KR101540596B1 - 저잡음 냉각 장치 - Google Patents

Abstract

물체의 냉각을 위해 맥동 유체를 이용하는 냉각 장치(1)로서, 동작 주파수(f_w)에서 압력파들을 생성하도록 적응되는 멤브레인을 구비하는 트랜스듀서(2) 및 상기 멤브레인의 제1 측을 둘러싸는 공동(4)을 포함하는 냉각 장치가 개시된다. 상기 공동(4)은 상기 물체를 향해 맥동 순수 출력 유체 흐름을 방출하도록 적응되는 적어도 하나의 개구(5)를 구비하고, 상기 개구(5)는 멤브레인의 제2 측과 통한다. 상기 공동(4)은 상기 공동(4) 내의 유체가 동작 범위 내에서 공진 질량-스프링 시스템 내의 스프링으로서 작용하는 것을 방지할 수 있을 만큼 충분히 작다. 이것은 개구에서의 체적 속도(u₁)가 마이너스 부호는 제외하고 멤브레인의 제2 측에서의 체적 속도(u₁')와 본질적으로 동일함에 따라 유리하다. 따라서, 동작 주파수에서, 맥동 순수 출력 유체는 멤브레인의 제2 측 상의 압력파들과 반대인 위상으로 인해 크게 제거되어, 원거리장 체적 속도가 0에 가까워질 수 있다. 따라서, 기계적 대칭을 필요로 하지 않고, 낮은 비용으로 낮은 사운드 레벨이 달성된다.

Description

저잡음 냉각 장치{LOW NOISE COOLING DEVICE}

본 발명은 물체의 냉각을 위해 맥동 유체를 이용하는 냉각 장치에 관한 것으로서, 냉각 장치는 동작 주파수(f_w)에서 압력파들을 생성하도록 적응되는 멤브레인을 구비하는 트랜스듀서 및 멤브레인의 제1 측을 둘러싸는 공동을 포함하며, 공동은 물체를 향해 맥동 순수 출력 유체 흐름을 방출하도록 적응되는 적어도 하나의 개구를 구비하고, 개구는 멤브레인의 제2 측과 통해 있다.

본 발명은 또한 그러한 냉각 장치를 포함하는 전자 장치 및 조명 장치에 관한 것이다.

예를 들어 전통적인 장치들보다 소형 및/또는 고전력인 새로 개발된 전자 장치들로부터 발생하는 더 높은 열 흐름 밀도로 인해 다양한 응용에서 냉각에 대한 필요성이 증가하고 있다. 그러한 개량된 장치들의 예는 예를 들어 레이저 또는 발광 다이오드와 같은 고전력 반도체 광원들, RF 전력 장치들 및 고성능 마이크로프로세서들, 하드 디스크 드라이브들, CDR, DVD 및 블루 레이 드라이브들과 같은 광학 드라이브들, 및 평면 TV 및 조명 기구와 같은 대면적 장치들을 포함한다.

팬에 의한 냉각의 대안으로서, 문헌 US 2006/0237171은 진동 부재, 및 노즐 및 가스를 수용하는 제1 챔버를 구비한 하우징을 포함하는 제트 생성 장치를 개시하고 있다. 제트 생성 장치는 진동 부재의 구동의 결과로서 노즐을 통해 가스를 방출하여, 히트 싱크의 냉각을 가능하게 한다. 하우징은 또한 노즐을 또한 구비하는 제2 챔버를 포함할 수 있다. 이 경우, 노즐들로부터 공기가 방출될 때, 제1 챔버와 결합된 노즐 및 제2 챔버와 결합된 노즐로부터 독립적으로 사운드가 생성된다. 노즐들에서 생성되는 사운드 파들은 반대 위상들을 가지므로, 사운드 파들은 서로를 약하게 한다. 이것은 잡음의 추가 감소를 가능하게 한다. 제1 및 제2 챔버들의 체적들은 동일한 것이 바람직하다. 이것은 방출되는 공기의 양을 동일하게 하며, 따라서 잡음이 더 감소된다.

그러나, 예를 들어 US 2006/0237171에 개시된 바와 같은 이전에 제안된 시스템들의 단점은 이들이 만족스런 잡음 감소를 달성하기 위하여 음속보다 느린 주파수들 또는 기계적 대칭성을 필요로 한다는 점이다. 이것은 고유의 기계 구조가 종종 존재함에 따라 응용들의 범위를 제한한다.

위에 비추어, 본 발명의 목적은 전술한 문제들을 해결하거나 적어도 줄이는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 기계적 대칭성이 실용적이지 못한 시스템들에 대해서도 맥동 냉각 시스템의 사운드 레벨을 줄이면서 낮은 비용을 유지하는 방법을 제공함으로써 냉각 장치들의 응용 범위를 확장하는 것이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 물체의 냉각을 위해 맥동 유체를 이용하는 냉각 장치로서, 동작 주파수(f_w)에서 압력파들을 생성하도록 적응되는 멤브레인을 구비하는 트랜스듀서 및 상기 멤브레인의 제1 측을 둘러싸는 공동을 포함하며, 상기 공동은 상기 물체를 향해 맥동 순수 출력 유체 흐름(pulsating net output fluid flow)을 방출하도록 적응되는 적어도 하나의 개구를 구비하고, 상기 개구는 멤브레인의 제2 측과 통하는 냉각 장치가 제공된다. 상기 공동은 상기 공동 내의 유체가 동작 범위 내에서 공진 질량-스프링 시스템 내의 스프링으로서 작용하는 것을 방지할 수 있을 만큼 충분히 작다. 이것은 멤브레인의 체적 속도(u₁)가 개구에서의 체적 속도와 본질적으로 동일함에 따라 유리하다. 또한, 개구에서의 체적 속도(u₁)는 마이너스 부호를 제외하고 멤브레인의 제2 측에서의 체적 속도(u₁')와 본질적으로 동일하다. 따라서, 동작 주파수에서, 맥동 순수 출력 유체는 멤브레인의 제2 측 상의 압력파들과 반대인 위상으로 인해 크게 제거되어, 원거리장 체적 속도가 0에 가까워질 수 있다. 따라서, 기계적 대칭을 필요로 하지 않고, 낮은 비용으로 낮은 사운드 레벨이 달성된다.

본 명세서에서 "트랜스듀서"는 멤브레인을 구동함으로써 입력 신호를 대응하는 압력파로 변환할 수 있는 장치이다. 이러한 입력 신호는 전기, 자기 또는 기계 신호일 수 있다. 예컨대, 적절한 크기의 전기 역학 라우드스피커가 트랜스듀서로서 사용될 수 있다. 동작 주파수는 트랜스듀서에 공급되는 신호의 주파수를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 "멤브레인"은 임의 타입의 유연하거나 단단한 멤브레인, 다이어프램, 피스톤 등을 포함한다. 일례로서, 라우드스피커 멤브레인이 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 냉각 장치는 다양한 물체의 냉각에 사용될 수 있다. 유체는 공기 또는 임의의 다른 기체일 수 있다.

본 발명은, 공동의 체적을 충분히 작게 함으로써, 그 안의 유체가 본질적으로 압축 불가능한 것으로서 간주될 수 있고, 공진 질량-스프링 시스템의 스프링으로서 작용하는 것이 방지된다는 아이디어에 기초한다. 본 발명에 의해 회피되는 그러한 공진 시스템의 일례는 헬름홀츠(Helmholtz) 공진기이다. 유체가 본질적으로 압축 불가능하므로, 트랜스듀서의 개구 및 배면에서의 체적 속도가 본질적으로 동일할 것이다(부호는 제외). 따라서, 동작 주파수에서, 맥동 순수 출력 유체는 멤브레인의 제2 측 상의 압력파들과 반대인 위상으로 인해 크게 제거되어, 원거리장 체적 속도가 0에 가까워질 수 있다. 따라서, 기계적 대칭을 필요로 하지 않고, 낮은 비용으로 낮은 사운드 레벨이 달성된다.

개구는 채널을 통해 공동에 연결될 수 있으며, 채널은 유체 흐름을 원하는 위치로, 원하는 방향으로 지향시키도록 형성될 수 있으므로, 설계 자유도가 향상될 수 있다. 채널이 전송 라인으로 작용하는 것을 방지하기 위하여, 채널은 바람직하게는 λ/20보다 작은 길이(L_P)를 가지며, 여기서 λ는 f=f_w에 대응하는 유체 내의 파장이다.

임의의 채널과 더불어 공동의 헬름홀츠 주파수(f_H)는 바람직하게는 동작 주파수(f_w)보다 크고, 더 바람직하게는 f_H>4·f_w이다.

동작 주파수는 개구를 통한 유체 속도 및 유체 이동이 극대값(local maximum)을 갖게 하는 것이 바람직하며, 통상적으로 이것은 장치의 공진 주파수, 즉 장치(공동, 개구 및 임의의 채널들과 결합된 트랜스듀서)의 전기 입력 임피던스의 극대값에 대응하는 주파수의 근처에서 발생한다. 통상적으로, 그러한 최저 주파수가 선택된다. 동작 주파수(f_w)는 바람직하게는 1.2·f₁보다 작으며(f₁은 임피던스 곡선의 제1의 낮은 공진 피크), 더 바람직하게는 f_w=f₁이다.

동작 주파수(f_w)는 바람직하게는 60Hz 이하이고, 더 바람직하게는 30Hz이하이다.

더욱이, f₁에서 장치의 전기 임피던스는 바람직하게는 트랜스듀서의 DC 임피던스보다 1.5-5배 더 크도록, 가장 바람직하게는 약 2배 더 크도록 설계된다. 이러한 구동 주파수 임피던스와 DC 임피던스 사이의 관계는 전기적으로 유리한 결과를 낳는 것으로 밝혀졌다.

멤브레인의 면적(S₁)은 바람직하게는 개구의 면적(S_p)보다 크고, 즉 S₁/S_p>1이고, 더 바람직하게는 S₁/S_p>>1이다. 이것은 와동 발산(vortex shedding)을 촉진하기 위해 양측 상의 체적 속도를 동일하게 유지하는 반면에 개구에서의 속도가 증가하게 한다. 즉, 소형 라우드스피커들에서 일반적인 바와 같이, f_s가 비교적 높을 수 있는 동안에 낮은 f₁에 도달하는 것을 가능하게 한다. 이러한 배열을 통해, 제트 형성 기준이 T_stroke>r_p·S_p/S₁일 때 약간의 편위에도 불구하고 제트가 형성될 수 있으며, 여기서

T_strok는 트랜스듀서의 스트로크이고,

r_p는 개구의 반경이고,

S_p는 개구의 면적이고,

S₁은 멤브레인의 면적이다.

제트 길이는 개구 직경의 약 10배이므로, 개구와 냉각되는 물체 사이의 바람직한 거리는 개구 직경의 2 내지 10이다.

또한, 본 발명에 따른 냉각 장치는 유리하게도 전자 회로를 포함하는 전자 장치 내에 또는 조명 장치 내에 포함될 수 있다.

다른 목적들, 특징들 및 이익들은 아래의 상세한 설명, 첨부된 종속항들 및 도면들로부터 명백할 것이다.

본 발명의 상기 및 추가 목적들, 특징들 및 이익들은 동일한 참조 번호들이 유사한 요소들에 대해 사용되는 첨부 도면들을 참조하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 아래의 예시적이고 비제한적인 상세한 설명을 통해 더 잘 이해될 것이다. 도면에서:
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각 장치를 나타내는 도면.
도 2는 시스템 전기 임피던스를 나타내는 도면.
도 3은 시스템의 사운드 압력 레벨(SPL)을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 냉각 장치를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 냉각 장치를 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 냉각 장치를 나타내는 도면.

도 1의 냉각 장치(1)는 동작 주파수(f_w)에서 압력파들을 생성하도록 적응되는 멤브레인을 구비하는 트랜스듀서(2)를 포함한다. 트랜스듀서(2)는 본 명세서에서 라우드스피커로서 예시되지만, 그에 한정되지 않는다. 그와 달리, 압력파를 생성할 수 있는 임의의 트랜스듀서가 사용될 수 있다. 트랜스듀서(2)의 정면에 공동(4)이 배열되어, 트랜서듀서 멤브레인의 제1 측을 둘러싼다. 공동(4) 내의 유체는 본 명세서에서는 공기이다. 공동(4)은 개구(5)를 통해 공동 밖의 환경과 통한다. 또한, 개구는 트랜스듀서의 배면(즉, 공동으로부터 떨어져 대면하는 멤브레인의 측면)과 통한다. 개구(5)는 채널(6)을 통해 공동(4)에 연결되며, 채널은 그의 길이를 통해 균일한 형상 및 크기를 가지며, 본 명세서에서는 원통 튜브(6) 형태이다. 그러나, 채널은 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 채널은 직사각 단면을 가질 수 있다. 또한, 단면은 채널의 길이를 따라 형상 및/또는 크기가 변할 수 있다.

튜브(6)가 전송 라인으로 작용하는 것을 방지하기 위하여, 그의 길이(L_p)는 λ/20보다 작으며, 여기서 λ는 f=f_w에 대응하는 유체 내의 파장이다. 또한, 헬름홀츠 공진을 피하기 위하여, 공동(4) 및 관련 튜브(6)의 치수들은 튜브(6)와 더불어 공동(4)의 헬름홀츠 주파수(f_H)가 트랜스듀서(2)의 동작 주파수(f_w)의 4배를 초과하도록 선택된다. 단말 효과들이 무시되는 경우, 감쇠되지 않은 헬름홀츠 주파수는 다음과 같이 표현될 수 있다.

여기서, S_p는 튜브의 단면적, L_p는 튜브의 길이, V₁은 공동의 체적, c₀은 가스 내의 사운드의 속도이다.

장치는 통상적으로 임피던스 곡선 내의 제1의 낮은 공진 피크(f₁)가 트랜스듀서의 동작 주파수(f_w) 즉,

와 일치하도록 설계된다.

여기서, f_s는 공동 및 튜브의 체적이 없는 라우드스피커의 공진 주파수, ρ₀는 공기 밀도, S₁은 트랜스듀서 멤브레인의 면적, m₁은 라우드스피커의 이동 질량, L_p는 튜브의 길이, S_p는 튜브의 단면적이다.

일 실시예에 따르면, 아래의 파라미터들이 사용되었다.

라우드스피커 데이터:

R_E = 5.6Ω(DC 저항)

R_M = 0.56Ns/m(라우드스피커 서스펜션의 기계적 저항)

BI 5.5 N/A(모터 힘 팩터)

S₁ = 0.00126m²(라우드스피커의 방사 면적)

D₁ = 0.04m(라우드스피커의 유효 직경)

f_s = 84Hz(라우드스피커의 자유 공진 주파수)

m₁ = 0.0044kg(라우드스피커의 이동 질량)

기타 데이터:

V₁ = 5cm³(공동 체적)

L_p = 15cm(튜브 길이)

S_p = 0.00001964m²(내부 튜브 면적)

D_p = 5mm(내부 튜브 직경)

R_p = 0.00021Ns/m(튜브의 기계적 저항)

도 2에서, 시스템 전기 임피던스는 이 실시예에 대한 주파수의 함수로서 도시된다. 40Hz에서의 제1 피크는 f₁이고, 250Hz에서는 헬름홀츠 주파수이다. f₁에서의 전기 임피던스는 바람직하게는 DC에서의 음성 코일 임피던스의 2배와 동일하다.

동작에 있어서, 트랜스듀서(2)는 동작 주파수(f_w)로 멤브레인을 구동한다. 멤브레인은 공동(4) 내에 압력파들을 생성하여, 개구(5)에서 맥동 순수 출력 유체 흐름을 발생시키며, 이러한 흐름은 예컨대 전기 회로 또는 집적 회로와 같은 물체를 냉각하는 데 사용될 수 있다. 다른 예들은 발광 다이오드(LED) 램프와 같은 전력 장치들의 핫스팟 냉각 및 LED 조명기구 및 평면 TV의 백라이트의 대면적 냉각일 것이다.

개구(5)에서의 순수 출력 유체 흐름의 체적 속도(u₁)는 마이너스 부호를 제외하고 라우드스피커(2)의 배면에서의 체적 속도(u₁')와 본질적으로 동일하다. 여기서, 라우드스피커의 배면은 공동으로부터 떨어져 대면하는 멤브레인의 측면을 지칭한다. 개구(5)는 라우드스피커의 배면과 통한다. 따라서, 동작 주파수에서, 맥동 순수 출력 유체는 라우드스피커의 배면에서의 압력파들과 반대인 위상으로 인해 크게 제거되어, 원거리장 체적 속도가 0에 가까워진다. 결과적으로, 사운드 레벨이 감소한다.

시스템의 사운드 압력 레벨(SPL)의 일례가 도 3에 도시되어 있다. 실선은 (배면 SPL인) 두꺼운 점선과 (개구 SPL인) 얇은 점선의 합인 전체 SPL(개구+배면)이다. 배면 SPL과 개구 SPL은 실질적으로, 적어도 동작 범위에서 유사한 크기, 그러나 반대 위상을 가지므로, 이들은 실질적으로 서로 상쇄된다.

본 발명의 다른 실시예가 도 4에 도시되어 있다. 여기서는, 5개의 평면 벽이 일측이 열려 있는 직사각 공동(4)을 형성한다. 여기서, 열려 있는 측면은 공동의 개구(5)를 형성한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 트랜스듀서는 벽들 중 하나에 배열된 멤브레인(8)을 구동한다. 대안으로서, 멤브레인(8)은 다른 벽들 중 어느 하나에 배치될 수 있다. 또한, 대안 실시예에서, 직사각 공동의 둘 이상의 측면이 개방될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 채널(6)은 공동(4)에서보다 개구(5)에서 더 넓으며, 이는 도 5에 도시된 바와 같은 깔때기형 채널을 형성한다. 깔때기형 채널의 단면적은 그의 길이를 따라 변할 수 있지만, 단면적은 채널의 임의 포인트에서 동일하여, 개구가 하나의 차원에서는 좁고, 다른 차원에서는 비교적 넓은 것이 바람직하다. 이것은 높은 속도를 유지하면서 더 넓은 면적의 냉각, 따라서 효율적인 냉각을 가능하게 한다.

또 다른 실시예에 따르면, 공동은 복수의 개구를 갖는다. 각각의 개구는 도 6에 예시된 바와 같이 튜브(6)를 통해 공동에 연결될 수 있다. 개구들은 본질적으로 동일한 방향으로 또는 여러 물체를 동시에 냉각하기 위해 상이한 방향들로 향할 수 있다. 또한, 개구들은 실질적으로 동일 평면 내에 또는 상이한 평면들 내에 있을 수 있다.

전술한 실시예들과 관련된 도면들은 단지 예시적인 것이 인식된다. 따라서, 도시된 비율들은 실제 응용에서의 비율들을 정확히 반영하지는 않을 수 있다. 예컨대, 실제 응용에서의 제트 형성 기준을 충족시키기 위해, 라우드스피커 멤브레인의 면적은 도면들에 지시된 것보다 튜브의 단면적에 비해 더 커야 할 수 있다.

본 발명은 몇몇 실시예를 참조하여 위에서 설명되었다. 그러나, 이 분야의 기술자가 쉽게 이해하듯이, 위에 개시된 것과 다른 실시예들이 첨부된 청구항들에 의해 정의되는 바와 같은 본 발명의 범위 내에서 동일하게 가능하다. 예를 들어, 본 설명은 주로 공기 중에서 동작하는 장치, 즉 진동하는 공기 흐름을 발생시키는 장치에 기초하였지만, 본 발명의 원리는 임의의 특정 유체로 한정되지 않음에 유의한다. 또한, 도시된 예들에서의 공동은 트랜스듀서의 정면에 배열되었지만, 트랜스듀서의 방향은 별로 중요하지 않으며, 바뀔 수 있다. 또한, 공동 및 채널들의 형상은 단지 예시적이며, 임의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 실시예들의 채널은 본질적으로 직선이지만, 튜브는 실질적으로 코일 형상을 갖거나, 직선 튜브보다 작은 미로와 같은 소정의 다른 배열을 가짐으로써, 공간을 절약하는 냉각 장치가 구현되게 할 수 있다. 또한, 설명된 실시예들은 조합될 수 있다.

Claims (12)

1. 물체의 냉각을 위해 맥동 유체(pulsating fluid)를 이용하는 냉각 장치(1)로서,
   동작 주파수(f_w)에서 압력파들을 생성하도록 적응되는 멤브레인을 구비하는 트랜스듀서(2), 및
   상기 멤브레인의 제1 측을 둘러싸는 공동(4)
   을 포함하며,
   상기 공동(4)은 상기 물체를 향해 맥동 순수 출력 유체 흐름(pulsating net output fluid flow)을 방출하도록 적응되는 적어도 하나의 개구(5)를 구비하고,
   상기 개구(5)는 상기 멤브레인의 제2 측과 통하며,
   상기 공동(4)은 상기 공동(4) 내의 유체가 동작 범위에서 공진 질량-스프링 시스템 내의 스프링으로서 작용하는 것을 방지할 만큼 충분히 작아서, 상기 개구에서의 체적 속도(u₁)가 마이너스 부호를 제외하고 상기 멤브레인의 제2 측에서의 체적 속도(u₁')와 본질적으로 동일하도록 하는 것이며,
   상기 적어도 하나의 개구(5)는 채널(6)을 통해 상기 공동(4)에 연결되고, 상기 채널(6)은 λ/20보다 작은 길이(L_P)를 가지며, 여기서 λ는 f=f_w에 대응하는 유체 내의 파장인 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
2. 제1항에 있어서, 임의의 채널(6)과 결합된 상기 공동(4)의 헬름홀츠(Helmholtz) 주파수(f_H)는 상기 동작 주파수(f_w)보다 큰 냉각 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 헬름홀츠 주파수(f_H)는 상기 동작 주파수(f_w)의 4배보다 큰 냉각 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 동작 주파수(f_w)는 1.2·f₁보다 작으며, 여기서, f₁은 임피던스 곡선의 제1의 낮은 공진 피크인, 냉각 장치.
5. 제4항에 있어서, f_w=f₁인 냉각 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 동작 주파수(f_w)는 60Hz 미만인 냉각 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 동작 주파수(f_w)는 30Hz 미만인 냉각 장치.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, f₁에서의 시스템 전기 임피던스는 상기 트랜스듀서의 DC 임피던스보다 1.5-5배 더 크도록 설계되는 냉각 장치.
9. 제8항에 있어서, f₁에서의 시스템 전기 임피던스는 상기 트랜스듀서의 DC 임피던스보다 2배 더 크도록 설계되는 냉각 장치.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 멤브레인의 면적(S₁)은 상기 개구의 면적(S_p)보다 큰 냉각 장치.
11. 전자 회로, 및
    상기 회로를 냉각하기 위한 제1항 또는 제2항에 따른 냉각 장치
    를 포함하는 전자 장치.
12. 핫스팟(hotspot)을 냉각하기 위한 제1항 또는 제2항에 따른 냉각 장치를 포함하는 조명 장치.

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