KR101799485B1 - 내부 합성 제트를 이용한 냉각 장치 - Google Patents

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Abstract

물체(5)를 냉각하기 위한 합성 제트 냉각 장치(1)로서, 속도파들을 생성하도록 적응된 트랜스듀서(10), 및 작동 구멍(8)을 통해 상기 속도파들을 받도록 배열된 인클로저(4)를 포함하는 합성 제트 냉각 장치. 상기 인클로저(4)는, 상기 작동 구멍(8)에서, 상기 인클로저(4)의 내부에 내부 합성 제트를 생성하기에 충분할 만큼 크다. 또한, 상기 인클로저(4)는 상기 물체(5)를 포함하도록 배열되고, 그것에 의해 상기 내부 합성 제트에 의해 상기 물체(5)의 냉각을 가능하게 한다. 이 배열은 일반적으로, 냉각될 물체를 포함하는, 현존하는 인클로저의, 그것의 원래의 목적(예를 들면, 램프, 또는 LED 백라이트 모듈에서의 반사체)을 위한 및 내부 합성 제트를 생성하는 인클로서로서의, 다기능 이용을 허용하고, 이 때문에 이 냉각 장치는 일반적으로 사실상 어떤 추가의 공간 및 무게도 요구하지 않고, 저비용으로 제공될 수 있다.

Description

내부 합성 제트를 이용한 냉각 장치{COOLING DEVICE UTILIZING INTERNAL SYNTHETIC JETS}
본 발명은 합성 제트(synthetic jets)를 이용한 냉각 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 냉각 장치를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
냉각에 대한 필요는, 예를 들면, 종래의 장치들보다 더 콤팩트하고 및/또는 더 높은 전력인, 새로이 개발된 전자 장치들로부터 생기는 보다 높은 열 유동 밀도들(higher heat flux densities)로 인해 다양한 응용들에서 증가하였다. 이것의 예는, 전개된 열에 의해 종종 성능 및 수명이 제한되는, UHP(Ultra High Performance) 램프들 및 LED(Light Emitting Diode) 램프들이다.
자연 대류에 더하여, 전통적인 프로펠러 또는 합성 제트 냉각기인, 팬(fan)은 강제 대류에 의해 열 전달을 강화하기 위해 이용될 수 있다. US 6,123,145에는, 유연성이 있는 제어 가능한 격판(flexible controllable diaphragm)을 포함하는, 전형적인 합성 제트 액추에이터가 개시되어 있다. 격판이 움직일 때 체임버 내의 부피가 변화하고 와류들(vortices)이 구멍(orifice)을 통하여 체임버로부터 배출된다. 생성된 합성 제트 흐름은 가열된 표면에 충돌함으로써 이 표면을 냉각시킬 수 있다.
그러나, 종래 기술과 관련된 불리점들은 추가의 공간 및 무게뿐만 아니라, 잡음, 오염(fouling), 추가 비용, 제한된 수명, 전력 소실(power dissipation)이다. 조명 응용들이 특히 (예를 들면, 컴퓨터 내의 마이크로프로세서와 비교하여) 모든 이러한 문제들에 대하여 요구하고 있을 때, 조명 고객들 및 공급자들은 강제 대류에 의한 능동 냉각을 수용/도입할 마음이 내키지 않는다. 따라서, 개선된 강제 대류에 의한 능동 냉각에 대한 필요가 있다.
[발명의 개요]
상기에 비추어, 본 발명의 목적은 위에서 논의된 문제들을 해결하거나 적어도 감소시키는 것이다. 특히, 목적은 낮은 추가 비용으로, 사실상 어떤 추가의 공간 및 무게도 요구하지 않는 전자 장치들의 냉각을 위한 합성 제트 냉각 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 양태에 따르면, 물체를 냉각하기 위한 합성 제트 냉각 장치가 제공되고, 그것은 속도파들(velocity waves)을 생성하도록 적응된 트랜스듀서(transducer), 및 작동 구멍(actuated aperture)을 통해 상기 속도파들을 받도록 배열된 인클로저(enclosure)를 포함하고, 상기 인클로저는, 상기 작동 구멍에서, 상기 인클로저의 내부에 내부 합성 제트를 생성하기에 충분할 만큼 크다. 상기 인클로저는 상기 물체를 포함하도록 배열되고, 그것에 의해 상기 내부 합성 제트에 의해 상기 물체의 냉각을 가능하게 한다.
상기 배열은 와류 발산(vortex shedding) 및 합성 제트 충돌(synthetic jet impingement)을 통하여 물체의 효율적인 냉각을 가능하게 한다. 합성 제트를 이용함으로써, 본질적으로 침체된 인클로저들(stagnating enclosures)에서도 냉각이 달성될 수 있다. 다른 이점은 냉각될 물체는 인클로저 내에 포함되고, 이 때문에 냉각 장치는 일반적으로 사실상 어떤 추가의 공간 및 무게도 요구하지 않고, 저비용으로 제공될 수 있다는 것이다. 특히, 이것은 종종, 냉각될 물체를 포함하는, 현존하는 인클로저의, 그것의 원래의 목적(예를 들면, 램프, 또는 LED 백라이트 모듈에서의 반사체)을 위한 및 내부 합성 제트를 생성하는 인클로서로서의, 다기능 이용을 허용한다. 다른 이점은 합성 제트는, 구멍과 냉각 물체 사이의 거리의 1/10의 직경을 갖는 구멍만을 요구하기 때문에, 덜 방해된다는 것이다. 따라서, 작은 구멍 직경으로 인해, 반사체에서의 응용에 대하여 보다 작은 광학 섭동(optical perturbation)이 존재한다.
"트랜스듀서"는 여기에서 입력 신호를 대응하는 속도파 출력으로 변환할 수 있는 장치이다. 이 입력 신호는 전기, 자기 또는 기계일 수 있다. 적합한 트랜스듀서들의 예들은 다양한 유형의 막(membrane), 피스톤, 압전 구조(piezoelectric structure) 등을 포함한다. 공기압(p) 및 속도(u)는 p = ρcu로 연결되므로(여기서 ρ는 공기의 밀도이고 c는 공기 중의 소리의 속도이다), 트랜스듀서는 압력파를 생성하는 것으로 간주될 수도 있다. 그러나, 음속 이하의 주파수들에서 공기는 다소 압축할 수 없을 것이고, 따라서 여기에서는 압력파보다는 용어 속도파가 이용되고, 와류 발산은 압력에 의해서가 아니라 공기 변위(air displacement)에 의해 생성되기 때문에 더 그러하다. 또한, 상이한 유형의 트랜스듀서들은 상이하게 작용한다. 예를 들면, 크랭크 연결 로드(crank-connecting rod) 메커니즘을 갖는 피스톤은 변위를 가할 것이고 스피커는 주파수에 따라 압력을 가할 것이다.
본 발명은 인클로저가 충분히 깊고 크다면, 인클로저의 바깥쪽의 외부 제트만이 아니라 벽의 양쪽에서 합성 제트들이 생성될 수 있게 하는, 인클로저 내의 유체가 트랜스듀서에 의해 작동될 때 인클로저의 벽의 구멍에서의 대칭의 관찰에 기초한다.
작동 구멍의 직경은 바람직하게는 그 구멍과 냉각되는 물체 사이의 거리의 1/10과 1/2 사이이다. 이것은 합성 제트들이 일반적으로 그들의 직경보다 10배 더 길 때 유리한 것으로 밝혀졌다. 또한, 제트는 자유 제트 길이의 상당한 부분에 대하여 자유로이 전파하도록 허용되어야 하고, 이 때문에 물체 거리는 바람직하게는 자유 제트 길이의 적어도 1/5이다.
인클로저 및 작동 구멍은 트랜스듀서에 의해 작동되는 공명하는 질량-스프링 시스템(resonating mass-spring system)으로서 기능하도록 디멘전(dimension)될 수 있고, 여기서 인클로저 내의 유체는 스프링으로서 기능하고, 구멍 내의 유체는 질량으로서 기능하고, 그것에 의해 트랜스듀서의 전력 소비를 낮추고 더 효율적인 냉각을 가능하게 한다. 그러한 질량-스프링 시스템의 예는 헬름홀츠 공명기(Helmholtz resonator)이다.
스피커 자체는 (제2의) 감쇠 질량-스프링 시스템(damped mass-spring system)이기 때문에 트랜스듀서를 포함하는 스피커의 공명 주파수 및 인클로저 및 작동 구멍에 의해 형성된 질량-스프링 시스템의 공명 주파수를 본질적으로 일치하도록 튜닝하고 그것에 의해 이중(double) 질량-스프링 시스템을 형성하는 것이 유리하다. 스피커의 공명 주파수 튜닝은, 예를 들면, 스피커에 움직이는 질량을 추가하는 것에 의해 달성될 수 있다.
실시예에 따르면, 트랜스듀서의 스트로크(stroke)(들)는 바람직하게는 제트 형성 기준이 s > raperture인 것을 만족시키도록 작동 구멍의 반경(raperture)보다 더 크다.
트랜스듀서에 의해 도입되는 부피 변화는 바람직하게는 인클로저 부피의 1% 이상이다. 이것은 제트 형성을 강화하는 데 도움이 된다.
상기 냉각 장치는 적어도 하나의 작동 구멍을 통해 상기 인클로저와 통하는 적어도 하나의 공동(cavity)을 포함할 수 있고, 상기 공동 내의 유체는 상기 트랜스듀서에 의해 작동된다. 여기서, 상기 적어도 하나의 공동은 그 안의 유체가 질량-스프링 시스템에서 스프링으로서 기능하는 것을 막기에 충분할 만큼 작고, 트랜스듀서에 의해 작동되는 표면과 상기 적어도 하나의 작동 구멍의 표면 사이의 표면 비율은 1보다 훨씬 크다(>> 1). 상기 적어도 하나의 공동은 제트 형성 기준을 s > raperture로부터 s > raperture·Aaperture/Apump로 변경하고, 여기서
s는 트랜스듀서의 스트로크이고,
raperture는 구멍의 반경이고,
Aaperture는 구멍의 면적이고,
Apump는 작동되는 표면의 면적이다.
상기 배열은 작동되는 표면과 구멍 사이의 표면 비율이 와류 발산 및 냉각을 상당히 증가(boost)시키기 때문에 유리하다. 또한, 반사체에서의 실시예에 대하여 이것은, 공동이 없는 경우보다 구멍이 훨씬(전형적으로 약 50배) 작기 때문에, 인클로저의 내부에 작은 광학 섭동이 생기게 한다.
실시예에 따르면, 상기 작동 구멍은 관(tube)의 구멍(bore)이고, 상기 관은 트랜스듀서를 포함하는 스피커의 스피커 코일에 부착된다. 이 실시예와 관련된 이점은 관의 질량의 조정은 스피커의 공명 주파수가 인클로저의 공명 주파수와 본질적으로 일치하도록 스피커의 공명 주파수의 튜닝을 가능하게 한다는 것이다. 또한, 관의 추가적인 질량은 저주파수(100 Hz 크기 정도)에서의 동작을 허용하고 그것에 의해 감소된 잡음 레벨을 갖는데, 그 이유는 최소 가청음 압력 레벨은 저주파수들에 대하여 비교적 높기 때문이다. 따라서, 복잡하고 비용이 많이 드는 잡음 감소가 요구되지 않는다. 저주파수는 또한 트랜스듀서의 수명 시간을 연장한다.
실시예에 따르면 스피커는 밀폐된 배면(closed back)을 갖고, 그것에 의해 스피커의 내부 표면들, 관의 플랜지(flange), 및/또는 스피커 막(loudspeaker membrane)에 의해 제1 공동이 형성된다. 이 실시예의 이점은 완전히 밀폐된 시스템(fully closed system)이고, 이것은, 예를 들면, UHP-램프에서의 응용에서, 수은이 감금되고 버너 폭발(burner explosion) 후에 인클로저로부터 탈출할 수 없다는 것을 의미한다.
실시예에 따르면 하우징이 상기 스피커의 정면을 에워싸고, 그것에 의해 제2 공동이 형성되고, 제2 공동은 제2 작동 구멍을 통해 인클로저와 통한다. 이 실시예의 이점은 완전히 밀폐된 시스템이고, 이것은, 예를 들면, UHP-램프에서의 응용에서, 수은이 제2 공동에 의해 감금되고 버너 폭발 후에 인클로저로부터 탈출할 수 없다는 것을 의미한다.
제2 작동 구멍은 λ/2의 길이를 갖는 파이프를 통해 제2 공동에 연결되고, λ는 스피커에 의해 생성된 속도파들의 파장이다.
인클로저는 또한 인클로저의 내부에 추가적인 내부 합성 제트를 생성하도록 적응된 적어도 하나의 비작동 구멍(non-actuated aperture)을 포함한다. 이것은 임의의 공명하는 질량-스프링 시스템의 다수의 구멍들이 하나의 또는 소수의 작동 구멍들에 의해 구동될 수 있기 때문에 가능하다. 작동 구멍은 여기에서 트랜스듀서 생성 압력파들에 의해 주로 구동되는 구멍을 나타내는 반면, 비작동 구멍은 공명하는 질량-스프링 시스템에 의해 주로 구동되는 구멍을 나타낸다. 비작동 구멍들을 이용하는 것은 다수의 트랜스듀서들을 필요로 하지 않고 다수의 물체들 또는 열 지점들(hot spots)의 냉각을 가능하게 한다. 이 기술의 숙련자에 의해 이해되는 바와 같이 비작동 구멍은 인클로저의 공명 주파수를 변경한다. 따라서, 적용 가능하는 경우, 비작동 구멍은 인클로저에 의해 형성된 질량-스프링 시스템의 공명 주파수를 스피커의 공명 주파수와 일치하도록 튜닝할 때 고려되어야 한다.
본 발명에 따른 합성 제트 냉각 장치는, 또한, 전자 컴포넌트들을 포함하는 전자 장치에 유리하게 포함될 수 있다.
다른 목적들, 특징들 및 이점들은 다음의 상세한 개시로부터, 첨부된 종속 청구항들로부터, 및 도면들로부터 나타날 것이다.
본 발명의 상기 및 추가적인 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면들에 관련하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 다음의 설명적인 및 비제한적인 설명을 통하여 더 잘 이해될 것이고, 첨부된 도면들에서 같은 참조 번호들은 유사한 엘리먼트들을 위해 이용될 것이다.
도 1은 열린 배면(open back)을 갖는 스피커가 관을 작동시키고 그것에 의해 작동된 구멍에서 내부 및 외부 양쪽 모두의 제트가 형성되는 UHP 램프를 위한 냉각 장치의 실시예를 도시한다.
도 2는 스피커가 관을 작동시키는 UHP 램프를 위한 냉각 장치의 실시예를 도시한다. 스피커는 밀폐된 배면을 갖고 그것에 의해 내부 제트를 증가시키는 펌핑 공동이 형성된다.
도 3은 하우징이 스피커의 정면을 에워싸고, 그것에 의해 내부 제트를 증가시키는 펌핑 공동이 형성되는 UHP 램프를 위한 냉각 장치의 실시예를 도시한다.
도 4는 스피커의 양쪽에 펌핑 공동들을 갖는 UHP 램프를 위한 냉각 장치의 실시예를 도시한다.
도 5는 LED 백라이트를 위한 냉각 장치의 실시예를 도시한다.
도 6은 LED 스포트라이트를 위한 냉각 장치의 실시예를 도시한다.
도 1은 UHP(Ultra High Performance) 램프(1)의 냉각을 위한 본 발명의 실시예를 도시한다. UHP 램프(1)는 포물면 반사체(2), 및 그 반사체(2)에 공기가 통하지 않게 부착된 정면 유리(3)를 포함하고 그것에 의해 인클로저(4)를 형성한다. 반사체(2)는 여기에서 유리로 만들어지고 반사성 내부 표면을 갖는다. 석영 버너(quartz burner)(5)가 UHP 램프(1)의 내부에 배열될 수 있다. 전형적인 UHP 램프(1)에서는, 석영 버너의 전방 핀치(front pinch)(즉, 정면 유리에 가장 가까운 석영 버너의 단부)에 위치하는 제1 열 지점(6), 및 석영 버너의 중앙(즉, 석영 버너의 단부들 사이의 중간)에 위치하는 제2 열 지점(7)이 존재한다. 석영 버너가 수평으로 배열된다면, 석영 버너의 중앙에서의 열 분포는 제2 열 지점(7)이 그것의 위쪽 부분에 위치하는 반면, 그것의 아래쪽 부분에는 냉 지점(cold spot)(20)이 형성될 것이라는 점에 주목한다.
내재적인 결정화를 막기 위하여 이 열 지점들(6, 7)은, 냉 지점(20)은 냉각시키지 않고, 냉각을 필요로 한다. 열 지점들(6, 7)의 냉각을 가능하게 하기 위하여, 작동 구멍(8) 및 비작동 구멍(9)이 반사체 벽에 배열된다.
작동 구멍(8)은 반사체 벽에서 정면 유리에 가까운 영역에 배열되고 석영 버너의 전방 핀치에 있는 열 지점(6) 쪽으로 향한다. 작동 구멍(8)을 정면 유리에 가까이 배열하는 것은 여기의 온도가 더 낮고(작동 구멍(8)에서의 대략 200℃로부터 비작동 구멍(9)에서의 대략 400℃까지 온도 기울기가 있다), 더욱이 반사체 벽의 공간 및 편탄성(flatness)이 제조를 단순화하기 때문에 유리하다. 작동 구멍(8)을 인클로저 위쪽 부분에 배열함으로써, 그것은 자연 대류 루프(natural convection loop)를 돕는다. 만약 대신에 반사체의 아래쪽 부분에 배치된다면, 그것은 자연 대류 루프를 방해(counteract)할 것이다. 충돌의 거리는 바람직하게는 합성 제트의 충분한 와류 발산이 허용되는 것이다.
여기에서 스피커인 트랜스듀서(10)가 작동 구멍(8)에 배열된다. 관(11)이 스피커 코일(12)에 부착되고, 그것에 의해 관(11)의 구멍이 작동 구멍을 형성한다. 세라믹 관 및 스피커의 센터링(centering) 및 정렬은 코일 반경에서 스피커의 콘 포일(cone foil) 내의 홈(recess)에 끼워 맞추어지는 플랜지(24) 상의 둘출부(protrusion)(26)에 의해 용이하게 된다. 관(11)은 여기에서 예를 들면 반사체의 유리 이하의 열팽창계수(CTE)를 갖는 알신트(Alsint) 세라믹으로 만들어진 세라믹 관이고, 아교와 같은 적당한 접착제를 이용하여 고정될 수 있다. 관(11)은, 헐거운 끼워 맞춤(clearance fit)으로, 반사체 벽 내의 구멍(hole)에 끼워 맞추어진다. 플랜지를 갖는 관의 관성 모멘트는 바람직하게는, 관과 반사체 내의 구멍 사이의 접촉을 유도할 수 있는, 틸팅 공명 모드들(tilting resonance modes)을 막기 위하여 최소화된다.
동작 중에 스피커(10)의 스트로크는 관(11)의 병진 운동을 일으켜, 인클로저(4)에 대한 부피 변화를 도입한다. 부피 변화는 바람직하게는 인클로저 부피의 1% 이상이다. 만약 스피커 스트로크가 작동 구멍의 반경보다 더 크면, 작동 구멍(8)에 제트 흐름이 형성될 수 있다. 이것은 내부 합성 제트(12)를 일으키고, 내부 합성 제트(12)는 석영 버너의 전방 핀치에 있는 열 지점(6)에 충돌한다. 스피커(10)는 스피커의 배면에 열린 구멍(21)을 갖기 때문에 외부 제트도 존재한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 비작동 구멍(9)은 반사체 벽에 배열되고, 예를 들면, 단순히 반사체 벽에 구멍을 뚫는 것에 의해 형성될 수 있다. 비작동 구멍은 요구되지 않지만, 그것은 단일 트랜스듀서를 이용한 다수의 열 지점들의 냉각을 허용하기 때문에 유리할 수 있다. 비작동 구멍(9)은 여기에서 석영 버너의 중앙에 있는 열 지점(7) 쪽으로 향한다. 비작동 구멍의 직경은 바람직하게는 비작동 구멍(9)과 석영 버너의 중앙에 있는 열 지점(7) 사이의 거리의 1/10과 1/2 사이이다.
비작동 구멍(9)은 공기를 작동시키도록 배열된 트랜스듀서가 없다는 점에서 작동 구멍(8)과 다르다. 대신에 비작동 구멍(9) 내의 공기는 스프링으로서 기능하는 인클로저(4) 내의 공기에 의해 구동되는 질량으로서 기능한다. 그 결과 비작동 구멍(9)에서 내부 합성 제트가 형성되고, 석영 버너의 중앙에 있는 열 지점(7)에 충돌할 것이다. 또한, 비작동 구멍에서 외부 제트가 형성된다.
각 구멍(8, 9)은 내부 제트를 증가시키기 위하여 인크로저의 내부를 향하여 테이퍼(taper)될 수 있다. 또한, 각 구멍의 에지들은 바람직하게는 와류 발산을 증진하기 위하여 예리하다. 각 구멍(8, 9)의 표면에 나선으로서 형성된 홈들을 제공하는 것에 의해 또는 인클로저 안으로 내미는 구멍(orifice) 형태의 구멍(aperture)을 갖는 것에 의해 제트의 교란(turbulence)이 더욱 증가되고 와류들의 발산이 증진될 수 있다. 각 구멍(8, 9)은 주위 환경과 통할 수 있지만, 종종 구멍(8, 9)은 인클로저 외부의 에워싸인 부피(encapsulated volume)와 통한다. 이것은 예를 들면 오염을 막기 위해 또는 UHP 램프의 버너 폭발시에 수은을 감금하기 위해 유리할 수 있다. 다르게는, 각 구멍(8, 9)은 먼지 및 오염에 대비하여 필터를 구비할 수 있다. 필터는 원격일 수 있다.
인클로저는 또한 가스 교환, 흐름 패턴 및 와류 발산을 개선하기 위해 점검 밸브들을 구비한 하나 이상의 공기 배기 장치(도시되지 않음)를 가질 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 여기서는, 스피커(10)의 배면에 링(22)이 배열된다. 링은 스피커의 내부 표면들, 관의 플랜지(24) 및 스피커 막(25)에 의해 공동(16)이 형성되도록 스피커의 배면을 밀폐한다. 공동(16)은 작동 구멍(8)을 통해 인클로저(4)와 통한다. 공동 내의 공기가 질량-스프링 시스템에서의 스프링으로서 기능하는 것을 막기에 충분할 만큼 작은 공동(16)은 제트 형성 기준을 s > raperture·Aaperture/Apump로 변경하고, 여기서
s는 (관보다는 공기를 나타내는) 트랜스듀서의 스트로크이고,
raperture는 구멍의 반경이고,
Aaperture는 구멍의 면적이고,
Apump는 작동되는 표면의 면적이다.
작동되는 표면 Apump는 여기에서 공동에 면하는 플랜지(24) 및 막(25)의 면적에 의해 형성되고, 일반적으로 작동 구멍의 면적 Aaperture의 약 50배이다. 이것은 공기를 펌핑하고 별로 크지 않은 스피커 스트로크로도 제트 형성을 증가시킨다. 간접적으로 이것은 또한 인클로저(4) 내의 부피 변화를 증가시키기 때문에 비작동 구멍(9)에 영향을 미친다.
동작 중에 광의 플랜지(24) 및 막(25)은 함께 공동 내의 공기를 펌핑한다. 코일(12) 주위의 막(25)에 가까운 공동의 부분으로부터 관의 플랜지(24)에 가까운 공동의 부분으로 공기가 흐른다. 이 흐름은 스피커 코일을 냉각시킨다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다. 여기서는 스피커(10)의 정면을 에워싸는 하우징(27)이 공동(28)을 형성하도록 스피커(10)에 공기가 통하지 않게 부착되었다. 하우징은 작동 구멍(33)을 형성하는 열린 구멍을 갖는다. 하우징(27)은 바람직하게는 UHP 램프와 매칭하는 CTE를 갖고, 예를 들면 세라믹으로 만들어질 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 하우징은 플랜지를 갖는 관의 형태일 수 있고, 관의 플랜지 상의 돌출부(19)가 스피커(10)의 외부 에지에 부착된다. 하우징(27)은 스피커 코일의 스트로크에 의해 움직이지 않는다는 점에 주목한다. 더욱이, 하우징(27)의 반사체(2)에의 연결은 바람직하게는 공기가 통하지 않는다.
공동 내의 공기가 질량-스프링 시스템에서의 스프링으로서 기능하는 것을 막기에 충분할 만큼 작은 공동(28)은 제트 형성 기준을 s > raperture·Aaperture/Apump로 변경하고, 여기서
s는 트랜스듀서의 스트로크이고,
raperture는 구멍의 반경이고,
Aaperture는 구멍의 면적이고,
Apump는 스피커 막의 면적이다.
스피커 막(25)의 면적 Apump는 여기에서 일반적으로 구멍의 면적 Aaperture의 약 50배이고, 따라서 와류 발산 및 냉각을 상당히 증가시킨다. 간접적으로 이것은 또한 인클로저(4) 내의 부피 변화를 증가시키기 때문에 비작동 구멍(9)에 영향을 미친다.
2개의 예시 실시예들에 대한 파라미터들이 아래 표 1에 명시되어 있다. 제1 예시 실시예는 도 2에 관련하여 위에 설명된 바와 같이 펌핑 공동을 갖는 진동관을 갖는 실시예를 나타낸다. 제2 예시 실시예는 도 3에 관련하여 위에 설명된 바와 같이 펌핑 공동의 전방에 배열된 스피커를 갖는 실시예를 나타낸다.
펌핑 공동을 갖는 진동관(도 2) 펌핑 공동 전방의 스피커(도 3)
초점 길이[m] 0.007 0.007
반사체 반경[m] 0.0325 0.0325
반사체 절반 길이[m] 0.0305 0.0305
반사체 절반 폭[m] 0.027 0.027
버너 반경[m] 0.0045 0.0045
버너 길이[m] 0.04 0.04
관 길이[m] 0.006 0.006
구멍 반경[m] 0.0015 0.0015
스피커 스트로크[m] 0.0012 0.0012
스피커 반경[m] 0.0107 0.0107
온도[K] 300 300
공동 부피[㎤] 1 1
(도 2에 도시된) 진공관을 갖는 실시예에서, 스피커의 공명 주파수는 바람직하게는 관(11)의 질량을 조정하는 것에 의해 헬름홀츠 공명기의 공명 주파수와 일치하도록 튜닝된다는 점에 주목한다.
냉각 장치의 비감쇠(undamped) 헬름홀츠 주파수 fH는,
Figure 112010043610582-pct00001
로서 기술될 수 있고, 여기서
V는 석영 버너의 부피를 제외한 인클로저의 부피이고,
Ai는 구멍의 단면적이고,
Li는 구멍의 길이이고,
ri는 구멍 반경이고,
i는 구멍의 번호이고,
c는 가스 내의 음의 속도(여기서는 20√T이고 T는 절대 온도(K)이다).
표 1의 파라미터들은 다음의 계산된 값들로 된다.
펌핑 공동을 갖는 진동관(도 2) 펌핑 공동 전방의 스피커(도 3)
헬름홀츠 주파수[Hz] 259 259
공기 속도[m/s] 31.07 31.69
부피 변위[㎥] 1.69·10-6 1.73·10-6
상대 부피 변위 2.2% 2.2%
품질 계수 7.8 7.8
감쇠 헬름홀츠 주파수[Hz] 251 251
음 압력[dB] 64 64
계산된 음 강도는 64 dB이다. 그러나, 실제 실험에서는 지각되는 잡음은 결국 더 작은 것임이 드러난다.
도 4는 (도 2 및 3에 관련하여 설명된) 2개의 이전의 실시예들의 조합을 도시한다. 여기서는 스피커(10)의 양쪽 측면들이 이중 액션 펄프(double action pump)를 생성하도록 밀폐되었다. 링(22)은 스피커의 내부 표면들, 관(11)의 플랜지(24) 및 스피커 막(25)에 의해 제1 공동(16)이 형성되도록 스피커(10)의 배면을 밀폐한다. 제1 공동(16)은 합성 제트가 형성되는 제1 작동 구멍(8)을 통해 인클로저(4)와 통한다. 또한, 하우징(27)은 스피커(10)의 정면을 에워싸서 제2 공동(28)을 형성한다. 하우징은 여기에서 파이프(29)에 의해 제2 작동 구멍(33)에 연결된 열린 구멍을 갖는다. 제2 작동 구멍(33)에서 형성된 추가적인 합성 제트는 석영 버너의 중앙에 있는 열 지점(7)과 같은 추가적인 열 지점을 냉각시키기 위해 이용될 수 있다. 파이프(29)의 길이를 λ/2가 되도록 함으로써(여기서 λ는 스피커(10)에 의해 생성된 속도파들의 파장이다), 양쪽 구멍들(8, 33)은 동시에 통기(breathe)하여 헬름홀츠 공명을 가능하게 할 것이다. 하우징(27)은 스피커 코일에 의해 움직이지 않는다는 점에 주목한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 작동되는 공통의 벽에 구멍을 갖는 2개의 인접한 헬름홀츠 공명기들이 존재한다. 이것은 깨끗한 재순환하는 공기에 의해 적어도 하나의 열 지점의 냉각을 허용하고, 오염 및 먼지를 막는다.
또 다른 실시예에 따르면, (예를 들면, 2중극(dipole) 또는 4중극(quadrapole)으로서 기능함으로써) 가청 잡음을 감소시키고 및/또는 다수의 열 지점들에 충돌하기 위해 이용되도록 인클로저에 배열된 2개 이상의 작동 구멍들이 존재한다. 트랜스듀서는 그 트랜스듀서의 양쪽 측면들이 통하기만 한다면 이미 그 자체로 2중극이라는 것이 인지된다. 따라서, 2개의 트랜스듀서들은 4중극을 구성할 수 있다.
도 5는 LED 백라이트를 위한 본 발명의 실시예를 도시한다. 여기서 LED 백라이트 모듈(32)은 헬름홀츠 공명기로서 기능할 수 있다. LED 백라이트 모듈(32)은 공명을 개선하고 및/또는 잡음 감소를 위한 2중극을 생성하도록 컴파트먼트들을 반대 위상(counter phase)에서 쌍으로(pair wise) 작동시키기 위해 다수의 컴파트먼트들(compartments)(각 컴파트먼트는 LED들의 서브세트를 포함함)로 분할될 수 있다. 내부 합성 제트들은 여기서 LED들의 열 싱크들에 충돌하여 대류를 강제한다.
도 6은 온도 임계적인(temperature critical)(일반적으로 최대 70-80℃) 전력 변환기의 커패시터 내의 유전체를 냉각시키기 위해 내부 합성 제트들이 이용되는, LED 스포트라이트를 도시한다.
본 발명은 주로 위에서 소수의 실시예들에 관련하여 설명되었다. 그러나, 이 기술의 숙련자에 의해 쉽게 이해되는 바와 같이, 위에 개시된 것들과 다른 실시예들이, 첨부된 청구항들에 의해 정의된, 본 발명의 범위 내에서 동등하게 가능하다.
예를 들면, 스피커 코일에 부착된 관을 이용하는 대신에, 구멍이 난 막이 트랜스듀서에 의해 작동될 수 있다. 막은, 예를 들면, 현존하는 UHP-반사체에 끼워 맞추어지도록 거울 같이 반사할 수 있다. 또 다른 대안은 구멍을 갖는 작동되는 벽일 것이다. 2개 이상의 비작동 구멍을 생략하거나 이용하는 것도 가능할 것이다. 또한, 냉각 장치는 공기만이 아니라, 다양한 액체 또는 기체 유체들의 유출을 통하여 다양한 물체들을 냉각시키기 위해 이용될 수 있다.
비록 이 장치의 공명 주파수는 설명된 실시예들에서는 100 Hz 크기 정도이었지만, 공명 주파수는 또한 동작 중에 가청 잡음이 거의 없는 것을 달성하기 위해 가청 범위 이하(음속 이하) 또는 가청 범위 이상(초음속)으로 설계될 수 있다. 또한, 이 냉각 장치는 WO 2005/027569에 개시된, 자동 공명 주파수 튜닝을 포함할 수 있다.

Claims (15)

  1. 물체(5)를 냉각하기 위한 합성 제트 냉각 장치(synthetic jet cooling device)(1)로서,
    속도파들(velocity waves)을 생성하도록 적응된 트랜스듀서(transducer)(10), 및
    작동 구멍(actuated aperture)(8)을 통해 상기 속도파들을 받도록 배열된 인클로저(enclosure)(4)를 포함하고,
    상기 인클로저(4)는, 상기 작동 구멍(8)에서, 상기 인클로저(4)의 내부에 내부 합성 제트를 생성하기에 충분할 만큼 크고, 상기 인클로저(4) 및 상기 작동 구멍(8)은 상기 트랜스듀서(10)에 의해 작동되는 공명하는 질량-스프링 시스템(resonating mass-spring system)으로서 기능하도록 디멘전(dimension)될 수 있고, 상기 인클로저(4) 내의 유체는 스프링으로서 기능하고, 상기 작동 구멍(8) 내의 유체는 질량으로서 기능하며, 상기 인클로저(4)는 상기 물체(5)를 포함하도록 배열되고, 그에 의해 상기 내부 합성 제트에 의해 상기 물체(5)의 냉각을 가능하게 하고,
    상기 작동 구멍은 상기 물체(5) 쪽으로 향하여 상기 합성 제트가 상기 물체(5)로 향하도록 하는 것을 특징으로 하는 합성 제트 냉각 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 작동 구멍(8)의 직경은 상기 작동 구멍과 상기 냉각되는 물체 사이의 거리의 1/10과 1/2 사이인 합성 제트 냉각 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 트랜스듀서(10)를 포함하는 스피커의 공명 주파수 및 상기 인클로저(4) 및 상기 작동 구멍에 의해 형성된 상기 질량-스프링 시스템의 공명 주파수는 이중(double) 질량-스프링 시스템을 형성하도록 적응되는 합성 제트 냉각 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 트랜스듀서(10)의 스트로크(stroke)는 상기 작동 구멍의 반경보다 더 큰 합성 제트 냉각 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 트랜스듀서(10)에 의해 도입되는 부피 변화는 상기 인클로저의 부피의 1% 이상인 합성 제트 냉각 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 작동 구멍(8, 33)을 통해 상기 인클로저(4)와 통하는 적어도 하나의 공동(cavity)(16, 28)을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 공동(16, 28) 내의 유체는 상기 트랜스듀서(10)에 의해 작동되고, 상기 적어도 하나의 공동(16, 28)은 그 안의 유체가 질량-스프링 시스템에서 스프링으로서 기능하는 것을 막기에 충분할 만큼 작고, 상기 트랜스듀서에 의해 작동되는 표면과 상기 적어도 하나의 구멍의 표면 사이의 표면 비율이 50 이상인 합성 제트 냉각 장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 구멍(8)은 상기 트랜스듀서(10)에 의해 작동되는 부재에 배열되고, 상기 부재는 벽, 막(membrane) 또는 관(tube)(11)인 합성 제트 냉각 장치.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 구멍(8)은 상기 트랜스듀서(10)를 포함하는 스피커의 스피커 코일(12)에 부착된 관(11)의 구멍(bore)인 합성 제트 냉각 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 스피커는 밀폐된 배면(closed back)을 갖고, 그것에 의해 상기 스피커의 내부 표면들, 상기 관의 플랜지(flange)(24), 및/또는 스피커 막(loudspeaker membrane)(25)에 의해 제1 공동(16)이 형성되는 합성 제트 냉각 장치.
  10. 제6항에 있어서, 상기 트랜스듀서(10)의 정면을 에워싸는 하우징(27)을 더 포함하고, 그에 의해 제2 공동(28)이 형성되는 합성 제트 냉각 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2 공동(28)은 λ/2의 길이를 갖는 파이프(29)를 통해 상기 제2 작동 구멍(33)에 연결되고, λ는 상기 트랜스듀서(10)를 포함하는 스피커에 의해 생성된 속도파들의 파장인 합성 제트 냉각 장치.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인클로저(4)는 상기 인클로저(4)의 내부에 추가적인 내부 합성 제트를 생성하도록 적응된 적어도 하나의 비작동 구멍(non-actuated aperture)(9)을 포함하는 합성 제트 냉각 장치.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 합성 제트 냉각 장치(1) 및 상기 합성 제트 냉각 장치(1)에 의해 냉각될 상기 인클로저(4)의 내부에 배열된 전자 컴포넌트들(5)을 포함하는 전자 장치.
  14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 합성 제트 냉각 장치(1)를 포함하는 조명 장치로서, 상기 조명 장치는 상기 합성 제트 냉각 장치(1)에 의해 냉각될 상기 인클로저(4)의 내부의 열 지점들(hot spots)을 갖는 조명 장치.
  15. 삭제
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