れる電流と同相であるトランスデューサーの電圧をもたらすことである。従って周波数制御はこの関係に基づく。

図3の制御回路は電圧制御発振器（VCO）12を含み、オペアンプ13を通してトランスデューサーに接続される。それはさらに、トランスデューサーのコイルとグラウンドとの間に接続された抵抗器23を有する。該抵抗器の電圧V_Rは従って、コイルを通る電流と同相である。この電圧V_Rは、合成ユニット24（例えば増幅器など）に接続されており、また、VCO12から駆動電圧V_VCOが提供される。

合成ユニット24からの出力は、電圧V_RとV_VCOとの間の位相差を表わす。制御ユニット25はその位相差に基づいて制御シグナルをVCO12に提供し、共振（反共振）周波数を発生させるためにVCO12を制御する。そのような制御の詳細は、特許文献2に記載されており、本文献に参考として取り入れられている。

図4に表わされるように、図2及び図3の制御法は、組み合わせてもよい。その結果生じるシグナルは、従って図2に示されるような外部のフィードバック制御を、図4で示されるように位相差制御と組み合わせる。図4のほぼ全ての要素は、図2及び図3の要素に一致することから同一の参照番号が与えられ、それらの機能の観点で説明されている。

制御ユニット31は、ここでは、2つのフィードバック・シグナルを受信するように適合されており；センサー7からの外部のシグナルを1つ及び合成ユニット24からの内部のシグナルを1つ受信する。しかし、ターゲットの位相差は、図3のようにゼロである必要はない。その代わりに、該ターゲットの位相差は、外部のフィードバックに基づいて制御ユニットで決められることから、図2を参照して上記で述べられたように、冷却プロセスを最適化することを可能にする。

本発明は、上記で説明された望ましい実施形態に決して限定されるものではないことを、当事者は認識するべきである。それどころか、多数の改良形及び変化形が請求項の範囲内で可能である。例えば、様々な他種のセンサーが適切なフィードバックを提供するように使用されてもよい。さらに、可能なフィードバックに基づいた冷却性能を最適化及び改善するために、様々な制御法を開発してもよい。

1…トランスデューサー
2…エンクロージャ
3…流体ガイド構造体
4…冷却する物体
5…制御ユニット
6…フィードバック経路
7…センサー
11…プロセスユニット
12…電圧制御発振器（VOC）
13…オペアンプ
23…抵抗器
24…合成ユニット
25…制御ユニット
31…制御ユニット

Claims (8)

1. 脈動流体流動を発生させるためのトランスデューサー及び前記脈動流体流動を冷却すべき物体に向けて方向づけるための流体ガイド構造体を含む脈動流体冷却デバイスであり：
   トランスデューサーの外部にある少なくとも1つの可変要素を検出するためのセンサー；
   該可変要素を示すフィードバック・シグナルを提供するためのフィードバック経路；及び
   当該デバイスの共振周波数又は反共振周波数である前記トランスデューサーの動作周波数を制御するため、該フィードバック・シグナルを受信し、該フィードバック・シグナルに基づいて周波数制御シグナルを発生する制御回路；
   を含む脈動流体冷却デバイス。
2. 前記可変要素が前記冷却する物体での状態に関係する、請求項1に記載された冷却デバイス。
3. 前記可変要素が前記物体の温度変化、前記物体の近辺の流量及び前記物体の近辺の流体速度の1つに関係する、請求項2に記載された冷却デバイス。
4. 前記制御回路が電圧制御発振器を含む、請求項1乃至3のうちいずれか一項に記載された冷却デバイス。
5. 前記制御回路が：
   前記トランスデューサーの電圧の位相を示す第1シグナルと前記トランスデューサーを通る電流の位相を示す第2シグナルを合成するための合成ユニット；及び
   該位相差シグナルに基づいて前記周波数制御シグナルを発生させるための制御ユニット；
   を含む、請求項1乃至4のうちいずれか一項に記載された冷却デバイス。
6. 冷却デバイスにおいて、脈動流体流動を発生させ、物体の方向に流動を方向づけることによって、物体を冷却する方法であり：
   トランスデューサーの外部の少なくとも1つの可変要素を検出する段階；
   該可変要素を示すフィードバック・シグナルを提供する段階；
   該フィードバック・シグナルに基づいて周波数制御シグナルを発生させる段階；及び
   前記トランスデューサーの動作周波数を制御するように前記制御シグナルを使用し、該動作周波数が当該冷却デバイスの共振周波数又は反共振周波数である、段階；
   を有する方法。
7. 前記可変要素が冷却する物体における状態に関係する、請求項6に記載された方法。
8. 前記可変要素が前記物体の温度変化、該物体の近辺の流量及び該物体の近辺の流体速度のうち1つに関係する、請求項7に記載された方法。

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