JP6678649B2 - 空気冷却システムおよび気流発生器 - Google Patents

Description

本開示は空気冷却システムおよび気流発生器に関する。

現代の高電力放散電子機器は熱を生成するが、熱は、設計された作動温度範囲に電子機器を維持するために熱管理される必要がある。電子装置から熱を除去して信頼性を向上させ、電子機器の早期故障を防止する必要がある。ホットスポットを最小にするために冷却技術が使用されることがある。

国際公開第２０１４／０４９００４号

一態様において、本発明の実施形態は、内部または外部の少なくとも１つを有する熱放射素子と、間に空洞を画定する対向し間隔を空けた可撓性プレートを有する圧電合成ジェットと、を備え、圧電合成ジェットが、可撓性プレートが内部に配置される熱放射素子の内部か、または熱放射素子の少なくとも一部が空洞内に延在する熱放射素子の外部の周りのどちらかに位置する、空気冷却システムに関する。

別の態様では、本発明の実施形態は、少なくとも第１の表面および第２の表面を有する物体と共に使用される気流発生器であって、第１の側面を有する可撓性構造体であって、第１の可撓性構造体の第１の側面の第１の部分が対象物の第１の表面の一部分から離間してその間に第１の空洞を画定し、第１の可撓性構造体の第１の側面の第２の部分が対象物の第２の表面の一部分から離間してその間に第２の空洞を画定する、可撓性構造体と、可撓性構造体上に配置された少なくとも１つの圧電体と、を備え、少なくとも１つの圧電体の作動は、可撓性構造体の移動をもたらし、第１の空洞または第２の空洞のうちの少なくとも１つの容積を増大させて空気を引き込み、次いで第１の空洞または第２の空洞の容積を減少させて引き込んだ空気を押し出して、気流発生器によって生成された気流によって対象物が冷却される気流発生器に関する。

さらに別の態様では、本発明の実施形態は、少なくとも第１の表面および第２の表面を有する物体を冷却するための気流発生器であって、対象物の第１の表面の一部分から離間して第１の空洞を画定する第１の表面を有する第１の可撓性構造体と、対象物の第２の表面の一部分から離間して第２の空洞を画定する第１の表面を有する第２の可撓性構造体と、第１の可撓性構造体および第２の可撓性構造体のそれぞれに配置された圧電体と、を備え、圧電体の作動が、第１の可撓性構造体および第２の可撓性構造体の動きをもたらして、第１の空洞または第２の空洞の容積を増大させて空気を引き込み、次いで第１の空洞または第２の空洞の容積を減少させて引き込んだ空気を押し出す、気流発生器に関する。

第１の実施形態による空気冷却システムの概略図である。 第１の実施形態による空気冷却システムの概略図である。 第１の実施形態による空気冷却システムの概略図である。 第２の実施形態による代替的な空気冷却システムの概略図である。 第２の実施形態による代替的な空気冷却システムの概略図である。 第２の実施形態による代替的な空気冷却システムの概略図である。 本発明の別の実施形態による代替気流発生器を有する空気冷却システムの斜視図である。 図３の気流発生器の可撓性構造体の側面図である。 図３の空気冷却システムの上面図である。 図３の気流発生器の動作を示す概略図である。 図３の気流発生器の動作を示す概略図である。

図１Ａは、第１の表面１６および第２の表面１８を画定する外部１４を有する熱放射素子１２を有する空気冷却システム１０を示す。熱放射素子１２は、熱発生素子または熱交換素子を含むことができる。図示の例では、熱放射素子１２は、ヒートシンクのフィン形状の熱交換素子として図示されている。熱放射素子１２は、外部１４を有するフィンとして図示されるが、空気冷却システム１０は外部を有する任意の適切な熱放射素子を組み込んでよいことが理解されるであろう。

気流発生器２０は、圧電性合成ジェットとして図示されているが、これは空気冷却システム１０にも含まれ、対向して間隔を置いて配置された、間に空洞２８を画定する可撓性構造体２２、２４を含む。図示された例では、可撓性構造体２２、２４は、可撓性プレート２２、２４として図示されている。可撓性構造体２２、２４は、アルミニウム、銅、ステンレス鋼等を含む任意の適切な可撓性材料から形成されてよい。可撓性構造体２２、２４は、互いから離間しており、それらの主平面に沿って略対向する関係に配置されている。気流発生器２０は、熱放射素子１２の外部１４の周りに位置するものと示され、熱放射素子１２の少なくとも一部が空洞２８内に延在する。より具体的には、第１の可撓性構造体２２は、熱放射素子１２の第１の表面１６の一部から離間して第１の空洞３０を画定し、第２の可撓性構造体２４は、熱放射素子１２の第２の面１８の一部分から離間して第２の空洞３２を画定する。

圧電体２６、例えば圧電結晶は、可撓性構造体２２、２４の各々に配置されてもよい。図示の例では圧電体２６は可撓性構造体２２、２４の各々の中心に位置しているが、これは必ずしもそうである必要はない。圧電体２６を配置することができ、それぞれの可撓性構造体の中心に位置する他の場所は、可撓性構造体のたわみを増大させると考えられる。圧電体２６は、接続（図示せず）を介して適切な電源に動作可能に結合されてよい。さらに、単一の圧電体２６のみが各可撓性構造体上に図示されているが、複数の圧電体が可撓性構造体の一方または両方に配置されてよいことを理解されたい。

動作中、圧電体２６の作動は、可撓性構造体２２、２４の動きをもたらし、空洞２８の容積を増大させて空気を引き込み、次いで空洞２８の容積を減少させて引き込んだ空気を押し出す。より具体的には、圧電体２６に電圧が印加されると、可撓性構造体２２、２４が図１Ｂに示すように凸となるように屈曲する。図示のように、可撓性構造体２２、２４は互いに反対方向に偏向する。この同時たわみは、第１の空洞３０および第２の空洞３２の容積を増大させ、減少した分圧が生じ、矢印４０で示すように今度は空気が空洞２８に入る。逆極性の電圧が印加されると、可撓性構造体２２、２４は、図１Ｃに示すように、反対方向（すなわち、凸状ではなく凹状）に屈曲する。この作用により、空洞２８の容積が減少し、矢印４２に示すように空気が放出される。可撓性構造体２２、２４は中立位置（図１Ａ）を通過してより大きな量の空気を排出することが好ましいが、可撓性構造体２２、２４の中立位置に戻るどのような動きでも空気を押し出すことが理解されるであろう。圧電体２６は、制御可能な電源（図示せず）に接続されて、所望の大きさおよび周波数の交番電圧が圧電体２６に印加されてよい。可撓性構造体２２、２４の動きにより、冷却用の熱放射素子内で利用可能な空気の流れが生成される。

上述の例では、第１の空洞部３０および第２の空洞部３２の両方が同時に空気を引き込み、引き込んだ空気を押し出す。熱放射素子１２は、空洞２８内にあり、空洞２８を分離するので、可撓性構造体２２、２４が作動して対向する方向に移動せずに単一の可撓性構造体のみが必ず凸状に移動されて空洞２８の容積を増大させることも想定される。さらに限定しない例によれば、可撓性構造体２２上の圧電体２６の作動は、可撓性構造体２２の動きをもたらし、第１の空洞３０の容積を増大させ、同時に、可撓性構造体２４上の圧電体２６の作動は、可撓性構造体２４の移動をもたらし、第２の空洞部３２の容積を減少させることができる。そして、可撓性構造体２２、２４を反対方向に移動させて、第１の空洞３０の容積が減少し、第２空洞３２の容積が増大する。可撓性構造体２２、２４に対する圧電体２６の作動も同時に行わなくてもよい。そのような代替の動作は、熱放射素子１２を冷却する気流の生成を依然として提供することができる。

さらなる非限定的な実施例によって、図２Ａ−図２Ｃは、本発明の第２の実施形態による代替的な空気冷却システム１１０を示す。空気冷却システム１１０は前述した空気冷却システム１０と同様であり、よって、同様の部分は１００だけ増加した同様の数字で識別され、空気冷却システム１０の同様の部品についての記述は特に断らない限り空気冷却システム１１０に適用されることが理解される。

１つの相違点は、空気冷却システム１１０が内部１１５を有する熱放射素子１１２を含むことである。熱放射素子１１２が内部１１５を画定する２つのフィンを含むものとして例示されるが、空気冷却システム１１０は内部１１５を有する任意の適切な熱放射素子１１２を組み込んでよいことが理解されるであろう。もう一つの違いは、気流発生器１２０が対向して離間した可撓性構造体１２２、１２４を有し、間に空洞１２８を画定するが、代わりに、熱放射素子１１２の内部１１５内に配置されていることである。気流発生器１２０の動作は前述した気流発生器の動作と同様であり、圧電体の作動が可撓性構造体１２２、１２４の動きをもたらし、空洞１２８の容積を増大させて空気を引き込み、次いで空洞１２８の容積を減少させて引き込んだ空気を押し出す。

上記の実施形態では、気流発生器は、任意の適切な方法で熱放射素子の周囲または内部に取り付けられてもよい。非限定的な例として、複数のブラケットを使用して可撓性構造体の一方または両方を熱放射素子または熱放射素子近傍の構造体に取り付けられてよい。

さらなる非限定的な実施例として、図３は、本発明の第３の実施形態による代替的な空気冷却システム２１０を示す。空気冷却システム２１０は、前述した空気冷却システム１０と同様であるので、同様の部分は、２００だけ増加した同様の数字で識別され、空気冷却システム１０の同様の部品についての記述は特に断らない限り空気冷却システム２１０に適用されることが理解されたい。

１つの相違点は、気流発生器２２０が単一の可撓性構造体２２１を含むことである。図示の例では、可撓性構造体２２１が熱放射素子２１２を巻いて熱放射素子２１２を囲むが、必ずしもそうである必要はない。可撓性構造体２２１は、第１の部分２２２および第２の部分２２４を有する第１の側面２２３を含む。可撓性構造体２２１の第１の部分２２２は、熱放射素子２１２の第１の表面２１６の一部分から離間して、間に第１の空洞２３０を画定する。可撓性構造体２２１の第２の部分２２４は、放熱要素２１２の第２の表面２１８の一部分から離間して、間に第２の空洞２３２を画定する。単一の可撓性構造体２２１は、動作可能に結合されて熱放射素子２１２の少なくとも一部を囲む２つの可撓性プレートと考えてもよいが、このような可撓性プレートは一体に形成されて単一の可撓性構造体２２１を形成する。

少なくとも１つの圧電体２２６が気流発生器２２０の可撓性構造体２２１上に配置されてよい。さらに、複数の圧電体２２６が可撓性構造体２２１上に配置されてよい。図３の例示された例では、２つの圧電体２２６が可撓性構造体２２１上に配置される。図４Ａでは、２つの追加的な圧電体２２６が可撓性構造体２２１の部分の１つの上に含まれるものと示されて、複数の圧電体２２６がどのように含まれてよいかを例示するのに役立つ。任意の数の圧電体２２６が単一の圧電体を含む可撓性構造体２２１に含まれてよいことが理解されるであろう。複数の圧電体２２６が含まれる場合、それらは同時に作動されるように構成されてよい。例示的な実施形態に戻ると、図４Ｂに示されている上面図において、圧電体２２６の１つは第１の空洞２３０に隣接して配置され、他方の圧電体２２６は第２の空洞２３２に隣接して配置される。

図５Ａおよび図５Ｂは、気流発生器２２０の動作の一例を示す模式図である。そのような動作の間、複数の圧電体２２６の動作は、可撓性構造体２２１の動きをもたらし、第１の空洞２３０と第２の空洞２３２の両方の容積を増大させ、空洞２３０、２３２に空気を引き込み、第１の空洞２３０および第２の空洞２３２の容積を減少させて、引き込んだ空気を押し出し、気流発生器２２０によって生成された気流によって熱放射素子２１２が冷却される。複数の圧電体２２６が同時に作動されなくてもよく、または、空洞２３０、２３２が異なる時に拡大して減少させるようにしてもよいことも企図される。

上述の気流発生器は、熱放射素子に対して任意の適切な方法で配向されて、気流発生器が熱放射素子を冷却するのに役立つ空気の流れを生成してよいことが理解されるであろう。気流発生器は、熱感応性のために均一な温度分布を必要とする電子部品などの放熱のための熱管理を必要とする任意の装置に利用することができる。例えば、気流発生器は、航空機、船舶、および地上ベースの電子機器にも使用してよい。

上述の実施形態は、このような気流発生器が、高電力消費を伴う局所ホットスポットを有する冷却電子装置、または均一な温度分布を必要とする電子部品の熱管理問題を解決することを含む様々な利点を提供する。上述した気流発生器は、製造が容易であり、電気的な引出しが低く、軽量であり、部品の信頼性が向上する。上述の実施形態は、このような凹部を有さない気流発生器よりも、プレート間のより大きな体積の空気を捕捉する。プレートの間に捕捉されたより大きな体積の空気は、気流発生器からのより大きな流出体積気流をもたらす。

既に記述されていない範囲内で、様々な実施形態の異なる特徴および構造は、所望に応じて互いに組み合わせて使用することができる。いくつかの特徴は、全ての実施形態において図示されていなくてもよいが、必要に応じて実施されてもよい。したがって、異なる実施形態の様々な特徴は、所望に応じて混合され整合されて新たな実施形態を形成してよく、新たな実施形態が明示的に記載されているか否かによらない。本明細書に記載された特徴の全ての組合せまたは置換は、本開示によって包含される。

この記述された説明は、最良の実施を含む本発明を開示するための例を使用し、当業者が本発明を実施することを可能にし、記載されるデバイスまたはシステムを作成、使用し、ならびに提示された任意の組み込まれた方法を実行することを含む。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者に想起される他の例を含んでよい。そのような他の例は、特許請求の範囲の文言とは異ならない構造要素を有する場合には、もしくはそれらが特許請求の範囲の文言と実質的に相違しない等価な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあることが意図される。

１０、１１０、２１０ 空気冷却システム
１２、１１２、２１２ 熱放射素子
１４ 外部
１６、１８、２１６、２１８ 表面
２０、１２０、２２０ 気流発生器
２２、２４、１２２、１２４、２２１ 可撓性構造体
２２、２４、 可撓性プレート
２６、２２６ 圧電体
２８、３０、３２、１２８、２３０、２３２ 空洞
１１５ 内部
２２３ 側面

Claims (14)

1. ヒートシンクの上面に接続された複数のフィンと、前記複数のフィンにより画定される内部（１１５）とを有する熱放射素子（１２）と、
   間に前記複数のフィンの１つが配置される空洞（３０、３２）を画定する、対向し間隔を空けた可撓性プレート（２２、２４）を有する圧電式空気発生器（２０）と、を備え、
   前記圧電式空気発生器（２０）が、前記ヒートシンクに接続する前記複数のフィンの１つの上端と下端の位置で空気を前記空洞（３０、３２）内に取り入れ、前記複数のフィンの１つの上端と下端の位置で空気を前記空洞（３０、３２）から放出する、
   空気冷却システム（１０）。
2. 前記可撓性プレート（２２、２４）の少なくとも一方に配置される圧電体（２６）を備える、請求項１に記載の空気冷却システム（１０）。
3. 前記圧電式空気発生器（２０）の前記可撓性プレート（２２、２４）は、動作可能に結合され、前記フィンの１つを完全に包囲する、請求項１または２に記載の空気冷却システム（１０）。
4. 前記可撓性プレート（２２、２４）は一体的に形成される、請求項３記載の空気冷却システム（１０）。
5. それぞれが第１の表面（１１６）および第２の表面（１１８）を有し、その下端がヒートシンクの上面に接続する複数の対象物を冷却するための気流発生器（１２０）であって、
   前記複数の対象物のうちの第１の対象物の第１の表面（１１６）から離間して第１の空洞を画定する第１の可撓性構造体（１２４）と、
   前記第１の対象物の隣に配置された第２の対象物の第２の表面（１１８）から離間して第２の空洞を画定する第２の可撓性構造体（１２２）と、
   前記第１の可撓性構造体（１２４）および前記第２の可撓性構造体（１２２）のそれぞれに配置された圧電体（１２６）と、を備え、
   前記圧電体（１２６）の作動が、前記第１の可撓性構造体（１２４）および前記第２の可撓性構造体（１２２）の動きをもたらして、前記第１の可撓性構造体（１２４）および前記第２の可撓性構造体（１２２）により画定された第３の空洞の容積を増大させて前記第１の空洞および前記第２の空洞の空気を前記第１及び第２の対象物の上端と下端の位置で引き込み、次いで前記第３の空洞の容積を減少させて、前記引き込んだ空気を前記第１及び第２の対象物の上端と下端の位置で押し出す気流発生器（１２０）。
6. 少なくとも第１の表面（２１６）および第２の表面（２１８）を有し、その下端がヒートシンクの上面に接続する対象物と共に使用される気流発生器（２２０）であって、
   第１の側面（２２３）を有する可撓性構造体（２２１）であって、前記可撓性構造体（２２１）の前記第１の側面（２２３）の第１の部分（２２２）が対象物の第１の表面（２１６）の一部分から離間してその間に第１の空洞（２３０）を画定し、前記可撓性構造体の前記第１の側面（２２３）の第２の部分（２２４）が前記対象物の前記第２の表面（２１８）の一部分から離間してその間に第２の空洞（２３２）を画定する、可撓性構造体（２２１）と、
   前記可撓性構造体（２２１）上に配置された少なくとも１つの圧電体（２２６）と、を備え、
   前記少なくとも１つの圧電体（２２６）の作動は、前記可撓性構造体（２２１）の移動をもたらして、前記第１の空洞（２３０）または前記第２の空洞（２３２）のうちの少なくとも１つの容積を増大させて空気を前記の対象物の上端と下端の位置で引き込み、次いで前記第１の空洞（２３０）または前記第２の空洞（２３２）の容積を減少させて、前記引き込んだ空気を前記の対象物の上端と下端の位置で押し出して、気流発生器（２２０）によって生成された気流によって対象物が冷却される気流発生器（２２０）。
7. 複数の圧電体（２２６）が前記可撓性構造体（２２１）上に配置される、請求項６記載の気流発生器（２２０）。
8. 前記複数の圧電体（２２６）のうちの少なくとも１つは、前記第１の空洞（２３０）に隣接して配置され、前記複数の圧電体（２２６）の少なくとも別の１つは、前記第２の空洞（２３２）に隣接して配置される、請求項７記載の気流発生器（２２０）。
9. 前記複数の圧電体（２２６）の作動は、前記可撓性構造体（２２１）の動きをもたらして、前記第１の空洞（２３０）と前記第２の空洞（２３２）の両方の容積を増大させて空気を引き込み、次いで前記第１の空洞（２３０）および前記第２の空洞（２３２）の容積を減少させて、前記引き込んだ空気を押し出して、気流発生器（２２０）によって生成された気流によって前記対象物が冷却される、請求項７または８に記載の気流発生器（２２０）。
10. 前記複数の圧電体（２２６）は、同時に作動するように構成される、請求項７乃至９のいずれかに記載の気流発生器（２２０）。
11. 前記可撓性構造体（２２１）は、前記対象物を完全に取り囲む、請求項６乃至１０のいずれかに記載の気流発生器（２２０）。
12. 前記ヒートシンクが電子部品に接続される、請求項５乃至１１のいずれかに記載の気流発生器（１２０、２２０）。
13. 複数の圧電体（１２６）は、同時に作動するように構成される、請求項５に記載の気流発生器（１２０）。
14. 前記第１の可撓性構造体（１２２）または前記第２の可撓性構造体（１２４）の少なくとも一方を前記対象物に取り付けるための複数のブラケットをさらに備える、請求項５または１３に記載の気流発生器（１２０）。